励磁综合信息管理系统应用浅析

张明棽，李海燕，史绪龙，翁晓彬，孙新志

（广州擎天实业有限公司，广东 广州 510860）

0 引言

在人工智能及大数据处理应用不断普及的今天，传统的电力行业也面临着一系列的改革，如何在保证传统电力安全运行情况下提高电厂在运行生产过程中的智能化，如何对设备的运行状态进行实时监测，并针对实时数据做出分析，自动比照过往的历史数据来分析设备的运行状态等一列智能化功能的应用将成为电力系统行业发展的趋势。励磁系统作为电站中的关键装置，其运行的稳定程度对电站的整体平衡起着重要作用。随着大小电站内各个装置自动化程度的不断提高，以及电网调度和各省电科院对网源协调技术的重视程度也越来越高，因此在对励磁系统的稳定性、可靠性的要求不断提高的情况下，也对励磁系统提出了智能化的需求。

1 励磁综合信息管理系统

励磁系统综合信息管理系统是一款利用Modbus/TCP或IEC 61850通信协议对电厂每套励磁系统内指定的开关量、模拟量进行采集记录，在有需要的情况下可以调出对应时段的数据进行返显，并根据指定的信号利用专家经验模型进行相应的数据分析，为生产运行提供指导依据；是一种以发电机励磁系统大数据为基础，依靠专家运行经验及智能化数据模型用以提高电厂励磁系统的智能化水平的系统。

2 励磁综合信息管理系统功能设计及构成

2.1 励磁综合信息管理系统硬件构成

励磁综合信息管理系统核心由服务器、交换机、防火墙、励磁系统智能化单元构成，其终端数据可送至云端存储或者用户自建平台如图1。由于电厂用户对安全需求较高，因此不同的应用系统具有不同的子网。通过合理地划分子网，在子网内建立防火墙、防病毒墙、物理隔离、入侵检测和漏洞扫描等安全措施，并在不同子网连接的接口处设置物理隔离和防火墙等安全设施[1]。将系统用防火墙划分为安全I区以及安全II区。其中安全I区的设备与励磁系统直接进行数据交互，进行数据采集、分析等工作。安全生产II区的服务器则通过交换机，使用符合防火墙安全策略的访问形式对现地单元进行访问。

其中励磁系统智能化单元是一种为了适应多元化的智能采集设备，利用高速CPU、大容量内存与其丰富的数据接口进行大量的数据采集及数据分析工作，并为外部数据接收系统提供对应的接口，从而为实现励磁系统智能化做好数据基础的设备。

2.2 励磁综合信息管理系统软件功能构成

图1 综合信息管理系统物理架构图

励磁综合信息管理系统具备数据信息高速采集、信息处理、信息分析、信息查询、信息统计、系统设置等功能的综合性系统，系统结构如图2。

图2 综合信息管理系统软件架构图

励磁综合信息管理系统通过2个步骤来获取数据信息，首先是励磁系统智能化单元通过其自身的多种数据接口从现地的励磁设备及其附属装置上获取所需数据，并将数据进行处理打包，之后再由综合信息管理系统通过网络的形式，以20～60 ms的时间间隔从励磁系统智能化单元上获取处理后的数据，并将数据写入数据库。系统对获得的数据进行进一步处理，如剥离开关量与模块量，分析数据中的事件发生的具体时间等。

接着系统将会对处理后的数据进行分析，如果发现数据中存在符合运行状态分析、暂态PID分析、PSS分析、限制器分析的数据，则调用经验模型进行数据比照分析，比如起励过程的分析，对起励中PID调节过程进行时间、超调、峰值、稳态值等多个数据进行分析计算[2]，并对起励过程的实时状态作出判断。其中运行状态分析包括了起励、逆变过程分析以及FCB分闸数据分析、FCB分闸原因分析、低励磁电流信号数据分析等功能。PID分析包括了空载/负载态下的暂态数据分析。PSS（电力系统稳定器）分析则是采用Prony算法对低频振荡的幅值、频率、相角进行识别，并能预测当前工况下未来一段低频振荡的数据。Prony算法是通过分析信号获取系统模态的一种方法，其算法可以通过给定输入信号下的响应直接估计系统的振荡频率、阻尼、幅值和相对相位。近年来，该算法已初步用于研究电力系统中的一些问题，在系统振荡实测数据分析、暂态仿真数据的模型估计以及电力系统稳定器(PSS)等控制装置的设计方面显示出了良好的应用前景[3]。限制器动作分析则是针对励磁系统各个限制器的动作定值、动作模型以及数据可靠性等多个方面对限制器动作合理性进行评估。

系统通过对数据的不断积累，对励磁设备的历史数据特征值进行学习，总结出该工况下励磁设备的健康基准值，将该值与设备当前值比较，利用偏差分析法计算两者相对偏差，形成动态预警带，从而判断设备运行状态是否正常[4]。

励磁系统智能综合信息管理系统还可根据用户选定的时间区域，及所需要显示的报警信号进行历史数据的查询，可以分别以日、月、年为周期进行数据统计并根据统计结果绘制曲线图等，这样就使得用户可以通过数据回显的方式进行数据分析。

3 综合信息管理系统的应用浅析

综合信息管理系统由于数据的完整性，专业性，可用于解决电力生产企业如下难题：

（1）用于解决励磁系统偶发性故障：偶发性故障也称作软故障，即通常只出现1次或者间隔很长时间才出现1次的故障，该故障常有时间短、频次少、数据难以追忆等特点。在实时控制系统中处理这种偶发性故障，由于缺乏当时工况数据，处理起来相当棘手。而综合信息管理系统是一个实时采集并存储数据的系统，存储了励磁系统运行过程的全部数据，包括了励磁系统各个开关量、机组的各个模拟量以及系统实时参数等数据。因此在发生偶发性故障之后即可从系统中调出对应数据进行故障分析，从根本上解决了偶发性故障数据追忆分析的难点。

（2）用于解决日常维护中一些因专业知识欠缺而导致检修问题无从下手的问题：电站用户作为专用设备的使用用户，在对设备的专业了解上并不像生产厂家一样熟悉，有时候设备运行过程中出现了一些的问题，往往都要通过咨询厂家、提供故障数据等繁琐的过程才能最终解决，即费时又费力，同时也会对发电企业造成一定经济损失。由于综合信息管理系统集合了专家经验数据库，可对多种信号的发生及故障原因进行定位分析，如励磁系统起励失败，通过调用综合信息管理系统提供的起励分析功能，该系统会主动利用经验数据库对失败原因进行查找分析，指出故障原因，并提供故障解决方案。

（3）用于解决使用者不熟悉励磁行业标准的问题：对于不熟悉励磁行业标准的使用者来说，励磁系统运行工况是否满足工业标准或者国家标准往往不得而知，只有在故障后才后知后觉。这在提早发现励磁系统故障，对生产风险的早期预警是十分不利的。综合信息管理系统内部数据分析严格依赖国家及行业标准进行计算，系统自动对数据处理套用最新行业标准，进行数据标准化处理，使用者得到的数据即为以行业标准作为基准的数据，如暂态分析依靠DL/T 583-2018《大中型水轮发电机静止整流励磁系统技术条件》中对励磁系统暂态稳定性各项指标的规定，对暂态数据进实时分析，并对数据是否符合标准中检定的限值进行评估，对不符合标准的数据提早进行预警。

（4）用于弥补电厂监控系统局限性：由于电厂监控系统的采集数据与数量的原因，其采样间隔往往都以秒级计算，且所采集的数据类型通常不够完整。综合信息管理系统可高速采集显示励磁系统的所有信号量，包括系统内部中间状态量，弥补了监控数据不完整及数据精度问题。

（5）可用于风险评估、提前预警：综合信息管理系统通过对长期积累的数据主动进行比较分析，对偏离正常值的数据进行预警，并对元件老化、性能等方面做出评估。

（6）数据共享：综合信息系统创建立了新的励磁生态圈如图3，通过利用厂家的专家经验库，可使得每个电厂共享其他电厂的运行经验。

图3 励磁系统新型生态圈示意图

4 结论

综合信息管理系统通过现代通信技术从励磁系统获取数据，并利用厂家多年积累的经验数据，建立运行模型、故障分析模型、经验指导模型等模型库信息。该系统能够为电厂励磁系统的正常运行提供指导依据，为检修提供检修意见。通过该系统，可判断励磁系统运行过程中的即时性能，并能够对励磁系统的可靠性、稳定性做出评估，这对励磁系统的安全稳定运行有十分积极作用，有助于电站运行维护人员提前判断设备状态，对设备缺陷老化提前预警；还能够在遇到发电机励磁系统故障报警及电力系统其他相关故障时做出正确分析、判断，用于指导相关人员进行相应的问题排查工作，从而提高工作效率。同时该系统不断的吸收各个电厂的运行检修经验来提升完善各个模型及经验数据库，从而达到了一种良性循环。

励磁系统的智能化是推进电厂设备智能化的一个重要环节，而综合信息管理系统正好也为励磁系统的智能化提供了一种可行的研究方向。