萬 元 ，魏志鵬

（1.五凌電力有限公司，湖南 長沙 410004；2.中國水利水電科學研究院，北京 100038）

0 引言

實現(xiàn)水電廠由傳統(tǒng)的‘計劃維修’方式到更科學的‘狀態(tài)檢修’方式轉(zhuǎn)變，是國內(nèi)乃至國際水電行業(yè)多年來一直為之奮斗的目標。而要實現(xiàn)‘狀態(tài)檢修’，機組及公用開關(guān)站運行數(shù)據(jù)的積累、分析是一個必經(jīng)階段。實時監(jiān)測和定性定量分析是此后中國水電事業(yè)發(fā)展的必經(jīng)之路[1]。

由于梯級水電廠群遠程集控系統(tǒng)收集了遠程水電廠幾乎全部的狀態(tài)數(shù)據(jù)，這些信息能夠反映水電廠設備的運行健康狀態(tài)，因此有必要利用遠程集控系統(tǒng)收集的海量信息，建立的一套遠程狀態(tài)診斷系統(tǒng)，該狀態(tài)監(jiān)測子系統(tǒng)將計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)引入設備狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷領(lǐng)域，是一種通過計算機網(wǎng)絡連接將分布于各機組及公用開關(guān)站的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集監(jiān)測及分析診斷系統(tǒng)，實現(xiàn)對水電廠設備運行狀況的在線監(jiān)測，既可以實時反映設備運行狀態(tài)，也可以對設備進行遠程診斷分析，以豐富的專家經(jīng)驗支持電廠運行，并提供檢修指導。即可在電站局域網(wǎng)內(nèi)進行監(jiān)測及分析，也可以在互聯(lián)網(wǎng)上遠程使用狀態(tài)監(jiān)測及趨勢分析系統(tǒng)[2]。

五凌電力有限公司（以下簡稱：五凌公司）積極推進梯級水電廠群遠程集控系統(tǒng)建設[3]，本文以此為契機，規(guī)劃了水電廠設備遠程狀態(tài)監(jiān)測的主要功能，并在五凌公司梯級電廠遠程集控系統(tǒng)上建立了狀態(tài)監(jiān)測子系統(tǒng)，設計了相應硬件平臺與軟件平臺，目前，該子系統(tǒng)中泵設備遠程監(jiān)測與分析功能已經(jīng)投入試運行，成功地檢測出遠程水電廠的兩次故障。

1 狀態(tài)監(jiān)測子系統(tǒng)功能規(guī)劃

梯級水電廠遠程集控系統(tǒng)幾乎收集了水電廠機組及輔助設備運行的狀態(tài)數(shù)據(jù)，目前，對于國內(nèi)已建成的遠程集控系統(tǒng)主要是為實現(xiàn)水電廠的遠程實時控制，沒有對狀態(tài)進行評價分析，只能給出實時報警或者一些簡單信息的趨勢分析，這無疑造成了信息的浪費。因此，有必要對遠程集控系統(tǒng)收集的信息實施深層次的分析，以評價水電廠機組及輔助設備的運行狀態(tài)，最終實現(xiàn)遠程故障診斷，提高水電廠的自動化維護水平。水電廠設備遠程狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷的具體原理見圖1所示。

圖1 水電廠設備遠程狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷原理

主要通過以下兩個步驟實現(xiàn)水電廠設備遠程診斷與分析。

（1）結(jié)合專家經(jīng)驗、現(xiàn)地試驗結(jié)果、典型案例分析結(jié)果等信息，采用關(guān)聯(lián)分析、對比分析等多種策略，對集控系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)庫進行離線分析與總結(jié)，抽象出水電廠設備遠程診斷的運行特征提取策略與遠程分析與診斷策略。

（2）利用運行特征提取策略從集控系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)庫中提取反映機組運行健康狀態(tài)的特征信息，利用分析與診斷策略對提取的特征進行計算與分析，最終評價水電廠設備的運行健康狀態(tài)，實現(xiàn)故障診斷。

目前，已設計的水電廠設備遠程診斷和分析的功能包括以下幾方面。

1）結(jié)合機組水頭、負荷等運行狀態(tài)，對油泵、備用油泵、漏油泵、技術(shù)供水泵、取水泵、各種氣泵、各種排水泵等啟/停時間的統(tǒng)計，根據(jù)泵啟/停時間及專家定義的閾值，對泵的運行狀態(tài)進行自動診斷。

2）在油泵啟動過程中，對油位上升速度進行分析，以評價油泵的健康狀態(tài)；在油泵停止過程中，分析壓油槽油位的下降速度，以檢測是否存在漏油故障；根據(jù)高壓油箱補氣過程中油壓上升速度，以評價氣泵的補氣性能，根據(jù)高壓油箱非補氣過程中油壓的下降速度，診斷是否存在嚴重的漏氣故障；

3）結(jié)合振動擺度測量裝置，分析在各種水頭、機組負荷下，機組大軸擺度、上下機架及定子鐵心及機架振動、尾水壓力及渦殼壓力等信息量的特性，診斷機組是否存在運行穩(wěn)定性故障。

4）在機組運行時，自動計算上導油箱油位、下導油箱油位、水導油箱油位，推力油箱油位每日的下降速度，診斷是否存在相應設備的漏油事故；在機組運行時，當頂蓋排水泵處于停泵狀態(tài)下，計算頂蓋積水水位的上升速度，檢測頂蓋密封情況，統(tǒng)計頂蓋排水泵工作過程中，頂蓋水位的消落速度，評價頂蓋排水泵的排水性能。

5）建立機組溫度分析策略，實現(xiàn)測溫回路故障的自動診斷功能，分析機組定子鐵心及線圈溫度、導軸承溫度等與機組視在功率的關(guān)系，完成溫度異常的自動診斷。分析主變繞組與主變視在功率、周圍環(huán)境溫度的關(guān)系，比較在同視在功率下主變繞組的溫度變化趨勢，實現(xiàn)主變故障的有效診斷。

要實現(xiàn)水電廠設備的遠程狀態(tài)監(jiān)測，首先必須建立相應的專家診斷知識庫，建立狀態(tài)特征與相應故障的對應關(guān)系，并以此為基礎(chǔ)，實現(xiàn)準確的故障診斷與故障原因定位。

目前，已建立了壓油泵、備用壓油泵異常啟停的與故障對應關(guān)系。具體見表1所示[1]。

表1 壓油泵、備用壓油泵異常啟停與故障對應表

因此，實時采集壓油泵、備用壓油泵啟停時間，根據(jù)表1中列出的壓油泵、備用壓油泵異常啟停的與故障對應關(guān)系，便可有效診斷機組相應的故障。

2 系統(tǒng)硬件及軟件

2.1 硬件平臺

狀態(tài)監(jiān)測子系統(tǒng)以大型數(shù)據(jù)庫Oracle 10g為數(shù)據(jù)倉庫，以H9000 V4.0計算機監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)為主要監(jiān)測分析數(shù)據(jù)來源。為了擴展系統(tǒng)功能，系統(tǒng)為在線監(jiān)測、故障診斷等系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)接入功能，可將其它系統(tǒng)的數(shù)據(jù)安全高效接入本系統(tǒng)。

系統(tǒng)具有遠程分析功能，可同時使用多臺WEB發(fā)布服務器聯(lián)合運行以提高系統(tǒng)可靠性，各WEB服務器采用IIS 6.0 Internet信息服務單元為趨勢分析系統(tǒng)提供Web數(shù)據(jù)服務，可滿足大量用戶同時使用。為了減輕Web服務器負擔，保證系統(tǒng)長期可靠運行，Web服務器只提供數(shù)據(jù)檢索及部分數(shù)據(jù)操作與高級趨勢分析等服務，一般的數(shù)據(jù)分析等數(shù)據(jù)運算處理由客戶端完成，從而提高了服務器的可靠性及時效性，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

系統(tǒng)的具體硬件結(jié)構(gòu)見圖2所示：

圖2 系統(tǒng)硬件平臺網(wǎng)絡拓撲圖

在安全III區(qū)建立系統(tǒng)的硬件平臺（數(shù)據(jù)分析服務器），符合《電力系統(tǒng)二次安防若干規(guī)定》。建立系統(tǒng)平臺的根據(jù)包括以下幾個方面[2]：

（1）數(shù)據(jù)分析服務器是課題研究的物質(zhì)基礎(chǔ)，集中監(jiān)控系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)通過站內(nèi)通訊服務器經(jīng)正向隔離裝置發(fā)送到數(shù)據(jù)分析服務器，作為數(shù)據(jù)分析服務器的實時數(shù)據(jù)來源。

（2）集中監(jiān)控系統(tǒng)安全III區(qū)建立了web數(shù)據(jù)庫服務器，數(shù)據(jù)分析服務器可以從web數(shù)據(jù)庫服務器中獲得歷史數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)對各種電力設備的運行信息進行歷史趨勢反演，找到趨勢劣化的嫌疑設備，實現(xiàn)遠程故障診斷。

（3）WEB發(fā)布服務器通過防火墻對數(shù)據(jù)庫服務器進行數(shù)據(jù)存取，用戶只需要訪問WEB服務器，即可實現(xiàn)對泵設備進行遠程監(jiān)測與診斷分析。

（4）遠程集控中心收集電廠遠程數(shù)據(jù)的方法則是通過兩臺遠程通信服務器實現(xiàn)，遠程通信服務器通過電力專用通信通道（主用通道）和電信專用通信通道（備用通道）與電廠監(jiān)控系統(tǒng)相連，接收各個電廠監(jiān)控系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)，電廠監(jiān)控系統(tǒng)與遠程通信服務器采用IEC60870-5-104協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。

2.2 軟件平臺

軟件采用VC#2005設計，系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)融合了B/S與C/S結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，成功地解決了單獨采用B/S或C/S結(jié)構(gòu)不能完全滿足要求的問題[4]。軟件平臺設計采用全開放式軟件設計方法，故障類型、檢測條件與方法、邏輯推理機制、故障定位準則等全部可在后臺配置，前臺軟件僅顯示診斷結(jié)果，從而增加了軟件的靈活性。整個軟件平臺分為配置軟件，后臺軟件與客戶端軟件。

（1）配置軟件設計

考慮到系統(tǒng)需要有良好的擴展性、通用性及可移值性，狀態(tài)監(jiān)測子系統(tǒng)的所有參數(shù)設置及相關(guān)量條件設置采用獨立的軟件設計，用戶可以通過WEB或應用程序進行靈活配置。數(shù)據(jù)點的選取及各參數(shù)配置設置豐富、配置靈活、使用方便，友好的人機交互界面，滿足現(xiàn)場專家的需求。圖3為泵故障類型配置軟件。

圖3 泵故障類型配置

（2）后臺分析軟件設計

后臺分析軟件運行在后臺分析診斷服務器，由于是后臺運行，因此要求軟件安全、可靠、報警準確。在設計開發(fā)本軟件時，通過了詳細的分類分析處理及多種容錯方法，使軟件具有高度的安全可靠性，能夠根據(jù)用戶的配置實時、準確診斷泵設備，為前臺客戶端提供可靠的分析診斷數(shù)據(jù)等，經(jīng)過一段的測試運行證明后臺分析診斷準確可靠。

（3）客戶端程序界面設計

客戶端軟件是人機交互的主要界面，因此要求軟件設計除具有安全可靠外，還需要有友好的人機交互，能夠適應不同用戶的需要，既要功能豐富又要操作簡便。為了使系統(tǒng)具體良好的通用性、可擴展性，在設計時使用了通用配置文件，用戶不需要單獨為客戶端界面做額外的配置工作，只要配置了泵數(shù)據(jù)，就可以在客戶端方便的監(jiān)測各泵設備的實時數(shù)據(jù)及后臺實時診斷數(shù)據(jù)，并可以自定義界面外觀等。軟件主界面友好簡潔，但這并不意味著功能單一，用戶可以在需要時從界面上查看更為詳細的啟停統(tǒng)計圖形、啟停詳細數(shù)據(jù)表、故障類型參數(shù)等，很好的滿足了用戶的需求。圖4為泵設備遠程狀態(tài)監(jiān)測的客戶端主界面。

圖4 泵設備遠程狀態(tài)監(jiān)測的客戶端主界面

3 系統(tǒng)的工程試運行

目前，本文建立的水電廠設備遠程狀態(tài)監(jiān)測子系統(tǒng)中泵設備遠程監(jiān)測與分析功能已經(jīng)投入試運行，成功地檢測出遠程水電廠的兩次故障。

五凌公司某水電廠的高壓氣系統(tǒng)包括高壓氣罐氣壓與高壓氣機（共三臺輪換啟動），2011-6-23日02:41:00，1號高壓氣機啟動后，持續(xù)運行30 min后不停運，在1號泵運行過程中，高壓氣罐氣壓在泵開始啟動過程中持續(xù)上升，上升到快接近停泵壓力后，即使1號高壓氣機啟動，壓力值卻持續(xù)降低，高壓氣機的運行無法使高壓氣罐到達停泵壓力，并且，在該段時間內(nèi)，該水電廠（共裝有4臺機組）1號～4號機組的補氣閥沒有開啟，即高壓氣罐沒有向1號～4號機組的調(diào)速壓油槽裝置補氣，啟動狀態(tài)監(jiān)測子系統(tǒng)對相應的歷史數(shù)據(jù)進行檢測，檢測結(jié)果如圖5所示，系統(tǒng)監(jiān)測的結(jié)果與現(xiàn)場維護人員的人工監(jiān)測結(jié)果完全一致，都診斷為高壓氣系統(tǒng)漏氣故障。

同一水電廠2011-6-23日15:14:46時刻，在1 h之內(nèi)，3號、1號高壓氣機連續(xù)啟動，泵啟動的間隔時間短，高壓氣罐氣壓力下降速度很快，并且，在該段時間內(nèi)，該電廠1號～4號機組的補氣閥沒有開啟，即高壓氣罐沒有向1號～4號機組的調(diào)速壓油槽裝置補氣，啟動高壓氣系統(tǒng)遠程分析平臺對相應的歷史數(shù)據(jù)進行檢測，檢測結(jié)果如圖5所示，系統(tǒng)監(jiān)測的結(jié)果與現(xiàn)場維護人員的人工監(jiān)測結(jié)果完全一致，都診斷為高壓氣系統(tǒng)漏氣故障。

圖5 故障診斷結(jié)果

通過電廠兩次實際故障的有效檢測，證明了本文建立的狀態(tài)監(jiān)測子系統(tǒng)的有效性。

4 結(jié)語

鑒于實施狀態(tài)檢修是是國內(nèi)外水電行業(yè)多年來重點研發(fā)的項目這一情況，本文提出了利用梯級水電廠遠程集控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源構(gòu)建水電廠遠程狀態(tài)監(jiān)測平臺的新思路，規(guī)劃了系統(tǒng)的功能，構(gòu)建了狀態(tài)監(jiān)測子系統(tǒng)的硬件平臺與軟件平臺，從應用情況上來說，效果較為明顯，不僅節(jié)約了工程成本，避免了信息的浪費，還為計算機監(jiān)控系統(tǒng)的研制者提供了一種新的設計思路。目前，狀態(tài)監(jiān)測子系統(tǒng)的部分功能已投入試運行，效果良好。

當前，水電廠設備的遠程在線監(jiān)測與故障診斷研究成果不是很多，技術(shù)上還不完全成熟，本文建立的水電廠遠程狀態(tài)監(jiān)測子系統(tǒng)研究和實踐可為水電機組在線監(jiān)測與分析提供參考。

[1]趙 晶.水輪機調(diào)速油系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測與分析[碩士論文][D].湖北:華中科技大學,2007.

[2]田啟榮，胡春林，萬 元，等.跨流域水電廠群遠程集控系統(tǒng)高級功能規(guī)劃與應用[J].水電站機電技術(shù).2011（3）.

[3]魏志鵬，萬 元.五凌公司多流域水電廠群集中監(jiān)控系統(tǒng)的整體規(guī)劃與建設 [A].中國水力發(fā)電工程學會梯級調(diào)度控制專委會2010年年會[C]，2010.

[4]羅 云，李朝暉.面向維護的水力發(fā)電設備遠程實時監(jiān)視方法[J].水電自動化與大壩監(jiān)測，2007,31（1）.