水電站水輪機組遠程監測系統設計與實現

令狐克誠

（貴州烏江水電開發有限責任公司東風發電廠，貴陽 551408）

從20世紀90年代開始，我國整體用電量以及發電量每年都在高速增長，對于促進中國電力工業發展產生了巨大的推動作用。同時，作為電網主要發電環節之一的水電站建設飛速發展，逐步成為我國能源供應的中堅力量，保證其安全穩定運行具有重要意義。

近年來，各大發電企業開始逐步采用計算機、互聯網和傳感器等先進技術，對水電站水輪機組進行遠程監測，可實時監測水輪機組結構振動、軸向位移和主軸擺度等關鍵運行參數，及時發現機組故障隱患，降低機組故障率，延長維修周期，削減運維成本，提升水電站水輪機組正常運行水平。目前，我國絕大部分水力發電廠均開展了水輪機組遠程在線監測。

本文通過對國內外遠程監測技術發展現狀介紹，及對水電站水輪機組管理存在問題的總結，以水電站水輪機組為基本研究對象，對水電站水輪機組遠程監測系統需求分析及系統總體結構設計。

1 遠程監測技術現狀

1.1 概述

遠程監測技術就是基于信息網絡，利用計算機、傳感器、檢測儀表和通信設備等實現對遠方設備的實時監視及控制，進而保證重要系統或設備的正常運行。近年來，隨著計算機、互聯網和傳感器等先進技術的快速發展，遠程監測技術發展突飛猛進。

1.2 國外發展現狀

1997年1月，美國著名的斯坦福大學（Stanford University）和麻省理工學院（MIT）共同召開了世界首屆基于Internet的遠程監測及診斷會議，這標志著遠程監測技術正式進入快速發展階段[1]。本次會議重點研討了遠程監測相關的開放體系、傳輸協議和信息規程等關鍵核心技術問題，并展望了遠程監測技術的未來發展及實現路徑。此后，遠程監測技術在計算機、儀器儀表、工業制造、能源和電力等行業獲得高度認可及推廣。例如，美國電話電報公司（American Telephone&Telegraph）建立了覆蓋全美的電力網絡控制中心，可實現對全國電力運行狀態的實時遠程監測，并進行即時故障預警及分析，以確保全美電網可以正常運行；英國電信公司（British Telecom）建立了國家通信網絡管理中心，實現了通信網絡規劃、建設、業務管理和性能分析等一體化遠程監測，有效確保了全英網絡通信的正常運行。

進入新世紀以來，伴隨著計算機、互聯網、5G通信等先進技術的快速進步，遠程監測技術研發突飛猛進。MIMOSA等國際組織均制定了各自領域的遠程監測信息傳輸格式及標準，大力拓展遠程監測技術在各領域的使用范圍，其中，第四代SCADA系統發展速度最快，如圖1所示，其以產品為中心，關聯人、機、料、法、環、檢、研等因素，以生產設備運行過程中產生的數據為基礎，具備生產數據實時采集、生產設備過程監控、生產設備異常報警和智能分析等功能，已成為現代工業發展智能化體系核心支柱。

圖1 第四代SCADA系統架構示意圖

1.3 國內發展現狀

近年來，隨著我國科技水平的快速發展，國內遠程監測技術也取得了積極進展，例如：武漢理工大學開發了“基于Internet的水泥回轉窯運行狀態遠程監測系統設計”等水泥設備狀態化監測系統[2]，華中科技大學成功開發了“基于Java的車間遠程監測系統”[3]，哈爾濱工程大學成功研發了“綜合智能故障診斷專家系統”[4]，武漢大學開發了“基于知識的故障診斷專家系統”[5]，均取得了良好的效益及成果。

2 水電站水輪機組管理存在的問題

2.1 設備日益復雜化

近年來，隨著科技的快速發展及進步，社會對水電站發電能力、節能降耗和綠色環保等方面的要求越來越高，水電站水輪機組設備設計理念、生產工藝和原材料等均取得較大進步，水電站水輪機組設備日益復雜化、精密化，對運行維護技術的需求也變得越來越高。

2.2 專業技術人員能力欠缺

隨著我國水電能源工業建設的飛速發展，水電站水輪機組數量、容量在不斷增加，技術含量日益提升，這就對相關技術人員的綜合能力提出了越來越高的要求。但是，由于我國水電站普遍存在建設位置偏遠、勞動強度大等問題，對于高素質專業技術人員的吸引力不足，現有專業技術人員也存在流動性大等問題，導致各個水電站水輪機組運行維護相關專業技術人才存在一定程度的缺失，且崗位設置與崗位能力需求之間的矛盾在逐步加大。雖然各個水電站都在積極加大對現有專業技術人員的技能培訓力度，但受到某些現實因素的限制，培訓效果不佳。因此，如何利用遠程監測等現代技術，輔助專業技術人員進行水電站水輪機組運行檢修，提高其識別故障、解決故障的能力，成為各水電企業考慮的問題。

2.3 設備故障解決的周期長、效率低

水電站水輪機組設備是一套非常精密、復雜的現代機械系統，且融合了傳感器等先進技術，整體技術含量較高，必須配備一定數量具有專業技術能力的運維人員才能確保其安全穩定運行。現階段，當水電站水輪機組出現故障的時候，均需要一線值班人員快速識別并予以解決。但是，有一些故障的解決難度較大，需要向專家求助，設備故障解決的周期長、效率低。

3 系統需求分析

3.1 系統功能需求分析

3.1.1 遠程監測及控制

遠程監測及控制是水電站水輪機組遠程監測系統的基本核心功能，其可基于系統鍵相信號實現基礎數據采集，實時檢測水輪機組運行狀態，并采用曲線、圖標、數值和語音等多種形式分層次、多角度地顯示出機組運行狀態信息。

3.1.2 不受時空限制

一般水力發電企業所轄各型水電站較多，分布在流域各地，要求系統登錄不能受到時空條件的限制。針對該需求，本文提出了基于B/S（Browser-Serve）、C/S（Client-Server）的綜合網絡架構，確保系統運維人員可以在任意地點、任何時間實現遠程登錄，開展運行狀態監視、指令控制、數據查詢等多種操作。

3.1.3 不受終端設備限制

水輪機組遠程監測系統需24 h連續不間斷運行，不受終端設備限制，需支持PC、手機、Ipad等終端設備登錄，并可基于上述設備開展遠程控制、數據查詢及智能分析。

3.1.4 數據記錄功能

本遠程監測系統還需實現對被監測水輪機組全部運行數據的實時記錄及存儲，具體包括機組運行狀態、報警信息、故障信息和操作過程等。

3.1.5 故障智能診斷功能

通過手機、Ipad等便攜式終端設備，作業人員可利用專家診斷功能對其所發現的水輪機組故障進行智能診斷，提高故障處置的準確率及效率。

3.2 系統性能需求分析

3.2.1 運行穩定可靠

穩定可靠運行是本遠程監測系統的基本性能指標及根本，因此，有必要選擇配置較高的物理服務器及具備較好擴展特性的云服務器為基礎開發平臺。

3.2.2 系統時效性

為確保本遠程監測系統在Internet環境下的運行時效性，Client客戶端數據傳輸時間應該小于等于500 ms，確保可以實現系統的實時數據刷新。

3.2.3 系統遠程操作

本遠程監測系統具備符合日常操作習慣的遠程人機互動界面，可以為系統用戶呈現水輪機組仿真運行及數據刷新畫面。

3.2.4 系統擴展性本遠程監測系統可根據發電企業水電業務發展及發電量增減需求，進行系統擴展。

3.2.5 系統存儲與追溯

本遠程監測系統可實現對發電企業所轄水電站水輪機組各類監測數據的存儲與追溯，具體包括機組運行狀態、報警信息、故障信息和操作過程等。

4 系統總體架構

目前，通用的遠程監測系統主要有B/S（Browser-Serve）、C/S（Client-Server）2種架構模式，其中，C/S模式具備安全性強等優點，但交互性存在一定的不足；B/S模式具備系統擴展容易等優點，但安全性較差、邏輯較為復雜。本系統揚長避短，設計了C/S-B/S混合軟件構架，如圖2所示。

圖2 C/S-B/S混合軟件構架示意圖

基于C/S結構所具有的信息處理能力強、交互性強等優點，系統可在本地端進行遠程監測數據的處理；基于B/S結構所具有的在Internet環境可以不受時空限制登錄等優點，系統可快速完成遠程監測數據傳輸及查閱等功能。

5 通訊與硬件實現

5.1 系統硬件選型

綜合考慮硬件需求及建設成本，開展水電站水輪機組遠程監測系統硬件設備選型，重點包括PLC可編程邏輯控制器、振動感應部件、閘門高度感應部件、溫度傳感部件、液位計量部件、雷達流速儀、觸控一體機、Web網站服務器和工控機等，其中，振動傳感器是本系統最為核心的硬件設備，對于水電站水輪機組來說，振動是其最重要的參數。據統計，超過80%的故障都可以通過振動信號表現出來，振動傳感器選型直接關系著水輪機遠程監測的質量及準確水平，本系統振動傳感器采用一體化渦流傳感器YTHH808；PLC可編程邏輯控制器采用SIEMENS S71200系列，其具備模塊化、結構緊湊和功能全面等諸多優點；Web網站服務器采用最新的阿里云服務器，與一般的物理服務器對比，云服務器有成本低廉、部署快捷和擴展性好等優點；此外，由于水輪機工作環境普遍存在電磁干擾嚴重、噪聲污染較大等特點，這就對硬件傳感器的屏蔽特性提出了更高的要求，還需要考慮防水防潮等因素。

5.2 數據通訊技術

5.2.1 本地服務器與PLC通訊

在本系統中，本地服務器為現場服務器，其采用ModbusTCP協議與下位PLC可編程邏輯控制器建立通訊，獲得振動傳感器、閘門高度傳感器等的各類傳感器的實時監測數據，如圖3所示。

圖3 ModbusTCP協議數據讀取流程圖

5.2.2 云服務器與PLC通訊

采用云服務實現PLC可編程邏輯控制器與數據中心之間的通訊具有顯著的優點，如圖4所示，既可以避免由于現場物理服務器意外故障而導致的監測中斷、數據損毀和數據丟失等問題，又可利用外部優質資源提供更加良好的服務。

由圖4可知，當PLC與數據中心進行通信的時候，還需要部署一臺獨立的現場工控機來充當通訊介質，基于ModbusTCP網絡通信協議實現與PLC的通訊，進而完成數據之間的相互傳輸。媒介工控機經過VPN（Virtual Private Network）系統將其從PLC可編程邏輯控制器那里所獲得的數據幀輸送給阿里云服務器，阿里云服務器通過解析報文獲得所需要的信息。

圖4 通訊原理示意圖

5.2.3 遠程客戶端與云服務器間通訊

阿里云服務器通過Web服務接口實現與遠程客戶端之間的數據通訊，具體過程：Web服務可以為遠程客戶提供獲取云服務器數據信息的接口，通過該接口遠程客戶即可實現對水電站水輪機組的實時監測。與此同時，遠程客戶端還可將控制質量輸送到阿里云服務器數據庫里面，完成更便捷的遠程監測與控制，如圖5所示。

圖5 Web服務流程示意圖

6 系統軟件開發

6.1 系統功能架構

本文水電站水輪機組遠程監測系統的基本功能架構如圖6所示。

圖6 系統軟件架構示意圖

6.2 系統管理功能

系統管理模塊主要包含系統日志和系統登錄2個子模塊，主要實現登錄人員的信息綜合管理功能，并依據崗位功能設置及級別劃分登錄權限，確保不會發生泄密事件。

6.3 用戶管理功能

用戶管理模塊主要包含用戶注冊、密碼管理2部分，其中，用戶注冊主要是開展專家、管理人員、員工注冊登記；用戶密碼管理主要實現密碼的設置、更換及找回，其中，密碼找回采用手機號驗證碼方式。

6.4 數據管理功能

水電站水輪機組各類數據是本系統的核心支撐資源，主要包括實時監測數據和歷史運行數據。數據管理功能主要包括數據記錄、歷史查詢、生成報表3個子模塊，其中，數據記錄是將系統所采集到的實時運行數據存儲在云服務器上，并在系統應用程序界面上進行動態顯示；歷史數據是指存儲在云服務器數據庫里的水輪機組歷史運行數據，可通過本地、遠程等方式進行數據查閱及分析，實現水輪機組各類故障追蹤。

6.5 設備管理功能

設備管理功能主要包含參數設置、在線監測2個子模塊，其中，通過參數設置可對系統的初始參數進行設置及調整；在線監測子模塊可實時監測各類傳感器、發電設備等的運行參數。

6.6 專家系統功能

水電站水輪機組遠程監測系統的專家系統主要包括診斷、預測兩大部分，其中，專家診斷部分基于專業分析軟件，實時進行在線監測，并基于專業化的故障數據模型，自動開展數據分析及故障診斷。專家診斷及預測過程可以自動運行，無需人工進行干預，可以幫助機組運行維護人員提前發現機組運行的異常狀態和故障。

7 結束語

現階段，水輪機組遠程監測作為水電站狀態檢修的技術基礎，正逐步在越來越多的水電站推廣應用，并逐漸成為各大水力發電企業的必然選擇。本文簡要介紹了國內外遠程監測技術發展現狀，簡單總結了水電站水輪機組管理存在的問題，以水電站水輪機組為基本研究對象，進行了水電站水輪機組遠程監測系統需求分析及系統總體結構設計，闡述了系統的主要功能，可為其他在建同類型水電站規劃、設計、選型和實施狀態監測系統提供有益借鑒。