感知智能化交互系統在華光潭電廠的應用

趙 陽，毛 琦，王 放，王嘉敏

（1.浙江浙能華光潭水力發電有限公司，浙江 臨安311322；2.北京中水科水電科技開發有限公司，北京100038）

1 引言

華光潭梯級水電站位于浙江省臨安市分水江干流昌化江上游的巨溪，由兩個電站組成。一級電站壩址在昌北區魚跳鄉華光潭村下游2 km，廠址距壩址11 km，電站裝機2×30 MW。二級電站壩址在一級電站廠房下游1.5 km左右，電站裝機2×12.5 MW，梯級電站于2005年投產運行。因一級電站廠房選址的特殊性，有泥石流的風險。結合整個電廠綠色經營理念以及科技興業的發展戰略，基于電站計算機監控系統、自動化元器件等現場設備設施改造正有序實施的有利條件，決定將一級電站建成真正“無人值守、關門運行”的電站。

2 感知系統

目前我國水電站“無人值班，少人值守”的實現，都是基于計算機監控系統之間通信控制技術。電站的計算機網絡和遠程監控中心的計算機網絡采用冗余配置，保證了遠程控制的可靠性，同時還傳輸各水電站的視頻圖像。但對于遠方監控人員而言，除了這些計算機監控系統所采集信息之外，還迫切需要感知電廠運行環境參數的各種變化，使之如身臨其境，置身于電廠真實的環境中，如發電機、水輪機及其輔助設備各種工況運行的聲音大小、強度、頻率的變化；重點部位的油霧濃度的變化以及廠房溫度、濕度與外界的差異等。對于正常生產運行時的隱患，漏油、漏水也需要及時掌握以免擴大事故，造成無法挽回的損失。

為了使華光潭一級站的計算機監控系統采集更多的現場信息，在重點場所設計增加相應的傳感器，采集現場噪聲、溫度、濕度、氣體濃度、漏水、漏油、位移（進入）等的變化，全面“感知”電廠運行環境參數的變化，并進行自動報警。

（1）噪聲檢測

對于水電廠來說，噪音產生地方很多，根據聲源不同，一般可以分為4種：機械噪音、空氣動力性噪音、水力噪音以及電磁噪音。根據現場實際測量，噪音的等級大部分在55～110 dB。

水輪發電機組是水電廠的核心部分，在生產運行中如果出現異常的振動，輕則干擾正常巡檢，重則使機組運行效率降低和影響機組出力，甚至是導致機組結構受到破壞，危及機組安全運行。水輪發電機組出現異常振動和噪聲，多是由機械、電磁和水力3個方面的因素引起的。根據現場的實際勘查以及多方面的比較，為了提高測量的準確性，選擇了相對封閉空間的水車室作為噪音的采集點。

作為水輪發電機組的輔助系統，油、氣、水各系統在機組運行中起著極其重要的作用，為機組的潤滑、密封、冷卻做出了極大的貢獻。各種類型的泵是輔助系統的核心關鍵，因此在水電站的噪音采集點如全廠集中的水泵房室、氣機室以及油泵控制柜內，又增加了相應的測點。

傳統聲級計對滿足噪聲的監測沒有問題，若要將其當做一個噪聲監控的前端卻很不方便，因為傳統的噪聲計都是DC輸出，使用壓縮AC信號的方法得到噪聲信號的分貝大小，線形度較差，而且壓縮信號的靈敏度系數不固定。其一般只能提供AC/DC輸出，如：最通用的從交流輸出插座可輸出交流（AC）信號，供觀察信號波形或信號處理使用，交流輸出的最大幅度約為+1.2 V，交流信號輸出：最大有效值約為2 V，輸出阻抗600 Ω。直流信號輸出：0.35～1.3 V，按0.1 V/10 dB變化，即使還有帶R232串口輸出的如：等聲級計，波特率為9 600，8位數據，1位停止位。每秒輸出5次測量數據，但它不具備或不容易與其他工業自動化監控軟件兼容。本系統內使用的噪聲傳感器產品是針對工業現場或噪聲源噪音監測而設計的，傳感器能獨立封裝，獲得實時數據，外形美觀，體積小，重量輕，安裝靈活。其聲頻測量范圍覆蓋了人耳所能聽到的全部頻率，監測的聲壓范圍滿足國家噪聲管理標準中的全部要求。設備內置高靈敏度傳感器、前置放大器及數據信號調理進行現場聲信號采集，采集信號以4～20 mA工業標準進行輸出，方便計算機監控系統進行數據采集。

（2）漏液檢測

對于水電廠而言，根據“無人值班”設計規范要求，除正常各系統水位測量報警外，還需具備水位信號器冗余配置、防尾水過高倒灌措施、防局部暴雨水淹廠房措施及增設第三水位計等要求。

在本系統設計時，根據現場的實際情況，我們將正常生產運行時，人員巡檢的過程也增設進來，作為計算機監控系統信號的補充采集，將信號反饋給遠程值守人員。由于人員到場處理需要一定的時間，所以報警點設計及報警源選取，必須經過反復的商定。除運行設備之外，房屋的滲漏檢測也包含在采集范圍內。本采集設備采用點式漏液傳感器。傳感器整體采用全密封設計，保證了產品的高精度及可靠性。具有靈敏度高，響應快，使用方便，便于安裝等特點，該傳感器針對水、＜30%的弱酸弱堿、汽油、柴油等都有優良的檢測效果，可廣泛應用于各種場合。該產品供電電壓：DC 12 V，工作溫度：0～50℃，工作濕度：20%～100%RH。采用繼電器接點形式接入計算機監控系統，動作可靠。

（3）溫濕度測量及PM10/2.5采集

為了進一步實現“無人值守”的目標，豐富監控系統的采集類型，增加運行值班人員的現場感受，本系統實施過程中，增加了現場溫濕度的采集以及空氣環境中PM10/2.5采集。

水力發電廠中，由于主體廠房的結構和各系統設備安裝位置的限制，對于溫度濕度的采集很容易受到整體環境的影響。作為機組測溫環節的輔助，溫濕度采集裝置位置現階段選擇在機組上風洞位置。同時，在環境相對封閉的機房內，也設置了采集點。

空氣質量采集裝置，根據現場正常生產運行巡檢路線，設置在發電機層和水輪機層。

3 信息采集的智能分析及系統間聯絡互動

隨著各個感知設備現場數據的采集成功，數據采集的范圍、數量及類型極大的豐富了運行值班人員對于現場情況的了解。對于已有的計算機監控系統提供了更多的數據支撐。如何用好這些數據是感知系統推向實際應用的又一個課題。

（1）噪聲檢測應用

通過機組振動時發出的噪音具體數值，協同電廠振擺系統的變化數據，重點研究水輪發電機振動擺度故障的機理及原因，提出水輪發電機組振擺信號關聯分析策略。

建立發電機組噪音、振擺信號等的關聯分析模型：進行一定條件下機組有功出力、水頭的網格式切分，并結合水電廠機組振動擺度測量裝置，關聯機組振擺信號在不同機組有功出力、水頭下的表現形式。從而進一步分析在各種水頭、有功出力下，水輪發電機各部軸承擺度、上下機架和定子、頂蓋振動等信息特性，例如：

1）在水頭H一定時，機組噪音、振擺隨有功P的關聯特征曲線；

2）在機組有功P一定時，機組噪音、振擺隨水頭H的關聯特征曲線；

3）在任意給定的有功P與水頭H區間內（即機組處于某特定運行條件下），配合噪音分析機組振擺的變化趨勢。

結合泵體實際運行的聲音參數以及其他相關信息，總結水電廠泵設備的基本工作原理，建立泵設備啟/停異常與相應故障的對應關系，并形成專家知識庫。進一步整理，建立水電廠輔助泵設備遠程分析與故障診斷模型，探討模型中調速器系統存在的漏油、漏氣、油泵效率低的檢測方法等關鍵技術的解決方案，提出并研究水電廠輔助泵設備的分析策略與故障診斷方法。

加強對壓油泵、備用油泵、漏油泵、技術供水泵、取水泵、各種氣泵、各種排水泵等的實時診斷，確保運行人員能在集控中心根據運算結果，對泵的運行狀態進行診斷，提出設備狀態檢修的建議，實現對壓油泵的遠程分析與診斷。

（2）溫濕度測量應用

通過對于機組相關位置環境溫度的采集，結合原有設備測點的溫度值變化，實時分析不同測點的溫度值特征，根據各溫度測點信號偏移，平均值的大小，自動分析某些測溫回路是否存在故障，并實時判斷發變組溫度是否合理。

采用關聯集成分析策略，首先統計發變組的熱穩態過程，在此基礎上，配合環境溫度計算發變組在熱穩態過程下各溫度的特征值，能反映機組溫度隨水頭、有功變化情況，從而最終實現對機組性能的分析與預測，并有利于機組溫度特性、規律的總結。獲得水電廠發變組溫度信號在相應設備的熱穩態過程下的變化過程，用以準確地發現機組溫度是否具有日趨“劣化”的趨勢，例如：

1）在任意的機組視在功率，各部位溫度隨時間的變化趨勢曲線；

2）在一定的機組功率下，上導瓦溫、下導瓦溫、水導瓦溫、推力瓦溫等隨時間的變化趨勢曲線；

3）提供在任意的變壓器視在功率、環境溫度下，變壓器油溫與變壓器線圈溫度隨時間的變化趨勢。

（3）漏液檢測及PM10/2.5檢測應用

通過對漏液點的報警以及環境溫濕度、粉塵顆粒物的報警，使遠程運行人員“身臨其境”，感知現場實際的工況環境，使現場早期的事故隱患得到排查并處理，結合實際運用，通過以下措施來優化改善：

1）將多種信號采集后，先送至計算機監控系統，提供初步的越限報警，同時進行語音提示，并彈出光字牌告警。

2）由計算機監控系統將以上信號再送至電站內的趨勢分析系統，由趨勢分析系統對數據進行進一步分析、關聯處理，除滿足越限預警以外，根據單位時間內數據變化情況，提供關聯報警、梯度報警、波動幅值報警，并進行變化速率分析，實時預測設備的運行狀況。

3）將信號通過IEC60870-5-104規約通信至工業電視系統，由工業電視系統根據相應信號動作條件串聯攝像機聯動畫面預警，同時工業電視系統還會以聲音、彈窗的多種方式提醒人員提前發現設備異常。實現智慧視頻監視，為遠程值班人員提供設備現場的圖像畫面，便于遠方及時處理及決策。

圖1 感知系統拓撲圖

4 小結

智能化感知系統在華光潭電廠的投運，消除了過去電站過于注重設備內部的感知，欠缺與設備外部環境結合監測的手段；感知種類少，設備監視依賴于傳統常用的傳感器，缺少比較全面的信號監測類別；數據利用率不高，關聯性不強，過于依賴人員對數據的判斷分析，工作量大且容易出現失誤等多個弊端。

智能化感知系統為華光潭一級站實現“無人值守”提供了強有力的技術支持，但是感知系統的搭建，還存在著進一步的擴充需求。更多采集的數據類型、更多采集數據的方式以及更多智能設備的投入，將是后續研究的方向。此次系統的實施也是我國中小型水電站“無人值守”課題研究的一個嘗試，通過具體的實現方案、現場的實際數據，并配合現階段水電廠大數據智能化分析，使“少人值守”逐步轉變為“無人值守”變成可能，同時將“智慧水電”引入更高的平臺。