火電廠電量水量平衡管理系統設計

朱曉瑾 封立林 年珩

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2021.08.023

摘? 要：針對現今火電廠中電量、水量在線監測和平衡管理所面臨的問題，提出了一種火電廠電量、水量平衡監測和信息化管理系統設計方案，包括數據采集、數據處理、數據展示、故障診斷與告警、安全趨勢分析等具體功能，并采用了基于改進Pearson相關系數法的安全趨勢分析方法。該系統可應用于指導電量、水量平衡調度，為火電廠電量、水量平衡管理系統提供技術參考。

關鍵詞：平衡監測;信息化管理;火電廠;系統設計;改進Pearson相關系數法

中圖分類號：TP311.5? ? 文獻標識碼：A ? ?文章編號：2096-4706（2021）08-0078-04

Design on Power and Water Quantity Balance Management System in?Fossil-fuel Power Station

ZHU Xiaojin1，FENG Lilin2，NIAN Heng3

（1.Zhejiang Zheneng Taizhou No.2 Power Generation Co.，Ltd.，Taizhou? 317109，China;

2.Zhejiang Zheneng Electric Power Co.，Ltd.，Hangzhou? 310007，China;3.Zhejiang University，Hangzhou? 310058，China）

Abstract：Aiming at the faced problems of online monitoring and balance management for power and water quantity in fossil-fuel power station at present，this paper puts forward a design scheme for power and water quantity balance monitoring and informatization management system in fossil-fuel power station，which includes data acquisition，data processing，data display，fault diagnosis and alarm，safety trend analysis and other specific functions. And a safety trend analysis method based on improved Pearson correlation coefficient method is adopted. The system can be used to guide the balance scheduling of the power and water quantity，and provide technical reference for the power and water quantity balance management system in fossil-fuel power station.

Keywords：balance monitoring;informatization management;fossil-fuel power station;system design;improved Pearson correlation coefficient method

0? 引? 言

現階段，我國在電力生產方式方面大體展現出多樣化發展的趨勢，但作為傳統發電主體的火力發電廠在未來很長一段時間內，仍然將占據著我國發電行業的主體地位。然而，隨著國家對于生態環境問題的日益重視，對于傳統火電行業的生產流程也提出了更高的標準。完善傳統火力發電的發電流程，更高效率地優化對火力發電過程中生產物料的利用，已經成為火電行業發展的重要方向。

隨著我國對于火電行業能效環保要求的不斷提高，火電廠所面臨的水資源利用效率和生態環境問題變得日益凸顯^[1]。因此，深入研究火電廠水系統的監測和管理技術，實現水平衡的高效運行，是對現代火力發電廠的重要要求之一。此外，我國正處于現代化建設的關鍵時期，對于電氣網絡的性能要求也越來越高。目前，大部分火電廠仍保持運行的傳統電氣設備在實際運行過程中無法實現高效的電量監測和安全管控要求。因此，還必須提高對火電廠電氣網絡和信息化管理技術的研究和優化力度^[2]。

由于國家保護生態環節政策的要求和提高火電廠能效指標的需求^[3，4]，火電廠亟須一套實時監測和信息化管理系統來實現電量、水量平衡管理的合理高效運行，提高火電廠水電平衡信息化管理的運行效率。近年來，信息技術與數字管理技術得到了迅速的發展，在眾多工業領域中都得到了廣泛的應用，火力發電行業也不例外^[5，6]。現階段，火力發電廠的水電管理系統逐漸朝著智能化、信息化和數字化方向發展，不僅實現了水電平衡管控效率的有效提升，而且有效保障在線管理系統的實時運行安全。

鑒于以上問題，本文以浙江某火電廠為依托，結合其實際基礎數據采集系統與自動化控制系統，開發了基于實時數據處理技術的火電廠電量、水量平衡管理系統，在線監測火電廠發電過程中的電量、水量平衡關系，實時管理生產過程中的水電平衡。實時數據技術結合圖形化數據展示極大地提高了數據可讀性和信息化管理能力，為火電廠信息化管理監測提供了全新的模式。

1? 系統設計

1.1? 設計目標

本文所設計的火電廠電量、水量平衡管理系統是以安全、穩定、節能為目標的信息化智慧管理平臺，融合實時監測、數據分析、故障預警、任務分配、設備全生命周期管理等功能，以專業化技術、專家型應用，實現水電智慧管理。火電廠電量、水量平衡管理系統主要由現場儀表、采集終端、數據傳輸網絡、數據采集與預處理層、高級應用層五部分組成。其硬件部分按設計規模配置，具有可擴展性，并留有后期接口，而相應的應用軟件則按最終規模設計。

1.2? 理論支撐

火電廠電量、水量平衡管理系統對公司內所有電能表、水表進行數據采樣，包括關口電能表、#1和#2機主設備電能表、10 kV系統的電能表、380 V系統的電能表，化學制水、工業水、生活水、回用水、自來水五大管網的電磁流量計、水表等，將采集來的各種數據通過網絡形式傳送至火電廠電量、水量平衡管理系統，并對數據進行統計、計算與分析，建立公司級電量、水量平衡管理模型。

在本文的火電廠電量、水量平衡管理系統的設計中，借鑒了電力系統信息交互標準化的成熟經驗，基于DL/T 890.301CIM標準建立了母線、變壓器、斷路器、電力電纜、電力負荷等電力設備模型，并拓展水管道、水閥門、水泵、蓄水池、水負荷等水資源輸送、存儲、消費設備模型。然后根據設備之間的連接關系，按照從源端到荷端的方向深度遍歷，分別將電網和水網各設備參數及其連接關系入庫，即建立了電氣、水網絡模型。

通過對火電廠的電量、水量平衡管理模型進行建模，電網和水網各設備的物理參數和相互之間的聯結關系將以數學模型的方式填入網絡數據庫中，以便于后續的高級應用進行調用。

1.3? 結構設計

本文所設計的火電廠電量、水量平衡管理系統是具有完整能源監控、管理、分析和優化功能的管控一體化計算機系統。如圖1所示，系統整體組成架構一共包括5個層級，自底向上分別是：

用戶層：用于輸入能源系統各部分相關能源數據，包括燃電力系統、水系統、燃氣系統等;

數據層：為了滿足大數據采集需要，滿足異構數據的融合和綜合展示，在數據層要構建混合硬件平臺。支持混合操作系統，采用中間件技術保證系統的可移植性，并采用分布式網絡通信來增加系統的靈活性和可靠性。在數據層構建大數據采集控制與管理分析平臺，實現對不同類型數據的采集處理、監視控制，以及大數據的管理分析功能，打造一體化的多能全數據分析中心;

平臺層：在統一應用支撐平臺基礎上結合在線監測、運行管理、移動服務等功能，為能源管控系統的運行提供平臺支撐。同時平臺層的軟件模塊具備開放性，支持不同層面應用功能的二次開發;

應用層：主要由六大應用組成，包括數據視圖、在線監測、電量平衡報表、水量平衡報表、告警管理、信息管理;

服務層：借助平臺以及基礎應用，提供包括電廠水電平衡分析、管網壓力與安全趨勢分析、電廠故障診斷預警、能源需求側智能互動等服務。

1.4? 功能設計

本文所設計的火電廠電量、水量平衡管理系統的具體功能包括數據采集、數據處理、數據展示、故障診斷與告警，以及安全趨勢分析等環節。

1.4.1? 數據采集

數據采集環節用于對電量、水量平衡管理系統所需的數據信息進行采集量測。其中電量數據采集對象包括一次設備的有功、無功、電壓、電流等模擬量，以及開關位置、隔離刀閘位置、接地刀閘位置等開關狀態量;二次設備的保護信號;一次、二次設備的狀態信號;上層系統下發的控制信號以及終端上傳的數據等。

水量數據采集對象包括各種水資源在管道中的流量、壓力等模擬量，以及水泵、閥門狀態量;水質量指標以及終端上傳的數據等。

1.4.2? 數據處理

根據數據類型，分為模擬量處理、狀態量處理、統計計算、數據記錄等，其中：模擬量處理包括數據有效性檢查、數據過濾、零漂處理、上下限值處理、數據變化率處理和單位轉換等;狀態量處理包括雙位遙信處理、誤遙信處理、人工輸入、動作計時和動作計數等;統計計算：根據調度運行的需要，對各類數據進行統計，可以靈活定制計算公式，比如數值統計、極值統計、次數統計等;數據記錄：根據事件類型、線路、設備類型、動作時間等條件對數據記錄進行分類檢索、顯示和打印輸出。

1.4.3? 數據展示

數據的圖形化展示為組態化界面，支持圖元編輯、圖形編輯、圖形展示，在圖形界面上可視化展示各電氣、水網絡設備在系統中的位置、測量數據和運行工況。圖形化展示使用戶可以方便地與系統交互，實時展示能源信息，監視系統的運行情況、查詢有關的統計數據、下達命令，以及執行各應用的相關操作。

1.4.4? 故障診斷與告警

系統運行過程中產生的報警信息，可以通過報警界面進行實時監視。用戶可在實時報警界面內察看到系統當前的所有報警，也可設置條件檢索任意時段任意類型的歷史報警。

報警信息在線綜合處理、顯示與推理，支持匯集和處理各類告警信息，對大量報警信息進行分類管理和存儲，對不同需求形成不同的報警顯示方案，利用形象直觀的方式提供全面綜合的報警提示，方便用戶的運行監視。

1.4.5? 安全趨勢分析

結合管道模型和歷史故障信息，通過采集在供水高峰時間段的水管壓力不穩定的工況數據，建立基于非機理性的故障診斷模型。根據該模型能夠分析出水管壓力不穩定故障相關的特征工況，并通過與實時工況數據的對比實現對水管網絡漏水段的快速定義。此外，還可通過對水管網絡壓力健康度進行評估與預警，以避免類似故障的再次發生。水管網絡安全趨勢分析的整理工作流程如圖2所示。

Pearson相關系數法是一種被廣泛應用的相似度分析方法，因此本文采用該方法對比分析管道水壓的采樣信號和參考信號，進而實現水管網絡的安全趨勢分析。參考文獻^[7]，Pearson相關系數法的傳統計算公式可以表示為：

其中，P1_i是當前時刻之前10毫秒內第i個時刻管道水壓的采樣值，P2_i是當前時刻之前20毫秒至10毫秒管道水壓第i個時刻管道水壓的采樣值，n是兩個時間段內管道水壓所對比點的總數，i和j是自然數。

在水管網絡的水壓檢測中，由于被用于比較的水壓曲線采用了平均值處理，且穩態參考水壓是一個帶有紋波的恒定值。因此，如果直接對采樣水壓和穩態計算水壓進行對比，相關系數將隨水壓紋波的變化而變化，可能出現大量的誤報警。為防止誤報警的發生，本章采用采樣水壓的累加值進行安全趨勢分析中的相關系數分析，采樣水壓曲線和穩態參考水壓曲線的第i個對比值可分別表示為：

由于Pearson相關系數法對絕對值不敏感。當水壓曲線不同而水壓變化率相同時，也會出現高度相關性。因此，在安全趨勢分析中需要消除由這種現象引起的干擾。本文設計并引入了一個調整因子p來優化Pearson相關系數法，參數p被設計為：

p的所在區間為[0，1]，p越大，相關性越高，反之p越小，相似性越低。最終，改進后的Pearson相關系數可以表示為：

r=r₀×p

基于所建故障診斷模型和改進Pearson相關系數法，本文對水管網絡進行安全趨勢分析的具體流程包括5個步驟，所對應的流程圖如圖3所示。

（1）在每條管道兩個終端中上以1毫秒/次的頻率采集終端的管道水壓，并實時存儲水壓;

（2）使用改進Pearson相關系數法對比當前時刻之前10毫秒內管道水壓與當前時刻之前20毫秒至10毫秒管道水壓的相似程度;

（3）所用改進Pearson相關系數法通過多數據點對比，能夠有效防止由于單點采樣誤差、短時運行工況波動等引起的誤判斷，其采樣時間可以根據數據精度靈活選取;

（4）所用改進Pearson相關系數法可用于檢測、判斷系統水管水壓的穩定情況，以及時發現處于亞健康狀態的水管并進行相應的安全預警;

（5）如果某個端口的管道水壓的相似程度低于設定閾值，表示此端口內水管網絡的水壓處于波動的不穩定狀態，可以判斷此時該條管道處于亞健康狀態，并發出預警信號。

2? 應用示范

本文研究的火電廠電量、水量平衡管理系統在浙江某火力發電廠得到了應用，該火力發電廠的電氣網絡具體圖形化展示界面如圖4所示。

根據現場系統的運行測試顯示，該系統能夠有效地調度火電廠電量、水量的動態平衡。并且，通過對電量、水量數據的實時監測和統計處理，該系統能夠將電網絡的全廠電能流動關系和水網絡的全廠水耗分布關系進行可視化展示，具體的圖形化展示界面如圖5、圖6所示。

根據該火電廠電量、水量平衡管理系統的試運行情況反饋可以看出，所設計信息化管理系統能夠有效地解決火電廠現場電量、水量平衡的調度管理問題，實現了數據實時的采集檢測。并且，結合圖形化展示界面實現了平衡管理信息的動態展示和交互控制。

3? 結? 論

通過將數據采集技術、信息化處理技術與平衡管理技術相結合，對火電廠電量、水量的動態平衡情況實現實時監測和管理，實現了對于電網絡和水網絡的統一調度管理。同時，火電廠電量、水量平衡管理系統中的故障診斷與告警系統及時記錄了數據故障情況，提高了平衡管理的質量和水平，降低了電量、水量平衡調度過程中的故障發生率，實現了火電廠現場平衡管理系統的規范化、信息化和科學化。因此，該火電廠電量、水量平衡管理系統是以安全、穩定、節能為目標的信息化智慧管理平臺，該系統的研發與應用具有良好的推廣前景。

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作者簡介：朱曉瑾（1974—），女，漢族，浙江臺州人，高級工程師，碩士，研究方向：發電廠繼電保護技術及其應用。

收稿日期：2021-02-28