基于大数据的水电厂监控系统辅助决策功能研究与设计

摘" 要：随着电力数字化改革进程加速和设备不断的技术改造升级，水电厂监控系统接入的各类设备“三遥”数据不断增加。海量监控数据产生后若能够加以二次开发利用，将进一步发挥数字财产的价值。该文研究并设计基于大数据的水电厂监控系统辅助决策功能。通过对水电厂监控系统数据进行加工分析，实现设备的运行状态分析、状态预警、应急及事故处置辅助决策等，为水电厂监控系统功能建设及改造提供思路。

关键词：大数据；水电厂；监控系统；数据二次开发；辅助决策

中图分类号：TP277" " " 文献标志码：A" " " " " 文章编号：2095-2945（2024）36-0130-05

Abstract： With the acceleration of the power digitalization reform process and the continuous technological transformation and upgrading of equipment， the \"three remote\" data of various equipment connected to the hydropower plant monitoring system continues to increase. If the massive monitoring data can be developed and utilized again after being generated， the value of digital property will be further exerted. This paper studies and designs the decision-making auxiliary function of hydropower plant monitoring system based on big data. By processing and analyzing the data of the hydropower plant monitoring system， equipment operating status analysis， status early warning， emergency and accident handling auxiliary decision-making are realized， thus providing ideas for the functional construction and transformation of the hydropower plant monitoring system.

Keywords： big data; hydropower plant; monitoring system; secondary data development; decision-making assistance

水电厂监控系统是应用计算机参与针对水电厂的监测与控制并借助一些辅助部件与被控对象相联系，以实现水电厂的安全、稳定、高效运行而构成的系统[1]。水电厂各类设备的运行监视、操作、异常处置和故障分析等都需要利用监控系统相关功能进行实现。

现阶段，随着电力数字化改革进程加速和设备不断的技术改造升级，监控系统接入的各类设备“三遥”数据不断增加。若监控系统不具备辅助决策功能，无法实现对海量数据的加工分析和二次开发，则海量的数据依然要靠人工进行处理和分析，难以实现异常的提前预知干预和异常后的辅助决策。这样的情况下，不仅给水电厂的安全稳定运行带来了问题，同时制约了生产力的发展，浪费了数据资源和人力资源。

本文设计基于大数据的水电厂监控系统辅助决策功能。通过对水电厂各类主机、辅机数据及运行日志等监控系统数据进行加工分析，实现设备的运行状态分析、状态预警、应急及事故处置辅助决策等，为水电厂监控系统建设及改造提供思路。

1" 水电厂监控系统数据使用问题分析

1.1" 监测系统数据互通性不足

目前，受限于监控系统硬件性能及兼容性、网络安全等限制，部分水电厂往往存在各子系统各自为政，监控数据难以互通的情况[2]。图1为国内某水电厂设备监测系统建设情况，水轮机部分由机组在线监测系统监测、发电机及辅机部分由下位机监测、主变部分由主变在线监测系统监测。水轮机及主变因单独建设有在线监测系统，导致仅有部分数据上送监控系统，监控系统无法实现全厂设备的统一监控和全量数据采集。

1.2" 监控系统数据利用不足

现阶段，部分投运较长时间的水电厂监控系统功能较为落后，缺乏数据的分析功能，仅能实现简单的数据展示及存储、数据波形生成、事件记录等，缺乏对数据的加工分析和二次开发功能，难以实现设备故障的预知和提前干预。图2为某国产监控系统厂商监控系统功能画面，仅能生成并展示历史数据的波形用于异常或事故后的分析，无法根据历史数据自行开展设备状态监测评价及预警，从而实现设备异常的事前管控。

1.3" 异常处置智能化支撑不足

水电厂监控系统功能落后同样会影响异常处置的准确性和效率。因监控系统未对采集数据及告警信息进行二次处理，无法实现告警信息的过滤和归集。当某主设备的子系统设备异常时，将可能同时有数十条包含主系统、子系统的关联告警同时弹出在监控画面中，此时需依靠运行值班人员识别告警并确定具体故障地点，一定程度上影响了异常处置时效性。此外，当异常发生时，需要运行值班人员在监控系统上开展一系列应急处置，如当水轮机组停机异常时可能需要连带操作紧急停机、关闭机组进水阀、引水口事故闸门等，若监控系统无相关提示功能，可能因值班员经验不足或紧张等导致应急处置不及时，进而导致事故扩大。

2" 基于大数据的监控系统辅助决策功能设计

2.1" 利用SOE开发算法，实现设备运行趋势变化预警

利用监控系统SOE（Sequence Of Event，即事件顺序记录）数据，通过设置一定的算法，可实现设备运行趋势的跟踪预警[3]。表1为某水电厂调速器压油装置部分SOE数据设置的算法逻辑，通过对SOE中4个点位设置算法，即可实现油泵单次打压时长、周启动次数、启动时间间隔的自动计算。以1#油泵单次打压时长为例，1#油泵接触器合信号为M43.3，当其状态变为“1”时，即代表接触器吸合，油泵处于启动状态；当其状态变为“0”时，即代表接触器断开，油泵处于停止状态。通过计算M43.3状态从“1”变为“0”之间的时长，即可统计出1#油泵1次动作所用时长。对该数据进行大量积累即可形成时长波形，能够直观展示出设备运行情况。

由图3可知，通过以上计算数据的积累而形成的设备运行曲线，可有效反映出设备运行状态的变化情况，如油泵单次打压时长逐渐变长，则可判断油系统回路可能存在堵塞或者油质变差。压油装置启动时间间隔逐渐缩短，则可判断油系统回路可能存在漏油情况。此外，可根据运行经验设定阈值，即可在设备状态恶化到不可接受前实现预警。如压油装置启动时间间隔正常约为4 h左右，即可设定告警阈值为3 h，当预警发出后，运行检修人员可提前介入对该异常进行检查处置，即能避免异常进一步扩大，进而导致压油装置失压或机组调速器失控等严重故障的发生。

此外，该思路同样可以用于计算水轮发电机组各状态转换时间变化趋势，有助于从系统角度分析水轮发电机组整体运行情况的变化。常规水电机组存在停机态、空状态、空载态及并网态等稳定工况，通过对相关关键节点的SOE数据进行抓取，即可实现机组工况变化跨步时间的计算。图4为某水电厂机组工况变化跨步时间计算逻辑，以停机态至空转态时间计算为例，当机组状态赋值由“1”变化为“2”时，即可完成一次时长计算。对该数据进行大量积累即可形成时长波形，当停机至空转时间增大时，可能预示着调速器控制系统或导叶等导水机构功能存在异常，有助于协助运维人员提前制定运维策略[4]。

2.2" 利用告警逻辑梳理，实现故障快速定位

水电厂监控系统光字告警是由监控系统中的光字牌发出的，当监控系统检测到异常或故障时，相应的光字牌会被激活，显示特定的信息，从而实现对异常情况的快速识别和处理。但在实际运维中，故障发生后的大量光字同时弹出可能影响运维人员第一时间定位到具体故障、设备，从而影响异常处置效率。

现阶段国产监控系统的告警功能主要通过下位机上送告警信号的方式实现，而下位机告警的发出需要满足PLC程序的逻辑判断。因此，在监控系统中按照PLC程序逻辑设置一定的筛选逻辑，即可实现告警的过滤和归集。

以某水电厂一次开机失败事件为例，某日14点17分，2#机组处于开机至并网流程，机组转速上升至95%后触发开机失败标志位启动故障及开机失败流程，机组转停机流程停机。故障时刻监控系统在1 s内发出多条光字告警，包含“2F_调速器故障（P1.381）A、2F_开机失败报警：调速器异常切手动A、2F_开机流程告警总信号、2F_调速器总故障（自保持）A、2F_开停机流程总故障（自保持）A、2F_调速器PLC.调速器故障A、2F_调速器PLC.调速器故障切手动F、2F_调速器PLC.导叶返馈故障A”从大量的告警描述来看，仅能初步分析出2#机组因调速器故障而导致开机失败，无法从大量告警中厘清告警的因果关系。

由图5可知，通过逐项查看下位机程序发现，导致开机失败报警的原因为“2F_开机失败报警：调速器异常切手动A”。其程序逻辑设计为：判断机组转速上升至95%，同时判断调速器是否为手动方式，如果为手动方式，则触发故障及开机失败流程标志，同时监控系统报“调速器异常切手动A”信号。进一步检查发现，导致调速器异常切手动原因为“导叶反馈故障”。其程序逻辑设计为：中接开度信号采自中接位移传感器，输出为直流电压型（0～5 V）。每150 ms周期中采集到的中接开度差超过8%（约0.3 V），则触发“导叶反馈故障”信号。由此得以厘清告警的因果关系为“导叶反馈故障”引发“调速器异常切手动A”，从而造成2#机组开机失败。

由此实例可得出，当监控告警光字同时出现“导叶反馈故障”“调速器异常切手动A”及“2F_开机失败报警”时，就可以快速定位为导叶反馈故障导致的异常。依据此规则，监控系统通过抓取关键字及逻辑计算，对关键光字“导叶反馈故障”进行闪亮、弹窗、优先级排序等特殊提醒，即可帮助运维人员快速定位故障，提高应急处置效率。

2.3" 利用历史知识库，实现应急处置辅助决策功能

水电厂监盘值班是确保电厂安全、高效、环保和灵活运行的关键环节，它通过实时监督和调整电厂各个系统的运行参数，及时发现并处理异常情况，从而保障电厂的稳定运行[5]。监盘时值班人员需要经常面对应急处置和操作的情况，这时值班人员往往需要同时开展设备告警查看及分析、设备应急操作、故障信息汇报等多项工作，对值班人员的个人能力及心理素质都存在一定的考验。

所谓辅助决策功能即根据规程、制度及历史异常处置信息等形成知识库，当相关设备出现异常时，通过检索知识库，能够将设备信息、规程制度、历史应急处置记录等快速呈现于运维人员面前，从而在一定程度上缓解应急处置对人员经验能力的要求。因此，通过监控系统实现辅助决策功能，帮助值班员开展应急处置将是实现电厂监盘工作本质安全的一项重要举措。

知识库应实现同设备或光字告警的关联，当异常发生时，通过弹窗的形式协助运维人员开展应急处置。知识库可参考表2辅助决策信息表格式进行设置。

3" 结束语

基于大数据的水电厂监控系统辅助决策功能解决了传统监控系统对海量数据分析与利用不足的问题。通过充分发掘数据资源价值，进一步强化了水电厂安全稳定运行技术支撑，一定程度上弥补了监控系统智能化水平不足问题，是提升企业核心竞争力、推动本质安全型企业建设的重要举措。

参考文献：

[1] 熊自强.自动化监控系统在水电厂中的应用[J].集成电路应用，2024，41（1）：182-183.

[2] 李鹏.水电厂监控系统信息安全防护优化研究[J].四川水力发电，2023，42（4）：85-89，113.

[3] 莫理，凌培伟，张勇，等.机组轴瓦传感下的水电厂机组全光纤测温自动化系统设计[J].自动化技术与应用，2024，43（6）：98-102.

[4] 卓四明.智慧电厂监控系统与计算机预警技术研究[J].优格，2022（8）：211-213.

[5] 谢文君，郗发刚，宋美艳，等.基于IEC61850的水电厂PLC冗余设备接入方法与实现[J].水电站机电技术，2022，45（5）：31-33.