水輪發(fā)電機(jī)組故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

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摘要：本文簡(jiǎn)要論述了水輪發(fā)電機(jī)組故障診斷系統(tǒng)開發(fā)的現(xiàn)實(shí)意義和未來(lái)發(fā)展前景，詳細(xì)闡述了如何結(jié)合水電廠生產(chǎn)實(shí)際需求完成系統(tǒng)功能架構(gòu)，進(jìn)一步從數(shù)據(jù)編碼、系統(tǒng)接口、狀態(tài)評(píng)估邏輯、故障診斷邏輯以及系統(tǒng)硬件部署五個(gè)方面深入剖析了系統(tǒng)底層設(shè)計(jì)思路。該系統(tǒng)采用面向服務(wù)的系統(tǒng)架構(gòu)，基于多維向量協(xié)同推理機(jī)制實(shí)現(xiàn)對(duì)水電機(jī)組設(shè)備故障的診斷分析和趨勢(shì)預(yù)警，系統(tǒng)提供了友好的人機(jī)交互界面，展現(xiàn)了豐富的數(shù)據(jù)可視化形式，支持診斷邏輯的動(dòng)態(tài)擴(kuò)展，為系統(tǒng)的進(jìn)化與發(fā)展提供了開放接口。

關(guān)鍵詞：水電機(jī)組；故障診斷；狀態(tài)檢修；KKS；在線監(jiān)測(cè)

隨著水電機(jī)組單機(jī)容量不斷增加，在系統(tǒng)中占比不斷增長(zhǎng)，水電廠的安全穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行已成為我國(guó)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的重要保障。[1]當(dāng)前水電機(jī)組仍然采用計(jì)劃?rùn)z修模式，存在一定的盲目性，檢修不足無(wú)法保障機(jī)組的運(yùn)行性能，過(guò)度檢修又會(huì)造成資源的浪費(fèi)。為滿足水電企業(yè)提高機(jī)組等效可用率、降低生產(chǎn)成本等客觀需求，建立一個(gè)能準(zhǔn)確分析機(jī)組故障原因和評(píng)估機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的系統(tǒng)對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行具有十分重要的意義。

1系統(tǒng)功能架構(gòu)

如圖1所示，水輪發(fā)電機(jī)組故障診斷系統(tǒng)功能架構(gòu)從下往上分別由數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層、服務(wù)層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層、展現(xiàn)層組成。數(shù)據(jù)采集層用于實(shí)時(shí)采集水電廠各類生產(chǎn)數(shù)據(jù)，主要包括計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、機(jī)組振擺監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、電能量管理系統(tǒng)和變壓器色譜分析系統(tǒng)數(shù)據(jù)。各類數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)統(tǒng)一編碼后存入數(shù)據(jù)訪問(wèn)KDP平臺(tái)，以結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、消息數(shù)據(jù)、平臺(tái)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)等模式進(jìn)行存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)交換提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)訪問(wèn)服務(wù)，該服務(wù)提供了基于REST和WebService兩種模式數(shù)據(jù)接口，所有服務(wù)層和展現(xiàn)層都通過(guò)該接口來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)訪問(wèn)，解耦業(yè)務(wù)及信息展示和數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)的關(guān)系。服務(wù)層的報(bào)表引擎、日志服務(wù)、統(tǒng)計(jì)運(yùn)算、實(shí)時(shí)計(jì)算、專業(yè)診斷、流程引擎、消息服務(wù)和權(quán)限服務(wù)均通過(guò)數(shù)據(jù)交換訪問(wèn)KDP平臺(tái)數(shù)據(jù)。結(jié)合水電廠生產(chǎn)實(shí)際情況，為故障診斷系統(tǒng)規(guī)劃了包含綜合信息、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、能效分析、故障診斷、運(yùn)行優(yōu)化、檢修決策、系統(tǒng)管理七大業(yè)務(wù)應(yīng)用模塊，后期還可以隨著需求的不斷增長(zhǎng)對(duì)業(yè)務(wù)應(yīng)用進(jìn)行擴(kuò)展。在展現(xiàn)層用戶可以通過(guò)普通的PC瀏覽器接入平臺(tái)系統(tǒng)。

2數(shù)據(jù)編碼設(shè)計(jì)

要實(shí)現(xiàn)設(shè)備管理信息化，數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一化，首先必須對(duì)電廠內(nèi)的各類設(shè)備和數(shù)據(jù)按照統(tǒng)一規(guī)則進(jìn)行編碼，本故障診斷系統(tǒng)數(shù)據(jù)編碼基于KKS（電廠標(biāo)識(shí)系統(tǒng)，KraftwerkKennzeichenSystem）規(guī)則，其邏輯結(jié)構(gòu)和組成體系層次分明，代碼簡(jiǎn)單明了，不依賴于計(jì)算機(jī)程序語(yǔ)言而獨(dú)立存在，用于足夠的容量進(jìn)行擴(kuò)充；[2]同時(shí)該編碼具有唯一性，是一種先進(jìn)合理、科學(xué)實(shí)用的編碼技術(shù)，分為管理域、設(shè)備域和量值域。編碼管理域信息包括省份、廠站名和類別，編碼設(shè)備域信息包括主系統(tǒng)、子系統(tǒng)、設(shè)備和采集部位，編碼設(shè)備域包括電站標(biāo)識(shí)、設(shè)備KKS編碼、數(shù)據(jù)源碼、數(shù)據(jù)源內(nèi)部碼、量值類型碼等信息。編碼量值域包括采集信號(hào)的來(lái)源、物理屬性和算法信息。管理域、設(shè)備域和量值域均采用17位編碼實(shí)現(xiàn)KKS標(biāo)識(shí)，以設(shè)備域?yàn)槔木唧w編碼規(guī)則如表1所示。第一位用字母（為避免與數(shù)字1或0混淆，字母I和O棄用，下同）或數(shù)字表示全廠站范圍內(nèi)各主系統(tǒng)標(biāo)識(shí)，第二位F0用數(shù)字作為前綴標(biāo)識(shí)隨后的F1、F2、F3是字母數(shù)據(jù)分類的系統(tǒng)；當(dāng)F1、F2、F3用來(lái)分類多個(gè)相似的獨(dú)立系統(tǒng)時(shí)，可以用F0來(lái)進(jìn)行順序編號(hào)。F1、F2、F3按照專業(yè)對(duì)主系統(tǒng)進(jìn)行分類，F(xiàn)N則為各子系統(tǒng)編號(hào)；A1、A2按照機(jī)械、電氣、儀控等類別用兩位字母對(duì)設(shè)備進(jìn)行分類，AN由三位數(shù)字順序編號(hào)用于更進(jìn)一步區(qū)分同類設(shè)備，第13位A3不用，一般設(shè)為0；B1、B2用兩位字母按部件索引和信號(hào)約定劃分部件、信號(hào)或信號(hào)應(yīng)用，BN使用兩位數(shù)字表示對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)序號(hào)。

3系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用開放的數(shù)據(jù)訪問(wèn)平臺(tái)，標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)訪問(wèn)接口，如圖2所示，接口設(shè)計(jì)符合以下特點(diǎn)：（1）自主開發(fā)了基于RESTFull訪問(wèn)規(guī)則的數(shù)據(jù)平臺(tái)訪問(wèn)接口。（2）診斷平臺(tái)中，所有應(yīng)用訪問(wèn)診斷平臺(tái)數(shù)據(jù)都基于該接口實(shí)現(xiàn)。（3）擴(kuò)展數(shù)據(jù)平臺(tái)接口，實(shí)行數(shù)據(jù)的基本統(tǒng)計(jì)和故障診斷、狀態(tài)監(jiān)測(cè)等。此外，系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集接口還應(yīng)滿足時(shí)標(biāo)一致性、數(shù)據(jù)緩存、斷電續(xù)傳的標(biāo)準(zhǔn)。為防止數(shù)據(jù)采集和傳輸過(guò)程中各種原因?qū)е碌臅r(shí)延，采集階段必須在數(shù)據(jù)采集的同時(shí)保留數(shù)據(jù)的原始時(shí)間標(biāo)簽，在數(shù)據(jù)上傳過(guò)程中也必須將數(shù)據(jù)與其對(duì)應(yīng)的時(shí)標(biāo)配對(duì)傳輸。數(shù)據(jù)緩存能力可以保證輸入數(shù)據(jù)庫(kù)的生產(chǎn)過(guò)程信息的連續(xù)性和完整性，不會(huì)因通訊故障等原因而導(dǎo)致數(shù)據(jù)的中斷或丟失。傳輸過(guò)程中遇到網(wǎng)絡(luò)中斷的情況自動(dòng)記憶，并將數(shù)據(jù)緩沖到本地緩存，不斷嘗試網(wǎng)絡(luò)連通情況，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)時(shí)自動(dòng)重新建立連接，并將數(shù)據(jù)從記憶斷點(diǎn)開始繼續(xù)傳輸。

4狀態(tài)評(píng)估邏輯設(shè)計(jì)

機(jī)組狀態(tài)評(píng)估邏輯主要由三個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)，第一步由在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)按照規(guī)則邏輯確定狀態(tài)量的狀態(tài)，由故障診斷功能模塊確定當(dāng)前機(jī)組或部件是否存在故障及其故障等級(jí)情況；第二步由部件關(guān)聯(lián)狀態(tài)量狀態(tài)按照規(guī)則邏輯確定關(guān)鍵部件的狀態(tài)；第三步由關(guān)鍵部件狀態(tài)按照規(guī)則邏輯確定機(jī)組主設(shè)備狀態(tài)，機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估流程如圖3所示。將設(shè)備狀態(tài)定義按照動(dòng)態(tài)閾值等規(guī)則邏輯確定為四種不同的狀態(tài)，分別為正常、注意、異常和危險(xiǎn)。當(dāng)任一特征值達(dá)到“注意”、“異?！?，或機(jī)組存在三級(jí)故障時(shí)則系統(tǒng)自動(dòng)定位故障點(diǎn)，并發(fā)出黃色告警；當(dāng)機(jī)組存在二級(jí)故障或任一特征值為“危險(xiǎn)”級(jí)別時(shí)，則發(fā)出橙色告警；當(dāng)機(jī)組存在三個(gè)及以上特征參數(shù)為“危險(xiǎn)”級(jí)別或存在一級(jí)故障時(shí)，則判定機(jī)組處于“危險(xiǎn)”狀態(tài)，發(fā)出紅色告警。

5故障診斷邏輯設(shè)計(jì)

故障診斷邏輯圖如圖4所示。實(shí)現(xiàn)故障診斷首先需要錄入歷史數(shù)據(jù)、試驗(yàn)結(jié)果、典型案例，并結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)和故障機(jī)理研究成果，建立包含不同故障類型的知識(shí)庫(kù)，通過(guò)診斷閾值系統(tǒng)、指標(biāo)計(jì)算體系、監(jiān)測(cè)量特征提取和異常與故障對(duì)應(yīng)庫(kù)形成多維向量協(xié)同推理機(jī)制，對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)源進(jìn)行監(jiān)測(cè)，滿足故障條件的迅速判定故障等級(jí)，自動(dòng)生成故障描述，快速分析故障原因。[3]故障庫(kù)還可以根據(jù)人工離線干預(yù)的分析結(jié)論進(jìn)行補(bǔ)充，以保證故障知識(shí)庫(kù)不斷完善和充實(shí)。

6系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)國(guó)家電力監(jiān)管委員會(huì)對(duì)電力二次系統(tǒng)提出的“安全分區(qū)、網(wǎng)絡(luò)專用、橫向隔離、縱向認(rèn)證”安全防護(hù)原則，對(duì)系統(tǒng)硬件作如下部署：（1）在安全Ⅰ區(qū)部署通訊服務(wù)器，經(jīng)過(guò)正向隔離裝置收集計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，之后經(jīng)過(guò)防火墻送至安全Ⅱ區(qū)的數(shù)據(jù)服務(wù)器中，通訊采用IEC104協(xié)議。（2）在安全Ⅱ區(qū)部署數(shù)據(jù)服務(wù)器和通訊服務(wù)器，數(shù)據(jù)服務(wù)器用于收集計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、油色譜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等各系統(tǒng)傳送的數(shù)據(jù)。通訊服務(wù)器用于安全Ⅱ區(qū)和安全Ⅲ區(qū)的數(shù)據(jù)傳輸，安全Ⅱ區(qū)和安全Ⅲ區(qū)采用正向隔離裝置隔離，數(shù)據(jù)只可由安全Ⅱ區(qū)向安全Ⅲ區(qū)單向傳輸，目前沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議支持這種傳輸方式，因此自定義傳輸協(xié)議OSTP（OnewaySynchronizingTransportProtocol/TCP）。（3）在安全Ⅲ區(qū)部署實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、實(shí)時(shí)計(jì)算引擎服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、WEB服務(wù)器、維護(hù)工作站、診斷工作站、通訊服務(wù)器等。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器用于收集安全Ⅱ區(qū)傳送的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及其它實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器用于記錄非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；實(shí)時(shí)計(jì)算引擎服務(wù)器用于KKS編碼服務(wù)等應(yīng)用；應(yīng)用服務(wù)器用于各種分析運(yùn)算應(yīng)用等；WEB服務(wù)器用于提供WEB頁(yè)面服務(wù)和數(shù)據(jù)訪問(wèn)服務(wù)；診斷工作站用于通過(guò)WEB服務(wù)器實(shí)現(xiàn)對(duì)診斷平臺(tái)的數(shù)據(jù)調(diào)取、診斷操作、報(bào)告出具等。

7結(jié)論

水輪發(fā)電機(jī)組故障診斷系統(tǒng)具有廣泛的應(yīng)用前景，隨著大數(shù)據(jù)、人工智能、邊緣計(jì)算等技術(shù)的深入發(fā)展，水電機(jī)組故障診斷技術(shù)也必將取得長(zhǎng)足進(jìn)步。此外，水電機(jī)組故障種類繁多，其故障現(xiàn)象、原因和機(jī)理的復(fù)雜性和模糊性難以用準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型加以描述，也難以完全依靠確定性的判據(jù)斷定故障的性質(zhì)，因此，本文采用多維向量協(xié)同推理機(jī)制解決故障診斷分析規(guī)則低效率問(wèn)題是具有一定合理性和可行性的，對(duì)于幫助運(yùn)行人員找到設(shè)備運(yùn)行規(guī)律，及早預(yù)警設(shè)備隱患發(fā)展趨勢(shì)，快速定位故障點(diǎn)，自動(dòng)分析設(shè)備故障原因均起到了預(yù)期效果，系統(tǒng)試運(yùn)行以來(lái)運(yùn)行良好，性能穩(wěn)定，功能符合業(yè)務(wù)需求，達(dá)到建設(shè)目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

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作者：宋宇 單位：烏江渡發(fā)電廠