張明棽，李海燕，史緒龍，翁曉彬，孫新志

（廣州擎天實業(yè)有限公司，廣東 廣州 510860）

0 引言

在人工智能及大數(shù)據(jù)處理應(yīng)用不斷普及的今天，傳統(tǒng)的電力行業(yè)也面臨著一系列的改革，如何在保證傳統(tǒng)電力安全運行情況下提高電廠在運行生產(chǎn)過程中的智能化，如何對設(shè)備的運行狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測，并針對實時數(shù)據(jù)做出分析，自動比照過往的歷史數(shù)據(jù)來分析設(shè)備的運行狀態(tài)等一列智能化功能的應(yīng)用將成為電力系統(tǒng)行業(yè)發(fā)展的趨勢。勵磁系統(tǒng)作為電站中的關(guān)鍵裝置，其運行的穩(wěn)定程度對電站的整體平衡起著重要作用。隨著大小電站內(nèi)各個裝置自動化程度的不斷提高，以及電網(wǎng)調(diào)度和各省電科院對網(wǎng)源協(xié)調(diào)技術(shù)的重視程度也越來越高，因此在對勵磁系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性的要求不斷提高的情況下，也對勵磁系統(tǒng)提出了智能化的需求。

1 勵磁綜合信息管理系統(tǒng)

勵磁系統(tǒng)綜合信息管理系統(tǒng)是一款利用Modbus/TCP或IEC 61850通信協(xié)議對電廠每套勵磁系統(tǒng)內(nèi)指定的開關(guān)量、模擬量進(jìn)行采集記錄，在有需要的情況下可以調(diào)出對應(yīng)時段的數(shù)據(jù)進(jìn)行返顯，并根據(jù)指定的信號利用專家經(jīng)驗?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析，為生產(chǎn)運行提供指導(dǎo)依據(jù)；是一種以發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，依靠專家運行經(jīng)驗及智能化數(shù)據(jù)模型用以提高電廠勵磁系統(tǒng)的智能化水平的系統(tǒng)。

2 勵磁綜合信息管理系統(tǒng)功能設(shè)計及構(gòu)成

2.1 勵磁綜合信息管理系統(tǒng)硬件構(gòu)成

勵磁綜合信息管理系統(tǒng)核心由服務(wù)器、交換機(jī)、防火墻、勵磁系統(tǒng)智能化單元構(gòu)成，其終端數(shù)據(jù)可送至云端存儲或者用戶自建平臺如圖1。由于電廠用戶對安全需求較高，因此不同的應(yīng)用系統(tǒng)具有不同的子網(wǎng)。通過合理地劃分子網(wǎng)，在子網(wǎng)內(nèi)建立防火墻、防病毒墻、物理隔離、入侵檢測和漏洞掃描等安全措施，并在不同子網(wǎng)連接的接口處設(shè)置物理隔離和防火墻等安全設(shè)施[1]。將系統(tǒng)用防火墻劃分為安全I(xiàn)區(qū)以及安全I(xiàn)I區(qū)。其中安全I(xiàn)區(qū)的設(shè)備與勵磁系統(tǒng)直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、分析等工作。安全生產(chǎn)II區(qū)的服務(wù)器則通過交換機(jī)，使用符合防火墻安全策略的訪問形式對現(xiàn)地單元進(jìn)行訪問。

其中勵磁系統(tǒng)智能化單元是一種為了適應(yīng)多元化的智能采集設(shè)備，利用高速CPU、大容量內(nèi)存與其豐富的數(shù)據(jù)接口進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)分析工作，并為外部數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)提供對應(yīng)的接口，從而為實現(xiàn)勵磁系統(tǒng)智能化做好數(shù)據(jù)基礎(chǔ)的設(shè)備。

2.2 勵磁綜合信息管理系統(tǒng)軟件功能構(gòu)成

圖1 綜合信息管理系統(tǒng)物理架構(gòu)圖

勵磁綜合信息管理系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)信息高速采集、信息處理、信息分析、信息查詢、信息統(tǒng)計、系統(tǒng)設(shè)置等功能的綜合性系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 綜合信息管理系統(tǒng)軟件架構(gòu)圖

勵磁綜合信息管理系統(tǒng)通過2個步驟來獲取數(shù)據(jù)信息，首先是勵磁系統(tǒng)智能化單元通過其自身的多種數(shù)據(jù)接口從現(xiàn)地的勵磁設(shè)備及其附屬裝置上獲取所需數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理打包，之后再由綜合信息管理系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)的形式，以20～60 ms的時間間隔從勵磁系統(tǒng)智能化單元上獲取處理后的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)對獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步處理，如剝離開關(guān)量與模塊量，分析數(shù)據(jù)中的事件發(fā)生的具體時間等。

接著系統(tǒng)將會對處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如果發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中存在符合運行狀態(tài)分析、暫態(tài)PID分析、PSS分析、限制器分析的數(shù)據(jù)，則調(diào)用經(jīng)驗?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行數(shù)據(jù)比照分析，比如起勵過程的分析，對起勵中PID調(diào)節(jié)過程進(jìn)行時間、超調(diào)、峰值、穩(wěn)態(tài)值等多個數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計算[2]，并對起勵過程的實時狀態(tài)作出判斷。其中運行狀態(tài)分析包括了起勵、逆變過程分析以及FCB分閘數(shù)據(jù)分析、FCB分閘原因分析、低勵磁電流信號數(shù)據(jù)分析等功能。PID分析包括了空載/負(fù)載態(tài)下的暫態(tài)數(shù)據(jù)分析。PSS（電力系統(tǒng)穩(wěn)定器）分析則是采用Prony算法對低頻振蕩的幅值、頻率、相角進(jìn)行識別，并能預(yù)測當(dāng)前工況下未來一段低頻振蕩的數(shù)據(jù)。Prony算法是通過分析信號獲取系統(tǒng)模態(tài)的一種方法，其算法可以通過給定輸入信號下的響應(yīng)直接估計系統(tǒng)的振蕩頻率、阻尼、幅值和相對相位。近年來，該算法已初步用于研究電力系統(tǒng)中的一些問題，在系統(tǒng)振蕩實測數(shù)據(jù)分析、暫態(tài)仿真數(shù)據(jù)的模型估計以及電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(PSS)等控制裝置的設(shè)計方面顯示出了良好的應(yīng)用前景[3]。限制器動作分析則是針對勵磁系統(tǒng)各個限制器的動作定值、動作模型以及數(shù)據(jù)可靠性等多個方面對限制器動作合理性進(jìn)行評估。

系統(tǒng)通過對數(shù)據(jù)的不斷積累，對勵磁設(shè)備的歷史數(shù)據(jù)特征值進(jìn)行學(xué)習(xí)，總結(jié)出該工況下勵磁設(shè)備的健康基準(zhǔn)值，將該值與設(shè)備當(dāng)前值比較，利用偏差分析法計算兩者相對偏差，形成動態(tài)預(yù)警帶，從而判斷設(shè)備運行狀態(tài)是否正常[4]。

勵磁系統(tǒng)智能綜合信息管理系統(tǒng)還可根據(jù)用戶選定的時間區(qū)域，及所需要顯示的報警信號進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)的查詢，可以分別以日、月、年為周期進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計并根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果繪制曲線圖等，這樣就使得用戶可以通過數(shù)據(jù)回顯的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

3 綜合信息管理系統(tǒng)的應(yīng)用淺析

綜合信息管理系統(tǒng)由于數(shù)據(jù)的完整性，專業(yè)性，可用于解決電力生產(chǎn)企業(yè)如下難題：

（1）用于解決勵磁系統(tǒng)偶發(fā)性故障：偶發(fā)性故障也稱作軟故障，即通常只出現(xiàn)1次或者間隔很長時間才出現(xiàn)1次的故障，該故障常有時間短、頻次少、數(shù)據(jù)難以追憶等特點。在實時控制系統(tǒng)中處理這種偶發(fā)性故障，由于缺乏當(dāng)時工況數(shù)據(jù)，處理起來相當(dāng)棘手。而綜合信息管理系統(tǒng)是一個實時采集并存儲數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，存儲了勵磁系統(tǒng)運行過程的全部數(shù)據(jù)，包括了勵磁系統(tǒng)各個開關(guān)量、機(jī)組的各個模擬量以及系統(tǒng)實時參數(shù)等數(shù)據(jù)。因此在發(fā)生偶發(fā)性故障之后即可從系統(tǒng)中調(diào)出對應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行故障分析，從根本上解決了偶發(fā)性故障數(shù)據(jù)追憶分析的難點。

（2）用于解決日常維護(hù)中一些因?qū)I(yè)知識欠缺而導(dǎo)致檢修問題無從下手的問題：電站用戶作為專用設(shè)備的使用用戶，在對設(shè)備的專業(yè)了解上并不像生產(chǎn)廠家一樣熟悉，有時候設(shè)備運行過程中出現(xiàn)了一些的問題，往往都要通過咨詢廠家、提供故障數(shù)據(jù)等繁瑣的過程才能最終解決，即費時又費力，同時也會對發(fā)電企業(yè)造成一定經(jīng)濟(jì)損失。由于綜合信息管理系統(tǒng)集合了專家經(jīng)驗數(shù)據(jù)庫，可對多種信號的發(fā)生及故障原因進(jìn)行定位分析，如勵磁系統(tǒng)起勵失敗，通過調(diào)用綜合信息管理系統(tǒng)提供的起勵分析功能，該系統(tǒng)會主動利用經(jīng)驗數(shù)據(jù)庫對失敗原因進(jìn)行查找分析，指出故障原因，并提供故障解決方案。

（3）用于解決使用者不熟悉勵磁行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的問題：對于不熟悉勵磁行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的使用者來說，勵磁系統(tǒng)運行工況是否滿足工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或者國家標(biāo)準(zhǔn)往往不得而知，只有在故障后才后知后覺。這在提早發(fā)現(xiàn)勵磁系統(tǒng)故障，對生產(chǎn)風(fēng)險的早期預(yù)警是十分不利的。綜合信息管理系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)分析嚴(yán)格依賴國家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計算，系統(tǒng)自動對數(shù)據(jù)處理套用最新行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理，使用者得到的數(shù)據(jù)即為以行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)作為基準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，如暫態(tài)分析依靠DL/T 583-2018《大中型水輪發(fā)電機(jī)靜止整流勵磁系統(tǒng)技術(shù)條件》中對勵磁系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性各項指標(biāo)的規(guī)定，對暫態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)實時分析，并對數(shù)據(jù)是否符合標(biāo)準(zhǔn)中檢定的限值進(jìn)行評估，對不符合標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)提早進(jìn)行預(yù)警。

（4）用于彌補電廠監(jiān)控系統(tǒng)局限性：由于電廠監(jiān)控系統(tǒng)的采集數(shù)據(jù)與數(shù)量的原因，其采樣間隔往往都以秒級計算，且所采集的數(shù)據(jù)類型通常不夠完整。綜合信息管理系統(tǒng)可高速采集顯示勵磁系統(tǒng)的所有信號量，包括系統(tǒng)內(nèi)部中間狀態(tài)量，彌補了監(jiān)控數(shù)據(jù)不完整及數(shù)據(jù)精度問題。

（5）可用于風(fēng)險評估、提前預(yù)警：綜合信息管理系統(tǒng)通過對長期積累的數(shù)據(jù)主動進(jìn)行比較分析，對偏離正常值的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)警，并對元件老化、性能等方面做出評估。

（6）數(shù)據(jù)共享：綜合信息系統(tǒng)創(chuàng)建立了新的勵磁生態(tài)圈如圖3，通過利用廠家的專家經(jīng)驗庫，可使得每個電廠共享其他電廠的運行經(jīng)驗。

圖3 勵磁系統(tǒng)新型生態(tài)圈示意圖

4 結(jié)論

綜合信息管理系統(tǒng)通過現(xiàn)代通信技術(shù)從勵磁系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)，并利用廠家多年積累的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，建立運行模型、故障分析模型、經(jīng)驗指導(dǎo)模型等模型庫信息。該系統(tǒng)能夠為電廠勵磁系統(tǒng)的正常運行提供指導(dǎo)依據(jù)，為檢修提供檢修意見。通過該系統(tǒng)，可判斷勵磁系統(tǒng)運行過程中的即時性能，并能夠?qū)畲畔到y(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性做出評估，這對勵磁系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行有十分積極作用，有助于電站運行維護(hù)人員提前判斷設(shè)備狀態(tài)，對設(shè)備缺陷老化提前預(yù)警；還能夠在遇到發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)故障報警及電力系統(tǒng)其他相關(guān)故障時做出正確分析、判斷，用于指導(dǎo)相關(guān)人員進(jìn)行相應(yīng)的問題排查工作，從而提高工作效率。同時該系統(tǒng)不斷的吸收各個電廠的運行檢修經(jīng)驗來提升完善各個模型及經(jīng)驗數(shù)據(jù)庫，從而達(dá)到了一種良性循環(huán)。

勵磁系統(tǒng)的智能化是推進(jìn)電廠設(shè)備智能化的一個重要環(huán)節(jié)，而綜合信息管理系統(tǒng)正好也為勵磁系統(tǒng)的智能化提供了一種可行的研究方向。