金沙江下游梯级“调控一体化”智能报警技术研究

张明君,韩长霖,王桂平

(1.三峡梯调成都调控中心,四川 成都 610041;2.北京中水科水电科技开发有限公司,北京 100038)

金沙江下游梯级“调控一体化”智能报警技术研究

张明君1,韩长霖2,王桂平2

(1.三峡梯调成都调控中心,四川 成都 610041;2.北京中水科水电科技开发有限公司,北京 100038)

对传统的报警技术进行分析,并指出传统报警技术在解决巨型电站梯级集控中心"调控一体化"模式下报警的局限性,提出了针对巨型电站"调控一体化"的智能报警技术,并详细介绍了该技术的实现。

调控一体化;智能报警;巨型电站;水电站;相关量

0 引言

根据三峡集团公司的水电梯级开发战略规划,金沙江下游梯级电站在成都建立三峡梯调成都调控中心,统一调度管理溪洛渡-向家坝电站梯级枢纽。为了提高整个梯级电站自动化水平,提高梯级调度的调度控制能力,优化“一厂两调”的对外调度关系,成都调控中心实行“调控一体化”生产调度管理模式[1]。

溪洛渡电站设计安装18台770 MW的水轮发电机组,向家坝电站设计安装8台800 MW的水轮发电机组,共有26台巨型机组以及公用、开关站、GIS、闸门等设备。为了实现远程调度、全监视和重点控制的“调控一体化”生产调度管理模式,溪洛渡-向家坝电站监控系统的全部数据需上送至成都调控中心,由成都调控中心完成两个电站的调度、监视与控制。成都调控中心设计建设的电调监控系统的监控规模是之前最大的水电站梯级集控中心近两倍规模[2]。

溪洛渡-向家坝电站配置有各自的计算机监控系统,共安装44套现地控制单元(LCU),采集约20万个开关量测点、8万个模拟量测点,控制点约1万点[3]。在成都对溪洛渡-向家坝电站实施“调控一体化”管理,意味着成都电调监控系统将对电站上述海量数据信息进行采集处理、监视与报警,如成都电调监控系统选择采用传统计算机监控系统监视与报警方式,已无法满足巨型机组电站梯级集控中心运行人员监视与调控要求,存在重要报警信息被湮没在海量事件中的风险[4]。本文所阐述的梯级计算机监控系统智能报警技术,满足金沙江下游梯级“调控一体化”生产调度管理要求,减轻运行人员工作的劳动强度,提高安全生产效率。

1 传统报警技术的局限性

在计算机监控系统中,事件报警传递方式一般通过事件消息、画面显示、语音播报、OnCall短信等多种方式告知运行相关人员。运行人员通过监视报警信息以及结合顺序事件判断当前设备运行状态。随着系统中测点数据规模增加,报警信息也将成比例增加,运行人员实施有效管控的难度也随之加大。当系统测点数据规模在一定范围内时,运行人员对报警信息管控难度与系统测点规模成线性增长,但当系统中测点数据规模超过一定阈值时,对应运行人员对报警信息的管控难度会迅速增加,甚至超出人工的检视能力。

图1 测点规模及监控难度关系

计算机监控系统测点规模增加主要来自于两个方面:一方面,随着巨型机组、特大型电站的设计建设以及它在电网中的重要性,为了提高巨型机组运行的安全及可靠性,巨型机组的辅助设备和监测设备的配置数量成倍增加,监测数据增加。另一方面随着水电站计算机监控技术的发展,扩展性好的可编程逻辑控制器、现场总线技术的广泛使用,其更高性能和不断降低成本,使海量数据的采集变成可能。为了提高电站运行安全及可靠性,计算机监控系统测点数据规模也在不断增加。

在计算机监控系统信息处理策略中,根据事件的重要程度,通过设置报警限(alarm limit)和判断准则来产生报警信息,由于海量数据测点的存在,因此会产生数量巨大的报警信息。通常在电站生产过程中事故或故障事件发生时,与此相关的设备系统会伴随产生众多相关的事件和报警信息,其中的一部分还是冗余和“虚假”的信息,这些信息可称为无效报警(nuisance alarm),而真正有效的事故及故障信息却淹没其中,从而影响了系统报警的效果。据实际观察,较多运行人员凭借自己的经验,对大量常规报警信息关注度并不高。因此随着报警信息详细程度及数量的提高,报警的准确度和辨识度并未随之提升。特别是当事故发生时,由于系统内部的相互作用关系,再加上一部分相关的、冗余的报警设置,会连续出现大量的报警信息,使人难以分辨真实的源头和结果,这种现象称为警涌(alarmflood)[5]。

1.1 事件、报警一览表

计算机监控系统对于报警事件的处理,一般通过事件一览表、报警一览表等进行分类显示来实现。事件一览表负责按照时间顺序记录事件序列以及命令操作记录。事件一览表可按照厂站、机组、点类型、事件命令类型等方式进行筛选和定位。事件一览表的应用场景侧重于自动控制或操作命令执行过程中顺序事件反馈的监视,显示操作命令的执行过程是否正常,也包括设备状态改变、开关变位和模拟量正常越复限;当事故发生后,通过事件一览表的事件顺序记录,分析事故发生的起因、过程和结果,判断各种保护动作和自动控制过程是否得当,结果是否正确。通常,事件一览表并不是运行人员值班工作的关注重点。

报警一览表负责动态显示系统中未复归的报警及故障信息,测点处于报警状态则显示,当测点复归到常态后自动从报警一览表中消失。系统中测点根据重要程度被配置成事故点或故障点属性后,当测点发生变位就进入报警一览表。由于报警一览表显示的是电站生产过程的事故及故障信息,所以运行人员值班工作的重点是关注报警一览表,通过它来识别生产过程是否正常。

在中小型电站计算机监控系统中,由于测点数量不多,事件及报警信息的数量也相对有限,通过事故点、故障点的划分以及按照厂站、机组、点类型、事件命令类型等方式进行筛选,对电站生产过程的管控已经发挥了很好作用。

在巨型机组、特大型电站计算机监控系统的设计建设中,面对海量数据事件信息的处理和警涌,传统计算机监控系统监视与报警策略,已无法满足对巨型机组、特大型电站生产过程的管控要求。

1.2 语音报警

计算机监控系统中,语音报警通过对系统中事故点及故障点配置语音点属性来实现,一般配置语音报警机和语音播报系统。当语音报警事件产生时,通过语音播报系统,按照事件产生的先后顺序依次进行播报,达到用声音提醒的方式告知运行人员有事故或故障报警信息的目的。在中小型电站计算机监控系统中,由于事件及报警信息有限,语音报警发挥了很好的作用。

在巨型机组、特大型电站计算机监控系统的设计建设中,为防止重要事件语音点漏报,语音点勾选往往难以取舍,其结果是勾选了相对较多的语音点。当事故或故障事件发生时,除正当的语音点外,根据其生产过程中各设备系统密切相关原则,会伴随多个语音点动作。由于语音报警是逐字播报且一般需要5～8 s时间才能完成,在第一条语音进行播报后,语音播报队列中还依次排列了多条语音尚未播报,这时,语音事件的实时性与语音事件播报的延迟性冲突,已经过时的语音播报反而会成为运行人员值班工作的干扰因素,甚至产生信息误导。

以上分析了由于巨型机组、特大型电站监测数据成倍增加导致警涌的产生,经典计算机监控系统事件报警处理策略无法满足其生产管控要求。那么是否可以通过减少测点数量来解决经典系统报警处理的局限性呢？一种通常的做法是减少报警事件上送,即在电站计算机监控系统中将事件进行综合计算,再将计算后的综合点事件加上经过筛选后的重要事件、SOE事件等上送到梯级电站集控中心,这在国内已经建成的水电流域梯级集控中心中己实现较好的应用。

但是金沙江下游梯级“调控一体化”管理模式,对成都调控中心电调监控系统建设提出了更高的要求,为实现成都对溪洛渡-向家坝电站的远程调度、全监视和重点控制要求,将电站机组计算机监控系统中的数据全部上送到成都调控中心是我们共同的选择,我们必须寻找新的智能报警解决方案降低警涌的产生,达到“上得来、看得住、控得稳”的系统建设目标。

2 “调控一体化”智能报警技术

为解决金沙江下游梯级“调控一体化”大量报警信息产生的警涌,首先需要对计算机监控系统中报警信息的产生机理进行分析,寻找解决问题的思路。在计算机监控系统中,一个报警信息的产生需要具有3个要素:①监测对象由非正常状态所触发,例如设备故障、控制过程偏离等,一般是由大量的过程变量或者状态变量来表述,它们就是系统中的模拟量和开关量,还有模拟量和开关量的集合即综合计算量;②报警逻辑判断,报警逻辑是指系统如何根据监测对象的状态改变生成报警信息,一般模拟量与报警限值进行比较、开关量发生变位等,根据其结果决定是否产生报警信息;③报警信息将以屏幕显示、语音报警等多种方式告知运行人员。根据设备运行管理要求,运行人员或者监控系统需对报警信息做出必要响应,响应通常包括有人工确认、自动记录、启动自动程序、启动紧急控制流程等。

对报警信息产生3个要素识别清楚后,针对这3个要素寻找突破口,将智能化技术引入到系统中,解决大量报警信息产生的警涌,实现智能报警。

2.1 测点非常态智能化处理

测点非常态智能化处理,测点非常态可分为模拟量越限报警和开关量变位报警。对于模拟量,通常系统只监视到该变量的断面数据以及当前变量的越限复限状态,但是系统中会充斥着大量的模拟量越复限报警;对于开关量变位报警,通常系统可以相对准确定位故障点,但是在事故发生时,除准确的报警信息外,会伴随产生大量相关开关量变位报警。

测点非常态通常理解为测点处在非正常状态下,即模拟量处在越限状态以及开关量处在变位状态,通常非常态是一个确定的状态。但在系统实际运行过程中,结合系统实际运行状况动态判断节点是否处于非常态,可以大量减少报警。例如在现场某些设备故障会导致开关量反复报警,可以通过对该类不稳定点的非常态进行智能化处理,变位并且保持一定阈值时间后才认为进入非常态,此时再进行报警,会过滤大量无效抖动报警。所以通过测点非常态智能化处理可以减少大量干扰报警。

2.2 报警逻辑判断

报警逻辑判断是智能报警技术的主要突破口,针对模拟量数据孤立化、断面化等报警信息的不足,我们拟还原模拟量连续变化属性,采用时序分析以及趋势分析等智能化策略,提高报警效率;对于在事故发生时会伴随产生大量与之相关的开关量变位报警这一特性,采用相关量分析等智能化策略,寻找解决报警信息的警涌问题。

时序分析报警智能化策略。将原来孤立化的模拟量回归于其所属的设备子系统,还原其连续变化属性,并与设备子系统运行状态相结合,构建设备子系统的时序状态模型。将模拟量变化纳入其设备子系统的时序状态模型中进行分析,可以有效减少报警信息,提高报警效率。例如机组油压装置系统中“油罐压力”与“油罐油位”模拟量,在其自动控制油泵加压补油时或者油压装置自动补气时产生的越复限事件,通过其设备子系统的时序状态模型分析,可预知的模拟量越限报警信息可以考虑屏蔽,用以减少对运行人员值班工作的影响。

趋势分析报警智能化策略。将模拟量的一次完整变化波形作为一个对象,并与该对象的历史波形进行对比分析,综合判断该对象所代表设备(系统)整体运行状态的正常与否的趋向性。

通过时序分析以及趋势分析等智能化策略的综合应用,在减少模拟量报警信息量的同时,又提高了报警精度,防范潜在风险。

相关量分析智能化策略。电站生产过程设置的各电气连接系统、主辅设备子系统中,设备运行状态、模拟量参数等信息具有相关性,这些有相关性的信息即为相关量。一个状态或参数的变化将导致其相关量的跟随变化,生产过程一个事故的发生也将伴随产生大量相关量故障报警信息。相关量分析智能化策略,将单个的测点看作是一个设备子系统对象的一个属性,在一定的时间范围内,当某个测点报警时,综合参考其设备子系统与之相关的其他测点的报警状态,使更高级别报警信息得到关注,如设备事故、出口断路器跳闸等,而较低级别相关故障报警信息只默默进行记录,有效减少了报警信息警涌产生的概率,有效提高报警信息质量。

2.3 报警信息提示及智能处理。

报警信息提示及智能处理策略。对测点非常态智能化处理和报警逻辑判断后产生的高质量报警信息进行智能化的屏幕显示、语音报警等,以提示运行人员关注。智能化的屏幕显示策略中,采用自动检索与智能检索相结合方式进行,自动检索到的信息主要存放在报警一览表、事故一览表、综合信息一览表等分类信息表里,其中事故一览表为新增分类信息表,只负责记录事故报警、主要故障报警、出口断路器跳闸等信息,供快速查阅。在分类信息表里,还能再按照厂站、机组、点类型、事件命令类型等进行智能检索,达到准确定位报警信息的目的。

智能化语音报警策略。分析传统语音报警在事故发生时存在语音报警队列的语音积压与延迟问题,其本质是语音事件的实时性与语音播报的延迟性冲突。成都电调监控系统的语音报警采用交互式、多声响的智能化语音报警策略,较好地解决大量报警信息条件下的语音报警难题,运行效果令人满意。

交互式、多声响的智能化语音报警策略:①重要的语音报警事件,如事故报警、出口断路器跳闸等直接播报;②主要的语音报警事件,如重要故障报警等延迟播报;③一般的语音报警事件,如控制装置电源故障等延迟与多种声响提醒;④交互式,就是语音报警过程控制与运行人员的值班作业行为进行人机交互,一经运行人员确认的语音事件一律不报语音。其中延迟播报是限时等待策略,限时等待的时间一般叫做故障报警的容忍时间,该时间是故障报警发生到运行人员知晓的最大忍耐时间。根据成都调控中心生产管理要求,我们选择的容忍时间控制在6～30 s内。交互式、多声响的智能语音报警在语音报警事件产生后,更高级别的事故报警会自动抢占报警队列第一时间得到播报,同时中断并清除低级别的相关量语音播报;运行人员已经发现并且确认的语音报警事件一律不报语音,并将其从语音报警队列中清除;超过容忍时间而未得到确认的语音报警事件正常播报;为缩短语音播报时间,一般的语音报警事件采用如“咚咚咚”声响提醒,不再逐字播报。语音报警还通过检测后台报警事件提示运行人员遗漏的未确认报警信息,做到重要报警不遗漏,报警确认不干扰,已经成为运行人员值班工作的重要补充。

在采用智能化策略时,虽然通过使用智能化报警策略可以减少系统中报警数量,但是还要控制好智能化策略的力度和智能化策略成本的关系。需要寻求智能策略、报警数量、策略成本交叉点。

图2 报警数量策略成本关系

3 结语

智能化报警技术在大幅减少计算机监控系统报警数量的同时不遗漏任何报警信息,以自动化技术手段降低了运行人员的工作强度,提高了工作效率,保证水电站生产过程安全高效运行。智能报警技术在成都调控中心电调监控系统的成功应用,满足了金沙江下游溪洛渡电站-向家坝梯级电站“调控一体化”生产调度管理要求,为金沙江下游梯级电站的电力生产做出了重要贡献。

金沙江下游梯级成都电调监控系统的报警智能技术,采用了开放性模式和通用性开发,为技术的推广应用奠定了基础,该技术作为成都电调监控系统技术成果之一,经部级科技成果鉴定为国际领先,可为国内大型流域集控中心、巨型水电站建设、技术改造提供借鉴参考。

[1]关杰林,李天智.梯级水电站“调控一体化”管理模式的探索[J].水电站机电技术,2009(6).

[2]谭 华,张明君,刘 俊,等.巨型梯级水电站群远程集中监控系统的设计与实现[J].水力发电,2013(11).

[3]韩长霖,汤正阳,谭 华,等.“调控一体化”模式下水电调数据通信技术研究[J].水电站机电技术,2014(3).

[4]韩长霖,谭 华,王峥瀛,等.“调控一体化”模式下并行同步接机平台设计方案[J].水电站机电技术,2014(3).

[5]Izadi I,Shah S L,Shook D S,et al.An Introduction to Alarm Analysisand Design[C]//proceedingsof the 7th IFAC SAFEPROCESS.Barcelona,Spain,2009:645-650.

TP277

B

1672-5387(2017)07-0009-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.07.003

2017-04-27

张明君(1963-),男,教授级高级工程师,从事水电站计算机监控系统产品开发与维护管理工作。