梯级水电厂远程集控系统中状态监测子系统规划与研制

万 元 ，魏志鹏

（1.五凌电力有限公司，湖南 长沙 410004；2.中国水利水电科学研究院，北京 100038）

0 引言

实现水电厂由传统的‘计划维修’方式到更科学的‘状态检修’方式转变，是国内乃至国际水电行业多年来一直为之奋斗的目标。而要实现‘状态检修’，机组及公用开关站运行数据的积累、分析是一个必经阶段。实时监测和定性定量分析是此后中国水电事业发展的必经之路[1]。

由于梯级水电厂群远程集控系统收集了远程水电厂几乎全部的状态数据，这些信息能够反映水电厂设备的运行健康状态，因此有必要利用远程集控系统收集的海量信息，建立的一套远程状态诊断系统，该状态监测子系统将计算机网络系统引入设备状态监测和故障诊断领域，是一种通过计算机网络连接将分布于各机组及公用开关站的现场数据采集监测及分析诊断系统，实现对水电厂设备运行状况的在线监测，既可以实时反映设备运行状态，也可以对设备进行远程诊断分析，以丰富的专家经验支持电厂运行，并提供检修指导。即可在电站局域网内进行监测及分析，也可以在互联网上远程使用状态监测及趋势分析系统[2]。

五凌电力有限公司（以下简称：五凌公司）积极推进梯级水电厂群远程集控系统建设[3]，本文以此为契机，规划了水电厂设备远程状态监测的主要功能，并在五凌公司梯级电厂远程集控系统上建立了状态监测子系统，设计了相应硬件平台与软件平台，目前，该子系统中泵设备远程监测与分析功能已经投入试运行，成功地检测出远程水电厂的两次故障。

1 状态监测子系统功能规划

梯级水电厂远程集控系统几乎收集了水电厂机组及辅助设备运行的状态数据，目前，对于国内已建成的远程集控系统主要是为实现水电厂的远程实时控制，没有对状态进行评价分析，只能给出实时报警或者一些简单信息的趋势分析，这无疑造成了信息的浪费。因此，有必要对远程集控系统收集的信息实施深层次的分析，以评价水电厂机组及辅助设备的运行状态，最终实现远程故障诊断，提高水电厂的自动化维护水平。水电厂设备远程状态监测与故障诊断的具体原理见图1所示。

图1 水电厂设备远程状态监测与故障诊断原理

主要通过以下两个步骤实现水电厂设备远程诊断与分析。

（1）结合专家经验、现地试验结果、典型案例分析结果等信息，采用关联分析、对比分析等多种策略，对集控系统的历史数据库进行离线分析与总结，抽象出水电厂设备远程诊断的运行特征提取策略与远程分析与诊断策略。

（2）利用运行特征提取策略从集控系统的实时数据库中提取反映机组运行健康状态的特征信息，利用分析与诊断策略对提取的特征进行计算与分析，最终评价水电厂设备的运行健康状态，实现故障诊断。

目前，已设计的水电厂设备远程诊断和分析的功能包括以下几方面。

1）结合机组水头、负荷等运行状态，对油泵、备用油泵、漏油泵、技术供水泵、取水泵、各种气泵、各种排水泵等启/停时间的统计，根据泵启/停时间及专家定义的阈值，对泵的运行状态进行自动诊断。

2）在油泵启动过程中，对油位上升速度进行分析，以评价油泵的健康状态；在油泵停止过程中，分析压油槽油位的下降速度，以检测是否存在漏油故障；根据高压油箱补气过程中油压上升速度，以评价气泵的补气性能，根据高压油箱非补气过程中油压的下降速度，诊断是否存在严重的漏气故障；

3）结合振动摆度测量装置，分析在各种水头、机组负荷下，机组大轴摆度、上下机架及定子铁心及机架振动、尾水压力及涡壳压力等信息量的特性，诊断机组是否存在运行稳定性故障。

4）在机组运行时，自动计算上导油箱油位、下导油箱油位、水导油箱油位，推力油箱油位每日的下降速度，诊断是否存在相应设备的漏油事故；在机组运行时，当顶盖排水泵处于停泵状态下，计算顶盖积水水位的上升速度，检测顶盖密封情况，统计顶盖排水泵工作过程中，顶盖水位的消落速度，评价顶盖排水泵的排水性能。

5）建立机组温度分析策略，实现测温回路故障的自动诊断功能，分析机组定子铁心及线圈温度、导轴承温度等与机组视在功率的关系，完成温度异常的自动诊断。分析主变绕组与主变视在功率、周围环境温度的关系，比较在同视在功率下主变绕组的温度变化趋势，实现主变故障的有效诊断。

要实现水电厂设备的远程状态监测，首先必须建立相应的专家诊断知识库，建立状态特征与相应故障的对应关系，并以此为基础，实现准确的故障诊断与故障原因定位。

目前，已建立了压油泵、备用压油泵异常启停的与故障对应关系。具体见表1所示[1]。

表1 压油泵、备用压油泵异常启停与故障对应表

因此，实时采集压油泵、备用压油泵启停时间，根据表1中列出的压油泵、备用压油泵异常启停的与故障对应关系，便可有效诊断机组相应的故障。

2 系统硬件及软件

2.1 硬件平台

状态监测子系统以大型数据库Oracle 10g为数据仓库，以H9000 V4.0计算机监控系统数据为主要监测分析数据来源。为了扩展系统功能，系统为在线监测、故障诊断等系统提供数据接入功能，可将其它系统的数据安全高效接入本系统。

系统具有远程分析功能，可同时使用多台WEB发布服务器联合运行以提高系统可靠性，各WEB服务器采用IIS 6.0 Internet信息服务单元为趋势分析系统提供Web数据服务，可满足大量用户同时使用。为了减轻Web服务器负担，保证系统长期可靠运行，Web服务器只提供数据检索及部分数据操作与高级趋势分析等服务，一般的数据分析等数据运算处理由客户端完成，从而提高了服务器的可靠性及时效性，保证系统稳定运行。

系统的具体硬件结构见图2所示：

图2 系统硬件平台网络拓扑图

在安全III区建立系统的硬件平台（数据分析服务器），符合《电力系统二次安防若干规定》。建立系统平台的根据包括以下几个方面[2]：

（1）数据分析服务器是课题研究的物质基础，集中监控系统实时数据通过站内通讯服务器经正向隔离装置发送到数据分析服务器，作为数据分析服务器的实时数据来源。

（2）集中监控系统安全III区建立了web数据库服务器，数据分析服务器可以从web数据库服务器中获得历史数据，以实现对各种电力设备的运行信息进行历史趋势反演，找到趋势劣化的嫌疑设备，实现远程故障诊断。

（3）WEB发布服务器通过防火墙对数据库服务器进行数据存取，用户只需要访问WEB服务器，即可实现对泵设备进行远程监测与诊断分析。

（4）远程集控中心收集电厂远程数据的方法则是通过两台远程通信服务器实现，远程通信服务器通过电力专用通信通道（主用通道）和电信专用通信通道（备用通道）与电厂监控系统相连，接收各个电厂监控系统的实时数据，电厂监控系统与远程通信服务器采用IEC60870-5-104协议实现数据通信。

2.2 软件平台

软件采用VC#2005设计，系统软件结构融合了B/S与C/S结构的优点，成功地解决了单独采用B/S或C/S结构不能完全满足要求的问题[4]。软件平台设计采用全开放式软件设计方法，故障类型、检测条件与方法、逻辑推理机制、故障定位准则等全部可在后台配置，前台软件仅显示诊断结果，从而增加了软件的灵活性。整个软件平台分为配置软件，后台软件与客户端软件。

（1）配置软件设计

考虑到系统需要有良好的扩展性、通用性及可移值性，状态监测子系统的所有参数设置及相关量条件设置采用独立的软件设计，用户可以通过WEB或应用程序进行灵活配置。数据点的选取及各参数配置设置丰富、配置灵活、使用方便，友好的人机交互界面，满足现场专家的需求。图3为泵故障类型配置软件。

图3 泵故障类型配置

（2）后台分析软件设计

后台分析软件运行在后台分析诊断服务器，由于是后台运行，因此要求软件安全、可靠、报警准确。在设计开发本软件时，通过了详细的分类分析处理及多种容错方法，使软件具有高度的安全可靠性，能够根据用户的配置实时、准确诊断泵设备，为前台客户端提供可靠的分析诊断数据等，经过一段的测试运行证明后台分析诊断准确可靠。

（3）客户端程序界面设计

客户端软件是人机交互的主要界面，因此要求软件设计除具有安全可靠外，还需要有友好的人机交互，能够适应不同用户的需要，既要功能丰富又要操作简便。为了使系统具体良好的通用性、可扩展性，在设计时使用了通用配置文件，用户不需要单独为客户端界面做额外的配置工作，只要配置了泵数据，就可以在客户端方便的监测各泵设备的实时数据及后台实时诊断数据，并可以自定义界面外观等。软件主界面友好简洁，但这并不意味着功能单一，用户可以在需要时从界面上查看更为详细的启停统计图形、启停详细数据表、故障类型参数等，很好的满足了用户的需求。图4为泵设备远程状态监测的客户端主界面。

图4 泵设备远程状态监测的客户端主界面

3 系统的工程试运行

目前，本文建立的水电厂设备远程状态监测子系统中泵设备远程监测与分析功能已经投入试运行，成功地检测出远程水电厂的两次故障。

五凌公司某水电厂的高压气系统包括高压气罐气压与高压气机（共三台轮换启动），2011-6-23日02:41:00，1号高压气机启动后，持续运行30 min后不停运，在1号泵运行过程中，高压气罐气压在泵开始启动过程中持续上升，上升到快接近停泵压力后，即使1号高压气机启动，压力值却持续降低，高压气机的运行无法使高压气罐到达停泵压力，并且，在该段时间内，该水电厂（共装有4台机组）1号～4号机组的补气阀没有开启，即高压气罐没有向1号～4号机组的调速压油槽装置补气，启动状态监测子系统对相应的历史数据进行检测，检测结果如图5所示，系统监测的结果与现场维护人员的人工监测结果完全一致，都诊断为高压气系统漏气故障。

同一水电厂2011-6-23日15:14:46时刻，在1 h之内，3号、1号高压气机连续启动，泵启动的间隔时间短，高压气罐气压力下降速度很快，并且，在该段时间内，该电厂1号～4号机组的补气阀没有开启，即高压气罐没有向1号～4号机组的调速压油槽装置补气，启动高压气系统远程分析平台对相应的历史数据进行检测，检测结果如图5所示，系统监测的结果与现场维护人员的人工监测结果完全一致，都诊断为高压气系统漏气故障。

图5 故障诊断结果

通过电厂两次实际故障的有效检测，证明了本文建立的状态监测子系统的有效性。

4 结语

鉴于实施状态检修是是国内外水电行业多年来重点研发的项目这一情况，本文提出了利用梯级水电厂远程集控系统的数据源构建水电厂远程状态监测平台的新思路，规划了系统的功能，构建了状态监测子系统的硬件平台与软件平台，从应用情况上来说，效果较为明显，不仅节约了工程成本，避免了信息的浪费，还为计算机监控系统的研制者提供了一种新的设计思路。目前，状态监测子系统的部分功能已投入试运行，效果良好。

当前，水电厂设备的远程在线监测与故障诊断研究成果不是很多，技术上还不完全成熟，本文建立的水电厂远程状态监测子系统研究和实践可为水电机组在线监测与分析提供参考。

[1]赵 晶.水轮机调速油系统状态监测与分析[硕士论文][D].湖北:华中科技大学,2007.

[2]田启荣，胡春林，万 元，等.跨流域水电厂群远程集控系统高级功能规划与应用[J].水电站机电技术.2011（3）.

[3]魏志鹏，万 元.五凌公司多流域水电厂群集中监控系统的整体规划与建设 [A].中国水力发电工程学会梯级调度控制专委会2010年年会[C]，2010.

[4]罗 云，李朝晖.面向维护的水力发电设备远程实时监视方法[J].水电自动化与大坝监测，2007,31（1）.