李東風(fēng),張紅芳

(南瑞集團(tuán)(國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院)有限公司，南京 211106)

0 前 言

大數(shù)據(jù)已經(jīng)成為一種新的自然資源，需要人們對(duì)其加以更加合理、高效、充分的應(yīng)用，使之能夠給人類的生活工作帶來更大的效益和價(jià)值。大數(shù)據(jù)具有數(shù)據(jù)體量大、種類多、流動(dòng)速度快、價(jià)值密度低等特點(diǎn)[1-3]。當(dāng)前，水電站各專業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)繁多，包括計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、勵(lì)磁調(diào)節(jié)器、調(diào)速器、機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等等，這些系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)類型很多、數(shù)據(jù)量很大，采集的數(shù)據(jù)包括設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)和設(shè)備狀態(tài)參數(shù)，除了各自動(dòng)化系統(tǒng)根據(jù)功能設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)各自的功能，還有大量的采集數(shù)據(jù)并沒有得到充分應(yīng)用。與此同時(shí)，水電站設(shè)備長(zhǎng)期穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)、高效運(yùn)行的需求要求我們防患于未然，必須從日常的設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)蛛絲馬跡，分析設(shè)備可能出現(xiàn)的狀況，找到問題所在，及時(shí)消除設(shè)備隱患[4]。

近年來，中國(guó)水電行業(yè)在設(shè)備數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用方面做了不少嘗試[5-8]，不少水電站管理單位建立了所屬水電站的生產(chǎn)數(shù)據(jù)平臺(tái)，部分企業(yè)開展了針對(duì)性數(shù)據(jù)挖掘工作，智能化水電廠嘗試建立水電廠一體化平臺(tái)并開展廠內(nèi)設(shè)備狀態(tài)分析工作。

水電站生產(chǎn)數(shù)據(jù)平臺(tái)是指基于現(xiàn)有的自動(dòng)化系統(tǒng)建設(shè)的用于進(jìn)一步數(shù)據(jù)分析的全廠性數(shù)據(jù)平臺(tái)?；诖藬?shù)據(jù)平臺(tái)，我們可以深入地開展水電設(shè)備的狀態(tài)分析，達(dá)到防患于未然的目標(biāo)。

1 水電站生產(chǎn)數(shù)據(jù)平臺(tái)的數(shù)據(jù)處理

建設(shè)水電站生產(chǎn)數(shù)據(jù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)水電站各分區(qū)自動(dòng)化系統(tǒng)之間的信息資源共享。水電站生產(chǎn)數(shù)據(jù)平臺(tái)應(yīng)保證平臺(tái)數(shù)據(jù)是唯一的、準(zhǔn)確的、實(shí)時(shí)的、全面的，確保數(shù)據(jù)質(zhì)量[7]；最終為實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)分析和高級(jí)決策提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。水電站生產(chǎn)數(shù)據(jù)平臺(tái)應(yīng)在全廠信息模型的基礎(chǔ)上，建立跨系統(tǒng)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)交換平臺(tái)，滿足進(jìn)行進(jìn)一步數(shù)據(jù)分析的需要。

作為設(shè)備狀態(tài)分析的數(shù)據(jù)源，數(shù)據(jù)質(zhì)量是關(guān)鍵，水電站生產(chǎn)數(shù)據(jù)平臺(tái)的數(shù)據(jù)應(yīng)進(jìn)行一系列處理才能保證數(shù)據(jù)質(zhì)量。

1.1 數(shù)據(jù)的整合和初篩

水電站的生產(chǎn)數(shù)據(jù)平臺(tái)并不直接采集來自于設(shè)備的信息，而是在全廠自動(dòng)化系統(tǒng)之上，構(gòu)建一個(gè)橫跨多個(gè)安全分區(qū)的數(shù)據(jù)平臺(tái)。通過與水電站各個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)通信獲得設(shè)備的信息。水電站生產(chǎn)數(shù)據(jù)平臺(tái)必須采用合理的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和實(shí)時(shí)的通信模式才能獲得水電站全面的、實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)時(shí)：① 要保證數(shù)據(jù)的唯一性和全面性，設(shè)備數(shù)據(jù)分析需要的所有數(shù)據(jù)不僅要齊全，而且要唯一，尤其是機(jī)組功率、定子電流等重要數(shù)據(jù)只能有一個(gè)數(shù)據(jù)源；② 生產(chǎn)數(shù)據(jù)平臺(tái)在獲取數(shù)據(jù)測(cè)值的同時(shí)，必須同時(shí)獲取數(shù)據(jù)的品質(zhì)，品質(zhì)為壞的數(shù)據(jù)直接剔除，同時(shí)，測(cè)值明顯異常的數(shù)據(jù)(例如測(cè)值超過變送器測(cè)量范圍的數(shù)據(jù))直接剔除，避免影響設(shè)備狀態(tài)分析的結(jié)果。

1.2 誤差的判斷與剔除

生產(chǎn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于歷史數(shù)據(jù)庫(kù)之后，需要進(jìn)一步對(duì)該歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行樣本篩選。由于歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中的歷史數(shù)據(jù)是經(jīng)過采集和處理后得到的，存在由于儀器不穩(wěn)定等造成的誤差或錯(cuò)誤數(shù)據(jù)。因此在進(jìn)行存儲(chǔ)和篩選時(shí)要進(jìn)行壞數(shù)據(jù)的剔除。誤差大體可分為系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差和粗大誤差3類。這3類誤差中，粗大誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響最大[9]。

粗大誤差的判別與剔除有4種比較常用的準(zhǔn)則，依次是拉伊達(dá)準(zhǔn)則、格拉布斯準(zhǔn)則、肖維勒準(zhǔn)則和狄克遜準(zhǔn)則，每種判別準(zhǔn)則有其處理的方法。最常用的是拉伊達(dá)準(zhǔn)則。

1.3 機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)特征數(shù)據(jù)的處理

機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是分析機(jī)組性能的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，包括有效值、平均值、峰-峰值等，其中機(jī)組振擺峰-峰值反映了機(jī)組振擺幅度大小，直觀體現(xiàn)了機(jī)組的實(shí)時(shí)穩(wěn)定性狀態(tài)。由于機(jī)組振擺信號(hào)頻率豐富、存在系統(tǒng)誤差、外部干擾，機(jī)組振擺峰-峰值處理是機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)特征數(shù)據(jù)的關(guān)鍵，這里僅討論機(jī)組振擺峰-峰值的處理方法。目前振擺峰-峰值的計(jì)算方法主要有4種：“置信度(Conf)”、“單周峰-峰值平均法”、“平均時(shí)段法”和“RMS等效峰-峰值(RMPpp)”。這里采用的是置信度(conf97)融合平均時(shí)段法[10]。

置信度(conf97)融合平均時(shí)段法的具體算法是：選擇包含主頻成分的多個(gè)轉(zhuǎn)頻周期內(nèi)的數(shù)據(jù)作為一個(gè)分區(qū)，以97%置信度(conf97)計(jì)算該分區(qū)的峰-峰值，并對(duì)待分析數(shù)據(jù)的所有分區(qū)計(jì)算平均值，作為峰-峰值。

在進(jìn)行振擺峰-峰值計(jì)算時(shí)，置信度法可以有效消除系統(tǒng)誤差和外部干擾，但該方法沒有考慮數(shù)據(jù)分區(qū)，峰-峰值的計(jì)算值與實(shí)際值存在較大偏差；單周峰-峰值平均法沒有考慮小于轉(zhuǎn)頻的成分，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果偏?。黄骄鶗r(shí)段法也存在無法消除系統(tǒng)誤差和外部干擾的問題；RMPpp法在進(jìn)行計(jì)算時(shí)只包含一種頻率成分，峰-峰值計(jì)算值往往偏小。而置信度融合平均時(shí)段法很好地避免了以上各種算法存在的缺陷，能夠很好的得以應(yīng)用。

1.4 數(shù)據(jù)的錄入和補(bǔ)召

水電站試驗(yàn)數(shù)據(jù)、巡檢數(shù)據(jù)、缺陷數(shù)據(jù)等常常無法實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)，為滿足設(shè)備狀態(tài)分析的數(shù)據(jù)正確性、完整性要求，應(yīng)支持這些離線數(shù)據(jù)的錄入功能。

某些已記錄的數(shù)據(jù)不正確或者通信故障可能造成生產(chǎn)數(shù)據(jù)平臺(tái)的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤和數(shù)據(jù)不完整，因此應(yīng)支持歷史數(shù)據(jù)的補(bǔ)錄、重錄功能。

一段時(shí)間的通信故障導(dǎo)致的數(shù)據(jù)缺失，除了通過補(bǔ)錄的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)補(bǔ)全外，還應(yīng)支持?jǐn)?shù)據(jù)補(bǔ)召功能，當(dāng)通信恢復(fù)后，自動(dòng)向?qū)Χ搜a(bǔ)召通信故障期間的數(shù)據(jù)。

2 水電站生產(chǎn)數(shù)據(jù)平臺(tái)的設(shè)備狀態(tài)分析

目前，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力無法滿足水電站龐大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的需要，如何設(shè)計(jì)一個(gè)合理的分層存儲(chǔ)架構(gòu)成為生產(chǎn)數(shù)據(jù)平臺(tái)可用和實(shí)用的關(guān)鍵[1]。水電站生產(chǎn)數(shù)據(jù)平臺(tái)大量的數(shù)據(jù)如何進(jìn)行梳理和存儲(chǔ)是設(shè)備狀態(tài)分析系統(tǒng)的難點(diǎn)。這個(gè)難題需要結(jié)合水電站的技術(shù)特點(diǎn)來解決。

水電站分析機(jī)組數(shù)據(jù)至少是在相同的運(yùn)行工況，這樣的數(shù)據(jù)對(duì)比和分析才有價(jià)值。例如，設(shè)計(jì)工況下測(cè)得的振動(dòng)幅值和渦帶工況測(cè)得的振動(dòng)幅值是不存在可比性的。因此，我們應(yīng)進(jìn)行區(qū)分工況的水電設(shè)備狀態(tài)分析。

2.1 機(jī)組工況標(biāo)定

根據(jù)機(jī)組工況的特征參數(shù)，準(zhǔn)確判斷機(jī)組所處工況及起止時(shí)間。同時(shí)，記錄工況及相關(guān)參數(shù)信息，為后續(xù)分析機(jī)組在不同工況下參數(shù)變化或同一工況下參數(shù)的變化提供有效的數(shù)據(jù)支撐。

根據(jù)機(jī)組的運(yùn)行特性，將水電機(jī)組的整個(gè)運(yùn)行范圍分成若干個(gè)合適的區(qū)間，可認(rèn)為處于一個(gè)區(qū)間內(nèi)的工況是同一工況，將這些工況用不同的標(biāo)號(hào)表示，同一工況下的參數(shù)可進(jìn)行互相比較。生產(chǎn)數(shù)據(jù)平臺(tái)采集到的每一組數(shù)據(jù)都附帶機(jī)組工況的標(biāo)號(hào)，并根據(jù)機(jī)組工況標(biāo)號(hào)進(jìn)行后續(xù)處理。

2.2 數(shù)據(jù)分級(jí)存儲(chǔ)

數(shù)據(jù)入庫(kù)保存通常采用2種方式。一是按照給定時(shí)間間隔保存數(shù)據(jù)；另一種方式是分段間隔的數(shù)據(jù)庫(kù)入庫(kù)方案?？紤]到狀態(tài)分析數(shù)據(jù)量大的特點(diǎn)， 直接采用定時(shí)間間隔入庫(kù)或者分段間隔入庫(kù)，入庫(kù)的數(shù)據(jù)量較大，硬件上難以支持，而且可能丟失有用數(shù)據(jù)。因此這里采用入庫(kù)頻度自適應(yīng)方法，主要有以下原則[11]：

(1) 如果工況和相關(guān)參數(shù)基本不變，入庫(kù)頻度降低；

(2) 工況變化過程中的參數(shù)自動(dòng)入庫(kù)；

(3) 雖然工況未變，但被測(cè)參數(shù)發(fā)生變化，則數(shù)據(jù)入庫(kù)頻度增加；

(4) 機(jī)組運(yùn)行在特殊工況下，則入庫(kù)頻度增加。

2.3 多維度監(jiān)測(cè)預(yù)警

多維度監(jiān)測(cè)預(yù)警是一套關(guān)于系統(tǒng)的報(bào)警監(jiān)測(cè)、統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)以及歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的綜合概念。

2.3.1 分工況高、低報(bào)閾值

水電機(jī)組的工況經(jīng)常變動(dòng)，不同工況下機(jī)組的特征是不同的。例如在渦帶工況下，會(huì)伴隨著強(qiáng)烈的低頻振動(dòng)，而在設(shè)計(jì)工況或最優(yōu)工況下，機(jī)組的運(yùn)行比較平穩(wěn)。因此對(duì)于不同運(yùn)行工況應(yīng)該設(shè)定不同報(bào)警閾值。

2.3.2 報(bào)警令牌限制誤報(bào)

為避免信號(hào)采集或者傳輸發(fā)生異常而導(dǎo)致誤報(bào)警，系統(tǒng)采取在一段時(shí)間內(nèi)，同一報(bào)警至少連續(xù)出現(xiàn)若干次數(shù)才觸發(fā)報(bào)警，這里引入報(bào)警令牌來限制誤報(bào)。

2.3.3 關(guān)聯(lián)通道報(bào)警

考慮到報(bào)警發(fā)生時(shí)，有時(shí)關(guān)聯(lián)的通道也會(huì)同時(shí)出現(xiàn)報(bào)警。因此可采取組合報(bào)警策略進(jìn)行關(guān)聯(lián)，必須所關(guān)聯(lián)的通道同時(shí)報(bào)警才觸發(fā)報(bào)警。

2.4 趨勢(shì)預(yù)測(cè)

在水電機(jī)組運(yùn)行過程中，溫度、油位、油壓、頂蓋水位等可能影響機(jī)組正常運(yùn)行的參量屬于漸變量，一般不會(huì)發(fā)生突變。其實(shí)很多設(shè)備事故或故障發(fā)生之前都是有征兆的。只要我們對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，進(jìn)而阻止設(shè)備事故的發(fā)生。對(duì)于漸變量來說，分析的一個(gè)重要方法是趨勢(shì)預(yù)測(cè)法。趨勢(shì)預(yù)測(cè)的方法有多種[12]，包括水平趨勢(shì)預(yù)測(cè)法、逐步回歸預(yù)測(cè)法、灰色理論預(yù)測(cè)法。在趨勢(shì)預(yù)測(cè)前，數(shù)學(xué)模擬模塊將根據(jù)時(shí)間序列數(shù)據(jù)擬合精度和是否有時(shí)間函數(shù)關(guān)系式來決定采用哪一種預(yù)測(cè)方法進(jìn)行預(yù)測(cè)。預(yù)測(cè)結(jié)果可以用正向預(yù)測(cè)和反向預(yù)測(cè)2種形式來展現(xiàn)。

3 設(shè)備狀態(tài)分析技術(shù)應(yīng)用

3.1 設(shè)備狀態(tài)統(tǒng)計(jì)和分析

通過統(tǒng)計(jì)油壓裝置、液壓?jiǎn)㈤]機(jī)油泵、技術(shù)供水水泵、檢修排水水泵等設(shè)備的啟停次數(shù)及運(yùn)行時(shí)間，并進(jìn)行直觀的展示，或者在數(shù)據(jù)庫(kù)中設(shè)置閾值(例如,技術(shù)供水水泵1 h內(nèi)運(yùn)行時(shí)間太長(zhǎng)是不正常的)進(jìn)行報(bào)警，用戶能清楚地了解這些設(shè)備的運(yùn)行情況是否正常，是否存在設(shè)備頻繁運(yùn)轉(zhuǎn)的情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備存在的問題。

實(shí)際測(cè)量中得到的狀態(tài)監(jiān)測(cè)信號(hào)一般都是時(shí)域信號(hào)，時(shí)域分析可以比較直觀地表現(xiàn)信號(hào)波形隨時(shí)間的變化情況，物理意義比較明確。采用時(shí)域分析方法主要可以對(duì)與幅值相關(guān)的一些統(tǒng)計(jì)量進(jìn)行分析計(jì)算?？梢酝ㄟ^以下數(shù)據(jù)進(jìn)行水電機(jī)組設(shè)備狀態(tài)的分析：最小值、最大值、峰-峰值、平均值、有效峰-峰值、中間值等。

3.2 設(shè)備狀態(tài)趨勢(shì)分析

經(jīng)過本文介紹的數(shù)據(jù)處理后，水電站生產(chǎn)數(shù)據(jù)平臺(tái)的數(shù)據(jù)都是可信的，不存在毛刺、非正常跳變問題。設(shè)備的部分運(yùn)行參數(shù)具有不能突變的特點(diǎn)。因此，針對(duì)設(shè)備運(yùn)行的關(guān)鍵參數(shù)，例如油壓裝置的油壓、機(jī)組三部軸承溫度。通過本文介紹的趨勢(shì)分析和預(yù)測(cè)的方法，進(jìn)行關(guān)鍵參數(shù)的趨勢(shì)分析，在信號(hào)異常時(shí)，及早地發(fā)現(xiàn)異常，并迅速預(yù)警，為水電站運(yùn)維人員贏得處理缺陷的寶貴時(shí)間，避免機(jī)組事故停機(jī)的發(fā)生。

3.3 設(shè)備狀態(tài)對(duì)比分析

對(duì)比分析有多種方式，包括不同機(jī)組之間的設(shè)備狀態(tài)對(duì)比分析。例如，對(duì)2臺(tái)機(jī)組相同工況下的上導(dǎo)軸承的穩(wěn)定性(振動(dòng)、擺度)進(jìn)行對(duì)比分析；同機(jī)組的同類型的設(shè)備進(jìn)行對(duì)比分析，例如對(duì)某臺(tái)機(jī)組的上導(dǎo)軸承和下導(dǎo)軸承的穩(wěn)定性進(jìn)行對(duì)比分析。另外，還可以通過統(tǒng)計(jì)關(guān)鍵參數(shù)的最大值、最小值、平均值來分析設(shè)備狀態(tài)。

3.4 數(shù)據(jù)挖掘分析

根據(jù)設(shè)備運(yùn)行規(guī)律，進(jìn)行設(shè)備狀態(tài)相關(guān)性挖掘分析。例如，機(jī)組的穩(wěn)定性與機(jī)組出力、水頭、開度等密切相關(guān)，機(jī)組的油溫、瓦溫與機(jī)組出力、水頭相關(guān)，挖掘分析可以分析相同出力或同一水頭下各臺(tái)機(jī)組油溫和瓦溫的趨勢(shì)，可以分析相同出力時(shí)各臺(tái)機(jī)組的振動(dòng)、擺度的趨勢(shì)。

4 結(jié) 語(yǔ)

為了保證水電站生產(chǎn)數(shù)據(jù)平臺(tái)的數(shù)據(jù)唯一性、準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性、完整性。首先，必須對(duì)水電站自動(dòng)化系統(tǒng)的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行充分的整合，并進(jìn)行粗大誤差的剔除，針對(duì)機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)的特征數(shù)據(jù)，建議用置信度(conf97)融合平均時(shí)段法進(jìn)行計(jì)算處理。其次，考慮到水電站設(shè)備狀態(tài)和機(jī)組工況的緊密相關(guān)性，設(shè)備的狀態(tài)分析應(yīng)區(qū)分機(jī)組工況進(jìn)行，狀態(tài)分析的方法包括多維度監(jiān)測(cè)預(yù)警以及趨勢(shì)預(yù)測(cè)法等。

中國(guó)水電開發(fā)和管理企業(yè)對(duì)設(shè)備管理的要求越來越高，隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來，可以預(yù)見，在未來很長(zhǎng)一段時(shí)間，基于水電站生產(chǎn)數(shù)據(jù)平臺(tái)的數(shù)據(jù)挖掘和設(shè)備狀態(tài)分析將成為水電站技術(shù)發(fā)展的一大趨勢(shì)，這一技術(shù)也將為設(shè)備狀態(tài)評(píng)估和狀態(tài)檢修奠定基礎(chǔ)，全面的、深入的、廣泛的設(shè)備狀態(tài)分析將對(duì)水電站經(jīng)濟(jì)、高效的運(yùn)行產(chǎn)生巨大的作用。