南方電網(wǎng)調峰調頻發(fā)電有限公司信息通信分公司 馬一寧 鐘建栩 余少鋒

當前區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)和用電負荷的復雜性都呈現(xiàn)出逐漸上升的趨勢，在該領域當中抽水蓄能電站在提升水電效益以及改善電網(wǎng)運行環(huán)境等方面都有著巨大的作用和影響，因此為了能夠確保電站整體的安全和穩(wěn)定運行，該領域研究人員針對抽水蓄能電站進行了更加深入的研究[1]。由于在這類電站當中，抽水蓄能發(fā)電設備的運行會直接影響到電站整體運行，因此為了能夠實現(xiàn)對發(fā)電設備的運行控制，充分了解抽水蓄能發(fā)電機組設備的運行狀態(tài)，對其運行過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計。

我國抽水蓄能電站按照無人值守模式建設運營，運維人員較少。雖然人力資源有限，但電站的安全穩(wěn)定運行必須得到保障，運維工作量非常大。目前的維護模式是定期維護和預試。一方面，在檢修周期之間發(fā)生故障和缺陷時，無法及時發(fā)現(xiàn)，會造成事故；另一方面，由于定期檢修，即使設備沒有明顯缺陷，也要安排檢修，造成大量人力物力浪費。在這種情況下，為了保證設備的健康運行，就必須發(fā)揮設備狀態(tài)監(jiān)測的作用。通過設備狀態(tài)監(jiān)測，及時了解設備運行狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)存在的問題并進行處理，確保電站安全穩(wěn)定運行；同時，根據(jù)在線監(jiān)測提供的數(shù)據(jù)和分析，了解設備健康狀態(tài)，安排狀態(tài)檢修，節(jié)省人力物力[2]。

同時，在發(fā)電設備運行過程中涉及到的參數(shù)眾多，為了實現(xiàn)對設備運行的分析，從而實現(xiàn)對其故障監(jiān)測和診斷，需要對各類運行數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，因此需要一種能夠實現(xiàn)對含量數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計的系統(tǒng)，以此支撐發(fā)電設備運行監(jiān)測系統(tǒng)的運行[2]。由于抽水蓄能發(fā)電站的運行環(huán)境十分復雜且干擾因素眾多，因此直接采用傳統(tǒng)設備運行統(tǒng)計系統(tǒng)很難滿足電站的運行需要?；诖?，本文引入大數(shù)據(jù)技術，開展對抽水蓄能發(fā)電設備運行統(tǒng)計系統(tǒng)設計研究。

1 系統(tǒng)硬件設計

為實現(xiàn)對抽水蓄能發(fā)電站的安全監(jiān)測，引入統(tǒng)計系統(tǒng)的設計思想，針對抽水蓄能發(fā)電站當中的設備運行時產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行實時記錄和統(tǒng)計。由于發(fā)電設備在運行過程中會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)信息，引入本文將大數(shù)據(jù)技術作為系統(tǒng)的核心部分，并按照如圖1所示的系統(tǒng)運行原理，實現(xiàn)對統(tǒng)計系統(tǒng)的理論設計研究。

圖1 基于大數(shù)據(jù)的統(tǒng)計系統(tǒng)運行原理示意圖

在硬件設計中，引入統(tǒng)計系統(tǒng)的設計思想，針對抽水蓄能發(fā)電站當中的設備運行時產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行實時記錄和統(tǒng)計。考慮到抽水蓄能發(fā)電設備運行現(xiàn)場的環(huán)境對統(tǒng)計系統(tǒng)運行效果的干擾因素較多，選用WIO-HW848-490型號自動化智能傳感器，EDA50KP4765-4980型號內部配置OPC 程序的采集器作為本文統(tǒng)計系統(tǒng)中的采集裝置。

在軟件設計中，利用大數(shù)據(jù)技術中的Historian將所有采集到的數(shù)據(jù)信息進行壓縮處理，并將其存儲在相應的數(shù)據(jù)庫當中。通過API（用戶/服務器應用程序界面）實現(xiàn)對已經(jīng)完成歸檔數(shù)據(jù)的調用。利用VBA 開發(fā)環(huán)境，通過OLEDB 完成對腳本的編寫，并通過連接數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)對Historian 當中所有數(shù)據(jù)的讀取。

通過對比實驗證明，新的統(tǒng)計系統(tǒng)在實際應用中可有效降低對CPU 的占用量，避免計算機出現(xiàn)卡頓問題，提高統(tǒng)計質量。

根據(jù)圖1中顯示的運行原理以及系統(tǒng)的基本結構組成，針對其硬件部分進行設計?？紤]到抽水蓄能發(fā)電設備運行現(xiàn)場的環(huán)境對統(tǒng)計系統(tǒng)運行效果的干擾因素較多，因此在選擇對各類數(shù)據(jù)進行采集的傳感器時，選用WIO-HW848-490型號自動化智能傳感器，將該型號傳感器應用到本文統(tǒng)計系統(tǒng)當中，針對發(fā)電設備在運行過程中的各項參數(shù)，例如溫度參數(shù)、濕度參數(shù)等進行實時測量，并通過無線傳輸?shù)姆绞?，將采集到的?shù)據(jù)傳輸?shù)奖疚慕y(tǒng)計系統(tǒng)的上位機當中，為后續(xù)運行統(tǒng)計提供更加可靠的數(shù)據(jù)支撐條件[3]。

該型號傳感器的電源為：DC/AC220V；測量范圍為0～5%；測量精度為0.5%。WIO-HW848-490型號自動化智能傳感器探頭部分采用黃銅材質，螺紋接口為G1/2″；M20X1.5；M27X2（根據(jù)不同的抽水蓄能發(fā)電站環(huán)境可進行針對性選擇），探頭長度為100mm、工作壓力小于1.6MPa、防護等級為IP65，上述設備參數(shù)能夠充分滿足本文統(tǒng)計系統(tǒng)在復雜設備運行環(huán)境當中的應用需要，并為采集到的數(shù)據(jù)精度提供保障。

在完成對傳感器的選擇后，還需要對數(shù)據(jù)的采集裝置進行選擇，選用EDA50KP4765-4980型號內部配置OPC 程序的采集器作為本文統(tǒng)計系統(tǒng)中的采集裝置。該型號采集器的內存ROm 容量為64G，CPU 頻率為1.8GHz，支持SD 存儲卡，CPU 為8核，能夠充分滿足抽水蓄能發(fā)電站中多種不同類型發(fā)電設備運行參數(shù)的采集需要。由于在該采集器當中含有OPC 驅動程序，因此能夠實現(xiàn)對基于OPC 協(xié)議通信的數(shù)據(jù)采集[4]。

通過EDA50KP4765-4980型號采集器將傳感器測量得到的數(shù)據(jù)進行采集，并上傳到本文統(tǒng)計系統(tǒng)的上位機當中，在過程數(shù)據(jù)庫當中實現(xiàn)對設備運行數(shù)據(jù)信息的存儲，并利用EDA50KP4765-4980型號采集器自帶的480×800分辨率顯示屏對數(shù)據(jù)調用畫面進行實時顯示。

2 系統(tǒng)軟件設計

2.1 基于大數(shù)據(jù)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)庫連接與調用

在上述硬件結構的基礎上，在傳感器與采集器運行時完成對抽水蓄能發(fā)電設備的運行數(shù)據(jù)采集后，需要完成對統(tǒng)計數(shù)據(jù)庫的建立與連接，并實現(xiàn)在系統(tǒng)運行過程中對統(tǒng)計數(shù)據(jù)庫的實時調用。由于發(fā)電設備在運行過程中的數(shù)據(jù)量較大，因此引入大數(shù)據(jù)技術，在統(tǒng)計數(shù)據(jù)庫連接過程中，實現(xiàn)對其處理。利用大數(shù)據(jù)技術中的Historian 將所有采集到的數(shù)據(jù)信息進行壓縮處理，并將其存儲在相應的數(shù)據(jù)庫當中[5]。

在分布式網(wǎng)絡環(huán)境當中，通過API（用戶/服務器應用程序界面）實現(xiàn)對已經(jīng)完成歸檔數(shù)據(jù)的調用。再利用應用程序接口，為結構化問題語言和非結構化問題語言提供通路。利用VBA 開發(fā)環(huán)境，通過OLEDB 完成對腳本的編寫，并通過連接數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)對Historian 當中所有數(shù)據(jù)的讀取。在完成對統(tǒng)計數(shù)據(jù)庫的連接后，用戶可以根據(jù)其不同需要對相應的數(shù)據(jù)資源進行查詢。根據(jù)抽水蓄能發(fā)電站的運行時間特點，需要保證0點、8點和16點的數(shù)據(jù)顯示在系統(tǒng)的上位機界面上，并且所有的數(shù)據(jù)均不可重復顯示。

2.2 抽水蓄能發(fā)電設備運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計與壓縮存儲

在實現(xiàn)統(tǒng)計數(shù)據(jù)庫連接與調用后，為了確保后續(xù)設備運行出現(xiàn)故障時有足夠的運行數(shù)據(jù)作為條件，還需要對上述獲取到的數(shù)據(jù)進行存儲。由于本文設計的統(tǒng)計系統(tǒng)為24小時不間斷運行，因此相應的信號采集裝置也始終處于不間斷狀態(tài)，產(chǎn)生的工況數(shù)據(jù)量極大。針對這一問題，在充分考慮抽水蓄能發(fā)電站復雜應用環(huán)境以及發(fā)電站中設備類型產(chǎn)品因素的基礎上，選用實時歷史數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)對發(fā)電設備運行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和存儲。考慮到統(tǒng)計系統(tǒng)的運行效率問題，需要對進行統(tǒng)計的數(shù)據(jù)進行壓縮后再存儲到數(shù)據(jù)庫當中。將數(shù)據(jù)存儲的方式設置為允許壓縮，并利用狀態(tài)量對存儲的變化情況進行描述，并只保存觸發(fā)點位置上的數(shù)據(jù)，為抽水蓄能發(fā)電設備運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計提供更大的存儲空間。

3 對比實驗

在結合本文上述論述內容的基礎上，分別從硬件設計方面和軟件設計方面實現(xiàn)對本文基于大數(shù)據(jù)的統(tǒng)計系統(tǒng)的研發(fā)，為了驗證該系統(tǒng)的實際應用效果，選擇以某地區(qū)抽水蓄能發(fā)電站作為實驗環(huán)境，將本文提出的基于大數(shù)據(jù)的統(tǒng)計系統(tǒng)應用到該實驗環(huán)境當中，并針對抽水蓄能發(fā)電設備在運行過程中的各項參數(shù)進行統(tǒng)計。同時，為了確保最終得到的實驗結果具有可比較性，選擇將該發(fā)電站傳統(tǒng)基于iFix 組態(tài)技術的統(tǒng)計系統(tǒng)同樣應用到上述實驗環(huán)境當中，針對兩種統(tǒng)計系統(tǒng)的運行情況進行記錄。

由于統(tǒng)計系統(tǒng)運行結果的質量與其CPU 占用量有著直接的聯(lián)系，即CPU 占用量大，或CPU 占用量恢復時間長，數(shù)據(jù)信息統(tǒng)計的穩(wěn)定性越差，若統(tǒng)計數(shù)據(jù)的并發(fā)數(shù)量不斷增加，則會出現(xiàn)嚴重的卡頓問題，無法保障統(tǒng)計的效率和質量；反之CPU占用量小，或CPU 占用量恢復時間短，則數(shù)據(jù)信息統(tǒng)計的穩(wěn)定性越強，同時在出現(xiàn)統(tǒng)計數(shù)據(jù)的并發(fā)量不斷增加時，也不會出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象，保障統(tǒng)計的效率和質量。分別向兩種統(tǒng)計系統(tǒng)當中輸入該發(fā)電站日常發(fā)電設備運行過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，一次模擬在一天當中抽水蓄能發(fā)電設備運行所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息量，并按照表1所示內容，完成對統(tǒng)計數(shù)據(jù)報表的生成。

表1 發(fā)電設備運行信息統(tǒng)計數(shù)據(jù)報表生成配置

根據(jù)上述表1中的配置要求，完成對統(tǒng)計數(shù)據(jù)報表的生成后，記錄兩種統(tǒng)計系統(tǒng)在生成報表時的計算機CPU 占用量，并將并發(fā)數(shù)為100個、200個、300個、400個和500個的條件下，CPU 占用量分別記錄，繪制成如圖2所示。

圖2中，虛直線表示為統(tǒng)計系統(tǒng)所在計算機上默認配置時的CPU 占用量。從圖2中記錄的兩種統(tǒng)計系統(tǒng)的CPU 占用量情況可以看出，本文基于大數(shù)據(jù)的統(tǒng)計系統(tǒng)和傳統(tǒng)基于iFix 組態(tài)技術的統(tǒng)計系統(tǒng)整體均呈現(xiàn)出CPU 占用量不斷增加的趨勢，但本文基于大數(shù)據(jù)的統(tǒng)計系統(tǒng)能夠在更短的時間內恢復正常的CPU 占用量數(shù)值，并且在并發(fā)數(shù)相同時，本文系統(tǒng)的CPU 占用量更低。

圖2 兩種統(tǒng)計系統(tǒng)實驗結果中CPU 占用量對比圖

因此，通過上述實驗結合本文上述對CPU 占用量變化分析得出，本文提出的基于大數(shù)據(jù)的統(tǒng)計系統(tǒng)在實際運行過程中能夠有效降低CPU 占用量，提高發(fā)電設備運行數(shù)據(jù)信息統(tǒng)計的穩(wěn)定性，同時當并發(fā)數(shù)不斷增加時，也不會造成計算機卡頓問題的產(chǎn)生，可以有效保障對發(fā)電設備運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計的效率和質量。

4 結語

由于在抽水蓄能發(fā)電站當中包含了多種不同功能和類型的發(fā)電設備，而各個設備均來自于不同的生產(chǎn)廠家，因此如何實現(xiàn)對不同設備運行參數(shù)的統(tǒng)計，成為了設備運行監(jiān)測中的重難點。針對這一問題，本文開展對統(tǒng)計系統(tǒng)的設計研究，并結合大數(shù)據(jù)技術實現(xiàn)對傳統(tǒng)統(tǒng)計系統(tǒng)的優(yōu)化。完成設計后的統(tǒng)計系統(tǒng)能夠有效節(jié)省存儲空間，降低計算機的CPU 的占用量，為發(fā)電站的安全運行提供數(shù)據(jù)支撐條件。