陳雪英

（中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川成都,610000）

1 項目概況

1.1 系統(tǒng)設計

利用物聯(lián)網(wǎng)技術，根據(jù)水電站廠房布局、設備位置分布及運行要求，研制了針對小水電站的面向無人值守的在線監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)。系統(tǒng)的主要監(jiān)測對象及信息包括兩方面：（1）主廠房的機組上、下機架和蝸殼振動，軸擺度、局部放電，機組油壓，機組接地，機組、電纜頭溫度和勵磁系統(tǒng)、調速器、保護自動化、公用系統(tǒng)設備故障狀態(tài)，大壩、前池、尾水和集水井水位.河道生態(tài)流量。雨量，主變溫度，開關柜局部放電，開關柜觸頭、母排、電纜頭溫度，閘門開度，位置，位移，壓力變形等設備方面的在線監(jiān)測及故障診斷告警；（2）大壩滲壓、測縫、應變及沉降，小水電站重要的環(huán)境溫度、濕度、浸水、裂變和煙霧、火焰、聲光、異味等環(huán)境方面的在線監(jiān)測及異常告警。系統(tǒng)配置監(jiān)測信號的智能傳感器、物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關、在線監(jiān)測裝置、監(jiān)控主機、數(shù)據(jù)服務器、Web服務器、在線監(jiān)測及故障診斷主機、遠程集控中心和移動終端等。系統(tǒng)通信網(wǎng)絡是根據(jù)現(xiàn)場設備布局情況而定，盡量減少硬布線方式，采用無線自組網(wǎng)通信，主要采用智能傳感器與智能網(wǎng)關的無線通信方式和智能傳感器與在線監(jiān)測裝置的有線直連方式，在線監(jiān)測裝置通過以太網(wǎng)通信方式與后臺主機系統(tǒng)連接，后臺Web主機系統(tǒng)通過互聯(lián)網(wǎng)或4G與移動終端進行通信連接和技術應用。

1.2 系統(tǒng)功能

（1）安全監(jiān)測與故障告警。采用物聯(lián)網(wǎng)技術實現(xiàn)對進水閥、水輪機、發(fā)電機、變壓器、開關柜、勵磁、調速器等設備狀態(tài)監(jiān)測信息及輔機系統(tǒng)的局放、溫度、油位、水位、壓力等狀態(tài)量告警信息監(jiān)測；能自動進行信息分析，提供時域和頻域輔助分析工具進行各種圖表分析和綜合展示；可對小水電站的安防、消防、水雨情、大壩閘門、水工渠道、河道等進行安全監(jiān)測，用閾值比較法和同類數(shù)據(jù)比較分析法來產(chǎn)生實時告警事件。

（2）數(shù)據(jù)統(tǒng)計與趨勢分析。系統(tǒng)將根據(jù)智能傳感器采集的現(xiàn)場設備狀態(tài)數(shù)據(jù)信息，并融合SCADA監(jiān)控系統(tǒng)相關參量，進行實時數(shù)據(jù)的自動統(tǒng)計分析，并與設計參數(shù)、歷史數(shù)據(jù)進行比較,利用綜合分析法對歷史數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析,形成統(tǒng)計分析報告,生成設備運行狀態(tài)的趨勢分析曲線,指導小水電站的運行管理和輔助決策。

（3）故障診斷與優(yōu)化運行。系統(tǒng)采用歷史參數(shù)比較法、同型機組相同工況參數(shù)比較法、閥值比較法、小波包能量分析法、Hilbert包絡分析法、諧波小波分析法、SVM模型診斷法和相關量參數(shù)綜合分析法等故障診斷方法對在線監(jiān)測的各類數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析,同時通過時域波形圖、頻譜圖和歷史趨勢圖等直觀展示設備故障情況和設備運行狀態(tài)趨勢,以便根據(jù)故障診斷結果分析,提出設備優(yōu)化運行的方案。

（4）設備信息與輔助決策。利用物聯(lián)網(wǎng)技術,實現(xiàn)小水電站主要設備的物聯(lián)網(wǎng)電子標簽編碼、性能參數(shù)記錄和管理,自動完成設備狀態(tài)數(shù)據(jù)采集及診斷,并可獲取包括電站設備標識在內的輔助管理信息,實現(xiàn)電站設備的信息化管理,為設備的安全運行、計劃檢修、主動維護和技術管理提供決策信息。

（5）遠程通信與移動管理。系統(tǒng)通過專網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)GPRS、4G等通信方式,與水電站梯級調度、集控中心、云服務平臺、移動終端等進行數(shù)據(jù)、圖象和事件信息通信，實現(xiàn)在線監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)的遠程監(jiān)視和移動辦公，可提高小水電站設備運行的安全管理水平和效率。

1.3 系統(tǒng)運行情況

試運行一年來，該系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)準確、可靠，故障分析診斷報告完整，運行情況較穩(wěn)定。一方面使值班人員的數(shù)量及工作強度大幅降低，并實施了故障診斷、評估和預警機制，使得電站未發(fā)生重大生產(chǎn)事故；另一方面設備狀態(tài)監(jiān)測、信息化和手機APP的移動管理，使電站安全管理效率得以提升，機組增加了正常發(fā)電運行時間，減少了停機次數(shù)，提高了發(fā)電經(jīng)濟效益。由此可見，小水電站在線監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)的應用為小水電站帶來了更好的經(jīng)濟效益，在節(jié)約運維成本的同時提高了電站管理水平。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術的電廠生產(chǎn)智能管理系統(tǒng)的體系架構

物聯(lián)網(wǎng)最初是從“互聯(lián)網(wǎng)”概念上延伸而來的，其主要作用就是將用戶端延伸、擴展至物品中。

電力物聯(lián)網(wǎng)，顧名思義，是電力與物聯(lián)網(wǎng)的有機結合，在電力運行的各個環(huán)節(jié)中，引入物聯(lián)網(wǎng)，以實現(xiàn)人、機、物等的有效連接。物聯(lián)網(wǎng)不僅能在電力的生產(chǎn)中發(fā)揮重要作用，而且能在電力企業(yè)的經(jīng)營管理中發(fā)揮重要作用，此外，在對外客戶服務方面，物聯(lián)網(wǎng)也有不可取代的影響?；ヂ?lián)網(wǎng)之所以能夠安全、高效運行，電力是作為基礎存在的。物聯(lián)網(wǎng)的三個方面在于終端設備、網(wǎng)關、服務器群。

物聯(lián)網(wǎng)技術一方面有效提高了電網(wǎng)效率，另一方面切實保障了供電可靠性。物聯(lián)網(wǎng)技術是電網(wǎng)數(shù)字化的根基，是實現(xiàn)電網(wǎng)設備連接、電網(wǎng)狀態(tài)感知、業(yè)務全面創(chuàng)新的橋梁。通過建設“端邊管云”體系，在發(fā)、輸、變、配、用等領域內部完成統(tǒng)一接入與統(tǒng)一管理，以對全域數(shù)據(jù)進行全面采集、有效傳輸、充分存儲與協(xié)同控制。通過RFID技術等各類現(xiàn)金技術，使倉庫管理、變電站監(jiān)控、搶修定位與調度、巡檢定位、故障識別等各項業(yè)余實現(xiàn)精準、靈活的智能化應用。物聯(lián)網(wǎng)平臺的部署是統(tǒng)一化的，平臺主要是南網(wǎng)云平臺，利用的部署形式是一級多節(jié)點形式，在南網(wǎng)云基礎資源與兩地三中心結構的基礎上，不僅能夠強化物聯(lián)網(wǎng)平臺的彈性擴容能力，而且能夠加強物聯(lián)網(wǎng)平臺的災備能力。綜上所述，物聯(lián)網(wǎng)可以廣泛運用于各個領域、各個行業(yè)中，以此提高人們的生活水平。

物品必須具備以下條件才有資格被列為物聯(lián)網(wǎng)范圍下的“物”：①具備信息接收器；②擁有數(shù)據(jù)傳輸通道；③支持存儲；④擁有CPU；⑤具備操作系統(tǒng)；⑥有特定的應用程序；⑦有支持的數(shù)據(jù)發(fā)送器；⑧符合物聯(lián)網(wǎng)設定的協(xié)議；第九，需要為其提供可識別的特定編號。

在物聯(lián)網(wǎng)中，感知層主要涉及到識別技術與嵌入式系統(tǒng)技術兩種。其中前者能夠準確識別出物聯(lián)網(wǎng)中人們所指定的物品以及其具體位置；后者則涵蓋了系統(tǒng)中所有的無線、有線網(wǎng)關、接入網(wǎng)、核心網(wǎng)等內容，具體作用是能夠支持感知層數(shù)據(jù)與控制信息之間的相互傳輸與控制。

將傳統(tǒng)的數(shù)字化電廠體系架構與物聯(lián)網(wǎng)支持下的電廠體系架構進行比較，得出結論如下：傳統(tǒng)體系結構下的數(shù)據(jù)層能夠直接對應到物聯(lián)網(wǎng)結構下的應用層中，其主要作用是向組建層提供必要的數(shù)據(jù)信息；其次，傳統(tǒng)體系結構下的環(huán)境層所對應的是物聯(lián)網(wǎng)結構下的網(wǎng)絡層與感知層。因此，若是能夠在電廠日常運行中融入物聯(lián)網(wǎng)技術，不僅能夠完善所有必要的數(shù)據(jù)信息，還能夠促使原先環(huán)境層的內容得到延伸，從而構建出科學實用的電廠生產(chǎn)智能管理系統(tǒng)，實現(xiàn)高效化的協(xié)同管理。完善后的數(shù)字化電廠架構如圖1所示。

圖1 完善后的數(shù)字化電廠架構圖

3 場景應用

3.1 故障診斷關鍵技術

機組溫度、氣壓、油壓、水位及雨量等信息監(jiān)測診斷采用閾值比較法產(chǎn)生實時告警信號，采用綜合分析法和歷史趨勢圖法進行故障預警和定位，實現(xiàn)在線故障診斷和預知預警功能。

機組軸承故障診斷方法采用基于小波包能量和Hilbert變換的診斷方法。其中。小波包變換法對振動信號進行分解、重構和能量計算；Hilbert變換算法對能量信號解調、頻譜分析，提取故障特征頻率。機組轉子故障診斷方法采用基于SVM模型的算法進行故障判別。本方案機組振擺信息的智能故障診斷分為軸承信號診斷分析模塊和轉子信號診斷分析模塊，對應不同的智能故障診斷法。

軸承信號診斷分析模塊原理是機組出現(xiàn)軸承表面損傷類故障時，振動信號的能量會在某個高頻頻帶內明顯增強，利用小波包能量分析方法選取能量增強的頻段，然后根據(jù)Hilbert變換對該頻段的小波包重構信號包絡解調，得到低頻包絡信號，其頻譜為小波包絡譜，應用包絡譜自動搜索智能診斷方法從小波包絡譜中分析得出機組軸承故障特征，進而實現(xiàn)機組軸承故障的智能診斷。轉子信號診斷分析模塊中，信號輸入、時域波形分析、數(shù)據(jù)庫管理模塊等與軸承診斷分析使用的方法基本一致，診斷策略不同之處在于首先應用諧波小波包能量分析法提取故障特征參數(shù)，并采用模糊C均值聚類算法（FCM）對轉子故障樣本數(shù)據(jù)預處理，剔除分類正確且FCM隸屬度高的樣本數(shù)據(jù)；使用預處理后的樣本數(shù)據(jù)對支持向量機（SVM）的故障分類模型進行訓練，利用網(wǎng)格搜索法選取SVM模型中的最優(yōu)參數(shù)；最后用實測樣本數(shù)據(jù)對SVM檢驗，實現(xiàn)轉子常見故障（不對中、不平衡、碰磨、油膜渦動）的智能診斷，診斷結果準確度高，計算量相對較少，便于推廣。

3.2 智能巡檢

以往電廠在日常工作過程中大多以來員工巡查找出設備的異常所在，若是設備故障對整個系統(tǒng)的正常工作影響不大，那么極易被巡查人員所忽視，隨著時間的推移這些故障便極有可能轉變?yōu)榇蟮陌踩[患，最終爆發(fā)出安全事故。與此同時，若是單純依靠人工進行巡檢，那么極易受到員工操作等原因的影響，可能會出現(xiàn)判斷失誤，其安全性根本無法得到保障。因此，在智慧電廠的模式下，人們使用智能巡檢代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工巡檢，即取消傳統(tǒng)的人工巡檢方式，轉而充分借助三維可視化技術，直接構建出具體的三維模型，將所有的設備、管道全部在模型出展現(xiàn)出來，同時可以使用光視覺識別、紅外識別、無線測溫等新型科技設備，綜合運用傳感器、圖像識別等先進技術，實現(xiàn)非接觸自主監(jiān)測，快速獲取到相應的數(shù)據(jù)信息，并利用大數(shù)據(jù)技術將這些數(shù)據(jù)信息分類、儲存到相應的位置，管理者只需打開相應的數(shù)據(jù)庫即可查詢到數(shù)據(jù)信息，從而合理分配檢修、維護工作。

3.3 取得成效

若是將物聯(lián)網(wǎng)技術運用到日常生產(chǎn)管理中，不僅能夠有效提升生產(chǎn)活動的管理品質，在很大程度上降低作業(yè)人員出現(xiàn)操作失誤的可能性，還能夠及時排查出設備與周圍環(huán)境的異常所在，以便盡早制定出應急防范措施，規(guī)范生產(chǎn)規(guī)范，統(tǒng)一生產(chǎn)流程，全面提升安全生產(chǎn)管理品質。由此可見，將物聯(lián)網(wǎng)技術應用到電廠的日常生產(chǎn)中非常必要，而物聯(lián)網(wǎng)技術主要可以被應用到以下5個方面：（1）設備管理應用研發(fā)，即為每一個生產(chǎn)設備進行編號，實時跟蹤其運行狀態(tài)，排查是否存在安全隱患。（2）運用在巡回檢查管理之中。管理者可以通過物聯(lián)網(wǎng)來了解巡檢人員工作狀況，例如了解其具體的巡檢時間、巡檢范圍，從而有效提升對工作人員的管理。（3）將物聯(lián)網(wǎng)運用至視頻圖像處理與聯(lián)動方面，即可以通過物聯(lián)網(wǎng)將設備工作狀態(tài)以圖像的形式呈現(xiàn)出來，便于管理者更直觀、準確了解到各個生產(chǎn)設備的指標參數(shù)以及周圍環(huán)境的指標參數(shù)，一旦發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)即可在第一時間發(fā)出警報，以便盡快展開維修工作。（4）將物聯(lián)網(wǎng)運用至人員定位，即可以通過物聯(lián)網(wǎng)直接區(qū)分安全區(qū)域與危險區(qū)域，以便工作人員在進行工作的時候做出提示，一旦發(fā)現(xiàn)工作人員處于危險區(qū)域下，且存在危險行為，便會第一時間發(fā)出警報。（5）運用在危險品的傳輸動態(tài)監(jiān)控方面，即可以借助移動網(wǎng)絡、GPS等定位技術，實時標記危險品運輸車輛的具體位置，對其進行實時監(jiān)控，以便掌握其周圍環(huán)境狀況，一旦出現(xiàn)隱患即可在第一時間做好應急防范措施。