某流域電站集控中心在線監測系統架構與數據庫設計

瞿佳，石林

某流域電站集控中心在線監測系統架構與數據庫設計

瞿佳，石林

（華能西藏發電有限公司藏木水電廠，西藏 山南 856417）

介紹了某流域集控中心在線監測與故障診斷系統平臺的系統架構與數據庫設計，重點對構建方案、系統架構及數據庫設計進行了介紹，提出了流域集控下遠程在線監測系統建設的一種方案，以供相關人員參考。

在線監測；流域集控；系統架構；數據庫

1　引言

某流域公司正在該流域大力開發梯級電站，這些已建、在建或未來將建設的水電站的裝機容量巨大，這些機組容量大、分布廣，一旦發生故障，將對電站、電網造成巨大的經濟損失。在該流域集控中心建設狀態監測及故障診斷平臺系統，可以提高下屬各電站設備狀態監測和故障診斷專業化水平，促進設備故障診斷分析的規范化、標準化；提高流域各電站主設備運行安全性、可靠性和利用率，提升各電站設備檢修管理及綜合生產管理集約化水平，提高設備狀態監測管理的效率和效益，通過落實基于綜合診斷的檢修策略，減少非計劃停運檢修頻次，避免突發設備事故發生，防止設備出現過修、失修，為設備定修向狀態檢修過渡奠定技術基礎。因此，系統化地對該流域水電機組進行監測、診斷與狀態評估，建立遠程水電機組狀態監測與故障診斷系統是對流域電站進行集中控制管理模式下的必然選擇。

2　流域集控在線監測系統建設總體方案

流域集控中心設備狀態監測與故障診斷系統的建設，將以該流域公司現在已經建設完成的XX電站為具體實施對象，建立水電設備狀態監測與故障診斷系統，它的服務功能以后將擴大至將來投入運行的該流域公司所屬的其它電站。其具體的建設規劃為：在流域集控中心構建完整的水電站群遠程設備狀態監測與故障診斷系統平臺（以下簡稱“集控中心平臺”），在流域所屬電廠部署相關設備完成所需信號的接入以及數據存儲。項目包括集控中心平臺和電站接入所需的軟件、硬件及工程實施。

為保證未建電站接入集控中心平臺，必須對未來各電站形成統一的監測對象配置、軟硬件配置、系統功能及數據接口技術規范，實現各電站發電機、水輪機、主變壓器等主設備狀態監測傳感器的安裝配置、信號的實時采集及預處理、現地在線監視及向公司集控中心狀態監測平臺的遠程傳輸，滿足流域集控中心平臺建設的需要。本系統不直接采集現地數據，全部數據來源于外部的系統，這些外部系統包括廠站狀態監測系統、集控中心生產實時信息系統、集控中心生產管理信息系統等。因此，本系統需與這些外部系統進行數據交互。

在集控中心設備狀態監測與故障診斷系統建成后，各電站管理信息區將不需要再建設獨立的設備狀態監測Web發布系統，所有運行管理功能都應在公司設備狀態監測與故障診斷系統中作為一個功能模塊進行集中嵌入和統一管理，所有基礎數據存儲在集控中心設備狀態監測與故障診斷系統內，所有面向外部的數據都由集控中心設備狀態監測與故障診斷系統進行對外發布。

3　流域集控下的在線監測系統架構

流域集控中心在線監測及故障診斷系統的建設應充分利用網絡信息技術的優勢，建立起分布式的狀態監測與故障診斷系統，實施集控中心與各廠站之間的連接，實現多個廠站設備狀態的集中監測與診斷。

按照系統構建的設計思路，狀態監測與故障診斷系統總共分為3個層級：集控中心分析診斷評價中心、廠站級通訊及數據服務、電站各設備監測子系統。

在電站側配置數據服務器和接入服務器，數據服務器負責本電站相關數據的全面存儲和本電站的狀態評價，接入服務器負責從本電站其它系統獲取所需數據，當電站和集控中心通道斷開時，電站側設備可獨立運行，并具備本電站狀態評價及診斷的功能。

集控中心診斷評價中心與電站側中心通過網絡通道進行廣域網連接，通過與廠站狀態監測設備、生產實時信息系統等外圍系統的通信，獲取系統需要的數據，實現狀態評價與故障診斷的功能。

系統總體結構如圖1所示：

圖1　系統結構圖

廠站接入服務器（狀態監測專用或生產實時系統接入服務器兼用）通過以太網專線接入集控中心，與集控中心接入服務器連接。系統網絡示意圖如圖2所示。

同時，部分非狀態監測數據也需要集成在狀態監測診斷評價平臺中，例如機組工況等電氣參數。

考慮到各廠站的監測數據傳輸流量，與分析診斷評估中心的連接應盡量采用數字專線或光纖通道，如不具備自己的通信線路，數據傳輸可以租賃公用網絡專用通道。

為保證集控中心實現狀態監測在線預警功能，各站狀態監測設備應優先保證狀態監測實時特征值數據的同步傳輸，在網絡利用率較少的時段再進行狀態監測樣本波形數據的異步傳輸。

圖2　設備狀態監測與故障診斷網絡結構示意圖

4　數據傳輸帶寬分析

未來各廠站監測子系統包括：機組穩定性監測系統、水輪機效率監測系統、發電機氣隙監測系統、環境噪聲監測系統、局部放電監測系統、主變油色譜監測系統和GISSF6氣體泄漏監測系統等。

對這些系統的監測數據進行了解和統計之后得出，單臺機組監測實時數據傳輸所需帶寬約為2.4Mb/s（300kB/s），上限為4.8Mb/s（600kB/s）。如果按照所有監測數據均實時傳輸則數據量過大，導致網絡配置龐大。考慮到這些數據突變量不大，可只取設備的狀態分析特征數據。對于監測和診斷較為獨立的GIS局放和變壓器油氣監測子系統，數據量極少，可考慮不轉換數據格式，采用原數據格式傳輸的方式在集控中心監測診斷評價中心進行集成。這樣，每臺機組大約有100個通道×5個特征數據/通道=500個特征數據浮點數需要實時傳輸，采取這種方式后，實時數據傳輸所需帶寬500×4B/s=16kb/s （2kB/s）。

系統除傳輸實時數據外，還需傳輸波形數據，考慮到各電站接入集控中心的總帶寬的限制及不穩定性，只傳輸波形樣本數據，每次樣本20min。同時狀態監測波形數據應具備壓縮解壓傳輸機制，電站數據服務器應具備狀態監測分析診斷樣本數據斷點續傳的功能。

經測試，考慮每臺機組40個通道，20min的波形數據共計200M，經壓縮后約為60M，所需帶寬60M/86400s=0.69kB/s=5kb/s。

因此每臺機組共需帶寬為16kb/s（實時數據）+5kb/s（波形數據）=21kb/s。

以該流域已投產電廠6臺機組距離，那么共需帶寬21kb/s×6=126kb/s。

即，一個安裝了6臺機組的水電站要接入集控中心設備狀態監測與故障診斷系統，所需帶寬約為126kb/s。

5　時鐘同步

時鐘同步是把分布在各地的時鐘對準（同步起來），對于分析診斷評估的平臺建設，統一時標顯得更加重要，對整個系統統一時鐘的要求愈來愈迫切，有了統一時鐘，既可實現各系統在統一時間基準下的運行監測分析，也可以通過各開關動作的先后順序來分析事故的原因及發展過程。

在一個大系統中，只有具備了統一的高精度時間，才可以實現分布式采集數據的準確匹配，才可以使得后續的統計、分析、計算建立在一個正確的數據集上，才能作出合理正確的分析、判斷和預測。

在時鐘同步系統建設中需考慮集控中心和各廠站已有的時鐘同步方式。還應考慮集控中心生產實時信息系統、廠站狀態監測子系統的時鐘同步方式。

6　數據庫設計

6.1實時數據存取

實時數據為當前時刻采集的原始監測數據。根據監測測點配置統計，集控中心分析診斷中心的實時數據規模較大，存取頻率較快，為了滿足數據存取的實時性、準確性和完整性，實時數據包含兩種方式：共享內存庫和商用實時庫。

系統需要存儲的設備狀態監測數據種類如下：

1）模型數據（數據模型）

系統和測點配置信息、設備索引、案例庫、故障樹、設備狀態信息等數據可統稱為模型數據。

系統和測點配置信息為需要在系統建立初期入庫保存，當配置有更改的時候，能方便的對這些信息進行修改。配置信息一般為程序初始化、Web頁面展示等，一般存儲在關系型數據庫中，也可以存儲為文件形式以利于數據冗余。

系統中需要對設備信息進行有效的管理，故需要對設備進行編碼存儲，建立設備索引，形成設備樹。設備管理信息整體數據量不大，但各設備及其部件之間的相關性較大，聯系緊密，可采用關系數據庫來實現。

案例庫和故障樹在對設備進行狀態分析和診斷過程中使用，系統對設備狀態信息、狀態評價等數據進行綜合后，形成決策建議，供決策者使用。這些數據均為靜態數據，可采用關系數據庫來實現。

2）斷面數據（當前庫）

當前庫保存最近一段時間機組運行監測數據，通常以周或月為時間周期。數據來源于監測實時數據，其入庫密度僅次于實時庫，采用覆蓋方式來追加數據，主要用于職能部門和一些診斷專家方面查看機組最近時刻運行記錄，為機組性能評價提供參考。

當前庫數據密度不大，時間間隔較長，可采用關系數據庫來實現。

3）運行特征數據（數據整編后）

定時對一定時間段（通常設定為1min以上，時間間隔可配置）內的數據進行分析，提取特征值（如主頻、次頻、峰值、熵、軸心軌跡等），然后將這些特征值以及必要的波形數據寫入數據庫，它們保存時間比較長，到期后轉存到備份設備。特征值入庫時間間隔默認為1min，波形數據入庫時間間隔電站默認為0.5h，集控中心默認為1d。

波形數據可采取文件存儲方式，關系數據庫中存儲該文件的指針。

運行特征數據的入庫密度次于實時庫數據，可采用關系數據庫來實現。

4）整編數據（特殊數據整編后）

數據來源于實時數據和設備運行特征數據，將一些對設備性能評價和趨勢分析有價值的數據入庫。主要保存下列情況下設備數據：工況發生改變、定時保存或者操作人員指定保存時刻、工況運行不穩定、該工況保存記錄沒有達到要求記錄數等。整編數據主要用于評價設備性能和對設備運行情況做中長期趨勢分析。

整編庫入庫的密度最小，目前是選擇定期入庫策略，今后可選擇拉大入庫時間間隔，可采用關系數據庫來實現。

6.2數據庫構建策略

考慮到各電站狀態監測數據接入規模，解決高密度及海量狀態監測數據所帶來的傳輸和存儲問題，數據庫按照統一標準優化設計狀態監測數據庫及其存儲格式，電站數據服務器應具備前端完整數據分布存儲的功能。

考慮到各電站接入集控中心的總帶寬的限制及不穩定性，狀態監測波形數據應具備壓縮解壓傳輸機制，電站數據服務器應具備狀態監測分析診斷樣本數據斷點續傳的功能。

為保證集控中心實現狀態監測在線預警功能，各站狀態監測設備應優先保證狀態監測實時特征值數據的同步傳輸，在網絡利用率較少的時段再進行狀態監測樣本波形數據的異步傳輸。

系統數據庫體系采用分層保存策略，主要是考慮到不同層次的數據用途不一樣，保存周期和頻率也不同，而且采用數據庫技術也不一樣。內存庫和實時庫采用內存、文件、商用實時庫來構建，而其它幾種考慮到實時性能要求相對低些，采用關系數據庫構建。數據分級保存，主要根據數據時間效應不同而定；遠期時應考慮選擇性入庫策略。

綜合考慮，目前數據庫構建策略選用采用分布式數據庫模式。集控中心部署所有電站的特征值數據和波形數據的數據庫，各電站部署本電站的特征值數據和波形數據的數據庫。

7　結語

根據該流域公司現有電站、正在建設電站以及規劃中電站的具體情況、水電設備參數、設備特點及在電網中的地位等因素，以及國內外水電設備狀態監測分析診斷技術水平，確定了流域集控在線監測系統構建的網絡結構體系以及監測對象、監測手段，利用已有的廣域網絡，采用統一規劃、統一設計的一體化思路，建立起集成化的設備狀態信息在線監測及分析診斷系統，實現對流域水電設備運行狀態的遠程實時在線監測與分析。

TV736

A

1672-5387（2016）08-0027-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.08.008

2016-06-29

瞿佳（1983-），男，工程師，從事電氣主管工作。