瞿佳，石林

某流域電站集控中心在線監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)與數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

瞿佳，石林

（華能西藏發(fā)電有限公司藏木水電廠，西藏 山南 856417）

介紹了某流域集控中心在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)平臺(tái)的系統(tǒng)架構(gòu)與數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)，重點(diǎn)對構(gòu)建方案、系統(tǒng)架構(gòu)及數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹，提出了流域集控下遠(yuǎn)程在線監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)的一種方案，以供相關(guān)人員參考。

在線監(jiān)測；流域集控；系統(tǒng)架構(gòu)；數(shù)據(jù)庫

1　引言

某流域公司正在該流域大力開發(fā)梯級(jí)電站，這些已建、在建或未來將建設(shè)的水電站的裝機(jī)容量巨大，這些機(jī)組容量大、分布廣，一旦發(fā)生故障，將對電站、電網(wǎng)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。在該流域集控中心建設(shè)狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷平臺(tái)系統(tǒng)，可以提高下屬各電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷專業(yè)化水平，促進(jìn)設(shè)備故障診斷分析的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化；提高流域各電站主設(shè)備運(yùn)行安全性、可靠性和利用率，提升各電站設(shè)備檢修管理及綜合生產(chǎn)管理集約化水平，提高設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測管理的效率和效益，通過落實(shí)基于綜合診斷的檢修策略，減少非計(jì)劃停運(yùn)檢修頻次，避免突發(fā)設(shè)備事故發(fā)生，防止設(shè)備出現(xiàn)過修、失修，為設(shè)備定修向狀態(tài)檢修過渡奠定技術(shù)基礎(chǔ)。因此，系統(tǒng)化地對該流域水電機(jī)組進(jìn)行監(jiān)測、診斷與狀態(tài)評(píng)估，建立遠(yuǎn)程水電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)是對流域電站進(jìn)行集中控制管理模式下的必然選擇。

2　流域集控在線監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)總體方案

流域集控中心設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的建設(shè)，將以該流域公司現(xiàn)在已經(jīng)建設(shè)完成的XX電站為具體實(shí)施對象，建立水電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)，它的服務(wù)功能以后將擴(kuò)大至將來投入運(yùn)行的該流域公司所屬的其它電站。其具體的建設(shè)規(guī)劃為：在流域集控中心構(gòu)建完整的水電站群遠(yuǎn)程設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)平臺(tái)（以下簡稱“集控中心平臺(tái)”），在流域所屬電廠部署相關(guān)設(shè)備完成所需信號(hào)的接入以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。項(xiàng)目包括集控中心平臺(tái)和電站接入所需的軟件、硬件及工程實(shí)施。

為保證未建電站接入集控中心平臺(tái)，必須對未來各電站形成統(tǒng)一的監(jiān)測對象配置、軟硬件配置、系統(tǒng)功能及數(shù)據(jù)接口技術(shù)規(guī)范，實(shí)現(xiàn)各電站發(fā)電機(jī)、水輪機(jī)、主變壓器等主設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測傳感器的安裝配置、信號(hào)的實(shí)時(shí)采集及預(yù)處理、現(xiàn)地在線監(jiān)視及向公司集控中心狀態(tài)監(jiān)測平臺(tái)的遠(yuǎn)程傳輸，滿足流域集控中心平臺(tái)建設(shè)的需要。本系統(tǒng)不直接采集現(xiàn)地?cái)?shù)據(jù)，全部數(shù)據(jù)來源于外部的系統(tǒng)，這些外部系統(tǒng)包括廠站狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、集控中心生產(chǎn)實(shí)時(shí)信息系統(tǒng)、集控中心生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)等。因此，本系統(tǒng)需與這些外部系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

在集控中心設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)建成后，各電站管理信息區(qū)將不需要再建設(shè)獨(dú)立的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測Web發(fā)布系統(tǒng)，所有運(yùn)行管理功能都應(yīng)在公司設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)中作為一個(gè)功能模塊進(jìn)行集中嵌入和統(tǒng)一管理，所有基礎(chǔ)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在集控中心設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)內(nèi)，所有面向外部的數(shù)據(jù)都由集控中心設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)進(jìn)行對外發(fā)布。

3　流域集控下的在線監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

流域集控中心在線監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)的建設(shè)應(yīng)充分利用網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的優(yōu)勢，建立起分布式的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)，實(shí)施集控中心與各廠站之間的連接，實(shí)現(xiàn)多個(gè)廠站設(shè)備狀態(tài)的集中監(jiān)測與診斷。

按照系統(tǒng)構(gòu)建的設(shè)計(jì)思路，狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)總共分為3個(gè)層級(jí)：集控中心分析診斷評(píng)價(jià)中心、廠站級(jí)通訊及數(shù)據(jù)服務(wù)、電站各設(shè)備監(jiān)測子系統(tǒng)。

在電站側(cè)配置數(shù)據(jù)服務(wù)器和接入服務(wù)器，數(shù)據(jù)服務(wù)器負(fù)責(zé)本電站相關(guān)數(shù)據(jù)的全面存儲(chǔ)和本電站的狀態(tài)評(píng)價(jià)，接入服務(wù)器負(fù)責(zé)從本電站其它系統(tǒng)獲取所需數(shù)據(jù)，當(dāng)電站和集控中心通道斷開時(shí)，電站側(cè)設(shè)備可獨(dú)立運(yùn)行，并具備本電站狀態(tài)評(píng)價(jià)及診斷的功能。

集控中心診斷評(píng)價(jià)中心與電站側(cè)中心通過網(wǎng)絡(luò)通道進(jìn)行廣域網(wǎng)連接，通過與廠站狀態(tài)監(jiān)測設(shè)備、生產(chǎn)實(shí)時(shí)信息系統(tǒng)等外圍系統(tǒng)的通信，獲取系統(tǒng)需要的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)評(píng)價(jià)與故障診斷的功能。

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

廠站接入服務(wù)器（狀態(tài)監(jiān)測專用或生產(chǎn)實(shí)時(shí)系統(tǒng)接入服務(wù)器兼用）通過以太網(wǎng)專線接入集控中心，與集控中心接入服務(wù)器連接。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)示意圖如圖2所示。

同時(shí)，部分非狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)也需要集成在狀態(tài)監(jiān)測診斷評(píng)價(jià)平臺(tái)中，例如機(jī)組工況等電氣參數(shù)。

考慮到各廠站的監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸流量，與分析診斷評(píng)估中心的連接應(yīng)盡量采用數(shù)字專線或光纖通道，如不具備自己的通信線路，數(shù)據(jù)傳輸可以租賃公用網(wǎng)絡(luò)專用通道。

為保證集控中心實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測在線預(yù)警功能，各站狀態(tài)監(jiān)測設(shè)備應(yīng)優(yōu)先保證狀態(tài)監(jiān)測實(shí)時(shí)特征值數(shù)據(jù)的同步傳輸，在網(wǎng)絡(luò)利用率較少的時(shí)段再進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測樣本波形數(shù)據(jù)的異步傳輸。

圖2　設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

4　數(shù)據(jù)傳輸帶寬分析

未來各廠站監(jiān)測子系統(tǒng)包括：機(jī)組穩(wěn)定性監(jiān)測系統(tǒng)、水輪機(jī)效率監(jiān)測系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)氣隙監(jiān)測系統(tǒng)、環(huán)境噪聲監(jiān)測系統(tǒng)、局部放電監(jiān)測系統(tǒng)、主變油色譜監(jiān)測系統(tǒng)和GISSF6氣體泄漏監(jiān)測系統(tǒng)等。

對這些系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了解和統(tǒng)計(jì)之后得出，單臺(tái)機(jī)組監(jiān)測實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸所需帶寬約為2.4Mb/s（300kB/s），上限為4.8Mb/s（600kB/s）。如果按照所有監(jiān)測數(shù)據(jù)均實(shí)時(shí)傳輸則數(shù)據(jù)量過大，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)配置龐大?？紤]到這些數(shù)據(jù)突變量不大，可只取設(shè)備的狀態(tài)分析特征數(shù)據(jù)。對于監(jiān)測和診斷較為獨(dú)立的GIS局放和變壓器油氣監(jiān)測子系統(tǒng)，數(shù)據(jù)量極少，可考慮不轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)格式，采用原數(shù)據(jù)格式傳輸?shù)姆绞皆诩刂行谋O(jiān)測診斷評(píng)價(jià)中心進(jìn)行集成。這樣，每臺(tái)機(jī)組大約有100個(gè)通道×5個(gè)特征數(shù)據(jù)/通道=500個(gè)特征數(shù)據(jù)浮點(diǎn)數(shù)需要實(shí)時(shí)傳輸，采取這種方式后，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸所需帶寬500×4B/s=16kb/s （2kB/s）。

系統(tǒng)除傳輸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)外，還需傳輸波形數(shù)據(jù)，考慮到各電站接入集控中心的總帶寬的限制及不穩(wěn)定性，只傳輸波形樣本數(shù)據(jù)，每次樣本20min。同時(shí)狀態(tài)監(jiān)測波形數(shù)據(jù)應(yīng)具備壓縮解壓傳輸機(jī)制，電站數(shù)據(jù)服務(wù)器應(yīng)具備狀態(tài)監(jiān)測分析診斷樣本數(shù)據(jù)斷點(diǎn)續(xù)傳的功能。

經(jīng)測試，考慮每臺(tái)機(jī)組40個(gè)通道，20min的波形數(shù)據(jù)共計(jì)200M，經(jīng)壓縮后約為60M，所需帶寬60M/86400s=0.69kB/s=5kb/s。

因此每臺(tái)機(jī)組共需帶寬為16kb/s（實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)）+5kb/s（波形數(shù)據(jù)）=21kb/s。

以該流域已投產(chǎn)電廠6臺(tái)機(jī)組距離，那么共需帶寬21kb/s×6=126kb/s。

即，一個(gè)安裝了6臺(tái)機(jī)組的水電站要接入集控中心設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)，所需帶寬約為126kb/s。

5　時(shí)鐘同步

時(shí)鐘同步是把分布在各地的時(shí)鐘對準(zhǔn)（同步起來），對于分析診斷評(píng)估的平臺(tái)建設(shè)，統(tǒng)一時(shí)標(biāo)顯得更加重要，對整個(gè)系統(tǒng)統(tǒng)一時(shí)鐘的要求愈來愈迫切，有了統(tǒng)一時(shí)鐘，既可實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)在統(tǒng)一時(shí)間基準(zhǔn)下的運(yùn)行監(jiān)測分析，也可以通過各開關(guān)動(dòng)作的先后順序來分析事故的原因及發(fā)展過程。

在一個(gè)大系統(tǒng)中，只有具備了統(tǒng)一的高精度時(shí)間，才可以實(shí)現(xiàn)分布式采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確匹配，才可以使得后續(xù)的統(tǒng)計(jì)、分析、計(jì)算建立在一個(gè)正確的數(shù)據(jù)集上，才能作出合理正確的分析、判斷和預(yù)測。

在時(shí)鐘同步系統(tǒng)建設(shè)中需考慮集控中心和各廠站已有的時(shí)鐘同步方式。還應(yīng)考慮集控中心生產(chǎn)實(shí)時(shí)信息系統(tǒng)、廠站狀態(tài)監(jiān)測子系統(tǒng)的時(shí)鐘同步方式。

6　數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

6.1實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存取

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)為當(dāng)前時(shí)刻采集的原始監(jiān)測數(shù)據(jù)。根據(jù)監(jiān)測測點(diǎn)配置統(tǒng)計(jì)，集控中心分析診斷中心的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)規(guī)模較大，存取頻率較快，為了滿足數(shù)據(jù)存取的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性和完整性，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)包含兩種方式：共享內(nèi)存庫和商用實(shí)時(shí)庫。

系統(tǒng)需要存儲(chǔ)的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)種類如下：

1）模型數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)模型）

系統(tǒng)和測點(diǎn)配置信息、設(shè)備索引、案例庫、故障樹、設(shè)備狀態(tài)信息等數(shù)據(jù)可統(tǒng)稱為模型數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)和測點(diǎn)配置信息為需要在系統(tǒng)建立初期入庫保存，當(dāng)配置有更改的時(shí)候，能方便的對這些信息進(jìn)行修改。配置信息一般為程序初始化、Web頁面展示等，一般存儲(chǔ)在關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中，也可以存儲(chǔ)為文件形式以利于數(shù)據(jù)冗余。

系統(tǒng)中需要對設(shè)備信息進(jìn)行有效的管理，故需要對設(shè)備進(jìn)行編碼存儲(chǔ)，建立設(shè)備索引，形成設(shè)備樹。設(shè)備管理信息整體數(shù)據(jù)量不大，但各設(shè)備及其部件之間的相關(guān)性較大，聯(lián)系緊密，可采用關(guān)系數(shù)據(jù)庫來實(shí)現(xiàn)。

案例庫和故障樹在對設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)分析和診斷過程中使用，系統(tǒng)對設(shè)備狀態(tài)信息、狀態(tài)評(píng)價(jià)等數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合后，形成決策建議，供決策者使用。這些數(shù)據(jù)均為靜態(tài)數(shù)據(jù)，可采用關(guān)系數(shù)據(jù)庫來實(shí)現(xiàn)。

2）斷面數(shù)據(jù)（當(dāng)前庫）

當(dāng)前庫保存最近一段時(shí)間機(jī)組運(yùn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)，通常以周或月為時(shí)間周期。數(shù)據(jù)來源于監(jiān)測實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，其入庫密度僅次于實(shí)時(shí)庫，采用覆蓋方式來追加數(shù)據(jù)，主要用于職能部門和一些診斷專家方面查看機(jī)組最近時(shí)刻運(yùn)行記錄，為機(jī)組性能評(píng)價(jià)提供參考。

當(dāng)前庫數(shù)據(jù)密度不大，時(shí)間間隔較長，可采用關(guān)系數(shù)據(jù)庫來實(shí)現(xiàn)。

3）運(yùn)行特征數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)整編后）

定時(shí)對一定時(shí)間段（通常設(shè)定為1min以上，時(shí)間間隔可配置）內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，提取特征值（如主頻、次頻、峰值、熵、軸心軌跡等），然后將這些特征值以及必要的波形數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫，它們保存時(shí)間比較長，到期后轉(zhuǎn)存到備份設(shè)備。特征值入庫時(shí)間間隔默認(rèn)為1min，波形數(shù)據(jù)入庫時(shí)間間隔電站默認(rèn)為0.5h，集控中心默認(rèn)為1d。

波形數(shù)據(jù)可采取文件存儲(chǔ)方式，關(guān)系數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)該文件的指針。

運(yùn)行特征數(shù)據(jù)的入庫密度次于實(shí)時(shí)庫數(shù)據(jù)，可采用關(guān)系數(shù)據(jù)庫來實(shí)現(xiàn)。

4）整編數(shù)據(jù)（特殊數(shù)據(jù)整編后）

數(shù)據(jù)來源于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和設(shè)備運(yùn)行特征數(shù)據(jù)，將一些對設(shè)備性能評(píng)價(jià)和趨勢分析有價(jià)值的數(shù)據(jù)入庫。主要保存下列情況下設(shè)備數(shù)據(jù)：工況發(fā)生改變、定時(shí)保存或者操作人員指定保存時(shí)刻、工況運(yùn)行不穩(wěn)定、該工況保存記錄沒有達(dá)到要求記錄數(shù)等。整編數(shù)據(jù)主要用于評(píng)價(jià)設(shè)備性能和對設(shè)備運(yùn)行情況做中長期趨勢分析。

整編庫入庫的密度最小，目前是選擇定期入庫策略，今后可選擇拉大入庫時(shí)間間隔，可采用關(guān)系數(shù)據(jù)庫來實(shí)現(xiàn)。

6.2數(shù)據(jù)庫構(gòu)建策略

考慮到各電站狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)接入規(guī)模，解決高密度及海量狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)所帶來的傳輸和存儲(chǔ)問題，數(shù)據(jù)庫按照統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化設(shè)計(jì)狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)庫及其存儲(chǔ)格式，電站數(shù)據(jù)服務(wù)器應(yīng)具備前端完整數(shù)據(jù)分布存儲(chǔ)的功能。

考慮到各電站接入集控中心的總帶寬的限制及不穩(wěn)定性，狀態(tài)監(jiān)測波形數(shù)據(jù)應(yīng)具備壓縮解壓傳輸機(jī)制，電站數(shù)據(jù)服務(wù)器應(yīng)具備狀態(tài)監(jiān)測分析診斷樣本數(shù)據(jù)斷點(diǎn)續(xù)傳的功能。

為保證集控中心實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測在線預(yù)警功能，各站狀態(tài)監(jiān)測設(shè)備應(yīng)優(yōu)先保證狀態(tài)監(jiān)測實(shí)時(shí)特征值數(shù)據(jù)的同步傳輸，在網(wǎng)絡(luò)利用率較少的時(shí)段再進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測樣本波形數(shù)據(jù)的異步傳輸。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫體系采用分層保存策略，主要是考慮到不同層次的數(shù)據(jù)用途不一樣，保存周期和頻率也不同，而且采用數(shù)據(jù)庫技術(shù)也不一樣。內(nèi)存庫和實(shí)時(shí)庫采用內(nèi)存、文件、商用實(shí)時(shí)庫來構(gòu)建，而其它幾種考慮到實(shí)時(shí)性能要求相對低些，采用關(guān)系數(shù)據(jù)庫構(gòu)建。數(shù)據(jù)分級(jí)保存，主要根據(jù)數(shù)據(jù)時(shí)間效應(yīng)不同而定；遠(yuǎn)期時(shí)應(yīng)考慮選擇性入庫策略。

綜合考慮，目前數(shù)據(jù)庫構(gòu)建策略選用采用分布式數(shù)據(jù)庫模式。集控中心部署所有電站的特征值數(shù)據(jù)和波形數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫，各電站部署本電站的特征值數(shù)據(jù)和波形數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫。

7　結(jié)語

根據(jù)該流域公司現(xiàn)有電站、正在建設(shè)電站以及規(guī)劃中電站的具體情況、水電設(shè)備參數(shù)、設(shè)備特點(diǎn)及在電網(wǎng)中的地位等因素，以及國內(nèi)外水電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測分析診斷技術(shù)水平，確定了流域集控在線監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體系以及監(jiān)測對象、監(jiān)測手段，利用已有的廣域網(wǎng)絡(luò)，采用統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一設(shè)計(jì)的一體化思路，建立起集成化的設(shè)備狀態(tài)信息在線監(jiān)測及分析診斷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對流域水電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)在線監(jiān)測與分析。

TV736

A

1672-5387（2016）08-0027-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.08.008

2016-06-29

瞿佳（1983-），男，工程師，從事電氣主管工作。