水輪發(fā)電機組故障診斷系統(tǒng)設計實現(xiàn)

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摘要：本文簡要論述了水輪發(fā)電機組故障診斷系統(tǒng)開發(fā)的現(xiàn)實意義和未來發(fā)展前景，詳細闡述了如何結合水電廠生產(chǎn)實際需求完成系統(tǒng)功能架構，進一步從數(shù)據(jù)編碼、系統(tǒng)接口、狀態(tài)評估邏輯、故障診斷邏輯以及系統(tǒng)硬件部署五個方面深入剖析了系統(tǒng)底層設計思路。該系統(tǒng)采用面向服務的系統(tǒng)架構，基于多維向量協(xié)同推理機制實現(xiàn)對水電機組設備故障的診斷分析和趨勢預警，系統(tǒng)提供了友好的人機交互界面，展現(xiàn)了豐富的數(shù)據(jù)可視化形式，支持診斷邏輯的動態(tài)擴展，為系統(tǒng)的進化與發(fā)展提供了開放接口。

關鍵詞：水電機組；故障診斷；狀態(tài)檢修；KKS；在線監(jiān)測

隨著水電機組單機容量不斷增加，在系統(tǒng)中占比不斷增長，水電廠的安全穩(wěn)定經(jīng)濟運行已成為我國能源結構調整目標實現(xiàn)的重要保障。[1]當前水電機組仍然采用計劃檢修模式，存在一定的盲目性，檢修不足無法保障機組的運行性能，過度檢修又會造成資源的浪費。為滿足水電企業(yè)提高機組等效可用率、降低生產(chǎn)成本等客觀需求，建立一個能準確分析機組故障原因和評估機組運行狀態(tài)的系統(tǒng)對電力系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運行具有十分重要的意義。

1系統(tǒng)功能架構

如圖1所示，水輪發(fā)電機組故障診斷系統(tǒng)功能架構從下往上分別由數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)存儲層、服務層、業(yè)務應用層、展現(xiàn)層組成。數(shù)據(jù)采集層用于實時采集水電廠各類生產(chǎn)數(shù)據(jù)，主要包括計算機監(jiān)控系統(tǒng)、機組振擺監(jiān)測系統(tǒng)、電能量管理系統(tǒng)和變壓器色譜分析系統(tǒng)數(shù)據(jù)。各類數(shù)據(jù)經(jīng)過統(tǒng)一編碼后存入數(shù)據(jù)訪問KDP平臺，以結構化數(shù)據(jù)、非結構化數(shù)據(jù)、消息數(shù)據(jù)、平臺基礎數(shù)據(jù)等模式進行存儲。數(shù)據(jù)交換提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)訪問服務，該服務提供了基于REST和WebService兩種模式數(shù)據(jù)接口，所有服務層和展現(xiàn)層都通過該接口來實現(xiàn)數(shù)據(jù)訪問，解耦業(yè)務及信息展示和數(shù)據(jù)庫存儲的關系。服務層的報表引擎、日志服務、統(tǒng)計運算、實時計算、專業(yè)診斷、流程引擎、消息服務和權限服務均通過數(shù)據(jù)交換訪問KDP平臺數(shù)據(jù)。結合水電廠生產(chǎn)實際情況，為故障診斷系統(tǒng)規(guī)劃了包含綜合信息、狀態(tài)監(jiān)測、能效分析、故障診斷、運行優(yōu)化、檢修決策、系統(tǒng)管理七大業(yè)務應用模塊，后期還可以隨著需求的不斷增長對業(yè)務應用進行擴展。在展現(xiàn)層用戶可以通過普通的PC瀏覽器接入平臺系統(tǒng)。

2數(shù)據(jù)編碼設計

要實現(xiàn)設備管理信息化，數(shù)據(jù)標準統(tǒng)一化，首先必須對電廠內的各類設備和數(shù)據(jù)按照統(tǒng)一規(guī)則進行編碼，本故障診斷系統(tǒng)數(shù)據(jù)編碼基于KKS（電廠標識系統(tǒng)，KraftwerkKennzeichenSystem）規(guī)則，其邏輯結構和組成體系層次分明，代碼簡單明了，不依賴于計算機程序語言而獨立存在，用于足夠的容量進行擴充；[2]同時該編碼具有唯一性，是一種先進合理、科學實用的編碼技術，分為管理域、設備域和量值域。編碼管理域信息包括省份、廠站名和類別，編碼設備域信息包括主系統(tǒng)、子系統(tǒng)、設備和采集部位，編碼設備域包括電站標識、設備KKS編碼、數(shù)據(jù)源碼、數(shù)據(jù)源內部碼、量值類型碼等信息。編碼量值域包括采集信號的來源、物理屬性和算法信息。管理域、設備域和量值域均采用17位編碼實現(xiàn)KKS標識，以設備域為例的具體編碼規(guī)則如表1所示。第一位用字母（為避免與數(shù)字1或0混淆，字母I和O棄用，下同）或數(shù)字表示全廠站范圍內各主系統(tǒng)標識，第二位F0用數(shù)字作為前綴標識隨后的F1、F2、F3是字母數(shù)據(jù)分類的系統(tǒng)；當F1、F2、F3用來分類多個相似的獨立系統(tǒng)時，可以用F0來進行順序編號。F1、F2、F3按照專業(yè)對主系統(tǒng)進行分類，F(xiàn)N則為各子系統(tǒng)編號；A1、A2按照機械、電氣、儀控等類別用兩位字母對設備進行分類，AN由三位數(shù)字順序編號用于更進一步區(qū)分同類設備，第13位A3不用，一般設為0；B1、B2用兩位字母按部件索引和信號約定劃分部件、信號或信號應用，BN使用兩位數(shù)字表示對應測點序號。

3系統(tǒng)接口設計

系統(tǒng)采用開放的數(shù)據(jù)訪問平臺，標準的數(shù)據(jù)訪問接口，如圖2所示，接口設計符合以下特點：（1）自主開發(fā)了基于RESTFull訪問規(guī)則的數(shù)據(jù)平臺訪問接口。（2）診斷平臺中，所有應用訪問診斷平臺數(shù)據(jù)都基于該接口實現(xiàn)。（3）擴展數(shù)據(jù)平臺接口，實行數(shù)據(jù)的基本統(tǒng)計和故障診斷、狀態(tài)監(jiān)測等。此外，系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集接口還應滿足時標一致性、數(shù)據(jù)緩存、斷電續(xù)傳的標準。為防止數(shù)據(jù)采集和傳輸過程中各種原因導致的時延，采集階段必須在數(shù)據(jù)采集的同時保留數(shù)據(jù)的原始時間標簽，在數(shù)據(jù)上傳過程中也必須將數(shù)據(jù)與其對應的時標配對傳輸。數(shù)據(jù)緩存能力可以保證輸入數(shù)據(jù)庫的生產(chǎn)過程信息的連續(xù)性和完整性，不會因通訊故障等原因而導致數(shù)據(jù)的中斷或丟失。傳輸過程中遇到網(wǎng)絡中斷的情況自動記憶，并將數(shù)據(jù)緩沖到本地緩存，不斷嘗試網(wǎng)絡連通情況，當網(wǎng)絡恢復時自動重新建立連接，并將數(shù)據(jù)從記憶斷點開始繼續(xù)傳輸。

4狀態(tài)評估邏輯設計

機組狀態(tài)評估邏輯主要由三個步驟實現(xiàn)，第一步由在線監(jiān)測數(shù)據(jù)按照規(guī)則邏輯確定狀態(tài)量的狀態(tài)，由故障診斷功能模塊確定當前機組或部件是否存在故障及其故障等級情況；第二步由部件關聯(lián)狀態(tài)量狀態(tài)按照規(guī)則邏輯確定關鍵部件的狀態(tài)；第三步由關鍵部件狀態(tài)按照規(guī)則邏輯確定機組主設備狀態(tài)，機組運行狀態(tài)評估流程如圖3所示。將設備狀態(tài)定義按照動態(tài)閾值等規(guī)則邏輯確定為四種不同的狀態(tài)，分別為正常、注意、異常和危險。當任一特征值達到“注意”、“異?！?，或機組存在三級故障時則系統(tǒng)自動定位故障點，并發(fā)出黃色告警；當機組存在二級故障或任一特征值為“危險”級別時，則發(fā)出橙色告警；當機組存在三個及以上特征參數(shù)為“危險”級別或存在一級故障時，則判定機組處于“危險”狀態(tài)，發(fā)出紅色告警。

5故障診斷邏輯設計

故障診斷邏輯圖如圖4所示。實現(xiàn)故障診斷首先需要錄入歷史數(shù)據(jù)、試驗結果、典型案例，并結合專家經(jīng)驗和故障機理研究成果，建立包含不同故障類型的知識庫，通過診斷閾值系統(tǒng)、指標計算體系、監(jiān)測量特征提取和異常與故障對應庫形成多維向量協(xié)同推理機制，對實時數(shù)據(jù)源進行監(jiān)測，滿足故障條件的迅速判定故障等級，自動生成故障描述，快速分析故障原因。[3]故障庫還可以根據(jù)人工離線干預的分析結論進行補充，以保證故障知識庫不斷完善和充實。

6系統(tǒng)硬件設計

根據(jù)國家電力監(jiān)管委員會對電力二次系統(tǒng)提出的“安全分區(qū)、網(wǎng)絡專用、橫向隔離、縱向認證”安全防護原則，對系統(tǒng)硬件作如下部署：（1）在安全Ⅰ區(qū)部署通訊服務器，經(jīng)過正向隔離裝置收集計算機監(jiān)控系統(tǒng)中的實時數(shù)據(jù)，之后經(jīng)過防火墻送至安全Ⅱ區(qū)的數(shù)據(jù)服務器中，通訊采用IEC104協(xié)議。（2）在安全Ⅱ區(qū)部署數(shù)據(jù)服務器和通訊服務器，數(shù)據(jù)服務器用于收集計算機監(jiān)控系統(tǒng)、機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、油色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)等各系統(tǒng)傳送的數(shù)據(jù)。通訊服務器用于安全Ⅱ區(qū)和安全Ⅲ區(qū)的數(shù)據(jù)傳輸，安全Ⅱ區(qū)和安全Ⅲ區(qū)采用正向隔離裝置隔離，數(shù)據(jù)只可由安全Ⅱ區(qū)向安全Ⅲ區(qū)單向傳輸，目前沒有標準協(xié)議支持這種傳輸方式，因此自定義傳輸協(xié)議OSTP（OnewaySynchronizingTransportProtocol/TCP）。（3）在安全Ⅲ區(qū)部署實時數(shù)據(jù)庫服務器、關系數(shù)據(jù)庫服務器、實時計算引擎服務器、應用服務器、WEB服務器、維護工作站、診斷工作站、通訊服務器等。實時數(shù)據(jù)庫服務器用于收集安全Ⅱ區(qū)傳送的實時數(shù)據(jù)及其它實時數(shù)據(jù)；關系數(shù)據(jù)庫服務器用于記錄非實時數(shù)據(jù)；實時計算引擎服務器用于KKS編碼服務等應用；應用服務器用于各種分析運算應用等；WEB服務器用于提供WEB頁面服務和數(shù)據(jù)訪問服務；診斷工作站用于通過WEB服務器實現(xiàn)對診斷平臺的數(shù)據(jù)調取、診斷操作、報告出具等。

7結論

水輪發(fā)電機組故障診斷系統(tǒng)具有廣泛的應用前景，隨著大數(shù)據(jù)、人工智能、邊緣計算等技術的深入發(fā)展，水電機組故障診斷技術也必將取得長足進步。此外，水電機組故障種類繁多，其故障現(xiàn)象、原因和機理的復雜性和模糊性難以用準確的數(shù)學模型加以描述，也難以完全依靠確定性的判據(jù)斷定故障的性質，因此，本文采用多維向量協(xié)同推理機制解決故障診斷分析規(guī)則低效率問題是具有一定合理性和可行性的，對于幫助運行人員找到設備運行規(guī)律，及早預警設備隱患發(fā)展趨勢，快速定位故障點，自動分析設備故障原因均起到了預期效果，系統(tǒng)試運行以來運行良好，性能穩(wěn)定，功能符合業(yè)務需求，達到建設目標。

參考文獻

[1]姜福長.水輪發(fā)電機組振動故障診斷系統(tǒng)的研究與設計[M].長沙：中南大學,2008.

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[3]陳小松,洪凱,張志霞,郭鵬慧，周文，甄國強.基于趨勢分析的遠程診斷系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].水電廠自動化,2017,38(2):36.

作者：宋宇 單位：烏江渡發(fā)電廠