火电厂电量水量平衡管理系统设计

朱晓瑾 封立林 年珩

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2021.08.023

摘  要：针对现今火电厂中电量、水量在线监测和平衡管理所面临的问题，提出了一种火电厂电量、水量平衡监测和信息化管理系统设计方案，包括数据采集、数据处理、数据展示、故障诊断与告警、安全趋势分析等具体功能，并采用了基于改进Pearson相关系数法的安全趋势分析方法。该系统可应用于指导电量、水量平衡调度，为火电厂电量、水量平衡管理系统提供技术参考。

关键词：平衡监测;信息化管理;火电厂;系统设计;改进Pearson相关系数法

中图分类号：TP311.5    文献标识码：A    文章编号：2096-4706（2021）08-0078-04

Design on Power and Water Quantity Balance Management System in Fossil-fuel Power Station

ZHU Xiaojin1，FENG Lilin2，NIAN Heng3

（1.Zhejiang Zheneng Taizhou No.2 Power Generation Co.，Ltd.，Taizhou  317109，China;

2.Zhejiang Zheneng Electric Power Co.，Ltd.，Hangzhou  310007，China;3.Zhejiang University，Hangzhou  310058，China）

Abstract：Aiming at the faced problems of online monitoring and balance management for power and water quantity in fossil-fuel power station at present，this paper puts forward a design scheme for power and water quantity balance monitoring and informatization management system in fossil-fuel power station，which includes data acquisition，data processing，data display，fault diagnosis and alarm，safety trend analysis and other specific functions. And a safety trend analysis method based on improved Pearson correlation coefficient method is adopted. The system can be used to guide the balance scheduling of the power and water quantity，and provide technical reference for the power and water quantity balance management system in fossil-fuel power station.

Keywords：balance monitoring;informatization management;fossil-fuel power station;system design;improved Pearson correlation coefficient method

0  引  言

现阶段，我国在电力生产方式方面大体展现出多样化发展的趋势，但作为传统发电主体的火力发电厂在未来很长一段时间内，仍然将占据着我国发电行业的主体地位。然而，隨着国家对于生态环境问题的日益重视，对于传统火电行业的生产流程也提出了更高的标准。完善传统火力发电的发电流程，更高效率地优化对火力发电过程中生产物料的利用，已经成为火电行业发展的重要方向。

随着我国对于火电行业能效环保要求的不断提高，火电厂所面临的水资源利用效率和生态环境问题变得日益凸显^[1]。因此，深入研究火电厂水系统的监测和管理技术，实现水平衡的高效运行，是对现代火力发电厂的重要要求之一。此外，我国正处于现代化建设的关键时期，对于电气网络的性能要求也越来越高。目前，大部分火电厂仍保持运行的传统电气设备在实际运行过程中无法实现高效的电量监测和安全管控要求。因此，还必须提高对火电厂电气网络和信息化管理技术的研究和优化力度^[2]。

由于国家保护生态环节政策的要求和提高火电厂能效指标的需求^[3，4]，火电厂亟须一套实时监测和信息化管理系统来实现电量、水量平衡管理的合理高效运行，提高火电厂水电平衡信息化管理的运行效率。近年来，信息技术与数字管理技术得到了迅速的发展，在众多工业领域中都得到了广泛的应用，火力发电行业也不例外^[5，6]。现阶段，火力发电厂的水电管理系统逐渐朝着智能化、信息化和数字化方向发展，不仅实现了水电平衡管控效率的有效提升，而且有效保障在线管理系统的实时运行安全。

鉴于以上问题，本文以浙江某火电厂为依托，结合其实际基础数据采集系统与自动化控制系统，开发了基于实时数据处理技术的火电厂电量、水量平衡管理系统，在线监测火电厂发电过程中的电量、水量平衡关系，实时管理生产过程中的水电平衡。实时数据技术结合图形化数据展示极大地提高了数据可读性和信息化管理能力，为火电厂信息化管理监测提供了全新的模式。

1  系统设计

1.1  设计目标

本文所设计的火电厂电量、水量平衡管理系统是以安全、稳定、节能为目标的信息化智慧管理平台，融合实时监测、数据分析、故障预警、任务分配、设备全生命周期管理等功能，以專业化技术、专家型应用，实现水电智慧管理。火电厂电量、水量平衡管理系统主要由现场仪表、采集终端、数据传输网络、数据采集与预处理层、高级应用层五部分组成。其硬件部分按设计规模配置，具有可扩展性，并留有后期接口，而相应的应用软件则按最终规模设计。

1.2  理论支撑

火电厂电量、水量平衡管理系统对公司内所有电能表、水表进行数据采样，包括关口电能表、#1和#2机主设备电能表、10 kV系统的电能表、380 V系统的电能表，化学制水、工业水、生活水、回用水、自来水五大管网的电磁流量计、水表等，将采集来的各种数据通过网络形式传送至火电厂电量、水量平衡管理系统，并对数据进行统计、计算与分析，建立公司级电量、水量平衡管理模型。

在本文的火电厂电量、水量平衡管理系统的设计中，借鉴了电力系统信息交互标准化的成熟经验，基于DL/T 890.301CIM标准建立了母线、变压器、断路器、电力电缆、电力负荷等电力设备模型，并拓展水管道、水阀门、水泵、蓄水池、水负荷等水资源输送、存储、消费设备模型。然后根据设备之间的连接关系，按照从源端到荷端的方向深度遍历，分别将电网和水网各设备参数及其连接关系入库，即建立了电气、水网络模型。

通过对火电厂的电量、水量平衡管理模型进行建模，电网和水网各设备的物理参数和相互之间的联结关系将以数学模型的方式填入网络数据库中，以便于后续的高级应用进行调用。

1.3  结构设计

本文所设计的火电厂电量、水量平衡管理系统是具有完整能源监控、管理、分析和优化功能的管控一体化计算机系统。如图1所示，系统整体组成架构一共包括5个层级，自底向上分别是：

用户层：用于输入能源系统各部分相关能源数据，包括燃电力系统、水系统、燃气系统等;

数据层：为了满足大数据采集需要，满足异构数据的融合和综合展示，在数据层要构建混合硬件平台。支持混合操作系统，采用中间件技术保证系统的可移植性，并采用分布式网络通信来增加系统的灵活性和可靠性。在数据层构建大数据采集控制与管理分析平台，实现对不同类型数据的采集处理、监视控制，以及大数据的管理分析功能，打造一体化的多能全数据分析中心;

平台层：在统一应用支撑平台基础上结合在线监测、运行管理、移动服务等功能，为能源管控系统的运行提供平台支撑。同时平台层的软件模块具备开放性，支持不同层面应用功能的二次开发;

应用层：主要由六大应用组成，包括数据视图、在线监测、电量平衡报表、水量平衡报表、告警管理、信息管理;

服务层：借助平台以及基础应用，提供包括电厂水电平衡分析、管网压力与安全趋势分析、电厂故障诊断预警、能源需求侧智能互动等服务。

1.4  功能设计

本文所设计的火电厂电量、水量平衡管理系统的具体功能包括数据采集、数据处理、数据展示、故障诊断与告警，以及安全趋势分析等环节。

1.4.1  数据采集

数据采集环节用于对电量、水量平衡管理系统所需的数据信息进行采集量测。其中电量数据采集对象包括一次设备的有功、无功、电压、电流等模拟量，以及开关位置、隔离刀闸位置、接地刀闸位置等开关状态量;二次设备的保护信号;一次、二次设备的状态信号;上层系统下发的控制信号以及终端上传的数据等。

水量数据采集对象包括各种水资源在管道中的流量、压力等模拟量，以及水泵、阀门状态量;水质量指标以及终端上传的数据等。

1.4.2  数据处理

根据数据类型，分为模拟量处理、状态量处理、统计计算、数据记录等，其中：模拟量处理包括数据有效性检查、数据过滤、零漂处理、上下限值处理、数据变化率处理和单位转换等;状态量处理包括双位遥信处理、误遥信处理、人工输入、动作计时和动作计数等;统计计算：根据调度运行的需要，对各类数据进行统计，可以灵活定制计算公式，比如数值统计、极值统计、次数统计等;数据记录：根据事件类型、线路、设备类型、动作时间等条件对数据记录进行分类检索、显示和打印输出。

1.4.3  数据展示

数据的图形化展示为组态化界面，支持图元编辑、图形编辑、图形展示，在图形界面上可视化展示各电气、水网络设备在系统中的位置、测量数据和运行工况。图形化展示使用户可以方便地与系统交互，实时展示能源信息，监视系统的运行情况、查询有关的统计数据、下达命令，以及执行各应用的相关操作。

1.4.4  故障诊断与告警

系统运行过程中产生的报警信息，可以通过报警界面进行实时监视。用户可在实时报警界面内察看到系统当前的所有报警，也可设置条件检索任意时段任意类型的历史报警。

报警信息在线综合处理、显示与推理，支持汇集和处理各类告警信息，对大量报警信息进行分类管理和存储，对不同需求形成不同的报警显示方案，利用形象直观的方式提供全面综合的报警提示，方便用户的运行监视。

1.4.5  安全趋势分析

结合管道模型和历史故障信息，通过采集在供水高峰时间段的水管压力不稳定的工况数据，建立基于非机理性的故障诊断模型。根据该模型能够分析出水管压力不稳定故障相关的特征工况，并通过与实时工况数据的对比实现对水管网络漏水段的快速定义。此外，还可通过对水管网络压力健康度进行评估与预警，以避免类似故障的再次发生。水管网络安全趋势分析的整理工作流程如图2所示。

Pearson相关系数法是一种被广泛应用的相似度分析方法，因此本文采用该方法对比分析管道水压的采样信号和参考信号，进而实现水管网络的安全趋势分析。参考文献^[7]，Pearson相关系数法的传统计算公式可以表示为：

其中，P1_i是当前时刻之前10毫秒内第i个时刻管道水压的采样值，P2_i是当前时刻之前20毫秒至10毫秒管道水压第i个时刻管道水压的采样值，n是两个时间段内管道水压所对比点的总数，i和j是自然数。

在水管网络的水压检测中，由于被用于比较的水压曲线采用了平均值处理，且稳态参考水压是一个带有纹波的恒定值。因此，如果直接对采样水压和稳态计算水压进行对比，相关系数将随水压纹波的变化而变化，可能出现大量的误报警。为防止误报警的发生，本章采用采样水压的累加值进行安全趋势分析中的相关系数分析，采样水压曲线和稳态参考水压曲线的第i个对比值可分别表示为：

由于Pearson相关系数法对绝对值不敏感。当水压曲线不同而水压变化率相同时，也会出现高度相关性。因此，在安全趋势分析中需要消除由这种现象引起的干扰。本文设计并引入了一个调整因子p来优化Pearson相关系数法，参数p被设计为：

p的所在区间为[0，1]，p越大，相关性越高，反之p越小，相似性越低。最终，改进后的Pearson相關系数可以表示为：

r=r₀×p

基于所建故障诊断模型和改进Pearson相关系数法，本文对水管网络进行安全趋势分析的具体流程包括5个步骤，所对应的流程图如图3所示。

（1）在每条管道两个终端中上以1毫秒/次的频率采集终端的管道水压，并实时存储水压;

（2）使用改进Pearson相关系数法对比当前时刻之前10毫秒内管道水压与当前时刻之前20毫秒至10毫秒管道水压的相似程度;

（3）所用改进Pearson相关系数法通过多数据点对比，能够有效防止由于单点采样误差、短时运行工况波动等引起的误判断，其采样时间可以根据数据精度灵活选取;

（4）所用改进Pearson相关系数法可用于检测、判断系统水管水压的稳定情况，以及时发现处于亚健康状态的水管并进行相应的安全预警;

（5）如果某个端口的管道水压的相似程度低于设定阈值，表示此端口内水管网络的水压处于波动的不稳定状态，可以判断此时该条管道处于亚健康状态，并发出预警信号。

2  应用示范

本文研究的火电厂电量、水量平衡管理系统在浙江某火力发电厂得到了应用，该火力发电厂的电气网络具体图形化展示界面如图4所示。

根据现场系统的运行测试显示，该系统能够有效地调度火电厂电量、水量的动态平衡。并且，通过对电量、水量数据的实时监测和统计处理，该系统能够将电网络的全厂电能流动关系和水网络的全厂水耗分布关系进行可视化展示，具体的图形化展示界面如图5、图6所示。

根据该火电厂电量、水量平衡管理系统的试运行情况反馈可以看出，所设计信息化管理系统能够有效地解决火电厂现场电量、水量平衡的调度管理问题，实现了数据实时的采集检测。并且，结合图形化展示界面实现了平衡管理信息的动态展示和交互控制。

3  结  论

通过将数据采集技术、信息化处理技术与平衡管理技术相结合，对火电厂电量、水量的动态平衡情况实现实时监测和管理，实现了对于电网络和水网络的统一调度管理。同时，火电厂电量、水量平衡管理系统中的故障诊断与告警系统及时记录了数据故障情况，提高了平衡管理的质量和水平，降低了电量、水量平衡调度过程中的故障发生率，实现了火电厂现场平衡管理系统的规范化、信息化和科学化。因此，该火电厂电量、水量平衡管理系统是以安全、稳定、节能为目标的信息化智慧管理平台，该系统的研发与应用具有良好的推广前景。

参考文献：

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[5] 郜淑兰，刘东.火电厂电气综合自动化系统设计分析 [J].科技创新导报，2016，13（34）：5-6.

[6] 刘岩.基于计算机技术应用下的电气自动化控制系统设计分析 [J].通讯世界，2017（14）：174-175.

[7] FARSHAD M，SADEH J. A Novel Fault-Location Method for HVDC Transmission Lines Based on Similarity Measure of Voltage Signals [J].IEEE transactions on power delivery，2013，28（4）：2483-2490.

作者简介：朱晓瑾（1974—），女，汉族，浙江台州人，高级工程师，硕士，研究方向：发电厂继电保护技术及其应用。

收稿日期：2021-02-28