基于區(qū)塊鏈的抽水蓄能電站安全監(jiān)測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)設(shè)計

王卓瑜 陸 婷

(1、國網(wǎng)新源控股有限公司，北京 100761 2、華東宜興抽水蓄能有限公司，江蘇 宜興 214200)

現(xiàn)有的抽水蓄能機組在不斷更新下已經(jīng)逐漸完善，但受內(nèi)部水輪機限制，目前仍存在一定的安全問題，傳統(tǒng)的電站安全監(jiān)測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)往往只注重靜態(tài)信息采集，對水輪機運行中的引水裝置和發(fā)電裝置都無法進行動態(tài)化安全監(jiān)測，因此監(jiān)測效果較差，無法滿足實時安全監(jiān)測數(shù)據(jù)管理需求[1-3]。區(qū)塊鏈可以使用共享數(shù)據(jù)庫，及時進行數(shù)據(jù)信息的動態(tài)存取調(diào)用，增加了數(shù)據(jù)的可靠性，能實現(xiàn)數(shù)據(jù)動態(tài)檢測管理，因此本文基于區(qū)塊鏈設(shè)計了新的抽水蓄能電站安全監(jiān)測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，從而保證抽水蓄能電站的運行安全[4-5]。

1 硬件設(shè)計

1.1 單導(dǎo)葉控制調(diào)速器

單導(dǎo)葉控制調(diào)速器在設(shè)計時需要注重調(diào)節(jié)可靠性，因此，可以根據(jù)傳統(tǒng)調(diào)速器的組成對其進行優(yōu)化設(shè)計。在單導(dǎo)葉控制調(diào)速器內(nèi)部添加微機主控制器作為中央處理單元[8]，添加簡易化信號采集算法，保證信號的運算效果，實現(xiàn)準確控制，單導(dǎo)葉控制調(diào)速器結(jié)構(gòu)簡圖如圖1 所示。調(diào)速器內(nèi)部添加了隨動模塊，主要用來限制電輸出信號波動，還添加了執(zhí)行器，提高電信號轉(zhuǎn)換效率[6-7]。

圖1 單導(dǎo)葉控制調(diào)速器結(jié)構(gòu)簡圖

設(shè)計的調(diào)速器主要有兩種不同的控制方式，即全導(dǎo)葉控制和單導(dǎo)葉控制，兩種不同的控制方法使用的控制回路存在一定的差異。全導(dǎo)葉控制僅需要一個導(dǎo)葉控制回路，主要使用驅(qū)動接力器進行驅(qū)動，并帶動導(dǎo)葉運動，因此這種控制方法能及時調(diào)整導(dǎo)葉的狀態(tài)，避免出現(xiàn)導(dǎo)葉斷裂故障，但受導(dǎo)葉開關(guān)速度的影響，全導(dǎo)葉控制的控制靈活性較差[9]。

單導(dǎo)葉控制可以根據(jù)控制回路內(nèi)部的導(dǎo)葉狀態(tài)，調(diào)整液壓回路，實現(xiàn)單片導(dǎo)葉控制，因此，單導(dǎo)葉控制比全導(dǎo)葉控制靈活，相對精度也較高，且無須使用接力環(huán)，降低了維護難度，因此本文設(shè)計的系統(tǒng)主要使用單導(dǎo)葉進行控制。控制前，必須確定控制回路中元件的安全狀態(tài)，避免受元件影響出現(xiàn)控制故障，設(shè)計的調(diào)速器使用PLC 進行編程，添加20 個液壓回路，保證液壓的供應(yīng)效果，還添加了配壓閥和接力器，提高調(diào)速器的控制速度，增加驅(qū)動控制功率。

1.2 數(shù)據(jù)采集卡

抽水蓄能電站安全監(jiān)測的基礎(chǔ)就是準確采集電站中的數(shù)據(jù)信息及電量信號，并傳輸至數(shù)據(jù)處理單元，提高電站監(jiān)測可靠性，因此需要設(shè)計數(shù)據(jù)采集卡來保證數(shù)據(jù)的采集效果。根據(jù)設(shè)計的抽水蓄能電站安全監(jiān)測要求使用RS232、USB、PXI 對數(shù)據(jù)采集卡進行功能擴展，保證采集卡的性能。

本文使用PGA202(1 10 100 1000)進行信號增益處理。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)管理需求，進行數(shù)據(jù)采集卡選型，結(jié)合數(shù)據(jù)儲存需求，本文選取PCI-1712L 型數(shù)據(jù)采集卡完成數(shù)據(jù)采集，該數(shù)據(jù)采集卡的模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)值較高，能實現(xiàn)32k 模數(shù)轉(zhuǎn)換。PCI-1712L 型數(shù)據(jù)采集卡使用多個單路進行輸入，內(nèi)涵10MHZ 計數(shù)器，PCI-1712L 型數(shù)據(jù)采集卡簡圖如圖2 所示。

圖2 PCI-1712L 型數(shù)據(jù)采集卡簡圖

數(shù)據(jù)采集卡內(nèi)部設(shè)置了多個掃描電路，可以實現(xiàn)高速掃描，除此之外，每個數(shù)據(jù)采集器都添加了A/D 轉(zhuǎn)換器，與82C54 兼容并聯(lián)。數(shù)據(jù)儲存卡內(nèi)部還需要安裝啟動程序，使用Windows2K/XP/9X 安裝Device Manager，選擇合適的PCI-1712L 并點擊光盤labview labview.exe 完成安裝，安裝的示例程序使用Active Daq 控件進行指揮，板卡插入PCI 插槽后，再添加相關(guān)的ActiveDAQ.exe。

2 軟件設(shè)計

2.1 采集抽水蓄能電站安全監(jiān)測管理數(shù)據(jù)

為了保證抽水蓄能電站安全監(jiān)測數(shù)據(jù)管理的管理效果，可以設(shè)置抽水蓄能電站安全監(jiān)測管理數(shù)據(jù)采集平臺，首先需要計算該平臺監(jiān)視、測量、分析中使用的監(jiān)測管理指標b、G，計算公式如式(1)、(2)所示。

公式(1)、(2)中，H 代表監(jiān)視標準值，f 代表測量標準值，V 代表分析標準值，使用上述監(jiān)測管理指標可以進行參數(shù)辨識，保證抽水蓄能電站數(shù)據(jù)采集的準確性，可以向該采集平臺內(nèi)部輸入相關(guān)的監(jiān)測對象，首先，設(shè)置電站運行過程中需要辨別的相關(guān)參數(shù)，包括電網(wǎng)頻率、功率等，其次設(shè)置特征參數(shù)，包括PID 參數(shù)，PI 參數(shù)等，最后設(shè)置數(shù)據(jù)采集方式，編寫控制命令。

設(shè)計的抽水蓄能電站監(jiān)測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)在進行數(shù)據(jù)采集時需要根據(jù)系統(tǒng)目前的運行狀態(tài)和采集到的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行管理，因此在獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)時可以從以下方面入手：首先就是從現(xiàn)有的監(jiān)控系統(tǒng)中獲取，可以設(shè)置監(jiān)控機進行實時監(jiān)控，因此選取的監(jiān)控機必須具有模塊化特點，能實現(xiàn)自動化監(jiān)測，本文設(shè)計的系統(tǒng)使用NC2000，根據(jù)監(jiān)控標準進行監(jiān)控數(shù)據(jù)的采集和提取。

2.2 基于區(qū)塊鏈設(shè)計安全監(jiān)測數(shù)據(jù)管理功能模塊

采集到相關(guān)的監(jiān)測管理數(shù)據(jù)后需要根據(jù)管理數(shù)據(jù)的類型設(shè)計系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，構(gòu)建監(jiān)測數(shù)據(jù)管理區(qū)塊鏈，從而進一步設(shè)計系統(tǒng)的功能模塊。可以將系統(tǒng)劃分成表示層、數(shù)據(jù)層、邏輯層以及服務(wù)器層，這幾種不同的層次，完成數(shù)據(jù)管理功能模塊的分層設(shè)計。

表示層可以進行用戶訪問，用戶進入系統(tǒng)前可以根據(jù)機組判斷信息進行訪問，并結(jié)合Struts2 及JSP 進行交互，因此表示層內(nèi)部主要使用JavaScript Htm 進行開發(fā)，數(shù)據(jù)層可以使用邏輯計算進行標準信息數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，使用java 數(shù)據(jù)服務(wù)代碼進行開發(fā)，邏輯層是本文設(shè)計系統(tǒng)的核心組成部分，需要完成數(shù)據(jù)信息傳輸、業(yè)務(wù)執(zhí)行等重要工作，因此也使用java 進行開發(fā)，服務(wù)層主要需要建立數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)，完成抽水蓄能機組的控制優(yōu)化。

2.3 設(shè)計安全監(jiān)測管理數(shù)據(jù)庫

實現(xiàn)基于區(qū)塊鏈的抽水蓄能電站安全監(jiān)測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的最后一步就是設(shè)計安全監(jiān)測管理數(shù)據(jù)庫。針對系統(tǒng)的運行狀態(tài)設(shè)計的監(jiān)測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)主要使用SQL SERVER 2010 R2 數(shù)據(jù)庫對采集的電站監(jiān)測數(shù)據(jù)進行管理，設(shè)計的數(shù)據(jù)庫需要具備并行查詢性能，避免降低數(shù)據(jù)庫的可靠度，為了提高數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)存取調(diào)用的效率，增加數(shù)據(jù)庫的檢索速度，設(shè)計的數(shù)據(jù)庫使用選擇存儲策略進行儲存，增加儲存的智能性，使其能有效進行數(shù)據(jù)儲存管理，在設(shè)計時還需要注意原始數(shù)據(jù)的處理時限，一旦存在時限過高時可以進行參數(shù)分析處理，降低后續(xù)數(shù)據(jù)處理難度。確保該數(shù)據(jù)庫的狀態(tài)量較豐富能滿足復(fù)雜的抽水蓄能電站安全監(jiān)測數(shù)據(jù)管理需求。

3 系統(tǒng)測試

為了檢測本文設(shè)計的抽水蓄能電站安全監(jiān)測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的監(jiān)測效果，本文搭建了符合測試需求的測試平臺，進行如下系統(tǒng)測試：

3.1 測試準備

為了保證測試的可靠性，首先搭建了B/S 測試平臺，進行測試規(guī)劃。受實際使用環(huán)境的限制，必須保證設(shè)計的抽水蓄能電站安全監(jiān)測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)能在不同的瀏覽器端運行，因此需要從幾方面對設(shè)計的抽水蓄能電站安全監(jiān)測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)進行設(shè)計。

根據(jù)測試需求及設(shè)計系統(tǒng)測試方案，測試的第一個模塊是功能測試，需要根據(jù)系統(tǒng)的使用特性，以及用戶需求進行期望測試，保證測試與實際使用標準相符。設(shè)計的基于區(qū)塊鏈的抽水蓄能電站安全監(jiān)測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)使用用戶需要使用網(wǎng)頁表單進行數(shù)據(jù)管理，因此在數(shù)據(jù)提交時需要進行標準化檢查，保證測試結(jié)果與實際相符。

本系統(tǒng)設(shè)置了黑盒測試和白盒測試，增加測試準確性，首先添加了用戶測試數(shù)據(jù)，如表1 所示。

表1 用戶測試數(shù)據(jù)

由表1 可知，此時添加的用戶測試數(shù)據(jù)分為不同的數(shù)據(jù)項類別，數(shù)據(jù)值也存在一定的差異，根據(jù)該用戶測試數(shù)據(jù)可以進行后續(xù)的系統(tǒng)測試。

3.2 測試結(jié)果與討論

在上述測試準備的基礎(chǔ)上，分別使用本文設(shè)計的基于區(qū)塊鏈的抽水蓄能電站安全監(jiān)測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)監(jiān)測管理系統(tǒng)進行監(jiān)測，記錄不同人數(shù)下兩個系統(tǒng)的響應(yīng)時間，系統(tǒng)測試結(jié)果如表2 所示。

表2 測試結(jié)果

由表2 可知，不同人數(shù)下本文設(shè)計系統(tǒng)的響應(yīng)時間較短，證明本文設(shè)計系統(tǒng)的性能良好，具有有效性。

結(jié)束語

綜上所述，抽水蓄能電站對我國的電力發(fā)展有重要幫助，及時對抽水蓄能電站進行安全監(jiān)測對保證其可靠性有重要意義，因此本文基于區(qū)塊鏈設(shè)計了新的抽水蓄能電站安全監(jiān)測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，進行系統(tǒng)測試，結(jié)果表明，設(shè)計的系統(tǒng)在不同人數(shù)下響應(yīng)時間始終較短，證明設(shè)計的系統(tǒng)性能良好，具有有效性，有一定的應(yīng)用價值，對后續(xù)維護抽水蓄能電站的運行安全有一定貢獻。