基于PSTA2100的河口小水電站水電機組監測系統設計

郭貴彬

（四川九源電力開發有限責任公司，四川 甘孜 626200）

0 引 言

河口水電站位于四川省甘孜州九龍縣境內。該水電站的電站裝機容量為2×18 MW，額定水頭為219 m，額定轉速為600 r/min，設計引水流量為18.93 m3/s。同時，采用混流式機型，水輪機型號為HLA351-LJ-160，發電機型號為SF18-10/3250。此外，河口水電站#1和#2機組振擺儀的測點少，只能記錄振度和擺度數據，無法分析數據，不滿足集控建設要求。因此，需要升級改造河口小水電站實施監測系統，采用PSTA2100在線監測系統，能夠有效實現小水電站水電機組監測。

1 PSTA2100水電機組狀態監測系統基本概述

PSTA2100是面向水電系統實時數據匯聚，管理和應用的平臺化軟件系統。該系統采用先進的云技術架構，模塊可靈活組配，支持多種硬件部署方案，功能可持續更新。利用PSTA2100軟件平臺可配置相應的硬件設備，搭建從設備級、廠站級到區域級和集團級的各種規模的在線監測系統、狀態分析系統、故障診斷系統以及集成數據分析中心等數據集成和應用的系統。此外，PSTA2100采用數據源、數據管理與應用三者分離的技術方案，既保證了功能結構的一致性和可靠性，又支持了應用開發及設備部署的靈活性和擴展性，系統結構如圖1所示。

圖1 PSTA結構圖

PSTA2100水電機組狀態監測系統在軟件系統結構上進行了全新的設計。與硬件設計一樣，在設計之初設計軟件結構時，從軟件功能的開放式開發、系統的維護、功能的更新以及與其他信息系統的融合等多種應用角度考察了大量的應用軟件系統，最終選擇了類似蘋果的軟件架構和服務模式。

PSTA2100水電機組狀態監測系統軟件的突出特點是應用功能模塊化。模塊的更新和增加帶來了系統功能的更新，而且采用國際標準WebService數據服務模式，任何人都可以在本系統上做應用模塊的開發。這可以吸引眾多的開發者開發功能模塊，開發者可以是其他公司，也可以是行業研究所、設計院以及專家。此外，業主也可以根據自己的需求，提出功能模塊設計并由軟件外包實現，從而確保系統可以不斷更新且不完全依賴于系統提供商。APP應用模塊的網絡服務可自動提示用戶系統更新、功能模塊更新和增加。

PSTA2100系統有自己的APP應用模塊網絡服務中心，象一個應用模塊池一樣只需將最新開發或更新的功能模塊，以及更新的系統放到池中，所有PSTA2100系統用戶只要通過網絡連上該中心，即可象蘋果用戶一樣，得到更新和新模塊的提示，用戶可選擇下載，實現系統更新和功能增加，而無需廠家到現場進行升級服務。

2 監測系統應用模塊設計

此系統能夠配置獨立運行模塊，可以確保數據監測、分析以及診斷的功能。不同類型的應用模塊可以實現不同類型的功能，并且不同模塊都具有獨立程序，這就能夠滿足模塊針對性的開發。KDM平臺提供了滿足本項目要求的所有應用模塊，用戶可以在此基礎上擴展開發[1]。

2.1 應用工具類

編碼工具：可進行編碼配置和維護工作，同時可以查看實時數據情況。

組態工具：提供實時數據組態展示工具，用戶可以靈活配置監視畫面。

數據檢索：按編碼、中文名及模糊查詢等方式檢索數據，并顯示實時值、歷史趨勢等內容。

數據分析工具：對所關心的數據進行檢索、顯示、下載及導出，繪制趨勢曲線，進行關聯分析等操作。

2.2 數據展示類

通用數據展示：系統可以表格、趨勢及圖形等方式展示部分或全部監測數據。

數據評價展示：可以對任意信號設定閾值，進行A、B、C、D在線分級評價，并對評價進級的數據進行預警，支持按照給定的算法策略進行趨勢變化預警；展示的數據內容包括數值、報警狀態、數據屬性及歷史趨勢等。

2.3 專業分析類

主要用于機組穩定性監測和分析，包括穩定性監測、實時單值、實時趨勢、波形頻譜分析、空間軸線分析、氣隙狀態分析及瀑布圖分析等模塊。表1為應用模塊清單。

表1 應用模塊清單

3 PSTA2100水電機組監測功能性設計

3.1 監測功能

KDM數據平臺的同步數據傳輸功能能夠保證上下位機同步監視機組的運行狀態。豐富的應用模塊用以完成全面的監測功能，能夠以數值、曲線、圖表等各種形式和監測畫面，從不同的角度、分層次地顯示出機組的各種狀態信息，實現實時在線監測功能[2]。

第一，監測類應用模塊。系統提供了豐富的應用模塊作為監測工具完成項目要求的監測功能。可以直接運行的應用模塊分為兩類：用于波形數據塊的監測分析工具和用于監測量的監測分析工具。波形數據塊監測分析工具包括波形分析工具、頻譜分析工具、軌跡分析工具以及空間軸線分析工具。監測量監測分析工具包括數值分析工具、趨勢分析工具、比較棒圖以及數值表監測。

利用組態配置工具，配置生成的監測畫面包括測量類監測畫面和設備類監測畫面兩類。其中，測量類監測畫面包括設備布置圖、監測參數數值表、棒圖比較圖、空間軸線圖、軸心軌跡圖以及趨勢跟蹤圖。設備類監測畫面包括大軸軸線狀態、導軸承狀態以及噴嘴振動狀態。

第二，報警。PSTA2100系統能夠為各個通道提供一級報警和二級報警功能。報警定值可設置，報警邏輯和報警延遲時間可組態設置。

第三，其他。支持Web方式的監測，畫面刷新速度：≤3 s，支持在現地采集系統顯示屏、局域網終端、遠程授權終端上完成實時監測，支持畫面打印功能。

3.2 分析功能

3.2.1 穩態分析及優化運行

可以利用數值分析工具將KDM數據平臺自動記錄的監測數據繪制成振動和擺度等監測數據隨功率和水頭等工況的變化曲線（統稱特性曲線），幫助用戶了解和掌握機組的穩定性性能。

綜合機組設計數據和運行標準數據，運行人可以指導機組優化運行。系統可以提供如下特性曲線：振動、擺度隨負荷變化曲線；振動、擺度隨轉速變化曲線；振動、擺度隨水頭變化曲線；接力器運行特性。

3.2.2 暫態工況分析

KDM數據平臺自動記錄了包括開機、停機、甩負荷、變負荷以及變勵磁等暫態過程的監測數據。利用數值分析工具可以繪制各種測量數據隨工況參數及時間變化的特性曲線，了解和掌握機組暫態性能。系統提供暫態工況的高速錄波和數據回放，可以制作如下曲線：振動、擺度隨轉速變化曲線；振動、擺度隨勵磁電流變化曲線；甩負荷過程性能分析；甩負荷過程振動、擺度變化過程。

3.2.3 趨勢分析

本項目提供趨勢分析工具軟件模塊，專門用于各種目的的趨勢分析任務。主要功能有：可以對發展趨勢進行實時跟蹤，以便相應管理人員可以第一時間了解機組運行情況；能夠對兩個或者多個參數（例如振動擺度和轉速、負荷、水頭、勵磁電流、勵磁電壓等）之間所具有的關系進行趨勢分析，能夠任意設定橫縱軸以及時間段，能夠及時有效的查明故障原因所在；能夠按照現階段相應參數指標的變動情況來判定水電機組后續的發展情況，從而及時發現機組故障情況，及時采取針對性措施進行治理，防止發生破壞性事故。

3.2.4 波形數據塊分析工具

PSTA2100系統提供如下應用模塊用于對波形數據塊的專業分析：波形頻譜分析工具、空間軸線分析及瀑布圖分析。

3.2.5 試驗分析

機組進行現場試驗時，KDM平臺會自動同步記錄試驗過程的所有采集數據，通過數值分析工具檢索和整理采集的數據。能夠支持的現場試驗包括但不限于如下項目：甩負荷和帶負荷試驗；啟停機試驗；效率試驗；穩定性（動平衡）試驗；模擬盤車過程，校驗盤車結論[3]。

3.3 其他功能

3.3.1 遠程及安全功能

系統支持電站、集控中心及設備廠家通過遠程通信方式對機組狀態進行遠程故障診斷。

3.3.2 數據通信

PSTA2100系統可從電站計算機監控系統中獲取數據，同時又可將本系統的數據打包發送給監控系統，滿足安全要求。PSTA2100系統能正確接收GPS的同步信號。同步信號取自電站計算機監控系統，同步方式可采用脈沖對時、串口對時或IRIG-B對時（最終對時方式設計聯絡會確定），PSTA2100系統的對時由系統自動完成。3.3.3 數據采集

該系統能夠采集完整的數據，全方位記錄水電機組的運行數據，記錄以往機組事故數據。一旦水電機組出現故障就可以提供完善的數據，以便分析事故[4]。3.3.4 數據管理

可以長期存儲機組穩態、暫態過程和高密度錄波數據，存儲容量滿足保留最近4年內的原始數據，存儲間隔為不間斷存儲，保證機組歷史信息不丟失。對超過4年的數據系統提供數據備份軟件可進行自動和人工備份。系統存儲量可根據硬盤容量進行擴展，提供黑匣子記錄功能，可完整記錄機組出現異常前后的數據，確保系統能提供完整詳盡的數據用于分析診斷機組狀態。此外，提供試驗數據存儲功能，確保試驗數據的長期保留。

4 結 論

本文主要以河口小水電站為例闡述基于PSTA2100系統的水電機組監測系統方面的內容。此系統采用先進的云技術架構，模塊可靈活組配，支持多種硬件部署方案，功能可持續更新和擴展，對小水電站具有非常實際的作用。