基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的水電設(shè)備安全預(yù)警平臺(tái)

北京中元瑞訊科技有限公司

網(wǎng)絡(luò)行業(yè)應(yīng)用篇/設(shè)備監(jiān)控與維護(hù)

1 概述

中國(guó)是水能資源最多的國(guó)家，根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)的理論資源蘊(yùn)藏量有1.6億kW，技術(shù)開(kāi)發(fā)量為1.28億kW，其可開(kāi)發(fā)量占全國(guó)水電資源可開(kāi)發(fā)量的23%，居世界第一位。我國(guó)水電資源的開(kāi)發(fā)已處于較成熟的狀態(tài)，裝機(jī)容量逐年上升，持續(xù)增長(zhǎng)，但增速有放緩的趨勢(shì)，水電市場(chǎng)規(guī)模趨于穩(wěn)定。根據(jù)國(guó)家能源局《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動(dòng)計(jì)劃（2014-2020年）》，至2020年我國(guó)水電總裝機(jī)容量要達(dá)到4.2億千瓦；據(jù)此測(cè)算2020年我國(guó)水電裝機(jī)容量年度復(fù)合增長(zhǎng)率為5.73%，十三五期間平均每年將新增裝機(jī)容量2083萬(wàn)千瓦。

近年來(lái)，隨著水電能源的大力發(fā)展，國(guó)家也加大了對(duì)水電發(fā)展的扶持力度，各種扶持水電開(kāi)發(fā)的政策也相繼出臺(tái)。國(guó)務(wù)院總理李克強(qiáng)主持召開(kāi)國(guó)務(wù)院常務(wù)會(huì)議，部署加快推進(jìn)節(jié)水供水重大水利工程建設(shè)，決定大幅增加國(guó)家創(chuàng)投引導(dǎo)資金促進(jìn)新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展。會(huì)議確定，按照統(tǒng)籌謀劃、突出重點(diǎn)的要求，在今明年和“十三五”期間分步建設(shè)納入規(guī)劃的172項(xiàng)重大水利工程。國(guó)家能源局印發(fā)《水電發(fā)展“十三五”規(guī)劃》指出，加強(qiáng)“互聯(lián)網(wǎng)+”智能水電站建設(shè)，重點(diǎn)發(fā)展與信息技術(shù)的融合，推動(dòng)水電工程設(shè)計(jì)、建造和管理數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化，充分利用物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算和大數(shù)據(jù)等技術(shù)，研發(fā)和建立數(shù)字流域和數(shù)字水電，促進(jìn)智能水電站、智能電網(wǎng)、智能能源網(wǎng)友好互動(dòng)。圍繞能源互聯(lián)網(wǎng)開(kāi)展技術(shù)創(chuàng)新，探索“互聯(lián)網(wǎng)+”智能水電站和智能流域，開(kāi)展建設(shè)試點(diǎn)。加強(qiáng)行業(yè)信息化管理，推動(dòng)信息管理平臺(tái)建設(shè)，系統(tǒng)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目建設(shè)和運(yùn)行信息，建立項(xiàng)目全過(guò)程信息化管理體系，為流域管理和行業(yè)監(jiān)管提供支撐。

1.1 背景

水力發(fā)電行業(yè)的主要生產(chǎn)任務(wù)是發(fā)電。從生產(chǎn)角度來(lái)說(shuō)，主要有以下特點(diǎn)：

1）發(fā)電成本低。水力發(fā)電只是利用水流所攜帶的能量，無(wú)需再消耗其他動(dòng)力資源。而且上一級(jí)電站使用過(guò)的水流仍可為下一級(jí)電站利用。因此水電站的提高效益的主要手段是利用利用有限的來(lái)水量自可能發(fā)更多的電。對(duì)于大中型水電站而言，發(fā)電量由網(wǎng)調(diào)給出根據(jù)流域來(lái)水和網(wǎng)上負(fù)荷需求給定; 而對(duì)于小水電而言，在不影響電網(wǎng)穩(wěn)定性的前提下，發(fā)電量完全可以根據(jù)電站的來(lái)水量自我調(diào)整優(yōu)化，盡可能提高發(fā)電量。

2）水電站的設(shè)備比較簡(jiǎn)單,其核心設(shè)備是水力發(fā)電機(jī)組及其附屬設(shè)備。對(duì)于水電站來(lái)說(shuō)保證發(fā)電機(jī)設(shè)備可靠安全、健康運(yùn)行是整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的核心。雖然水電站初期間設(shè)備成本高、周期長(zhǎng)，但是當(dāng)建設(shè)完成之后，在整個(gè)運(yùn)行成本中，設(shè)備的檢修、維護(hù)費(fèi)用成為主要的生產(chǎn)成本。因此，水電站運(yùn)行管理的關(guān)鍵工作就是設(shè)備的運(yùn)行、維護(hù)和檢修。

3）高效而靈活,運(yùn)行工況復(fù)雜。水力發(fā)電主要?jiǎng)恿υO(shè)備 的水輪發(fā)電機(jī)組 ，不僅效率較高而且啟動(dòng)、操作靈活。因此，利用水電承擔(dān)電力系統(tǒng)的調(diào)峰、調(diào)頻、負(fù)荷備用和事故備用等任務(wù)，可以提高整個(gè)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。也正是如此，水電機(jī)組的工況轉(zhuǎn)換頻繁、復(fù)雜，對(duì)設(shè)備的沖擊較大，故障率較高，因而對(duì)于設(shè)備制造、維護(hù)、檢修的要求也高。

1.2 實(shí)施目標(biāo)

根據(jù)水電行業(yè)的特點(diǎn)，對(duì)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)施的業(yè)務(wù)需求也非常明確，主要是以下三點(diǎn)。

1）發(fā)電設(shè)備運(yùn)行的安全預(yù)警，保證發(fā)電設(shè)備的安全運(yùn)行。

近幾年，國(guó)內(nèi)外發(fā)生了多起水電站嚴(yán)重事故，例如俄羅斯撒揚(yáng)水電站于2009年8月發(fā)生的事故，導(dǎo)致75人死亡，10臺(tái)機(jī)組受到不同情況的損壞，廠房被損毀，事故造成當(dāng)?shù)氐貐^(qū)25%的電力缺口，直接經(jīng)濟(jì)損失130億美元。導(dǎo)致此次事故的其中一個(gè)很關(guān)鍵的技術(shù)因素就是，電站未能振動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)缺失，在設(shè)備劣化初期，未能提前預(yù)警，導(dǎo)致重大的人員傷亡和設(shè)備損壞。

結(jié)合國(guó)內(nèi)實(shí)際情況，隨著我國(guó)三峽等巨型水電站的投入運(yùn)行，發(fā)電機(jī)組的容量加大、水頭變高、庫(kù)容增大，一方面，設(shè)備事故導(dǎo)致的非停產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效率損失巨大，另外一方面，惡性事故導(dǎo)致的社會(huì)危害也加大；而且，隨著我國(guó)水電事業(yè)的大力發(fā)展，在各個(gè)大江大河上建立了星羅棋布的大小水電站，任何一個(gè)水電站的事故會(huì)產(chǎn)生較大的影響，因此對(duì)水力發(fā)電設(shè)備運(yùn)行的安全預(yù)警已經(jīng)提到了非常重要的地位。

因此，對(duì)運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘，建立預(yù)警模型，實(shí)現(xiàn)發(fā)電設(shè)備的安全預(yù)警，對(duì)于保障發(fā)電設(shè)備安全運(yùn)行，避免惡性重大事故的發(fā)生有重要的意義。

2）發(fā)電設(shè)備運(yùn)行的優(yōu)化調(diào)度，提高水能利用率和設(shè)備可用率；

對(duì)于發(fā)電站來(lái)說(shuō)，在上游來(lái)水總量確定的情況下，盡可能發(fā)出更多的電量，或者在總發(fā)電量給定的情況下，盡可能地降低耗水率指標(biāo)，是提高發(fā)電廠經(jīng)濟(jì)效益的重要目標(biāo)。從目前的現(xiàn)狀來(lái)說(shuō)，對(duì)于大中型水電站而言，都已經(jīng)建立了AGC（自動(dòng)發(fā)電控制）系統(tǒng)，來(lái)解決上述優(yōu)化調(diào)度的問(wèn)題，然而存在的問(wèn)題是其水輪發(fā)電機(jī)效率模型一般根據(jù)設(shè)備制造廠模型機(jī)數(shù)據(jù)建立的，并非依據(jù)真機(jī)數(shù)據(jù)建立，和實(shí)際的效率模型存在差異；而對(duì)于數(shù)量巨大的小水電而言，建立機(jī)組的效率模型，并借以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化調(diào)度的電站少之又少。

因此，借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采集機(jī)組負(fù)荷、效率等參數(shù)，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)建立水輪發(fā)電機(jī)效率模型，根據(jù)來(lái)水總量和給定發(fā)電量實(shí)時(shí)計(jì)算目標(biāo)負(fù)荷，并反饋到控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)組以經(jīng)濟(jì)指標(biāo)為最優(yōu)的負(fù)荷優(yōu)化分配，對(duì)于提高水能利用率有重要意義。

另外，水輪發(fā)電機(jī)組工況承擔(dān)著電網(wǎng)的調(diào)峰、調(diào)頻、負(fù)荷備用等功能，負(fù)荷調(diào)整頻繁。然而不同的工況對(duì)發(fā)電設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性影響差異較大，對(duì)設(shè)備的損傷也不一樣，因此，考慮在機(jī)組調(diào)度時(shí)將設(shè)備的穩(wěn)定性指標(biāo)作為控制目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的可靠運(yùn)行也是延長(zhǎng)設(shè)備壽命，提高設(shè)備可用率的目標(biāo)。

因此，借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采集機(jī)組振動(dòng)、溫度參數(shù)，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)建立水輪發(fā)電機(jī)穩(wěn)定性模型，根據(jù)來(lái)水總量和給定發(fā)電量實(shí)時(shí)計(jì)算目標(biāo)負(fù)荷，并反饋到控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)組以穩(wěn)定性指標(biāo)為最優(yōu)的負(fù)荷優(yōu)化分配，對(duì)于提高發(fā)電設(shè)備可用率有重要意義。

綜合上述兩種優(yōu)化模型，實(shí)現(xiàn)水電站效率和穩(wěn)定性的綜合最優(yōu)調(diào)度，提高水能利用率和設(shè)備可用率。

3）發(fā)電設(shè)備故障診斷，實(shí)現(xiàn)發(fā)電設(shè)備檢修、維護(hù)指導(dǎo)；

關(guān)于發(fā)電設(shè)備的檢修，需要解決兩個(gè)問(wèn)題，一個(gè)是什么時(shí)候修、該不該修，另外一個(gè)問(wèn)題是修什么、如何修。第一個(gè)問(wèn)題是檢修觸發(fā)的問(wèn)題，是依據(jù)設(shè)備的可靠性原則和故障預(yù)警，進(jìn)行檢修決策的問(wèn)題；第二個(gè)問(wèn)題是依據(jù)故障定位和故障確認(rèn)來(lái)進(jìn)行針對(duì)性、精確檢修的問(wèn)題，上述兩個(gè)問(wèn)題是實(shí)現(xiàn)“狀態(tài)檢修”的核心為題。從現(xiàn)狀上看，發(fā)電機(jī)組屬于大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械，能夠?qū)崿F(xiàn)精確診斷的故障并不是很豐富，而且機(jī)組個(gè)性突出，采用傳統(tǒng)故障機(jī)理建立起來(lái)的故障模型普適性并不是很好，因此，水電行業(yè)實(shí)施工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，重要的一個(gè)需求就是運(yùn)用機(jī)器學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)分析結(jié)合傳統(tǒng)故障機(jī)理模型，實(shí)現(xiàn)故障預(yù)警和故障診斷，從而為發(fā)電設(shè)備的檢修決策和檢修實(shí)施提供依據(jù)。

1.3 適用范圍

本解決方案應(yīng)用于各水力發(fā)電集團(tuán)或水電站中水輪發(fā)電機(jī)組、變壓器等關(guān)鍵設(shè)備運(yùn)行的安全健康預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)上述設(shè)備的設(shè)備安全狀態(tài)的預(yù)測(cè)、故障預(yù)警、故障診斷和狀態(tài)評(píng)價(jià)，防止設(shè)備缺陷的擴(kuò)大化，而為數(shù)電站設(shè)備的優(yōu)化運(yùn)行、檢修決策和檢修實(shí)施提供依據(jù)。

1.4 在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)中的位置

圖1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)示意圖

本解決方案包含在電站各發(fā)電設(shè)備上部署傳感器、采集處理設(shè)備，在電站部署數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)治理軟件，以及在發(fā)電集團(tuán)公司的工業(yè)云平臺(tái)(私有云)上部署監(jiān)測(cè)、預(yù)警、故障診斷等各類(lèi)應(yīng)用。對(duì)應(yīng)于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)，涉及以下多個(gè)位置：

? 智能機(jī)器與工廠控制系統(tǒng)：本解決方案中，傳感器設(shè)備部署于電站設(shè)備上，而數(shù)據(jù)采集設(shè)備部署于設(shè)備旁邊，用于采集設(shè)備的振動(dòng)、溫度、壓力等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，是實(shí)現(xiàn)設(shè)備智能預(yù)警、故障診斷的基礎(chǔ)。這些數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送到電站設(shè)備的控制系統(tǒng)，用于輔助優(yōu)化控制，同時(shí)也傳送到工廠云平臺(tái)，進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘等

? 工廠云平臺(tái)(及管理軟件):在電站工廠側(cè)云平臺(tái)部署安全特征指標(biāo)計(jì)算軟件，用以接收傳感器采集到的振動(dòng)、溫度、壓力等數(shù)據(jù)，并融合工廠控制系統(tǒng)的運(yùn)行控制過(guò)程數(shù)據(jù)，以上述數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)特征指標(biāo)的實(shí)時(shí)計(jì)算提取，同時(shí)部署數(shù)據(jù)清洗軟件以及數(shù)據(jù)編碼轉(zhuǎn)換等軟件。在數(shù)據(jù)整合、治理、標(biāo)準(zhǔn)化之后，通過(guò)專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)將特征指標(biāo)數(shù)據(jù)傳送到發(fā)電集團(tuán)公司的工業(yè)云平臺(tái)進(jìn)行存儲(chǔ)、展示、預(yù)警、評(píng)價(jià)等處理。

? 智能化生產(chǎn)（工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用）: 在本解決方案中，智能化生產(chǎn)應(yīng)用主要包括設(shè)備狀態(tài)展示、故障預(yù)警及故障診斷、運(yùn)行優(yōu)化決策、檢修決策等應(yīng)用。上述應(yīng)用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是工廠云平臺(tái)傳送來(lái)的的設(shè)備特征指標(biāo)數(shù)據(jù)。

2 需求分析

從信息技術(shù)角度分析，水力發(fā)電設(shè)備本身信息化程度較高，大多具備物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)條件。尤其是對(duì)于大中型水電站而言，大多已經(jīng)建立了SCADA/計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、發(fā)電設(shè)備在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、水情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、生產(chǎn)信息系統(tǒng)等，但存在的問(wèn)題是，上述系統(tǒng)各自獨(dú)立，不能實(shí)現(xiàn)信息共享，更不能滿足機(jī)組安全預(yù)警、優(yōu)化運(yùn)行指導(dǎo)和檢修決策、維修指導(dǎo)的功能。因此，在大中型水電站實(shí)施工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的路徑，打通原來(lái)各個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)，就是要在電站或者流域性發(fā)電企業(yè)內(nèi)部建立一套完整的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，涵蓋機(jī)組的運(yùn)行控制、安全監(jiān)測(cè)、故障預(yù)警和診斷以及檢修、維修指導(dǎo)各生產(chǎn)環(huán)節(jié)。從信息安全的角度而言，水電行業(yè)有嚴(yán)格的網(wǎng)絡(luò)安全控制措施，能有力地保證設(shè)備安全、網(wǎng)絡(luò)安全、控制安全、應(yīng)用安全和數(shù)據(jù)安全。

對(duì)于小水電而言，信息化程度并不高，并不具備物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)條件，需要從邊緣層開(kāi)始有選擇地建立數(shù)據(jù)采集、邊緣計(jì)算，可以逐步在公有云上利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，踐行云制造的理念。

3 解決方案

3.1 方案介紹

本方案基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計(jì)，采用大數(shù)據(jù)技術(shù)、機(jī)器學(xué)習(xí)等智能化分析技術(shù)，結(jié)合設(shè)備故障機(jī)理研究，構(gòu)建水電安全狀態(tài)數(shù)據(jù)的集數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)治理、預(yù)警預(yù)測(cè)和分析決策為一體的預(yù)警平平臺(tái)。本方案通過(guò)在水電站各設(shè)備上部署傳感器、數(shù)據(jù)采集和安全特征指標(biāo)計(jì)算設(shè)備進(jìn)行設(shè)備安全狀態(tài)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)治理；同時(shí)，基于大數(shù)據(jù)技術(shù)和大量水電設(shè)備數(shù)據(jù)，進(jìn)行智能分析與計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)水電設(shè)備的設(shè)備隱患（或故障）智能預(yù)警、設(shè)備健康狀態(tài)評(píng)估、設(shè)備運(yùn)行優(yōu)化、設(shè)備檢修決策等智能化平臺(tái)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)水電設(shè)備的安全狀態(tài)監(jiān)測(cè)和分析、運(yùn)行特征挖掘；系統(tǒng)將根據(jù)數(shù)據(jù)整合與數(shù)據(jù)分析結(jié)果，實(shí)現(xiàn)可視化應(yīng)用展示，為設(shè)備的安全運(yùn)行、故障預(yù)警、異常診斷等系統(tǒng)應(yīng)用提供必要支持。

3.2 系統(tǒng)架構(gòu)

總體架構(gòu)如下圖2所示，包括邊緣層、平臺(tái)層、企業(yè)應(yīng)用層。

圖2水電行業(yè)設(shè)備安全預(yù)警平臺(tái)總體架構(gòu)

邊緣層包含電站內(nèi)容實(shí)現(xiàn)機(jī)組控制、監(jiān)測(cè)等的各類(lèi)現(xiàn)場(chǎng)傳感器、各類(lèi)工業(yè)控制系統(tǒng)如PLC、SCADA、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、設(shè)備在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等，提供傳感器數(shù)據(jù)的采集和處理，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并進(jìn)行初步的計(jì)算處理，形成初始的技術(shù)指標(biāo)。它們分別通過(guò)不同的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議、透過(guò)網(wǎng)絡(luò)安全隔離設(shè)備將數(shù)據(jù)上傳至平臺(tái)層。

平臺(tái)層包含IaaS和PaaS兩層。IaaS層接受邊緣層傳輸上來(lái)的數(shù)據(jù)，并提供數(shù)據(jù)的計(jì)算服務(wù)、存儲(chǔ)服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、災(zāi)備服務(wù)、安全服務(wù)等，同時(shí)IaaS的資源通過(guò)APIs、入口等與PaaS層無(wú)縫鏈接，并由PaaS層統(tǒng)一管理和維護(hù)環(huán)境；PaaS層提供數(shù)據(jù)的分析和處理工具，用以完成面向多用戶的應(yīng)用開(kāi)發(fā)。系列的微服務(wù)組件也存放在這個(gè)區(qū)域。同時(shí)提供即插即用的微服務(wù)，如工業(yè)模型、算法，工業(yè)建模中間件等。水力發(fā)電設(shè)備的專(zhuān)用診斷模型和性能分析模型也作為PaaS層的服務(wù)提供服務(wù)。

企業(yè)應(yīng)用層可提供五個(gè)模塊的服務(wù)：

? 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)服務(wù)，提供設(shè)備狀態(tài)參數(shù)的全景展示，以及基于GIS的設(shè)備監(jiān)測(cè)等；

? 智能預(yù)警服務(wù)，通過(guò)對(duì)云平臺(tái)大數(shù)據(jù)的挖掘，實(shí)現(xiàn)對(duì)基于設(shè)備關(guān)聯(lián)性分析的安全預(yù)警服務(wù)；

? 設(shè)備的智能診斷/智能評(píng)價(jià)系統(tǒng)服務(wù)，提供設(shè)備的健康評(píng)價(jià)和故障診斷服務(wù)；

? 結(jié)合設(shè)備的專(zhuān)用分析工具，如頻譜分析、軌跡分析、回歸分析、聚類(lèi)分析等等；

? 將知識(shí)管理系統(tǒng)服務(wù)，提供設(shè)備的基礎(chǔ)知識(shí)信息、知識(shí)信息學(xué)習(xí)等服務(wù)。在企業(yè)應(yīng)用的最高層，提供了設(shè)備狀態(tài)的全景展示、設(shè)備安全預(yù)警和故障診斷、檢修決策、運(yùn)行優(yōu)化等服務(wù)。

3.3 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)

水電設(shè)備安全運(yùn)行預(yù)警平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)如圖3所示：

圖3水電設(shè)備安全運(yùn)行預(yù)警平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

平臺(tái)由感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層三部分組成。

1）感知層：數(shù)據(jù)采集、故障預(yù)警指標(biāo)計(jì)算提取。由傳感器、變送器、智能采集/指標(biāo)計(jì)算裝置等智能采集組成。設(shè)備各部位的傳感器將各種物理信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，傳送到智能采集器及特征指標(biāo)計(jì)算裝置，智能特征指標(biāo)計(jì)算裝置將這些信號(hào)采集和處理提取，得到反映機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)和故障的各種特征指標(biāo)等，統(tǒng)一存儲(chǔ)到廠站側(cè)局域網(wǎng)數(shù)據(jù)服務(wù)器。

2）電站網(wǎng)絡(luò)層：數(shù)據(jù)匯集、數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化。位于電站局域網(wǎng)（電站云平臺(tái)），包括數(shù)據(jù)服務(wù)器、設(shè)備監(jiān)測(cè)管理機(jī)等。主要完成感知層采集的指標(biāo)數(shù)據(jù)收集、整理、清洗、標(biāo)準(zhǔn)化、存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)，并向位于云端的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心發(fā)送監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、狀態(tài)特征指標(biāo)數(shù)據(jù)等。

3）應(yīng)用層：可視化展示、智能預(yù)警與評(píng)價(jià)、數(shù)據(jù)挖掘、檢修決策。應(yīng)用層位于集團(tuán)公司或者遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)診斷中心的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)。借助于該云平臺(tái)，水電企業(yè)在集團(tuán)公司及遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)診斷中心實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、安全故障預(yù)警和診斷。

3.4 功能設(shè)計(jì)

平臺(tái)功能包括設(shè)備狀態(tài)的可視化展示、智能預(yù)警與評(píng)價(jià)、設(shè)備運(yùn)行優(yōu)化指導(dǎo)、檢修決策等。

1）設(shè)備狀態(tài)的全景展示功能

全景展示功能以水電站設(shè)備為中心，采用三維立體展示方式和GIS技術(shù)，進(jìn)行設(shè)備全景信息、設(shè)備狀態(tài)綜合展現(xiàn)。

2）智能預(yù)警與評(píng)價(jià)功能

主要基于大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)結(jié)合專(zhuān)業(yè)設(shè)備故障機(jī)理，建立設(shè)備故障預(yù)警模型，實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)的預(yù)測(cè)和早期預(yù)警，提供設(shè)備的健康評(píng)價(jià)和故障診斷服務(wù)，防止設(shè)備故障導(dǎo)致的惡性事件的發(fā)生。包括對(duì)設(shè)備進(jìn)行設(shè)備健康狀態(tài)評(píng)估、故障診斷、趨勢(shì)預(yù)測(cè)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等。

以下圖4是水電站設(shè)備故障預(yù)警模型：

圖4基于大數(shù)據(jù)挖據(jù)的故障預(yù)警模型

首先，需要根據(jù)在線監(jiān)測(cè)的歷史數(shù)據(jù)，依據(jù)故障機(jī)理模型進(jìn)行故障特征指標(biāo)計(jì)算，對(duì)歷史特征指標(biāo)集采用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)（如多元線性回歸分析、支持向量機(jī)（SVM））等進(jìn)行訓(xùn)練，建立故障預(yù)測(cè)模型。

然后，將訓(xùn)練后的預(yù)測(cè)模型應(yīng)用于實(shí)時(shí)的故障特征異常檢測(cè)，即根據(jù)實(shí)時(shí)采集到的設(shè)備的原始數(shù)據(jù)，在邊緣側(cè)進(jìn)行故障特征指標(biāo)的實(shí)時(shí)計(jì)算，根據(jù)預(yù)測(cè)模型的計(jì)算結(jié)果和實(shí)際計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，用以檢測(cè)故障特征指標(biāo)是否發(fā)生變化。當(dāng)預(yù)警系統(tǒng)檢測(cè)到特征指標(biāo)發(fā)生變化時(shí)則發(fā)出告警信息，并輸出告警分析報(bào)告。

3）設(shè)備運(yùn)行優(yōu)化功能

以設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和智能預(yù)警評(píng)價(jià)結(jié)果為基礎(chǔ)，結(jié)合設(shè)備運(yùn)行性能模型，提供優(yōu)化運(yùn)行建議，指導(dǎo)水電機(jī)組的安全可靠、高效率運(yùn)行。

4）設(shè)備檢修決策功能

以設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和智能預(yù)警評(píng)價(jià)結(jié)果為依據(jù)，給出設(shè)備檢修建議，實(shí)現(xiàn)水電設(shè)備的檢修觸發(fā)以及檢修方案的指導(dǎo)決策。檢修建議要求包括設(shè)備的檢修項(xiàng)目、檢修優(yōu)先順序、檢修等級(jí)和檢修時(shí)間，評(píng)估其檢修的必要性，為實(shí)施最佳、最優(yōu)檢修提供決策與支持。

3.5 安全及可靠性

本方案的安全設(shè)計(jì)，包括身份鑒別、訪問(wèn)控制、安全審計(jì)設(shè)計(jì)、通訊完整性、保密性、抗抵賴(lài)、剩余資源保護(hù)和控制、軟件容錯(cuò)等多個(gè)方面，確保系統(tǒng)安全。系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)按照《電力監(jiān)控系統(tǒng)安全防護(hù)規(guī)定》以及其他電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全規(guī)定進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1）電力網(wǎng)絡(luò)安全I(xiàn)、II區(qū)與III區(qū)之間的數(shù)據(jù)通訊部署單向網(wǎng)絡(luò)隔離柵，防止III區(qū)及以外數(shù)據(jù)侵入電力網(wǎng)絡(luò)安全I(xiàn)、II區(qū)，引起設(shè)備控制系統(tǒng)的誤動(dòng)。

2）身份鑒別，采用用戶身份認(rèn)證，保證用戶的合法性。系統(tǒng)內(nèi)的每個(gè)角色有可靠的身份識(shí)別，訪問(wèn)權(quán)限控制，防止對(duì)信息的非法使用、調(diào)閱、修改和破壞。

3）采取應(yīng)用系統(tǒng)運(yùn)行日志、應(yīng)用系統(tǒng)操作日志、系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控和故障報(bào)警等手段，加強(qiáng)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)控。

4）提供訪問(wèn)控制功能控制用戶組/用戶對(duì)系統(tǒng)功能和用戶數(shù)據(jù)的訪問(wèn)。

5）安全審計(jì)與身份鑒別、訪問(wèn)控制、數(shù)據(jù)完整性等安全功能的設(shè)計(jì)緊密結(jié)合，并為下述可審計(jì)事件產(chǎn)生審計(jì)記錄。

6）數(shù)據(jù)通訊：采用約定通信會(huì)話方式的方法保證通信過(guò)程中數(shù)據(jù)的完整性；采用MD5單向加密密碼技術(shù)保證通信過(guò)程中數(shù)據(jù)的完整性。

7）剩余資源保護(hù)和控制，對(duì)系統(tǒng)的各類(lèi)剩余資源進(jìn)行監(jiān)視、清理、控制。

8）軟件容錯(cuò)。在故障發(fā)生時(shí)，應(yīng)用系統(tǒng)能夠繼續(xù)提供一部分功能，如非登錄用戶的公共功能。提供數(shù)據(jù)有效性檢驗(yàn)功能;采用集群技術(shù)和備份技術(shù)，提供自動(dòng)保護(hù)功能，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)自動(dòng)保護(hù)當(dāng)前所有狀態(tài)，保證系統(tǒng)能夠進(jìn)行恢復(fù)。

4 成功案例

1）基于預(yù)警平臺(tái)的水輪發(fā)電機(jī)組不平衡故障預(yù)警案例

水輪發(fā)機(jī)組是水電站的核心資產(chǎn)，保障水電機(jī)組的安全健康運(yùn)行是水電站日常生產(chǎn)的最主要的任務(wù)。而在水輪發(fā)電機(jī)組故障中，不平衡類(lèi)故障是最為常見(jiàn)的故障類(lèi)型，包括轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡、轉(zhuǎn)輪質(zhì)量不平衡、電磁拉力不平衡、水力不平衡等，也是引起機(jī)組振動(dòng)最為主要的原因。對(duì)不平衡類(lèi)故障實(shí)現(xiàn)早期預(yù)警，能解決水輪發(fā)電機(jī)組大部分的預(yù)警預(yù)測(cè)問(wèn)題，為水輪發(fā)電機(jī)組的安全健康運(yùn)行提供有力的保證。

圖5水輪發(fā)電機(jī)組不平衡故障安全預(yù)警實(shí)施架構(gòu)

預(yù)警系統(tǒng)的工廠云平臺(tái)如上圖5所示，根據(jù)機(jī)組上部署的振動(dòng)、溫度、壓力等各類(lèi)傳感器采集的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，進(jìn)行特征指標(biāo)計(jì)算，形成狀態(tài)預(yù)警指標(biāo)（包括不平衡類(lèi)故障指標(biāo)），傳送到流域或集團(tuán)公司遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)診斷中心，進(jìn)行實(shí)時(shí)安全預(yù)警檢測(cè)。當(dāng)設(shè)備安全健康指標(biāo)異常被安全預(yù)警系統(tǒng)檢測(cè)出來(lái)后，則自動(dòng)觸發(fā)快速告知系統(tǒng)，告知系統(tǒng)透過(guò)網(wǎng)絡(luò)隔離裝置，根據(jù)綁定的人員信息，以短信、微信方式分級(jí)推送相應(yīng)分類(lèi)信息給不同的人員。同時(shí)所有預(yù)警信息以及預(yù)警判斷時(shí)的相關(guān)信息，分類(lèi)后存入平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)?，F(xiàn)場(chǎng)處理人員，可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的PC、PAD等登陸調(diào)閱預(yù)警前后的信息。

以下是在某電站實(shí)施預(yù)警系統(tǒng)，提前預(yù)報(bào)水輪發(fā)電機(jī)水力不平衡故障的實(shí)際案例（其中HAbx是表征水輪發(fā)電機(jī)水力不平衡故障的關(guān)鍵特征指標(biāo)）：

表1水力不平衡故障指標(biāo)預(yù)測(cè)結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比表

圖6水力不平衡故障指標(biāo)預(yù)測(cè)結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比圖

表1與圖6為某軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組水力不平衡關(guān)鍵特征指標(biāo)回歸預(yù)測(cè)值與實(shí)際計(jì)算值的對(duì)比

從上述數(shù)據(jù)可以看出，發(fā)電機(jī)組水力不平衡關(guān)鍵特征指標(biāo)HAbx早在2015-8-15已經(jīng)發(fā)生明顯改變，系統(tǒng)發(fā)出預(yù)警信息。此后，該實(shí)測(cè)特征指標(biāo)持續(xù)偏離預(yù)測(cè)值，到2015-8-28日電站停機(jī)檢查，確認(rèn)水輪機(jī)存在局部部件脫落問(wèn)題，驗(yàn)證了該故障預(yù)警的正確性，也為快速確定故障性質(zhì)和快速定位故障提供有力證據(jù)。因?yàn)楣收先毕莅l(fā)現(xiàn)及時(shí)，避免了機(jī)組事故的惡性發(fā)展，降低了機(jī)組的檢修成本，縮短了機(jī)組缺陷的維修時(shí)間，減小了由于非計(jì)劃停運(yùn)導(dǎo)致的發(fā)電損失。