基于趨勢(shì)分析的遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳小松，洪 凱，張志霞，郭鵬慧，周 文，甄國(guó)強(qiáng)

（1.北京中水科水電科技開發(fā)有限公司，北京 100038；2.黃河上游水電開發(fā)有限責(zé)任公司，青海 西寧 810000）

基于趨勢(shì)分析的遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳小松1，洪 凱2，張志霞2，郭鵬慧2，周 文1，甄國(guó)強(qiáng)2

（1.北京中水科水電科技開發(fā)有限公司，北京 100038；2.黃河上游水電開發(fā)有限責(zé)任公司，青海 西寧 810000）

主要介紹黃河上游水電開發(fā)有限責(zé)任公司集控中心基于趨勢(shì)分析的遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)采用面向服務(wù)的系統(tǒng)架構(gòu)，利用分布式計(jì)算技術(shù)，以集控中心遠(yuǎn)程采集的電站海量生產(chǎn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)所有測(cè)點(diǎn)的通用分析、部分特定設(shè)備或系統(tǒng)的專業(yè)化分析以及操作員控制臺(tái)實(shí)時(shí)預(yù)警。并且，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了豐富的數(shù)據(jù)可視化形式、易用的人機(jī)交互接口、診斷算法的動(dòng)態(tài)擴(kuò)展，是一套開放式的趨勢(shì)分析系統(tǒng)。

集控電站；趨勢(shì)分析；遠(yuǎn)程診斷

1 前言

2004年，因黃河上游水電開發(fā)有限責(zé)任公司發(fā)展需要，在青海西寧建成梯級(jí)水電站集控自動(dòng)化系統(tǒng)，用于對(duì)黃河上游水利樞紐及梯級(jí)電站的防洪、發(fā)電統(tǒng)一聯(lián)合調(diào)度及管理。在集控中心建設(shè)的第一階段，已實(shí)現(xiàn)了所轄電站主輔設(shè)備生產(chǎn)數(shù)據(jù)的全面采集及部分電站的全面控制，經(jīng)過10多年的運(yùn)行調(diào)度實(shí)踐，梯級(jí)聯(lián)合調(diào)度的效益已逐步顯現(xiàn)，集控中心在充分考慮中下游的發(fā)電、灌溉、供水、生態(tài)等綜合利用任務(wù)要求的條件下，合理調(diào)配，日最大調(diào)峰幅度逐步增加。集控中心根據(jù)梯級(jí)水情信息及電網(wǎng)調(diào)度信息，合理做出各個(gè)梯級(jí)電站的出力計(jì)劃，做到水量、水頭合理利用，減少不必要的棄水損失，為國(guó)家節(jié)約大量的不可再生能源。

集控中心對(duì)黃河上游水電開發(fā)有限責(zé)任公司所屬電站的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行了長(zhǎng)期存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)具有精細(xì)化、扁平化等特點(diǎn)。如何對(duì)存儲(chǔ)的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘、發(fā)現(xiàn)設(shè)備的運(yùn)行規(guī)律、及早發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患、消除事故于未然，是集控中心智能化建設(shè)面臨的一個(gè)重要任務(wù)。因此，建設(shè)基于趨勢(shì)分析的遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 診斷分析對(duì)象及內(nèi)容

本系統(tǒng)的分析診斷對(duì)象包括集控中心接入的各水電站主要一次和二次設(shè)備，如水輪發(fā)電機(jī)組、調(diào)速系統(tǒng)、勵(lì)磁系統(tǒng)、主變壓器、油壓裝置、供氣系統(tǒng)、直流系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、廠用電系統(tǒng)、水泵、油泵、氣泵及各種自動(dòng)裝置等。通過相關(guān)運(yùn)行狀態(tài)分析算法，發(fā)現(xiàn)設(shè)備的運(yùn)行規(guī)律、對(duì)設(shè)備的運(yùn)行趨勢(shì)及健康水平做出診斷，及早發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患、消除事故于未然。具體包括：

（1）根據(jù)集控中心實(shí)時(shí)及歷史數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)各種泵設(shè)備診斷專家知識(shí)庫(kù)、實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程診斷出各種泵的各種異常；

（2）實(shí)現(xiàn)基于設(shè)備對(duì)象的相關(guān)數(shù)據(jù)變化幅值、變化速度、變化間隔報(bào)警及統(tǒng)計(jì)分析；

（3）通過對(duì)機(jī)組各部瓦溫的診斷分析，得出溫度在不同工況的分布圖，作溫度實(shí)時(shí)診斷分析；

（4）通過對(duì)機(jī)組振動(dòng)、擺度的診斷分析，得出機(jī)組振動(dòng)、擺度在不同水頭溫度下的不同工況分布圖，能夠診斷出系統(tǒng)的劣化趨勢(shì)；

（5）研究模擬量變化趨勢(shì)，實(shí)時(shí)診斷出在不同復(fù)雜工況下的波動(dòng)變化率報(bào)警、梯度報(bào)警等相關(guān)報(bào)警；

（6）開發(fā)針對(duì)集控中心的各水電廠設(shè)備遠(yuǎn)程通用趨勢(shì)分析功能及友好的人機(jī)交互界面；

（7）實(shí)現(xiàn)自動(dòng)生成各電廠的全廠設(shè)備診斷分析報(bào)告；

（8）開發(fā)后臺(tái)分析結(jié)果與監(jiān)控系統(tǒng)接口，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)實(shí)時(shí)報(bào)警與監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)對(duì)接。

2.2 設(shè)計(jì)思路

項(xiàng)目利用同行業(yè)調(diào)研、需求分析、分析方法建模、模式匹配、數(shù)據(jù)抽取（ETL）、數(shù)據(jù)庫(kù)優(yōu)化技術(shù)等研究，并結(jié)合可視化技術(shù)及人機(jī)功能學(xué)方法，為系統(tǒng)提供人性化的分析界面及形象化的成果展示（圖1）。

圖1 項(xiàng)目總體思路

2.3 硬件結(jié)構(gòu)

集控中心的“基于趨勢(shì)分析的遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)”采用面向網(wǎng)絡(luò)的分布式系統(tǒng)，由開放的以太網(wǎng)連接。配置有數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)分析服務(wù)器集群、實(shí)時(shí)及歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器集群、WEB發(fā)布服務(wù)器等，系統(tǒng)對(duì)外通訊連接配置有必要的安全隔離設(shè)備。硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖

2.4 軟件結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)軟件為4層結(jié)構(gòu)，即數(shù)據(jù)層、數(shù)據(jù)服務(wù)層、分析層，數(shù)據(jù)展示層。主要有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、通用數(shù)據(jù)診斷分析、泵設(shè)備專用診斷分析、機(jī)組溫度及功率分析、機(jī)組振擺分析、數(shù)據(jù)基礎(chǔ)服務(wù)、Web發(fā)布、自動(dòng)生成全廠設(shè)備診斷分析報(bào)告，客戶端等功能子系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)示意見表1。

表1 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)示意

3 功能實(shí)現(xiàn)

3.1 數(shù)據(jù)展現(xiàn)方式及人機(jī)交互

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)展示方式除了常用的曲線、散點(diǎn)圖、柱狀圖、餅圖、表格等，還包括曲線四則運(yùn)算、虛擬曲線、調(diào)度計(jì)劃曲線、考核曲線、單圖/多圖模式、坐標(biāo)軸自適應(yīng)變化、采樣間隔根據(jù)屏幕分辨率自適應(yīng)等功能。

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的人機(jī)交互功能包括：數(shù)據(jù)源選擇、分析對(duì)象配置及選擇、數(shù)據(jù)特征值在線統(tǒng)計(jì)、界面及展現(xiàn)形式全面?zhèn)€性化訂制、數(shù)據(jù)/圖形在線標(biāo)注及多格式輸出、設(shè)備運(yùn)行趨勢(shì)預(yù)警等功能。

圖3 遠(yuǎn)程趨勢(shì)分析功能圖例

3.2 通用數(shù)據(jù)診斷分析

系統(tǒng)可針對(duì)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中的任一數(shù)據(jù)點(diǎn)選取某特定工況（例如：選取水頭范圍、有功范圍等），進(jìn)行如下通用分析：

（1）模擬量變化趨勢(shì)越限報(bào)警：在一定時(shí)間范圍內(nèi)，變化率超過閾值若干次后報(bào)警。

（2）模擬量波動(dòng)報(bào)警：在一定時(shí)間范圍內(nèi)，波動(dòng)指數(shù)越限后報(bào)警。波動(dòng)指數(shù)通常的選取方法為：選擇的時(shí)間窗口內(nèi)最大值-最小值與最大值或最小值或平均值的比例。

（3）模擬量緩慢變化報(bào)警：當(dāng)模擬量在一較長(zhǎng)的時(shí)間周期呈逐步上升的趨勢(shì)報(bào)警。

（4）開關(guān)量動(dòng)作頻繁報(bào)警：當(dāng)開關(guān)量在一定時(shí)間內(nèi)動(dòng)作次數(shù)超過閾值報(bào)警。

3.3 泵設(shè)備專用診斷分析

電廠泵設(shè)備種類及數(shù)量眾多，對(duì)電站主設(shè)備的安全運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用，為此專門研發(fā)了泵設(shè)備專用診斷分析模塊，建立面向多維向量的專家診斷知識(shí)庫(kù)，能夠自動(dòng)分析泵設(shè)備異常并及時(shí)預(yù)報(bào)，避免泵設(shè)備故障引起的事故與損失，與上文中的通用數(shù)據(jù)診斷分析相比更有專業(yè)針對(duì)性。

圖4 泵設(shè)備診斷分析模型

3.4 機(jī)組振擺診斷分析

建立水輪發(fā)電機(jī)振動(dòng)擺度故障模型，應(yīng)用水輪發(fā)電機(jī)組振擺信號(hào)關(guān)聯(lián)分析策略，分析在一定時(shí)間內(nèi)機(jī)組振擺信號(hào)在不同機(jī)組有功出力、水頭下的表現(xiàn)，診斷可能存在的故障，為機(jī)組的安裝、試驗(yàn)、檢修、運(yùn)行提供指導(dǎo)。

3.5 發(fā)變組溫度遠(yuǎn)程關(guān)聯(lián)分析

建立發(fā)變組溫度異常模型，應(yīng)用發(fā)變組溫度關(guān)聯(lián)分析策略，分析在一定時(shí)間內(nèi)發(fā)變組溫度在不同機(jī)組有功出力、水頭及相關(guān)環(huán)境溫度下的表現(xiàn)，診斷可能存在的故障。

3.6 全廠設(shè)備自動(dòng)診斷分析報(bào)告

采用用戶自定義動(dòng)態(tài)模板，實(shí)現(xiàn)了全廠設(shè)備診斷分析報(bào)告。包含任意靜態(tài)文字圖片等內(nèi)容，可定義豐富的動(dòng)態(tài)圖形、統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)、診斷式的文字描述，以報(bào)告的形式向用戶展示全廠設(shè)備運(yùn)行狀況。與以往的人工診斷分析報(bào)告相比具有數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、生成速度快、數(shù)據(jù)豐富，同時(shí)節(jié)省了大量人力物力。以某電廠為例，以往需要10個(gè)人近10 d才能完成的報(bào)告，采用本系統(tǒng)后只需要短短幾分鐘便可自動(dòng)完成。

4 結(jié)論

集控電站基于趨勢(shì)分析的遠(yuǎn)程診斷研究系統(tǒng)功能強(qiáng)大、使用方便，能夠?yàn)榧刂行奶峁┻h(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)及設(shè)備檢修所需的各種數(shù)據(jù)信息，系統(tǒng)對(duì)存儲(chǔ)的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘、發(fā)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行規(guī)律、及早發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患、消除事故于未然，滿足了用戶的需求，為黃河上游水電開發(fā)有限責(zé)任公司實(shí)現(xiàn)智慧化水電企業(yè)添磚加瓦。

[1]陳小松，王桂平，王崢瀛，等.H9000TR狀態(tài)監(jiān)測(cè)及趨勢(shì)分析系統(tǒng)在三峽右岸水電站的應(yīng)用 [J].水電廠自動(dòng)化，2007，114(4):210-214.

[2]Robinson S，Cornes O[J].C#高級(jí)編程[M].北京:清華大學(xué)出版社，2002.

[3]羅 云，李朝暉.面向維護(hù)的水力發(fā)電設(shè)備遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)視方法[J].水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測(cè)，2007，31(1):57-60.

[4]吳 濤，戚銘堯，黎 勇，等.Web GIS開發(fā)中的RIA技術(shù)應(yīng)用研究[J].測(cè)繪通報(bào)，2006(6):34-37.

[5]余雄偉，李朝暉，艾友忠.水輪機(jī)調(diào)速器智能化交互式診斷方法[J].水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測(cè)，2005，29(4):19-22.

TV736

：A

：1672-5387（2017）03-0014-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.03.004

2016-10-14

陳小松（1980-），男，工程師，從事計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)研發(fā)工作。