龍灘水電站多組態(tài)數(shù)據(jù)分析平臺的研究與開發(fā)

孔德寧

（龍灘水電開發(fā)有限公司，廣西 天峨 547300）

0 引言

通常水電站的計算機監(jiān)控系統(tǒng)重點在于生產(chǎn)控制，它積累了大量的運行歷史數(shù)據(jù)，并能夠呈現(xiàn)實時運行數(shù)據(jù)。由于監(jiān)控系統(tǒng)在設備管理、可靠性分析、設備狀態(tài)分析等方面功能不全或不具備這些功能，使這些寶貴的數(shù)據(jù)在設備狀態(tài)分析方面未能充分發(fā)揮其作用。為不斷提高生產(chǎn)運行管理水平，龍灘水力發(fā)電廠提出建設以計算機監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)為基礎，機組穩(wěn)定性監(jiān)測系統(tǒng)、主變在線監(jiān)測系統(tǒng)、GIS微水及SF6監(jiān)測系統(tǒng)等狀態(tài)監(jiān)測信息為補充的多組態(tài)數(shù)據(jù)分析平臺。該平臺應能夠通過大量模擬信號、模擬信號與開關量信號、操作信息與開關量和模擬量信號綜合分析，采用數(shù)據(jù)挖掘技術，利用完善的分析工具對設備運行信息進行實時監(jiān)測和定性、定量分析。通過人機交互、電子表格和圖形展示分析結(jié)果，采用智能化的報警方式幫助運行維護人員對設備健康狀態(tài)進行判斷，提前預知設備劣化趨勢，及早發(fā)現(xiàn)設備缺陷或隱患，采取防控措施，提高設備健康水平，盡可能杜絕設備劣化給電站帶來的嚴重后果。

1 軟件功能

由于水電站設備類型眾多，設備管理方法不同、性能分析評價標準不一，系統(tǒng)開發(fā)可參照性不大，必須結(jié)合電站的具體情況開發(fā)適合各裝置、各設備不同的分析管理功能，以能滿足水電站安全穩(wěn)定運行的要求，分析方法的組態(tài)化是將復雜問題簡單化的最好解決方案。同時，為滿足設備性能分析的需要還應具備設備管理和分析功能、報表功能。

（1）組態(tài)功能

組態(tài)功能是本平臺的核心。平臺應提供基本的數(shù)據(jù)模型、數(shù)學運算模型、報表和圖表模型，和模型組態(tài)工具。通過模型組態(tài)工具將基本模型配置為設備狀態(tài)分析所需的分析模型，調(diào)用數(shù)據(jù)開展分析工作，實現(xiàn)不同類型設備不同分析方法、不同評價標準，實現(xiàn)設備分析手段的靈活配置，發(fā)揮多組態(tài)平臺的優(yōu)勢。

（2）分析管理功能

在數(shù)據(jù)分析功能方面初步確定為單點、設備、系統(tǒng)三個數(shù)據(jù)分析層次，并通過組態(tài)功能實現(xiàn)對特定數(shù)據(jù)的分析。其中單點分析包括以單點數(shù)據(jù)為對象，輔以其他參考數(shù)據(jù)進行模擬量的越復限報警、越復限頻次分析、越限時間統(tǒng)計、梯度報警和歷史變化趨勢（變化率過大和變化值過大）、開關量的統(tǒng)計和狀變次數(shù)等；設備分析指以單個設備為對象進行綜合運行數(shù)據(jù)的分析，以確定該設備的性能、狀態(tài)，其中獨立自成系統(tǒng)輔助、附屬系統(tǒng)可納入設備分析層次；系統(tǒng)分析指以整個發(fā)電系統(tǒng)為評價對象的，借助各個子設備、附屬設備分析結(jié)果以及各在線監(jiān)測系統(tǒng)分析結(jié)果，對設備系統(tǒng)的性能、狀態(tài)進行分析，其中機組穩(wěn)定性監(jiān)測與分析、發(fā)電機監(jiān)測與分析、水輪機監(jiān)測與分析、變壓器監(jiān)測與分析、調(diào)速監(jiān)測與分析、勵磁監(jiān)測與分析可獨立自成系統(tǒng)，也可提供分析結(jié)論性數(shù)據(jù)上傳到多組態(tài)數(shù)據(jù)分析平臺。

在管理功能方面主要利用監(jiān)控系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計設備運行數(shù)據(jù)、可靠性數(shù)據(jù)、必要的技術監(jiān)督數(shù)據(jù)，并通過與外部的數(shù)據(jù)通訊，向生產(chǎn)管理系統(tǒng)（企業(yè)MIS）、可靠性系統(tǒng)、技術監(jiān)控管理系統(tǒng)等傳送所需要的數(shù)據(jù)，盡可能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動統(tǒng)計，提高數(shù)據(jù)統(tǒng)計的智能化水平，降低數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析工作量，提高統(tǒng)計分析效率和準確性。

（3）報表功能

提供可靈活自定義的設備分析日報表、周報表、月報表、年報表等，能夠形成歷史運行分析檔案。

對于以上各基本功能，多組態(tài)分析平臺擬采用組態(tài)的方式實現(xiàn)。將各類數(shù)據(jù)模型和分析模型進行組合，建立靈活的多組態(tài)分析模型，適合現(xiàn)場不斷變化的運行條件和豐富的設備類型；可降低設備、系統(tǒng)分析模型開發(fā)難度，縮短平臺建設時間；可根據(jù)工作的需要建立個性化分析模型，適應特殊數(shù)據(jù)或個例事件的專項分析要求，減少重復建模工作量；將復雜的數(shù)據(jù)分析工作簡化，降低對數(shù)據(jù)統(tǒng)計、分析人員的要求，提高統(tǒng)計、分析效率。

2 數(shù)據(jù)集成與數(shù)據(jù)分析

計算機監(jiān)控系統(tǒng)和各狀態(tài)監(jiān)測裝置在建設過程中很難做到數(shù)據(jù)統(tǒng)籌一致，而多組態(tài)數(shù)據(jù)分析平臺需要大量數(shù)據(jù)作為支撐，必須實現(xiàn)各系統(tǒng)間互聯(lián)，解決數(shù)據(jù)源集成的問題。因此，多組態(tài)平臺還是水電站數(shù)據(jù)整合平臺。在數(shù)據(jù)整合中，采用通用標準的數(shù)據(jù)接口方式，對各子系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)進行抽取、傳輸、加工、統(tǒng)計、存儲，形成廠級的“準實時”數(shù)據(jù)中心，從而為各級生產(chǎn)管理和決策分析提供數(shù)據(jù)基礎。此過程需要滿足數(shù)據(jù)集成的完整性、一致性、準實時性、接口規(guī)范性、訪問安全性等要求，數(shù)據(jù)交換技術和數(shù)據(jù)存儲技術是構(gòu)建數(shù)據(jù)分析處理平臺的關鍵技術。

數(shù)據(jù)分析的主要方式是，通過分析同一屬性域數(shù)據(jù)的域內(nèi)關系和規(guī)律得到相關屬性域的分析信息，或者通過分析不同屬性域之間的關系和數(shù)據(jù)規(guī)律得到屬性域之間的數(shù)據(jù)分析信息。這就要求數(shù)據(jù)分析方法能有效的分析具有不同數(shù)值特性、分布特征的數(shù)據(jù)序列，明確分析結(jié)果的可靠程度。通過對分析方法的數(shù)學原理和相關數(shù)據(jù)分析方法的研究，可以設計一些共性和相對通用的分析監(jiān)測方法。

（1）散點圖分析

“散點圖分析”是利用“散點圖”的展現(xiàn)形式旨在反映數(shù)據(jù)序列隨時間軸向的值分布規(guī)律的分析方法。為實現(xiàn)精確定位，該分析采用引力算法精確定位每個點的數(shù)值和時間。

（2）偏差分析

偏差分析是基于數(shù)據(jù)序列的數(shù)字特征和偏差特性進行分析的方法，偏差分析將給出相關數(shù)據(jù)序列的趨勢分析結(jié)果、最大值、最小值、平均值、標準差、百分比標準差。

（3）趨勢分析

趨勢分析是由多種數(shù)據(jù)分析方法和數(shù)字特征分析算法組成的綜合分析，如指數(shù)平滑法、馬爾科夫分析法。數(shù)據(jù)序列趨勢分析中使用移動平均趨勢分析，該分析方法應用數(shù)據(jù)自參照性、抗數(shù)據(jù)毛刺干擾、趨勢分析敏感性好等特征，采用數(shù)據(jù)窗口移動技術描述數(shù)據(jù)發(fā)展趨勢，兼顧整體和局部的趨勢。

（4）相關量分析

相關量分析是基于對象概念的集合趨勢分析方法，用于比較和參照與主屬性測點緊密相關的所有測點的數(shù)據(jù)分布規(guī)律。如可對某測點所在機組范圍內(nèi)的相關測點進行集合分析，也可分析相關領域的不同機組屬性測點的數(shù)據(jù)分布規(guī)律，其中突出“同一機組”和“不同機組”兩種比較分析來進行特殊預警。

（5）特征值綜合分析

以設備定期安全穩(wěn)定運行做特征統(tǒng)計，并以列表方式統(tǒng)計出設定時間段內(nèi)所需測點的平均值、最大值、最小值、最大值發(fā)生時間、最小值發(fā)生時間，使用戶得到精確的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。在對設定時段內(nèi)數(shù)量眾多的瓦溫和槽溫進行統(tǒng)計分析，其分析的準確性與高效性尤為明顯，可及時發(fā)現(xiàn)機組運行數(shù)據(jù)的異常情況。

（6）報警分析

報警分析是基于越限、報警信息快速定位問題數(shù)據(jù)的分析方法。該分析方法可以在線監(jiān)控數(shù)據(jù)數(shù)字特征（包括平均值、最大值、最小值、百分比標準差）的變化，根據(jù)預設的運行區(qū)間和時間范圍進行實時報警分析。

3 數(shù)據(jù)挖掘

具備數(shù)據(jù)整合功能的多組態(tài)平臺，可以實現(xiàn)海量監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集。由于這些數(shù)據(jù)不僅反映了現(xiàn)場設備的實時運轉(zhuǎn)情況，還攜帶了大量值得分析挖掘的信息，尤其是經(jīng)過合理的綜合分析后，可以得到多個監(jiān)測對象的趨勢走向、數(shù)據(jù)相關性、主成份特征等。這些分析結(jié)果對于及時預測或發(fā)現(xiàn)設備隱患、分析異常情況具有很重要的價值。

（1）專家?guī)旒夹g

專家?guī)炷K是智能挖掘的基礎。針對生產(chǎn)運行過程中產(chǎn)生的報警或異常數(shù)據(jù)，將專家所擁有的關于電站安全運行的電氣、機械等各方面的專業(yè)知識，包括確定性知識和經(jīng)驗知識，以適當形式表示出來，形成規(guī)則庫。

（2）智能挖掘

“智能挖掘”包括智能報警和統(tǒng)計分析，支持多種邏輯條件參與挖掘運算，從而得到符合條件的數(shù)據(jù)。通過創(chuàng)建通用的規(guī)則，引入固定測點信息或創(chuàng)建邏輯測點作為條件源，描述條件源與輸出的各種約束關系，將規(guī)則庫中的規(guī)則應用到該測點或測點組上，并引入與之相關的邏輯條件源，進行挖掘分析、反向推理和診斷，并將分析數(shù)據(jù)和診斷結(jié)果匯總生成圖表。

4 客戶端應用

為了方便電站各級專業(yè)技術人員及時了解分析采集結(jié)果，平臺擬建立客戶端功能。為了使其具備方便、設置靈活、監(jiān)控范圍較大、搜索速度快、實時性好以及鑒別準確度高的特點，將采用較高安全性的瀏覽器/服務器模式，可使用戶在任何地方都能夠通過WEB瀏覽器方便的進行訪問。

（1）系統(tǒng)客戶端軟件必須支持多用戶同時操作，設備分析權限將開放到每個用戶，便于不同崗位的生產(chǎn)管理人員和專業(yè)技術人員能夠就本崗位要求開展統(tǒng)計分析工作。

（2）為保證數(shù)據(jù)分析的可靠性，客戶端軟件能夠進行所分析數(shù)據(jù)的預處理，可自動或手動剔除某部分對系統(tǒng)性分析有影響的過渡過程數(shù)據(jù)和非運行工況數(shù)據(jù)（如開停機過程、運行狀態(tài)非穩(wěn)定狀態(tài)、設備檢修期間等）。

（3）為提高分析效果，在客戶端軟件應具備必要的數(shù)據(jù)補充接口，允許人工補錄分析必需的關鍵數(shù)據(jù)，以便科學全面地展示設備狀態(tài)或性能。

（4）客戶端軟件根據(jù)不同崗位、不同專業(yè)要求，向用戶提供簡單的曲線圖、直方圖、散點圖、三維餅圖、數(shù)據(jù)分析報表等多種數(shù)據(jù)展示標準模型，并自動生成報表，減小分析模型組態(tài)工作量。同時又能夠為不同設備管理崗位提供靈活的分析模型組態(tài)平臺，便于針對個別設備、特殊事件進行有針對性的分析。

（5）通過客戶端優(yōu)化數(shù)據(jù)提取，在數(shù)據(jù)抽取時先根據(jù)用戶選取的時間段從小時、分鐘或天的特征表中抽取信號的特征值（最大、最小或平均），如果特征表中的點數(shù)不夠，再從原始數(shù)據(jù)里抽取部分點加以補充，從而使曲線能夠準確的反映信號的趨勢特征，從而直接提高“診斷分析”分析結(jié)果的精確性。

（6）系統(tǒng)客戶端能夠按權限對智能報警信號的梯度報警配置、限值配置、關聯(lián)條件配置、報警周期配置等在前臺設置，從而方便用戶根據(jù)需要隨時調(diào)整各個信號的相關配置，以使報警更加準確。分析數(shù)據(jù)、智能報警、預警記錄將寫入歷史數(shù)據(jù)庫，并能夠通過系統(tǒng)廣播等方式通知到特定用戶。

（7）對于在客戶端分析中發(fā)現(xiàn)的異常，經(jīng)確認可直接進入缺陷管理系統(tǒng)或問題庫系統(tǒng)，實現(xiàn)閉環(huán)管理。

5 總結(jié)

設計中的多組態(tài)分析平臺作為水電站綜合分析系統(tǒng)的核心，將是一個開放的、發(fā)展的、統(tǒng)一的基礎應用平臺。它將整合各個設備在線監(jiān)測裝置和計算機監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)，是數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理、存儲平臺；具有運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析功能，是設備運行報表自動生成平臺；具備多組態(tài)建模的數(shù)據(jù)分析功能，是故障預測和狀態(tài)趨勢分析平臺；結(jié)合專家系統(tǒng)的建設，可作為疑難故障、重大缺陷的智能化專家分析、故障診斷平臺。有利于準確地掌握設備狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)設備劣化傾向，分析設備故障原因，提高設備管理效率，有利于培養(yǎng)生產(chǎn)技術管理人員運用科學的思維，分析問題、處理問題的能力。隨著人們對設備認識的深入、對故障機理研究的進展、各種科學技術與理論的發(fā)展，新的分析理論與方法工具應該、也可以方便的嵌入到水電站多組態(tài)數(shù)據(jù)分析平臺中。