基于大數(shù)據(jù)的水電廠監(jiān)控系統(tǒng)輔助決策功能研究與設(shè)計(jì)

摘" 要：隨著電力數(shù)字化改革進(jìn)程加速和設(shè)備不斷的技術(shù)改造升級(jí)，水電廠監(jiān)控系統(tǒng)接入的各類設(shè)備“三遙”數(shù)據(jù)不斷增加。海量監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)產(chǎn)生后若能夠加以二次開(kāi)發(fā)利用，將進(jìn)一步發(fā)揮數(shù)字財(cái)產(chǎn)的價(jià)值。該文研究并設(shè)計(jì)基于大數(shù)據(jù)的水電廠監(jiān)控系統(tǒng)輔助決策功能。通過(guò)對(duì)水電廠監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行加工分析，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)分析、狀態(tài)預(yù)警、應(yīng)急及事故處置輔助決策等，為水電廠監(jiān)控系統(tǒng)功能建設(shè)及改造提供思路。

關(guān)鍵詞：大數(shù)據(jù)；水電廠；監(jiān)控系統(tǒng)；數(shù)據(jù)二次開(kāi)發(fā)；輔助決策

中圖分類號(hào)：TP277" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2024）36-0130-05

Abstract： With the acceleration of the power digitalization reform process and the continuous technological transformation and upgrading of equipment， the \"three remote\" data of various equipment connected to the hydropower plant monitoring system continues to increase. If the massive monitoring data can be developed and utilized again after being generated， the value of digital property will be further exerted. This paper studies and designs the decision-making auxiliary function of hydropower plant monitoring system based on big data. By processing and analyzing the data of the hydropower plant monitoring system， equipment operating status analysis， status early warning， emergency and accident handling auxiliary decision-making are realized， thus providing ideas for the functional construction and transformation of the hydropower plant monitoring system.

Keywords： big data; hydropower plant; monitoring system; secondary data development; decision-making assistance

水電廠監(jiān)控系統(tǒng)是應(yīng)用計(jì)算機(jī)參與針對(duì)水電廠的監(jiān)測(cè)與控制并借助一些輔助部件與被控對(duì)象相聯(lián)系，以實(shí)現(xiàn)水電廠的安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行而構(gòu)成的系統(tǒng)[1]。水電廠各類設(shè)備的運(yùn)行監(jiān)視、操作、異常處置和故障分析等都需要利用監(jiān)控系統(tǒng)相關(guān)功能進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

現(xiàn)階段，隨著電力數(shù)字化改革進(jìn)程加速和設(shè)備不斷的技術(shù)改造升級(jí)，監(jiān)控系統(tǒng)接入的各類設(shè)備“三遙”數(shù)據(jù)不斷增加。若監(jiān)控系統(tǒng)不具備輔助決策功能，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)海量數(shù)據(jù)的加工分析和二次開(kāi)發(fā)，則海量的數(shù)據(jù)依然要靠人工進(jìn)行處理和分析，難以實(shí)現(xiàn)異常的提前預(yù)知干預(yù)和異常后的輔助決策。這樣的情況下，不僅給水電廠的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)了問(wèn)題，同時(shí)制約了生產(chǎn)力的發(fā)展，浪費(fèi)了數(shù)據(jù)資源和人力資源。

本文設(shè)計(jì)基于大數(shù)據(jù)的水電廠監(jiān)控系統(tǒng)輔助決策功能。通過(guò)對(duì)水電廠各類主機(jī)、輔機(jī)數(shù)據(jù)及運(yùn)行日志等監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行加工分析，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)分析、狀態(tài)預(yù)警、應(yīng)急及事故處置輔助決策等，為水電廠監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)及改造提供思路。

1" 水電廠監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)使用問(wèn)題分析

1.1" 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)互通性不足

目前，受限于監(jiān)控系統(tǒng)硬件性能及兼容性、網(wǎng)絡(luò)安全等限制，部分水電廠往往存在各子系統(tǒng)各自為政，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)難以互通的情況[2]。圖1為國(guó)內(nèi)某水電廠設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)情況，水輪機(jī)部分由機(jī)組在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)、發(fā)電機(jī)及輔機(jī)部分由下位機(jī)監(jiān)測(cè)、主變部分由主變?cè)诰€監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)。水輪機(jī)及主變因單獨(dú)建設(shè)有在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，導(dǎo)致僅有部分?jǐn)?shù)據(jù)上送監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)全廠設(shè)備的統(tǒng)一監(jiān)控和全量數(shù)據(jù)采集。

1.2" 監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)利用不足

現(xiàn)階段，部分投運(yùn)較長(zhǎng)時(shí)間的水電廠監(jiān)控系統(tǒng)功能較為落后，缺乏數(shù)據(jù)的分析功能，僅能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)展示及存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)波形生成、事件記錄等，缺乏對(duì)數(shù)據(jù)的加工分析和二次開(kāi)發(fā)功能，難以實(shí)現(xiàn)設(shè)備故障的預(yù)知和提前干預(yù)。圖2為某國(guó)產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)廠商監(jiān)控系統(tǒng)功能畫(huà)面，僅能生成并展示歷史數(shù)據(jù)的波形用于異常或事故后的分析，無(wú)法根據(jù)歷史數(shù)據(jù)自行開(kāi)展設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)及預(yù)警，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備異常的事前管控。

1.3" 異常處置智能化支撐不足

水電廠監(jiān)控系統(tǒng)功能落后同樣會(huì)影響異常處置的準(zhǔn)確性和效率。因監(jiān)控系統(tǒng)未對(duì)采集數(shù)據(jù)及告警信息進(jìn)行二次處理，無(wú)法實(shí)現(xiàn)告警信息的過(guò)濾和歸集。當(dāng)某主設(shè)備的子系統(tǒng)設(shè)備異常時(shí)，將可能同時(shí)有數(shù)十條包含主系統(tǒng)、子系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)告警同時(shí)彈出在監(jiān)控畫(huà)面中，此時(shí)需依靠運(yùn)行值班人員識(shí)別告警并確定具體故障地點(diǎn)，一定程度上影響了異常處置時(shí)效性。此外，當(dāng)異常發(fā)生時(shí)，需要運(yùn)行值班人員在監(jiān)控系統(tǒng)上開(kāi)展一系列應(yīng)急處置，如當(dāng)水輪機(jī)組停機(jī)異常時(shí)可能需要連帶操作緊急停機(jī)、關(guān)閉機(jī)組進(jìn)水閥、引水口事故閘門(mén)等，若監(jiān)控系統(tǒng)無(wú)相關(guān)提示功能，可能因值班員經(jīng)驗(yàn)不足或緊張等導(dǎo)致應(yīng)急處置不及時(shí)，進(jìn)而導(dǎo)致事故擴(kuò)大。

2" 基于大數(shù)據(jù)的監(jiān)控系統(tǒng)輔助決策功能設(shè)計(jì)

2.1" 利用SOE開(kāi)發(fā)算法，實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行趨勢(shì)變化預(yù)警

利用監(jiān)控系統(tǒng)SOE（Sequence Of Event，即事件順序記錄）數(shù)據(jù)，通過(guò)設(shè)置一定的算法，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行趨勢(shì)的跟蹤預(yù)警[3]。表1為某水電廠調(diào)速器壓油裝置部分SOE數(shù)據(jù)設(shè)置的算法邏輯，通過(guò)對(duì)SOE中4個(gè)點(diǎn)位設(shè)置算法，即可實(shí)現(xiàn)油泵單次打壓時(shí)長(zhǎng)、周啟動(dòng)次數(shù)、啟動(dòng)時(shí)間間隔的自動(dòng)計(jì)算。以1#油泵單次打壓時(shí)長(zhǎng)為例，1#油泵接觸器合信號(hào)為M43.3，當(dāng)其狀態(tài)變?yōu)椤?”時(shí)，即代表接觸器吸合，油泵處于啟動(dòng)狀態(tài)；當(dāng)其狀態(tài)變?yōu)椤?”時(shí)，即代表接觸器斷開(kāi)，油泵處于停止?fàn)顟B(tài)。通過(guò)計(jì)算M43.3狀態(tài)從“1”變?yōu)椤?”之間的時(shí)長(zhǎng)，即可統(tǒng)計(jì)出1#油泵1次動(dòng)作所用時(shí)長(zhǎng)。對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行大量積累即可形成時(shí)長(zhǎng)波形，能夠直觀展示出設(shè)備運(yùn)行情況。

由圖3可知，通過(guò)以上計(jì)算數(shù)據(jù)的積累而形成的設(shè)備運(yùn)行曲線，可有效反映出設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的變化情況，如油泵單次打壓時(shí)長(zhǎng)逐漸變長(zhǎng)，則可判斷油系統(tǒng)回路可能存在堵塞或者油質(zhì)變差。壓油裝置啟動(dòng)時(shí)間間隔逐漸縮短，則可判斷油系統(tǒng)回路可能存在漏油情況。此外，可根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)設(shè)定閾值，即可在設(shè)備狀態(tài)惡化到不可接受前實(shí)現(xiàn)預(yù)警。如壓油裝置啟動(dòng)時(shí)間間隔正常約為4 h左右，即可設(shè)定告警閾值為3 h，當(dāng)預(yù)警發(fā)出后，運(yùn)行檢修人員可提前介入對(duì)該異常進(jìn)行檢查處置，即能避免異常進(jìn)一步擴(kuò)大，進(jìn)而導(dǎo)致壓油裝置失壓或機(jī)組調(diào)速器失控等嚴(yán)重故障的發(fā)生。

此外，該思路同樣可以用于計(jì)算水輪發(fā)電機(jī)組各狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)間變化趨勢(shì)，有助于從系統(tǒng)角度分析水輪發(fā)電機(jī)組整體運(yùn)行情況的變化。常規(guī)水電機(jī)組存在停機(jī)態(tài)、空狀態(tài)、空載態(tài)及并網(wǎng)態(tài)等穩(wěn)定工況，通過(guò)對(duì)相關(guān)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的SOE數(shù)據(jù)進(jìn)行抓取，即可實(shí)現(xiàn)機(jī)組工況變化跨步時(shí)間的計(jì)算。圖4為某水電廠機(jī)組工況變化跨步時(shí)間計(jì)算邏輯，以停機(jī)態(tài)至空轉(zhuǎn)態(tài)時(shí)間計(jì)算為例，當(dāng)機(jī)組狀態(tài)賦值由“1”變化為“2”時(shí)，即可完成一次時(shí)長(zhǎng)計(jì)算。對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行大量積累即可形成時(shí)長(zhǎng)波形，當(dāng)停機(jī)至空轉(zhuǎn)時(shí)間增大時(shí)，可能預(yù)示著調(diào)速器控制系統(tǒng)或?qū)~等導(dǎo)水機(jī)構(gòu)功能存在異常，有助于協(xié)助運(yùn)維人員提前制定運(yùn)維策略[4]。

2.2" 利用告警邏輯梳理，實(shí)現(xiàn)故障快速定位

水電廠監(jiān)控系統(tǒng)光字告警是由監(jiān)控系統(tǒng)中的光字牌發(fā)出的，當(dāng)監(jiān)控系統(tǒng)檢測(cè)到異?；蚬收蠒r(shí)，相應(yīng)的光字牌會(huì)被激活，顯示特定的信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)異常情況的快速識(shí)別和處理。但在實(shí)際運(yùn)維中，故障發(fā)生后的大量光字同時(shí)彈出可能影響運(yùn)維人員第一時(shí)間定位到具體故障、設(shè)備，從而影響異常處置效率。

現(xiàn)階段國(guó)產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的告警功能主要通過(guò)下位機(jī)上送告警信號(hào)的方式實(shí)現(xiàn)，而下位機(jī)告警的發(fā)出需要滿足PLC程序的邏輯判斷。因此，在監(jiān)控系統(tǒng)中按照PLC程序邏輯設(shè)置一定的篩選邏輯，即可實(shí)現(xiàn)告警的過(guò)濾和歸集。

以某水電廠一次開(kāi)機(jī)失敗事件為例，某日14點(diǎn)17分，2#機(jī)組處于開(kāi)機(jī)至并網(wǎng)流程，機(jī)組轉(zhuǎn)速上升至95%后觸發(fā)開(kāi)機(jī)失敗標(biāo)志位啟動(dòng)故障及開(kāi)機(jī)失敗流程，機(jī)組轉(zhuǎn)停機(jī)流程停機(jī)。故障時(shí)刻監(jiān)控系統(tǒng)在1 s內(nèi)發(fā)出多條光字告警，包含“2F_調(diào)速器故障（P1.381）A、2F_開(kāi)機(jī)失敗報(bào)警：調(diào)速器異常切手動(dòng)A、2F_開(kāi)機(jī)流程告警總信號(hào)、2F_調(diào)速器總故障（自保持）A、2F_開(kāi)停機(jī)流程總故障（自保持）A、2F_調(diào)速器PLC.調(diào)速器故障A、2F_調(diào)速器PLC.調(diào)速器故障切手動(dòng)F、2F_調(diào)速器PLC.導(dǎo)葉返饋故障A”從大量的告警描述來(lái)看，僅能初步分析出2#機(jī)組因調(diào)速器故障而導(dǎo)致開(kāi)機(jī)失敗，無(wú)法從大量告警中厘清告警的因果關(guān)系。

由圖5可知，通過(guò)逐項(xiàng)查看下位機(jī)程序發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致開(kāi)機(jī)失敗報(bào)警的原因?yàn)椤?F_開(kāi)機(jī)失敗報(bào)警：調(diào)速器異常切手動(dòng)A”。其程序邏輯設(shè)計(jì)為：判斷機(jī)組轉(zhuǎn)速上升至95%，同時(shí)判斷調(diào)速器是否為手動(dòng)方式，如果為手動(dòng)方式，則觸發(fā)故障及開(kāi)機(jī)失敗流程標(biāo)志，同時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)報(bào)“調(diào)速器異常切手動(dòng)A”信號(hào)。進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致調(diào)速器異常切手動(dòng)原因?yàn)椤皩?dǎo)葉反饋故障”。其程序邏輯設(shè)計(jì)為：中接開(kāi)度信號(hào)采自中接位移傳感器，輸出為直流電壓型（0～5 V）。每150 ms周期中采集到的中接開(kāi)度差超過(guò)8%（約0.3 V），則觸發(fā)“導(dǎo)葉反饋故障”信號(hào)。由此得以厘清告警的因果關(guān)系為“導(dǎo)葉反饋故障”引發(fā)“調(diào)速器異常切手動(dòng)A”，從而造成2#機(jī)組開(kāi)機(jī)失敗。

由此實(shí)例可得出，當(dāng)監(jiān)控告警光字同時(shí)出現(xiàn)“導(dǎo)葉反饋故障”“調(diào)速器異常切手動(dòng)A”及“2F_開(kāi)機(jī)失敗報(bào)警”時(shí)，就可以快速定位為導(dǎo)葉反饋故障導(dǎo)致的異常。依據(jù)此規(guī)則，監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)抓取關(guān)鍵字及邏輯計(jì)算，對(duì)關(guān)鍵光字“導(dǎo)葉反饋故障”進(jìn)行閃亮、彈窗、優(yōu)先級(jí)排序等特殊提醒，即可幫助運(yùn)維人員快速定位故障，提高應(yīng)急處置效率。

2.3" 利用歷史知識(shí)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)應(yīng)急處置輔助決策功能

水電廠監(jiān)盤(pán)值班是確保電廠安全、高效、環(huán)保和靈活運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)督和調(diào)整電廠各個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理異常情況，從而保障電廠的穩(wěn)定運(yùn)行[5]。監(jiān)盤(pán)時(shí)值班人員需要經(jīng)常面對(duì)應(yīng)急處置和操作的情況，這時(shí)值班人員往往需要同時(shí)開(kāi)展設(shè)備告警查看及分析、設(shè)備應(yīng)急操作、故障信息匯報(bào)等多項(xiàng)工作，對(duì)值班人員的個(gè)人能力及心理素質(zhì)都存在一定的考驗(yàn)。

所謂輔助決策功能即根據(jù)規(guī)程、制度及歷史異常處置信息等形成知識(shí)庫(kù)，當(dāng)相關(guān)設(shè)備出現(xiàn)異常時(shí)，通過(guò)檢索知識(shí)庫(kù)，能夠?qū)⒃O(shè)備信息、規(guī)程制度、歷史應(yīng)急處置記錄等快速呈現(xiàn)于運(yùn)維人員面前，從而在一定程度上緩解應(yīng)急處置對(duì)人員經(jīng)驗(yàn)?zāi)芰Φ囊蟆Ｒ虼耍ㄟ^(guò)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)輔助決策功能，幫助值班員開(kāi)展應(yīng)急處置將是實(shí)現(xiàn)電廠監(jiān)盤(pán)工作本質(zhì)安全的一項(xiàng)重要舉措。

知識(shí)庫(kù)應(yīng)實(shí)現(xiàn)同設(shè)備或光字告警的關(guān)聯(lián)，當(dāng)異常發(fā)生時(shí)，通過(guò)彈窗的形式協(xié)助運(yùn)維人員開(kāi)展應(yīng)急處置。知識(shí)庫(kù)可參考表2輔助決策信息表格式進(jìn)行設(shè)置。

3" 結(jié)束語(yǔ)

基于大數(shù)據(jù)的水電廠監(jiān)控系統(tǒng)輔助決策功能解決了傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)海量數(shù)據(jù)分析與利用不足的問(wèn)題。通過(guò)充分發(fā)掘數(shù)據(jù)資源價(jià)值，進(jìn)一步強(qiáng)化了水電廠安全穩(wěn)定運(yùn)行技術(shù)支撐，一定程度上彌補(bǔ)了監(jiān)控系統(tǒng)智能化水平不足問(wèn)題，是提升企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力、推動(dòng)本質(zhì)安全型企業(yè)建設(shè)的重要舉措。

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