李宏博

(嘉陵江亭子口水利水電開發(fā)有限公司，四川 廣元， 628400)

1 研究現(xiàn)狀

水電機(jī)組是一個水力、機(jī)械、電氣三者耦合的高度復(fù)雜的非線性旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備系統(tǒng)，受諸多因素的影響，其產(chǎn)生的故障往往具有復(fù)雜性、相關(guān)性、延時性以及不確定性等。復(fù)雜的結(jié)構(gòu)及組成部件高度的集成化使得水電機(jī)組運(yùn)行過程中的故障率本能地提高，故障類型也復(fù)雜，實際生產(chǎn)中發(fā)生的故障也是多種多樣的。水電機(jī)組集控運(yùn)行的發(fā)展使幾十年來的水電廠運(yùn)行方式發(fā)生了改變，少人值班、無人值守的電廠模式逐步形成發(fā)展趨勢。為確保水電機(jī)組和電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行、保障人員的安全、增加發(fā)電效益，遠(yuǎn)程手機(jī)APP監(jiān)控的應(yīng)用可有效地彌補(bǔ)現(xiàn)場人員技術(shù)不足，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)視對現(xiàn)場人員技術(shù)的支持能提供有效的幫助，保障電廠的安全運(yùn)行，本文主要以機(jī)組在線監(jiān)測系統(tǒng)為例進(jìn)行探索分析。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

機(jī)組在線監(jiān)測遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)由傳感器、數(shù)據(jù)采集單元、服務(wù)器及相關(guān)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、軟件等組成。機(jī)組在線監(jiān)測系統(tǒng)采用分層分布式結(jié)構(gòu)，按層次劃分為電站層(上位機(jī)系統(tǒng))和現(xiàn)地層兩級。電站層設(shè)備包括狀態(tài)數(shù)據(jù)服務(wù)器、WEB服務(wù)器、工程師站顯示器和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等，全廠3臺機(jī)組共用1套，安裝在地面中控樓計算機(jī)室；現(xiàn)地層設(shè)備包括機(jī)組現(xiàn)地在線監(jiān)測數(shù)據(jù)采集單元、各種傳感器、通訊接口、附件設(shè)備等，安裝在現(xiàn)地數(shù)據(jù)采集站內(nèi)。

每臺機(jī)組現(xiàn)地層設(shè)備設(shè)一個數(shù)據(jù)采集站。每個數(shù)據(jù)采集站設(shè)備集中組屏在1面標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜內(nèi)，機(jī)柜布置在發(fā)電機(jī)層各機(jī)組段機(jī)旁。數(shù)據(jù)采集站負(fù)責(zé)對機(jī)組的振動、擺度、壓力脈動、機(jī)組工況參數(shù)等信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理、分析，以圖形、圖表、曲線等直觀的方式在顯示器上顯示，同時對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行特征參數(shù)提取，得到機(jī)組狀態(tài)數(shù)據(jù)，完成機(jī)組故障的預(yù)警和報警，并將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳至狀態(tài)數(shù)據(jù)服務(wù)器，供進(jìn)一步的狀態(tài)監(jiān)測分析和診斷。

狀態(tài)數(shù)據(jù)服務(wù)器用于存儲、分析、管理從各數(shù)據(jù)采集箱傳送過來的機(jī)組實時狀態(tài)數(shù)據(jù)、歷史狀態(tài)數(shù)據(jù)及各種特征數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析及故障診斷。在狀態(tài)數(shù)據(jù)服務(wù)器上可實現(xiàn)對機(jī)組狀態(tài)的監(jiān)測、分析與診斷。

WEB服務(wù)器負(fù)責(zé)發(fā)布機(jī)組在線監(jiān)測系統(tǒng)的各種數(shù)據(jù)及分析診斷結(jié)果，承擔(dān)與電站生產(chǎn)信息管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信。WEB/應(yīng)用服務(wù)器可通過廣域以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)布，實現(xiàn)遠(yuǎn)程診斷。

全廠設(shè)置一臺工程師工作站，用于系統(tǒng)的配置、系統(tǒng)的開發(fā)、完善及后期的擴(kuò)展維護(hù)等工作。

電站層設(shè)備和現(xiàn)地層設(shè)備之間采用星型以太網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)為光纖，并滿足工業(yè)通用的國際標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.3 TCP/IP規(guī)約和網(wǎng)絡(luò)防護(hù)要求規(guī)定。

圖1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

3 保障設(shè)備遠(yuǎn)程應(yīng)用安全的主要配置

3.1 網(wǎng)絡(luò)隔離裝置

由于機(jī)組在線監(jiān)測系統(tǒng)與電站生產(chǎn)信息管理系統(tǒng)及因特網(wǎng)屬于兩個不同的安全區(qū)，根據(jù)電力二次系統(tǒng)安全防護(hù)總體規(guī)定，在機(jī)組在線監(jiān)測系統(tǒng)與電站生產(chǎn)信息管理系統(tǒng)及因特網(wǎng)之間必須安裝網(wǎng)絡(luò)安全隔離設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)安全隔離設(shè)備一般安裝于機(jī)組在線監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)與WEB服務(wù)器之間，用于實現(xiàn)機(jī)組在線監(jiān)測系統(tǒng)與電站生產(chǎn)信息管理系統(tǒng)及因特網(wǎng)之間的物理隔離，其中機(jī)組在線監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)為內(nèi)網(wǎng)，電站生產(chǎn)信息管理系統(tǒng)為外網(wǎng)，機(jī)組在線監(jiān)測數(shù)據(jù)只能由內(nèi)網(wǎng)向外網(wǎng)單向傳送。

裝置除采用基本的防火墻、代理服務(wù)器等安全防護(hù)技術(shù)之外，還需采用“雙機(jī)非網(wǎng)”的物理隔離技術(shù)，即裝置可以阻斷網(wǎng)絡(luò)直接連接。兩個網(wǎng)絡(luò)不同時連接在設(shè)備上；可以阻斷網(wǎng)絡(luò)邏輯連接，即TCP/IP必須被剝離，將原始數(shù)據(jù)非網(wǎng)方式傳送；隔離傳輸機(jī)制具有不可編程性；任何數(shù)據(jù)都是通過兩級代理方式完成；具備對數(shù)據(jù)的審查功能，數(shù)據(jù)不具有攻擊及有害的特性；具有強(qiáng)大的管理與控制功能，實現(xiàn)國網(wǎng)中心的安全防護(hù)要求的兩種通訊模式：完全單向通訊方式(UDP)和單向數(shù)據(jù)1Bit返回方式(TCP)。

3.2 硬件防火墻

系統(tǒng)配置需1個硬件防火墻，安裝在狀態(tài)數(shù)據(jù)服務(wù)器和計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)之間。在硬件上采取物理隔離措施；在軟件上，采用綜合過濾、訪問控制、應(yīng)用代理技術(shù)實現(xiàn)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層與應(yīng)用層的隔離，在保證網(wǎng)絡(luò)透明性的同時，實現(xiàn)對非法信息的隔離。硬件防火墻至少可實現(xiàn)如下功能：支持透明連接、支持狀態(tài)檢測、IP/MAC地址綁定、地址轉(zhuǎn)換、身份驗證、日志審計等。

3.3 WEB服務(wù)器

WEB服務(wù)器負(fù)責(zé)機(jī)組在線監(jiān)測系統(tǒng)與云端的通訊，WEB服務(wù)器需存儲與狀態(tài)數(shù)據(jù)服務(wù)器同樣的數(shù)據(jù)。通過WEB服務(wù)器，機(jī)組在線監(jiān)測系統(tǒng)可將本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通過Internet發(fā)送給云終端，使相關(guān)技術(shù)人員通過訪問云終端來實現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)查看和分析的功能，WEB服務(wù)器和數(shù)據(jù)服務(wù)器采用同樣的配置。

在現(xiàn)場機(jī)組在線監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，WEB 服務(wù)器主要負(fù)責(zé)將在線監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)在 MIS 網(wǎng)上發(fā)布，因此，通常直接與電廠局域網(wǎng)連接， WEB 服務(wù)器類似于電廠局域網(wǎng)上的一個工作站。為了實現(xiàn)發(fā)送在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)只需要在 WEB 服務(wù)器上安裝一個發(fā)送程序，該程序采用專用的端口，只能向外發(fā)送數(shù)據(jù)，而不能接收任何信息，因此，不會影響 WEB 服務(wù)器的安全運(yùn)行。事實上局域網(wǎng)上的任何一個工作站都可以用于發(fā)送遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)，另外，還可以將 WEB 服務(wù)器中與在線監(jiān)測系統(tǒng)無關(guān)的端口進(jìn)行屏蔽，進(jìn)一步加強(qiáng) WEB 服務(wù)器的安全。WEB 服務(wù)器和現(xiàn)地在線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)通常配置網(wǎng)絡(luò)單向隔離裝置或硬件防火墻，因此更不會影響到在線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)安全和機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行。

4 遠(yuǎn)程終端的應(yīng)用

4.1 實時監(jiān)測

可以對振動、擺度、軸向位移、壓力脈動、空氣間隙、局部放電以及工況參數(shù)等進(jìn)行實時監(jiān)測，系統(tǒng)提供曲線圖、數(shù)值表、棒圖、波形圖、頻譜圖等多種可視化圖表供用戶選擇，可從不同角度、不同層次對機(jī)組狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，隨時隨地把握機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)。

圖2 工況一覽

圖3 工況監(jiān)視

圖4 數(shù)值表

圖5 波形頻譜

4.2 數(shù)據(jù)分析

系統(tǒng)提供軸心軌跡圖、趨勢圖、相關(guān)趨勢圖等專業(yè)工具，可以對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，便于用戶深入了解機(jī)組狀態(tài)，優(yōu)化機(jī)組運(yùn)行，指導(dǎo)機(jī)組檢修。

4.3 事件推送

系統(tǒng)可將預(yù)警、告警信息實時推送到移動終端，及時提醒用戶關(guān)注機(jī)組狀態(tài)變化，預(yù)防事故發(fā)生。系統(tǒng)同時也提供查詢歷史事件信息功能。

4.4 系統(tǒng)自診斷

通過移動APP，可以實時監(jiān)測機(jī)組狀態(tài)、監(jiān)測系統(tǒng)本身的狀態(tài)，包括傳感器狀態(tài)、采集裝置狀態(tài)、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、軟件運(yùn)行狀態(tài)等，及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行過程中的缺陷，確保系統(tǒng)長期、穩(wěn)定運(yùn)行。

5 與廠站控制系統(tǒng)關(guān)聯(lián)的考慮

5.1 與監(jiān)控系統(tǒng)通訊

進(jìn)行軟件設(shè)計時需考慮與監(jiān)控系統(tǒng)的通訊，可以接收監(jiān)控系統(tǒng)傳送過來的相關(guān)工況參數(shù)(如轉(zhuǎn)子電流、轉(zhuǎn)子電壓、瓦溫等)，并將數(shù)據(jù)傳送到系統(tǒng)分析軟件中參與分析。與監(jiān)控系統(tǒng)通訊的方式采用RS232/RS485串行通訊或TCP/IP以太網(wǎng)方式。

5.2 與其他系統(tǒng)信息共享軟件

系統(tǒng)需考慮電站主變在線監(jiān)測系統(tǒng)、GIS SF6氣體在線監(jiān)測等系統(tǒng)的通訊接入，集成相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)到系統(tǒng)中，實現(xiàn)數(shù)據(jù)全面分析。

6 總結(jié)

智慧電廠是通過采用先進(jìn)的信息技術(shù)，實現(xiàn)人、技術(shù)、經(jīng)營目標(biāo)和管理方法的集成，解放現(xiàn)場技術(shù)勞動力，使設(shè)備更加穩(wěn)定地實現(xiàn)安全運(yùn)行，創(chuàng)造效益最大化。設(shè)備遠(yuǎn)程終端的發(fā)展是智慧電廠發(fā)展必不可缺的重要環(huán)節(jié)，電廠的數(shù)據(jù)較多，在進(jìn)行遠(yuǎn)程終端數(shù)據(jù)選擇時要從時效性、可靠性進(jìn)行考慮。遠(yuǎn)程終端一方面的使用考慮作為未來大數(shù)據(jù)發(fā)展分析的使用，在APP的終端使用方面應(yīng)更多地考慮信息的綜合性，例如廠站監(jiān)控信息、機(jī)組狀態(tài)信息、工業(yè)視頻圖像等，以協(xié)助現(xiàn)場設(shè)備管理，及時協(xié)助處理、解決現(xiàn)場故障，實現(xiàn)技術(shù)共享，有效解決現(xiàn)場人員技術(shù)不足的發(fā)展需求。