基于大數(shù)據(jù)分析的智慧水電站平臺建設

劉小錕,冉洪偉,李 琛

(1.三峽水利樞紐梯級調度通信中心，湖北 宜昌 443002； 2.智慧長江與水電科學湖北省重點實驗室，湖北 宜昌 443002)

0 引 言

互聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能的發(fā)展對傳統(tǒng)發(fā)電行業(yè)產(chǎn)生了深遠的影響，促使發(fā)電企業(yè)不斷向新一代智慧電廠的建設轉型和創(chuàng)新[1]。智慧電站建設已經(jīng)成為各發(fā)電企業(yè)新的發(fā)展趨勢，作為現(xiàn)階段提升電站運維管理水平的方向，各單位開展了積極探索。

按照生產(chǎn)自動化程度，可將國內電廠的建設歷程分為傳統(tǒng)自動化電廠、數(shù)字化電廠、智能化電廠、智慧電廠等主要發(fā)展階段[2-3]。王鵬[4]、陳春武等[5]、華志剛等[6]指出了智慧電廠從數(shù)字化電廠發(fā)展而來，劉吉臻等[7]、張晉賓等[8]、崔青汝等[9]描述了智能電廠的體系架構，潘玉松等[10]對智慧電廠建設方向和架構體系展開設想。

智慧水電建設從“物理電廠”的生產(chǎn)過程、物理對象、業(yè)務流程、環(huán)境條件的數(shù)字化處理開始，進行水電生產(chǎn)管理各個環(huán)節(jié)的業(yè)務量化，再通過生產(chǎn)數(shù)據(jù)中心與高速數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡完成多源海量數(shù)據(jù)的集成集中，并在此基礎上構建以“態(tài)勢感知、多維分析、趨勢預測、風險預警、遠程控制”等為主要特征的統(tǒng)一平臺，實現(xiàn)集“數(shù)據(jù)、監(jiān)測、運檢、調度、算法”于一體的新型“云端電廠”[11]。相比于現(xiàn)有電站運行模式，智慧電站具備高度智能化，充分利用大數(shù)據(jù)處理和分析技術、人工智能技術等現(xiàn)代科技手段，最大限度地實現(xiàn)電站安全、經(jīng)濟、高效、環(huán)保運行。

本文介紹了當前國內主流電站運行管理現(xiàn)狀，提出通過整合現(xiàn)有零散監(jiān)測系統(tǒng)，利用人工智能、大數(shù)據(jù)分析等先進技術，不斷開發(fā)各種高階應用的方式，激活各存儲介質內的海量休眠數(shù)據(jù)，從而大大提高電站運行管理效率和智能化水平，可為智慧電站建設和升級提供借鑒。

1 電站運行管理基本現(xiàn)狀

當前國內主流電站基本形成了以計算機監(jiān)控系統(tǒng)為主體，加上機組振擺監(jiān)測系統(tǒng)、變壓器油氣監(jiān)測系統(tǒng)等電站子監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對全電站所有主輔設備的監(jiān)測、運行、維護和管理。

電站各監(jiān)測系統(tǒng)往往是根據(jù)單一系統(tǒng)或單一目標搭建獨立運行的，各系統(tǒng)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)存儲于各獨立數(shù)據(jù)庫。這樣在電站實際運行管理中特別是在數(shù)據(jù)資源使用過程中就會暴露不少問題。各生產(chǎn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)單獨存儲、各自定義，無法有效連接，數(shù)據(jù)分散，數(shù)據(jù)分析利用效率低下，需要人工提取分析，工作量大，對工作人員自身素質的要求也比較高。

實現(xiàn)對設備狀態(tài)的準確評估，盡早發(fā)現(xiàn)設備缺陷，精準定位故障點，并給出行之有效的解決辦法是電站運行管理的目標。在現(xiàn)有條件下，通過大數(shù)據(jù)等新技術手段的應用，將各個孤島數(shù)據(jù)庫整合起來，通過一定的邏輯、模型進行分析處理，不僅能實現(xiàn)設備狀態(tài)的準確評估和缺陷故障的提早診斷，還能把人從繁雜的數(shù)據(jù)提取分析工作中解放出來，大大地提高運行管理水平。以自動化、數(shù)字化、信息化為基礎，多方面支持電站工作人員進行設備運行信息統(tǒng)計、分析和故障預判斷，實現(xiàn)安全、穩(wěn)定、高效運行的智能化電站建設。

2 大數(shù)據(jù)平臺建設

智慧電站建設離不開數(shù)據(jù)支撐，電站智慧平臺建設首要任務是構建大數(shù)據(jù)平臺?；陔娬緦嶋H情況，將電站離散的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一規(guī)劃、存儲，搭建統(tǒng)一在線監(jiān)測系統(tǒng)，即形成整合大數(shù)據(jù)平臺。整合的子系統(tǒng)包括機組振擺監(jiān)測及發(fā)電機氣隙監(jiān)測系統(tǒng)、變壓器油氣在線監(jiān)測、發(fā)電機局放在線監(jiān)測、電站趨勢分析系統(tǒng)等，滿足實現(xiàn)電站所有主輔設備近乎全覆蓋監(jiān)測的數(shù)據(jù)要求。

2.1 平臺架構

整合大數(shù)據(jù)平臺的系統(tǒng)集成遵循安全性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟性、開放性原則，由現(xiàn)地層、數(shù)據(jù)采集層和廠站應用層3部分組成。

(1) 現(xiàn)地層由各在線監(jiān)測子系統(tǒng)組成。

(2) 數(shù)據(jù)采集層主要功能如下：① 接收現(xiàn)地層各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)；② 執(zhí)行數(shù)據(jù)源時間同步；③ 轉換并統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式；④ 制定數(shù)據(jù)傳輸方式，開發(fā)通訊接口將本層數(shù)據(jù)傳送至廠站應用層。

(3) 廠站應用層為數(shù)據(jù)實際應用環(huán)節(jié)：① 設備評估及診斷服務器群接收來自數(shù)據(jù)采集層服務器的數(shù)據(jù)，并接收離線錄入的數(shù)據(jù)；② 對數(shù)據(jù)進行分析計算，將原始數(shù)據(jù)及計算結果一并存儲于磁盤陣列；③ WEB服務器為MIS用戶提供趨勢分析、靜態(tài)畫面顯示、報表設計與查詢等服務。應用層配置數(shù)據(jù)綜合管理工具，整合大數(shù)據(jù)平臺整體架構如圖1所示。

圖1 整合大數(shù)據(jù)平臺架構Fig.1 Integrated big data platform architecture

2.2 平臺技術特點

大數(shù)據(jù)分析平臺采用模塊化架構，主要表現(xiàn)在：① 數(shù)據(jù)采集平臺至少由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、實時SQL引擎、數(shù)據(jù)計算、分布式協(xié)助服務、流程化調度器、行業(yè)算法庫、監(jiān)控及配置管理平臺、數(shù)據(jù)可視化和探索、BI開發(fā)套件模塊等模塊組成；② 所有功能模塊可根據(jù)需求進行增減與升級。

大數(shù)據(jù)分析平臺必須擁有的模塊及其功能：① 數(shù)據(jù)采集模塊至少帶有一個標準協(xié)議庫，應集成103、104、IEC61850等電網(wǎng)標準協(xié)議解析程序，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速接入；② 數(shù)據(jù)儲存模塊至少帶有3種存儲組件，可對數(shù)據(jù)分別進行文件形式、關系數(shù)據(jù)庫形式、nosql形式儲存；③ 數(shù)據(jù)可視化和探索模塊應提供豐富的圖元庫，例如折線圖、柱狀圖、散點圖、K線圖、餅圖、雷達圖，以便開發(fā)人員直接調用進行數(shù)據(jù)的可視化展現(xiàn)；④ 監(jiān)控及配置管理平臺模塊應基于Web圖形化界面的向導式安裝、一站式的集成監(jiān)控及管理工具，降低大數(shù)據(jù)平臺的搭建及運維難度和成本。

3 基于大數(shù)據(jù)平臺的高級應用

整合大數(shù)據(jù)平臺高級應用系統(tǒng)研發(fā)遵循安全性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟性、開放性的原則。① 安全性體現(xiàn)在數(shù)據(jù)安全和網(wǎng)絡安全。② 穩(wěn)定性主要體現(xiàn)在數(shù)據(jù)信息存儲、傳輸、讀取過程中的快速反應。系統(tǒng)開展數(shù)據(jù)高級應用設計，在滿足系統(tǒng)安全防護要求的基礎上，應充分考慮系統(tǒng)的冗余度，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠。③ 數(shù)據(jù)高級應用開發(fā)經(jīng)濟性原則即充分利用現(xiàn)有資源，使用數(shù)據(jù)平臺提供的數(shù)據(jù)接口進行數(shù)據(jù)挖掘，切實服務電力生產(chǎn)，逐步實現(xiàn)設備診斷分析工作減少人、代替人、超越人的目標。④開放性原則即高級應用模塊由具有不同功能微組件以“搭積木”的方式組成，微組件是可移植、可復用的模塊，電廠維護人員可根據(jù)運行經(jīng)驗以及不同系統(tǒng)和設備特性進行組合、配置。微組件既可以是在設備運行、維護、狀態(tài)評估、故障診斷的技術、知識、經(jīng)驗等基礎上建立的物理機理模型，也可以是將當前的大數(shù)據(jù)常用的統(tǒng)計、人工智能算法、異常檢測、歸一化處理、數(shù)據(jù)聚類、關聯(lián)和預測等數(shù)據(jù)處理方法標準化后的數(shù)據(jù)分析模塊。

3.1 可定制機組狀態(tài)智慧運行平臺

針對運行人員實際需求，將當前人工分析內容標準化、自動化、智能化，并自動完成機組設備的機組狀態(tài)實時巡檢與報警，狀態(tài)分析的報表分析、閾值分析、趨勢分析及異常狀態(tài)關聯(lián)分析，實現(xiàn)智慧運行，解放人力，提高效率，更好地為機組狀態(tài)分析、故障診斷提供客觀依據(jù)。

3.1.1 設備狀態(tài)實時自動巡檢及智能告警

以整合大數(shù)據(jù)平臺集成的監(jiān)測數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，以各類分析算法與模型為支撐，實現(xiàn)水電站設備狀態(tài)的全方位實時自動巡檢，巡檢范圍覆蓋全廠水輪機、發(fā)電機、變壓器、調速器、勵磁調節(jié)器、頂蓋排水系統(tǒng)、檢修排水系統(tǒng)等各類設備和系統(tǒng)。

(1) 設備運行狀態(tài)巡檢。巡檢不同在線監(jiān)測系統(tǒng)得到的各種狀態(tài)數(shù)據(jù)，結合當前的運行工況，正確判斷監(jiān)測數(shù)據(jù)是否異常，實現(xiàn)智能告警。如振擺系統(tǒng)報警閾值區(qū)分機組穩(wěn)態(tài)工況和暫態(tài)工況等。

(2) 設備或系統(tǒng)性能的巡檢。根據(jù)設備或系統(tǒng)特性，計算、提取表征其性能特性的特征值，與正常特性(經(jīng)驗特性值或最近一次特性數(shù)值)自動進行比較和匹配，發(fā)現(xiàn)異常及時進行提醒或報警。例如對調速器壓油泵加載間隔時間進行巡檢，機組穩(wěn)定運行時，綜合考慮機組有功、主用調速器、壓油罐壓力油位等參數(shù)，實時計算壓油泵加載間隔時間值，跟運行經(jīng)驗值進行比較，發(fā)現(xiàn)不匹配即報警。

(3) 告警及預警。在自動巡檢各種監(jiān)測數(shù)據(jù)的基礎上，根據(jù)設備運行經(jīng)驗數(shù)據(jù)(或系統(tǒng)自學習智能算法數(shù)據(jù))，設置重要參數(shù)測點的閥值告警功能。所有報警閾值可根據(jù)設備不同運行工況計算，也可根據(jù)運維人員經(jīng)驗設定，具有很強的自適應性。自動巡檢還能根據(jù)數(shù)據(jù)的變化趨勢發(fā)出預警提示(趨勢預警)，在萌芽狀態(tài)及時發(fā)現(xiàn)設備異常，預防重大故障的發(fā)生。結合設備運行特性及模型，采用智能趨勢算法(如聚類分析算法等)，對設備變化趨勢(如緩變量)、變化率異常自動識別并及時產(chǎn)生告警，解決機組漏水、漏油、軸承溫度緩慢異常變化等問題。同時，該算法支持人工定置組態(tài)，并提供組態(tài)配置界面接口。機組瓦溫趨勢預警如圖2所示。

圖2 機組瓦溫趨勢預警Fig.2 Warning of bearing temperature trend of unit

(4) 報警事件推送。根據(jù)用戶角色不同，以分級報警彈窗、短信或郵件推送等方式向相關責任人員推送報警信息。對重要報警信息可產(chǎn)生語音提示，提醒相關人員進行應急處置，同時聯(lián)動圖像監(jiān)控系統(tǒng)，幫助運行人員第一時間了解現(xiàn)場情況。

(5) 應急處置措施提醒。當發(fā)現(xiàn)較為嚴重的報警信息時，直接提醒運行人員需要進行的安全檢查及正確的處置措施，避免因人為原因造成事故的進一步擴大。

3.1.2 智能報表及報告

以整合大數(shù)據(jù)平臺集成的監(jiān)測數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，以運行人員運行分析經(jīng)驗和相應的模型與算法為支撐，自動生成水電站運行分析報表。在此基礎上，提供豐富的分析功能，如閾值分析、趨勢分析、異常狀態(tài)關聯(lián)、對比分析、棒圖分析等智能分析機組的健康狀態(tài)。

根據(jù)可配置的計算規(guī)則，提供多種分析方法，直觀、清晰、簡潔地展示機組設備的當前狀態(tài)、橫向和縱向的變化趨勢。報表分析應根據(jù)運行經(jīng)驗描述明確的結論，若有異常，提示運行人員需重點關注的內容及應采取的應對措施。

平臺能夠對機組整體、機組各子系統(tǒng)(勵磁系統(tǒng)、調速系統(tǒng)等)、公用系統(tǒng)設備(排水系統(tǒng)、氣系統(tǒng)等)的總體運行工況進行狀態(tài)評價，自動生成評價與分析報告。

通過對機組運行經(jīng)驗的總結，提煉相關評價指標，結合設備的歷史運行規(guī)律(開停機規(guī)律，運行趨勢分析)、缺陷等級和數(shù)量、精品/優(yōu)良機組的運行指標等對設備進行細化評分，建立評價模型。

平臺綜合各種評價模型及趨勢預測結果，并結合智能分析報表中的相關報告內容，對每臺機組總體運行狀況進行評價，并按照預設標準模版自動生成機組整體運行情況評價報告。用戶可調取每臺機組評價報告，直觀獲取機組運行過程中重要運行指標、與精品機組相比的差異值、需要觀察與處理的缺陷、重要設備的運行趨勢情況、以及評價得分與扣分等信息。報告也可以提供相關建議供運行人員參考。

3.2 基于機組工況的設備性能分析平臺

實時自動識別機組工況狀態(tài)(包括停機等待過程、開機過程、同期過程、負載穩(wěn)定過程、正常停機過程等)、記錄工況數(shù)據(jù)及計算機組工況性能指標，通過運行狀態(tài)異常檢測及性能降低與越限檢測分析，實現(xiàn)機組設備實時在線監(jiān)測分析和機組健康狀況的評估。

根據(jù)工況定義，此平臺可在機組試驗及日常運行過程中，自動識別機組工況，記錄工況過程中關注的原始數(shù)據(jù)，并依據(jù)相應標準、規(guī)程與專家經(jīng)驗，自動計算工況過程的性能指標。同時對比正常的工況性能指標，自動評估性能品質及變化趨勢，及時發(fā)送報警或預警信息，統(tǒng)一歸入自動巡檢。同時整個工況過程可以自動生成完整的試驗報告進行存檔。機組開機過程曲線如圖3所示。

圖3 機組開機過程曲線Fig.3 Start-up process curve of unit

3.3 基于數(shù)據(jù)整合平臺的機組設備狀態(tài)診斷

依托大數(shù)據(jù)整合平臺，錄入各種設備評估所需的離線數(shù)據(jù)，建立部分設備診斷模型，及時發(fā)現(xiàn)設備異常狀況；自動生成機組狀態(tài)評估報表，為機組的狀態(tài)檢修提供依據(jù)[12-14]。

在大數(shù)據(jù)整合平臺上集成設備診斷評估的各類離線數(shù)據(jù)，如機組試驗數(shù)據(jù)、巡檢數(shù)據(jù)、生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)中的設備缺陷數(shù)據(jù)和結構化報告等，實現(xiàn)機組設備全方位數(shù)據(jù)的自動調用、查詢、顯示和協(xié)同分析。以機組設備全方位數(shù)據(jù)為基礎，結合機組實際運行狀況，建立設備狀態(tài)評估模型，自動生成機組設備年度評估報告，避免人為因素的影響，為機組狀態(tài)檢修提供可靠依據(jù)。依托整合平臺數(shù)據(jù)，建立開放式故障診斷模型，運維人員可以結合電廠設備維護經(jīng)驗、業(yè)內標準診斷算法、最新的診斷技術等，自定義設備故障診斷模型。針對部分設備采用三維故障診斷模型仿真，及時發(fā)現(xiàn)和找到異常現(xiàn)象根源。

4 結 語

基于大數(shù)據(jù)分析的智慧平臺能全面提升水電廠生產(chǎn)管理的智能化水平，充分解放人力資源，提高機組運行安全性、可靠性，提升企業(yè)效益。本文從當前國內水電站生產(chǎn)實際出發(fā)，提出了在現(xiàn)有條件下進行智慧電站建設的一種方式或方向。學習型、成長型是智慧電站的發(fā)展要求，在生產(chǎn)實際中，通過開發(fā)出更加科學有效并貼合生產(chǎn)的高級應用，例如機器人、圖像監(jiān)控、火災報警與消防系統(tǒng)的聯(lián)動控制等等，從而不斷豐富和優(yōu)化智慧平臺。智慧電站建設是一個長期過程，如何優(yōu)化邏輯算法使得機組狀態(tài)評價無限接近真實狀態(tài)，準確診斷機組狀態(tài)并給出最優(yōu)運行維護方案，通過整合人工智能技術實現(xiàn)“規(guī)律發(fā)現(xiàn)”和“知識發(fā)現(xiàn)”等，需要不斷探究。