發電機組嵌入式遠程狀態監測與診斷分析系統①

彭道剛，張 浩，李 輝，夏 飛

(上海電力學院電力與自動化工程學院，上海 200090)

當前全國供電緊張，部分地區嚴重缺電，使得許多發電設備長期處于超負荷運行狀態，設備的安全性隨之下降，這就要求對發電機組及生產過程的各種參數進行實時監測與診斷分析，以保證鍋爐、汽輪機、發電機等主機設備和其他主要輔機設備的正常運行以及電廠的正常發電[1]。大型發電機組的遠程狀態監測與診斷分析技術是一門多學科交叉滲透的綜合性研究課題，但是，由于現場狀態監測設備不夠完善，現場領域專家不足，信息不能共享等原因，嚴重制約了發電機組故障的早期預見和及時、準確的診斷分析[2]。

本文針對大型發電機組，設計了具有多種通信方式的嵌入式數據采集與監測平臺，并在此基礎上設計和實現了基于實時數據庫的大型發電機組遠程狀態監測與診斷分析系統。該系統可有效提高大型發電機組運行的經濟性、可靠性和運行效率，提高電力企業現代化科學管理水平。

1 系統總體設計

基于嵌入式平臺的大型發電機組遠程狀態監測與診斷分析系統總體架構如圖1所示。系統包括兩個部分:本地監測與診斷中心和遠程監測與診斷中心。兩者通過Internet網絡連接各自實時數據庫和Web服務器。為了保護遠程監測與診斷系統的安全，在本地網關上架設防火墻，以阻止有攻擊意圖的網絡包發往遠程監測與診斷中心的服務器[4]。

本地監測與診斷中心主要建設在發電企業，企業領導、機組運行與檢修人員等可通過企業內部高速局域網直接訪問應用服務器，這種連接方式最快捷，主要可用于機組狀態的實時監測和診斷。本地監測與診斷中心主要由嵌入式數據采集與監測平臺、實時數據庫服務器、Web服務器、監測工作站、診斷工作站等部分組成。嵌入式數據采集與監測平臺可通過串口、工業以太網、現場總線及無線傳輸等通信方式從發電機組的分散控制系統DCS(distributed control system)、廠級監控信息系統SIS(supervisory information system in plant level)、數字電液控制系統 DEH(digital electric hydraulic control system)、汽輪機監測儀表系統TSI(turbine supervisory instrumentation)等系統或者通過嵌入式數據采集器從傳感器中實時采集機組各種工藝參數的運行數據，采集數據經過多種信號分析處理技術進行預處理后通過局域網發送到本地監測與診斷中心的實時數據庫服務器，通過故障診斷專家系統平臺分析處理后形成各種監測畫面，如棒圖、趨勢、報表、特征圖譜等，以供本地監測和診斷工作站對機組進行實時狀態監測和診斷分析[4]。同時將監測與診斷分析結果通過Web服務器向遠程監測與診斷平臺發布，供出差在外的企業領導、遠程監測用戶和診斷專家等進行遠程監測和分析使用。

圖1 系統總體架構設計Fig.1 Overall architecture design of system

遠程監測與診斷中心主要建設在機組設備制造商、發電企業集團公司和研究院所等單位，主要由實時數據庫服務器、Web服務器、故障診斷案例庫、專家知識庫、遠程管理中心等部分組成。設備制造商或發電集團公司根據自己對機組監測和診斷工作的需要，通過實時數據在線監視與遠程傳輸系統軟件從本地監測與診斷中心的實時數據庫服務器獲取所要監測和診斷分析的機組相關運行數據，然后存入遠程監測與診斷中心的實時數據庫服務器，用于設計和制造新型發電機組，或者研究機組各種故障機理等，通過故障診斷案例庫、專家知識庫等實現對機組的故障診斷和分析[5]。同時，可以集中各個方面的專家，通過遠程監測與診斷分析系統觀察機組的運行情況，綜合計算機故障診斷專家系統和人類專家的診斷結論，通過中心服務器發布的診斷分析結果，為機組的運行和實施狀態檢修計劃提供指導性意見。

2 嵌入式數據采集與監測平臺設計

嵌入式數據采集與監測平臺中主要采用了目前流行的PowerPC和ARM等嵌入式系統硬件平臺，在嵌入式平臺支持Modbus/RTU、Modbus/TCP 、CAN 、InterBus 、EPA 、Zigbee 等 工業以太網、現場總線及無線網絡通信技術，平臺總體設計結構如圖2所示[6～8]。該平臺除了完成數據采集、數據處理與分析及網絡通訊等功能，還提供數據采集接口、網絡通信接口和人機交互接口。同時，該平臺也集成了嵌入式Web服務器和嵌入式實時數據庫。通過移植和修改成熟的嵌入式Web服務器到目標平臺，支持通用網關接口JAVA服務器主頁CGI(common gateway interface)、JSP(java serverpages)、動態服務器主頁ASP(active server pages)等腳本語言，根據具體應用自主實現所需的Web服務，也可通過Internet對現場設備進行參數設置、遠程監控和管理[9]。

圖2 嵌入式數據采集與監測平臺設計Fig.2 Design of the embedded data acquisition and monitoring platform

3 發電機組遠程狀態監測與診斷分析系統設計與實現

3.1 系統設計

針對大型發電機組，通過現有 DCS、SIS、DEH、TSI等系統中，在實時數據庫平臺上實現大型發電機組遠程狀態監測與診斷分析系統。主要功能包括機組生產過程實時監測、過程信息統計分析、機組運行優化與操作指導、機組性能計算與優化、設備狀態監測與故障診斷、設備壽命評價與管理和遠程監測與診斷服務等內容。系統架構如圖3所示。

實時數據庫是數據庫系統發展的一個分支，它適用于處理不斷更新的快速變化的數據及具有時間限制的事務處理。目前市場上實時數據庫產品國外主要有美國OSIsoft公司的PI、美國InStep公司的eDNA、美國GE Intellution公司iHistorian、美國Wonderware公司的InSQL、美國 Honeywell公司的PHD、美國AspenTech公司的InfoPlus等，國內主要有上海麥杰公司的openPlant、北京三維力控公司的 pSpace、浙江中控軟件公司的ESP-iSYS、中科院軟件所的Agilor、紫金橋實時數據庫等。

圖3 系統功能架構Fig.3 Functional structure of the system

系統采用C/S和B/S結構，機組生產過程實時監測、實時趨勢、數據報表、報警等基礎功能都可以由實時數據庫的功能模塊實現，高級應用功能如機組運行優化與操作指導、機組性能計算與優化、設備狀態監測與故障診斷、設備壽命評價與管理、遠程監測與診斷服務等需要由實時數據庫提供的二次開發接口進行設計開發，支持VS.Net，采用C#作為開發語言進行功能模塊的設計與開發。

3.2 系統實現

以某電廠300 MW機組為例來說明本文基于實時數據庫的發電機組遠程狀態監測與診斷分析系統。系統實時數據庫采用北京三維力控公司的pSpace企業級實時歷史數據庫，pSpace提供了一套訪問pSpace Server的編程接口開發包Server-SDK。Server-SDK 基于 Microsoft的 COM技術開發，支持絕大多數的32位Window s平臺編程環境，提供面向對象的編程方式和ActiveX控件，通過Server-SDK可以訪問本地或遠程pSpace Server，對pSpace Server的實時數據進行讀寫，并對歷史數據進行查詢。當pSpace Server數據發生變化時，通過事件主動通知Server-SDK應用程序。Server-SDK采用快速數據訪問機制，適用于編寫高速、大數據量的應用。本系統在Visual Studio 2005環境下用C#語言進行系統高級應用功能的二次開發。系統采用B/S結構，用戶和診斷專家可以通過Internet網絡由IE瀏覽器進行實時遠程監測和分析機組的運行狀況，為機組的運行和實施狀態檢修計劃提供指導性意見。

此外，為將機組運行數據從本地監測與診斷中心傳輸到遠程監測與診斷中心，采用VS.Net設計開發了實時數據在線監視與遠程傳輸系統，該系統包括客戶端和服務器端兩部分，系統結構如圖4所示。在電廠側客戶端，實現對電廠DCS或SIS的實時數據庫進行連接，讀取實時數據庫中的實時數據，并在系統主界面上顯示，顯示內容包括實時數據、測點名、測點描述、單位等測點信息，通過TCP/TP協議，客戶端的數據測點可實時發送到遠程監測與診斷中心的服務器端。在遠程服務器端，系統將接收到從電廠側客戶端傳輸過來的實時數據并在主界面上顯示，同時，將接收到的實時數據寫入到遠程監測與診斷中心服務器端的實時數據庫。

圖4 實時數據遠程傳輸系統結構Fig.4 Structure of real-time data remote transfer system

圖5所示為大型發電機組遠程狀態監測與診斷分析系統首頁，點擊“進入系統”按鈕，即可進入本系統進行機組運行狀態的監測與診斷分析。

圖5 系統首頁Fig.5 Main monitoring page of the system

本系統主要功能包括狀態監測、實時趨勢監視、歷史數據報表、性能監測與耗差分析、壽命評估與故障預測等五大部分模塊。以下通過幾個典型實例加以介紹。

圖6所示為發電機組生產過程實時狀態監測系統之汽水系統監測畫面，實現汽水系統工藝過程及相關參數的在線監測。

在發電機組在線性能監測與耗差分析子系統中，主要實現機組的可控耗差及不可控耗差進行分析計算與顯示，對機爐單項指標、輔機電耗、汽機小指標、鍋爐小指標、機組運行指標等各性能參數進行分析與顯示，使運行人員及時了解機組運行情況，并對異常情況進行正確、及時的處理。

圖6 機組汽水系統監測畫面Fig.6 Monitoring page of the steam-water system

圖7所示為機組性能參數一覽表監測畫面，主要功能為計算并顯示汽輪機組運行的重要性能參數，包括:發電機功率、主汽壓力、主汽溫度、再熱汽壓力、再熱汽溫度、主蒸汽流量、給水流量、熱耗率。高壓缸效率、中壓缸效率、汽機效率、鍋爐效率、廠用電率、發電機煤耗、供電煤耗、再熱蒸汽流量、再熱蒸汽壓損、機組補水率、煙氣含氧量、飛灰含碳量等，同時，可對每個參數采用曲線方式進行趨勢分析。

圖7 機組性能參數一覽表監測畫面Fig.7 Monitoring page of the unit performance parameters

圖8所示為機組可控耗差分析監測畫面，主要功能為對主蒸汽溫度、主蒸汽壓力、再熱主蒸汽溫度、煙氣含氧量、排溫度等機組性能參數運行值及煤耗差量進行監測和計算分析。

圖8 機組可控耗差分析監測畫面Fig.8 Monitoring page of the unit energy-loss analysis

4 結語

隨著計算機、嵌入式、網絡和通信等技術的飛速發展，使得基于網絡的發電機組遠程狀態監測與診斷分析系統的實現成為可能，從許多方面提高了監測與診斷水平，節約了成本。本文圍繞研究和開發基于嵌入式平臺的大型發電機組遠程狀態監測與診斷分析系統，對國內外機組狀態監測與診斷系統的應用作了大量的調查和研究工作，提出了系統的總體設計方案，著重研究了遠程監測與診斷系統中的嵌入式數據采集與監測平臺、多種網絡通信方式、遠程數據傳輸、實時數據庫、機組性能監測與診斷分析等關鍵技術，以及系統主要功能模塊的軟件設計與實現過程。

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