水電機(jī)組控制設(shè)備遠(yuǎn)程運(yùn)營(yíng)維護(hù)系統(tǒng)研究與實(shí)踐

潘熙和，周 穎， 黃業(yè)華

(長(zhǎng)江科學(xué)院 長(zhǎng)江控制設(shè)備研究所，武漢 430010)

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水電機(jī)組控制設(shè)備遠(yuǎn)程運(yùn)營(yíng)維護(hù)系統(tǒng)研究與實(shí)踐

潘熙和，周 穎， 黃業(yè)華

(長(zhǎng)江科學(xué)院 長(zhǎng)江控制設(shè)備研究所，武漢 430010)

闡述了水電機(jī)組控制設(shè)備遠(yuǎn)程運(yùn)營(yíng)維護(hù)系統(tǒng)的研究背景及實(shí)施的意義，將工業(yè)4.0引入水電機(jī)組控制設(shè)備制造行業(yè)，借力“互聯(lián)網(wǎng)+”設(shè)備廠家，實(shí)現(xiàn)其在水電機(jī)組控制設(shè)備中的應(yīng)用。利用Nat穿透技術(shù)，建立P2P的數(shù)據(jù)交換，解決UDP協(xié)議下大數(shù)據(jù)流的分解/組裝及加密問(wèn)題，使現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備可以直接透明地連接到服務(wù)端，減少客戶的再投資。開(kāi)發(fā)了“水電機(jī)組控制設(shè)備遠(yuǎn)程運(yùn)營(yíng)維護(hù)系統(tǒng)”，實(shí)現(xiàn)了水電機(jī)組控制設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)視、診斷、運(yùn)行、維護(hù)、培訓(xùn)和技術(shù)服務(wù)等，值得大力推廣應(yīng)用。

控制設(shè)備；遠(yuǎn)程運(yùn)營(yíng)維護(hù)；監(jiān)視與診斷；工業(yè)4.0；互聯(lián)網(wǎng)+；物聯(lián)網(wǎng)

1 研究現(xiàn)狀

水電機(jī)組是一個(gè)水力、機(jī)械、電氣三者耦合的高度復(fù)雜的非線性旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備系統(tǒng)，受諸多因素的影響，其產(chǎn)生的故障往往具有復(fù)雜性、相關(guān)性、延時(shí)性以及不確定性等；復(fù)雜的結(jié)構(gòu)及組成部件高度的集成化使得水電機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中的故障率本能地高，故障類型也復(fù)雜；實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)生的故障也是多種多樣的，故障的表現(xiàn)形式不盡相同，其故障診斷中的每一環(huán)，包括信號(hào)采集、降噪處理、特征提取以及故障模式識(shí)別，任何一個(gè)環(huán)節(jié)都對(duì)其狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷結(jié)果產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。所以，有效判別機(jī)組的故障類型，及時(shí)處理故障是當(dāng)今水電領(lǐng)域關(guān)注的重點(diǎn)，水電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)視與故障診斷也一直是電力行業(yè)關(guān)注的熱點(diǎn)[1]。當(dāng)下，我國(guó)的水電機(jī)組遠(yuǎn)程監(jiān)視與診斷技術(shù)研究開(kāi)發(fā)和實(shí)施正在快速發(fā)展中。近幾十年來(lái)，有許多專家學(xué)者在這方面進(jìn)行了廣泛的探索和深入的研究，取得了不少成果，但要對(duì)水電機(jī)組構(gòu)建一套非常完善實(shí)用的遠(yuǎn)程監(jiān)視與診斷系統(tǒng)還有很長(zhǎng)的路要走，尚需大家共同努力[2]。

隨著水電技術(shù)的進(jìn)步和水電資源開(kāi)發(fā)力度的不斷加大，水電廠正朝著自動(dòng)化、信息化、智能化的方向發(fā)展，水電機(jī)組作為水電廠的核心設(shè)備也在朝著大型化、精密化、自動(dòng)化、集成化、復(fù)雜化等方向發(fā)展[3]。由于水電在電網(wǎng)中占的比重越來(lái)越大，水電機(jī)組的安全運(yùn)行不僅關(guān)系到水電廠自身的安全，而且影響到電網(wǎng)的安全，因此，水電機(jī)組的安全性問(wèn)題受到極大的關(guān)注。為確保水電機(jī)組和電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行、保障人員的安全、增加發(fā)電效益，必須對(duì)水電機(jī)組進(jìn)行合理的維護(hù)和檢修，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，對(duì)水電機(jī)組設(shè)備特別是機(jī)電控制設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程在線運(yùn)營(yíng)維護(hù)是掌控水電機(jī)組安全的必由之路。

2 機(jī)組設(shè)備狀況與發(fā)展方向

目前水電機(jī)組設(shè)備所處的普遍狀況是：

(1) 設(shè)備安裝的地域分布分散不集中，技術(shù)服務(wù)與維護(hù)的實(shí)時(shí)性不能得到很好的保證。

(2) 設(shè)備后期維護(hù)成本過(guò)高，且服務(wù)質(zhì)量受現(xiàn)場(chǎng)人員技術(shù)水平的制約，服務(wù)質(zhì)量得不到保障。

(3) 機(jī)組設(shè)備運(yùn)行狀況不能有效而充分地利用人們?nèi)找鎻V泛應(yīng)用的互聯(lián)網(wǎng)工具進(jìn)行遠(yuǎn)程專家會(huì)診。

(4) 設(shè)備制造商沒(méi)有建立完善的設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)利用大數(shù)據(jù)分析做技術(shù)和質(zhì)量跟蹤，從而推遲了設(shè)備改進(jìn)時(shí)間。也就是說(shuō)，形成不了水電設(shè)備生產(chǎn)業(yè)的新產(chǎn)業(yè)形態(tài)，做不到“互聯(lián)網(wǎng)+”轉(zhuǎn)型。

當(dāng)今，對(duì)于大多數(shù)設(shè)備制造商而言，生產(chǎn)成本提高、技術(shù)門檻降低、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈，以及售后服務(wù)響應(yīng)的及時(shí)性與高效性已成為贏得市場(chǎng)的重要手段。然而，傳統(tǒng)售后服務(wù)的技術(shù)手段造成一旦設(shè)備或系統(tǒng)出現(xiàn)故障，專業(yè)工程師必須抵達(dá)客戶現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行設(shè)備維護(hù)，勢(shì)必花費(fèi)大量的人力成本與時(shí)間成本，間接造成設(shè)備或系統(tǒng)成本的增加。因此，為客戶提供更為快捷的服務(wù)，減少客戶的損失，同時(shí)最小化運(yùn)行維護(hù)成本，使得遠(yuǎn)程診斷與維護(hù)手段成為客戶和服務(wù)者都迫切需要解決的問(wèn)題。此時(shí)，水電機(jī)組遠(yuǎn)程運(yùn)營(yíng)維護(hù)系統(tǒng)的研究一觸即發(fā)。由于水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)一般只有機(jī)組近端的單電站監(jiān)視和控制功能，大多數(shù)不具備對(duì)多電站跨地域設(shè)備同時(shí)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制的功能。隨著智能制造、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、“互聯(lián)網(wǎng)+”等革命性技術(shù)的發(fā)展，以及《國(guó)務(wù)院關(guān)于積極推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”聯(lián)行動(dòng)的指導(dǎo)意見(jiàn)》和《國(guó)家發(fā)改委、國(guó)家能源局關(guān)于促進(jìn)智能電網(wǎng)發(fā)電的指導(dǎo)意見(jiàn)》等文件的出臺(tái)，未來(lái)水電站普遍將按“遠(yuǎn)程集控、少人維護(hù)”的原則設(shè)計(jì)并統(tǒng)一，此時(shí)，面對(duì)水電機(jī)組特別是控制設(shè)備的遠(yuǎn)程運(yùn)營(yíng)維護(hù)系統(tǒng)將應(yīng)運(yùn)而生。

3 遠(yuǎn)程運(yùn)營(yíng)維護(hù)系統(tǒng)實(shí)施意義

(1) 傳統(tǒng)的設(shè)備運(yùn)營(yíng)維護(hù)方式運(yùn)維成本高、時(shí)效低，“水電機(jī)組控制設(shè)備遠(yuǎn)程運(yùn)營(yíng)維護(hù)系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱本系統(tǒng))”的建立既能滿足電站控制設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)視、遠(yuǎn)程排除故障、遠(yuǎn)程運(yùn)營(yíng)和控制的要求，又能提高機(jī)組設(shè)備制造商和電站現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備調(diào)試效率與管理水平，雙方再投資少，間接地降低了設(shè)備制造商和電站雙方的運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本。

(2) 通過(guò)建立設(shè)備遠(yuǎn)端(如武漢長(zhǎng)控公司)與最終客戶端的互動(dòng)平臺(tái)，機(jī)組控制設(shè)備調(diào)試、維護(hù)乃至培訓(xùn)都可在平臺(tái)上進(jìn)行，減輕了設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的繁重工作，服務(wù)的實(shí)時(shí)性和高效性也能得到充分保證。

(3) 通過(guò)本系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)多種設(shè)備、多個(gè)地域、多個(gè)專家互聯(lián)互通。

(4) 本系統(tǒng)不存在生態(tài)環(huán)境污染等相關(guān)問(wèn)題，當(dāng)水電機(jī)組設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，可遠(yuǎn)方實(shí)時(shí)督導(dǎo)設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)，有效地利用互聯(lián)網(wǎng)工具進(jìn)行遠(yuǎn)程專家會(huì)診，節(jié)約了時(shí)間，提高了效率，使發(fā)電機(jī)組的利用率、水資源利用率也得到提高。因此，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和生態(tài)效益。

(5) 本系統(tǒng)將促進(jìn)水電廠提高運(yùn)行管理水平，逐步完成智能化電廠的建設(shè)目標(biāo)。本系統(tǒng)代表著水電機(jī)組運(yùn)營(yíng)維護(hù)的發(fā)展方向。

(6) 目前國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有與水電機(jī)組控制設(shè)備遠(yuǎn)程運(yùn)營(yíng)維護(hù)系統(tǒng)相關(guān)的產(chǎn)品，是水電設(shè)備制造業(yè)的新產(chǎn)業(yè)形態(tài)，其應(yīng)用將開(kāi)辟水電機(jī)組運(yùn)行維護(hù)新模式，是順應(yīng)國(guó)家政策、加速設(shè)備制造向技術(shù)服務(wù)轉(zhuǎn)型和“互聯(lián)網(wǎng)+”轉(zhuǎn)型的典型范例。

4 工業(yè)4.0時(shí)代所帶來(lái)的契機(jī)

進(jìn)入新世紀(jì)以來(lái)，特別是最近幾年，信息化不斷與工業(yè)化融合，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算與大數(shù)據(jù)等 IT 技術(shù)應(yīng)用，從而產(chǎn)生了一波新的工業(yè)革命。黨的十八大提出：“堅(jiān)持走中國(guó)特色新型工業(yè)化、信息化、城鎮(zhèn)化、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化道路，推動(dòng)信息化和工業(yè)化深度融合”?！肮I(yè)4.0”與我國(guó)力推的“兩化融合”戰(zhàn)略具有很高的共通性，兩化融合是工業(yè)4.0實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，中國(guó)版的工業(yè)4.0某種程度上即等同于兩化深度融合。

通俗來(lái)說(shuō)，“互聯(lián)網(wǎng)+”就是“互聯(lián)網(wǎng)+各個(gè)傳統(tǒng)行業(yè)”，但它并不是簡(jiǎn)單的兩者相加，而是利用信息通信技術(shù)及互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，讓互聯(lián)網(wǎng)與傳統(tǒng)行業(yè)進(jìn)行深度融合，創(chuàng)造新的發(fā)展生態(tài)，讓傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)煥發(fā)新生?！盎ヂ?lián)網(wǎng)+”就是要在傳統(tǒng)行業(yè)與互聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)之間建立連接，利用互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)行業(yè)進(jìn)行升級(jí)改造，使傳統(tǒng)生產(chǎn)方式互聯(lián)網(wǎng)化。因此，制定“互聯(lián)網(wǎng)+”行動(dòng)計(jì)劃，積極開(kāi)展工業(yè)4.0技術(shù)實(shí)踐，將工業(yè)4.0引入水電機(jī)組控制設(shè)備制造行業(yè)，借力“互聯(lián)網(wǎng)+”設(shè)備廠家，搞好電站機(jī)組控制設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)視、診斷、運(yùn)行維護(hù)和技術(shù)服務(wù)等多方面的推廣應(yīng)用有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

水電設(shè)備制造行業(yè)利潤(rùn)微薄，依靠技術(shù)進(jìn)步降低成本、開(kāi)拓市場(chǎng)、增加效益，正成為越來(lái)越多傳統(tǒng)水電設(shè)備制造企業(yè)的自發(fā)選擇。也正是在如此歷史條件下，我們開(kāi)發(fā)了“水電機(jī)組控制設(shè)備遠(yuǎn)程運(yùn)營(yíng)維護(hù)系統(tǒng)”。應(yīng)該說(shuō)，遠(yuǎn)程運(yùn)營(yíng)維護(hù)系統(tǒng)是隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”、工業(yè)4.0等革命性技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生的新概念、新技術(shù)；它以通信平臺(tái)為支撐，以“數(shù)據(jù)和信息精準(zhǔn)實(shí)時(shí)、運(yùn)營(yíng)與維護(hù)遠(yuǎn)程支持、信息化和工業(yè)化深度融合”為主要特征。

5 水電機(jī)組控制設(shè)備遠(yuǎn)程運(yùn)營(yíng)維護(hù)系統(tǒng)

我們研究的“水電機(jī)組控制設(shè)備遠(yuǎn)程運(yùn)營(yíng)維護(hù)系統(tǒng)”主要包括機(jī)組控制設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)視、遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程運(yùn)行、遠(yuǎn)程診斷、遠(yuǎn)程維護(hù)、遠(yuǎn)程技術(shù)服務(wù)、遠(yuǎn)程培訓(xùn)等內(nèi)容。

5.1 機(jī)組控制設(shè)備現(xiàn)狀

隨著水電站自動(dòng)化程度的逐步提高以及管理體制改革的逐步到位，對(duì)機(jī)組的檢修、維護(hù)、運(yùn)行、管理提出了更高的要求。作為水電機(jī)組的主要控制設(shè)備，如水輪機(jī)調(diào)速器、發(fā)電機(jī)勵(lì)磁等，很有必要實(shí)施遠(yuǎn)程運(yùn)營(yíng)維護(hù)的功能。這個(gè)觀點(diǎn)，在大型水電工程很容易達(dá)到共識(shí)，然而，在中小型水電站，特別是農(nóng)村水電，往往不被重視。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，1995年前建成5 700多座近800萬(wàn)kW全國(guó)農(nóng)村水電站。受當(dāng)時(shí)技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)條件的制約，早期建設(shè)的農(nóng)村水電站設(shè)備設(shè)施老化，能效逐年衰減，不僅大量浪費(fèi)水能資源，影響河流生態(tài)環(huán)境，還帶來(lái)不少安全隱患?！笆濉焙汀笆濉钡木G色發(fā)展水電國(guó)家政策，通過(guò)國(guó)家資金扶持，推進(jìn)老舊水電站增效擴(kuò)容改造，不僅提高了水能資源利用效率，促進(jìn)節(jié)能減排，保護(hù)河流生態(tài)環(huán)境，還能消除公共的安全隱患，并讓當(dāng)?shù)剞r(nóng)民群眾受益。因此，中小型水電站機(jī)組控制設(shè)備的掌握和診斷非常值得關(guān)注。

中小型水電站裝機(jī)容量小、基層組織人員少、技術(shù)與管理較為薄弱，這對(duì)綜合自動(dòng)化提出了更高的要求。中小型水電站基層組織人員少、技術(shù)力量相對(duì)薄弱，且工作任務(wù)繁重，一旦機(jī)組控制設(shè)備發(fā)生故障，很難準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)故障源，甚至對(duì)故障的描述也不一定全面準(zhǔn)確。當(dāng)機(jī)組控制設(shè)備運(yùn)行出現(xiàn)故障時(shí)，往往自身難以解決，而小型水電站普遍位于邊遠(yuǎn)地區(qū)，交通不便，更換故障自動(dòng)化設(shè)備和元件或生產(chǎn)廠家提供售后服務(wù)的周期都比較長(zhǎng)，這勢(shì)必給電站帶來(lái)較大的經(jīng)濟(jì)損失[4]。因此，作為電站自動(dòng)化核心構(gòu)成的機(jī)組控制設(shè)備(如水輪機(jī)調(diào)速器、發(fā)電機(jī)勵(lì)磁裝置等)更加迫切需要獲得遠(yuǎn)程技術(shù)上的支持。

圖1 遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

5.2 遠(yuǎn)程運(yùn)營(yíng)維護(hù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能與項(xiàng)目

“水輪發(fā)電機(jī)組控制設(shè)備(調(diào)速和勵(lì)磁)遠(yuǎn)程運(yùn)營(yíng)維護(hù)系統(tǒng)”原理結(jié)構(gòu)圖如圖1。

在設(shè)備遠(yuǎn)端(如武漢長(zhǎng)控總部)建立了水輪機(jī)調(diào)速器和發(fā)電機(jī)勵(lì)磁裝置遠(yuǎn)程運(yùn)營(yíng)維護(hù)中心，通過(guò)圖像、聲音、數(shù)據(jù)等多種信息將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備狀態(tài)、現(xiàn)場(chǎng)圖景發(fā)回遠(yuǎn)程運(yùn)營(yíng)維護(hù)中心；也可通過(guò)聲音、圖像同步等方式指揮現(xiàn)場(chǎng)人員動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)武漢長(zhǎng)控水輪機(jī)調(diào)速器和發(fā)電機(jī)勵(lì)磁裝置專家團(tuán)隊(duì)對(duì)在線運(yùn)行的調(diào)速器和(或)勵(lì)磁裝置進(jìn)行遠(yuǎn)程運(yùn)營(yíng)維護(hù)服務(wù)(用戶可以現(xiàn)場(chǎng)“開(kāi)通/關(guān)斷”遠(yuǎn)程運(yùn)營(yíng)維護(hù)服務(wù)功能)。其服務(wù)內(nèi)容主要包括9項(xiàng)遠(yuǎn)程運(yùn)營(yíng)標(biāo)配服務(wù)項(xiàng)目和5項(xiàng)輔助與支持項(xiàng)目。

5.2.1 遠(yuǎn)程運(yùn)營(yíng)標(biāo)配服務(wù)項(xiàng)目

(1) 遠(yuǎn)程日常維護(hù)：每3個(gè)月自動(dòng)對(duì)設(shè)備體檢1次，出具“體檢報(bào)告”，分析變化趨勢(shì)、制定預(yù)防方案。其意義在于消除設(shè)備“病灶”，預(yù)防事故發(fā)生。

(2) 遠(yuǎn)程指導(dǎo)試驗(yàn)：專家應(yīng)約通過(guò)圖像、聲音、數(shù)據(jù)等提供遠(yuǎn)程同步指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，出具電子簽批的“試驗(yàn)報(bào)告”發(fā)送用戶，可有效節(jié)約廠家或試驗(yàn)院差旅和試驗(yàn)費(fèi)用。

(3) 遠(yuǎn)程診斷故障：一旦發(fā)生故障，關(guān)鍵數(shù)據(jù)自動(dòng)傳送到遠(yuǎn)程維護(hù)中心，中心立即組織專家會(huì)診并出具電子簽批“診斷報(bào)告”發(fā)送用戶。若為了深度診斷，現(xiàn)場(chǎng)可用手持式遠(yuǎn)程監(jiān)視裝置，將相關(guān)設(shè)備狀態(tài)抓拍或錄像傳回中心進(jìn)一步分析。

(4) 遠(yuǎn)程指導(dǎo)維修：專家遠(yuǎn)程出具電子簽字“建議維修工作票”發(fā)送現(xiàn)場(chǎng)，并遠(yuǎn)程通過(guò)圖像、聲音等同步交流指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備維修，猶如專家親臨現(xiàn)場(chǎng)維修。

遠(yuǎn)程診斷故障和遠(yuǎn)程指導(dǎo)維修的意義在于提高處理效率40倍，減少停機(jī)發(fā)電損失(假設(shè)派員到現(xiàn)場(chǎng)需要48 h，遠(yuǎn)程診斷及指導(dǎo)維修處理僅僅需要1 h，可大大節(jié)約派員現(xiàn)場(chǎng)費(fèi)用)。

(5) 遠(yuǎn)程指導(dǎo)調(diào)試：在調(diào)試階段，專家遠(yuǎn)程指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)人員簡(jiǎn)單動(dòng)作，遠(yuǎn)程調(diào)試設(shè)備、簡(jiǎn)單試驗(yàn)、調(diào)整參數(shù)等。專家通過(guò)遠(yuǎn)程觀察圖像、數(shù)據(jù)、聲音等隨時(shí)提醒、糾正、確認(rèn)現(xiàn)場(chǎng)人員動(dòng)作，以確保安全、準(zhǔn)確，猶如專家親臨現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)試驗(yàn)。其意義在于節(jié)約人力成本和設(shè)備調(diào)試費(fèi)。

(6) 技術(shù)咨詢服務(wù)：隨時(shí)留言或應(yīng)約在線技術(shù)咨詢服務(wù)，專家解答技術(shù)問(wèn)題。其意義在于節(jié)約來(lái)廠學(xué)習(xí)時(shí)間及費(fèi)用；隨時(shí)解答技術(shù)人員問(wèn)題。

(7) 遠(yuǎn)程技術(shù)培訓(xùn)：遠(yuǎn)程教學(xué)或遠(yuǎn)程演示設(shè)備安裝、調(diào)試、維修、保養(yǎng)等過(guò)程。通過(guò)圖像、聲音等交流、提問(wèn)、解答等，完全與現(xiàn)場(chǎng)臨摹學(xué)習(xí)效果一樣。其意義在于節(jié)約來(lái)廠學(xué)習(xí)時(shí)間及費(fèi)用，不斷培養(yǎng)用戶管理、使用、維護(hù)、維修設(shè)備等能力。

(8) 遠(yuǎn)程設(shè)備驗(yàn)收：設(shè)備制造過(guò)程中，可按用戶、設(shè)計(jì)院、廠家等共同商定的驗(yàn)收項(xiàng)目、時(shí)間及流程等遠(yuǎn)程驗(yàn)收。通過(guò)圖像、聲音、數(shù)據(jù)等取證、存檔、電子簽字等出具驗(yàn)收?qǐng)?bào)告，達(dá)到來(lái)廠驗(yàn)收效果。其意義在于節(jié)約來(lái)廠驗(yàn)收費(fèi)用。

(9) 設(shè)備檔案管理：全生命周期設(shè)備檔案管理，供用戶實(shí)時(shí)申請(qǐng)查閱。

5.2.2 輔助與支持項(xiàng)目

(1) 用戶技術(shù)培訓(xùn)：每年2人次來(lái)廠技術(shù)培訓(xùn)。

(2) 監(jiān)視設(shè)備安裝：現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)監(jiān)視設(shè)備安裝并調(diào)試。

(3) 定期現(xiàn)場(chǎng)巡檢設(shè)備：每年提供我方專家免費(fèi)到現(xiàn)場(chǎng)巡查或售后服務(wù)1次。

(4) 網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備1套：用于設(shè)備數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸上網(wǎng)。

(5) 遠(yuǎn)程監(jiān)視設(shè)備1套：標(biāo)準(zhǔn)版。

6 遠(yuǎn)程運(yùn)營(yíng)維護(hù)系統(tǒng)實(shí)施方案

遠(yuǎn)程運(yùn)營(yíng)與維護(hù)和遠(yuǎn)程診斷及維護(hù)都并非是全新的概念，過(guò)去就有借用PSTN網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，這是一種電路交換方式，通俗地說(shuō)就是通過(guò)電話交換網(wǎng)和MODEM建立的數(shù)據(jù)傳輸，因此線路和硬件成本低，曾經(jīng)是一種切實(shí)可行的解決辦法，但其數(shù)據(jù)傳輸率極低，已不適合現(xiàn)在的工業(yè)環(huán)境，并且要求客戶端也要購(gòu)買與服務(wù)端相同的組態(tài)軟件，使用運(yùn)行維護(hù)成本未見(jiàn)降低多少，所以現(xiàn)在已被逐漸淘汰?，F(xiàn)階段使用VPN，這是一種借助Internet網(wǎng)的遠(yuǎn)程訪問(wèn)方式，它解決了數(shù)據(jù)傳輸率的問(wèn)題，但由于需要建立專用虛擬子網(wǎng)，使得服務(wù)商的投資和運(yùn)維成本大幅提高，這些勢(shì)必轉(zhuǎn)嫁給客戶，提高客戶使用成本，同時(shí)這種方案要求客戶有能力維護(hù)2套網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，因此，客戶認(rèn)為這種遠(yuǎn)程診斷方式得不償失而不愿支持。當(dāng)然，也可以借用現(xiàn)有的遠(yuǎn)程協(xié)助工具，這種方式看似沒(méi)什么成本，但它們要求有1臺(tái)接入Internet的現(xiàn)地PC機(jī)，而這些工具軟件是民用化的設(shè)計(jì)，客戶網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的數(shù)據(jù)將暴露在Internet上，達(dá)不到工業(yè)級(jí)的安全性，且遠(yuǎn)程用戶是得不到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的，也不能準(zhǔn)確地操控遠(yuǎn)方控制計(jì)算機(jī)(如PLC)，并不能進(jìn)行遠(yuǎn)程維護(hù)；并且這種方式要求客戶端也要購(gòu)買與服務(wù)端相同的組態(tài)軟件，成本也不見(jiàn)得低。

在這里，提出一種利用P2P方式穿透NAT(網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換)來(lái)解決VPN的高成本問(wèn)題，利用分布存儲(chǔ)形成的云數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)回溯分析診斷低成本高效率方案。這個(gè)方案僅將1臺(tái)中/低端服務(wù)器暴露在internet上進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)路由分析(原理見(jiàn)圖2，服務(wù)/客戶端程序均為我們自主研發(fā))，當(dāng)虛擬鏈接建立后即可像內(nèi)網(wǎng)一樣通訊，同時(shí)這個(gè)過(guò)程對(duì)客戶來(lái)說(shuō)是透明的，不需要任何的專業(yè)知識(shí)。對(duì)于一些新型號(hào)的PLC(如M258、X20等)來(lái)說(shuō)，此時(shí)已具備遠(yuǎn)程診斷條件。對(duì)于較早安裝的PLC，它們不具備網(wǎng)絡(luò)通訊能力，只要安裝我們自主開(kāi)發(fā)的串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)的接口(市面上的類似接口均不具備NAT穿透能力)，就可以進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷和維護(hù)了。在這個(gè)方案中，客戶端不需要安裝PLC的組態(tài)軟件，甚至不需要現(xiàn)場(chǎng)PC機(jī)，僅需接上我們開(kāi)發(fā)的NAT接口就行，不需要更多的硬件和專業(yè)人員的投入。

圖2 利用P2P方式穿透流程原理

本系統(tǒng)的技術(shù)設(shè)計(jì)思想如下：

(1) 針對(duì)目前水電設(shè)備行業(yè)和互聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)狀，利用現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)資源，采用物聯(lián)網(wǎng)模型，建立P2P鏈接，進(jìn)行非對(duì)稱大數(shù)據(jù)流傳送，保障眾多設(shè)備的實(shí)時(shí)采樣數(shù)據(jù)暢通傳送并通過(guò)語(yǔ)音、視頻、數(shù)據(jù)的多播傳送，進(jìn)行遠(yuǎn)程督導(dǎo)維護(hù)和專家異地會(huì)診。

(2) 我們采用Nat穿洞方式，只需1臺(tái)暴露在公網(wǎng)上的服務(wù)器就可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程設(shè)備與本地監(jiān)控電腦穿越各自的子網(wǎng)建立直接連接(P2P連接)。開(kāi)發(fā)具有Nat穿透能力的串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)接口板，以及網(wǎng)關(guān)接口板,使現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備可以直接透明地連接到服務(wù)端，減少客戶的再投資。利用Nat穿透技術(shù)，建立P2P的數(shù)據(jù)交換(物聯(lián)網(wǎng)模式)，節(jié)省網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本，大大降低投資和節(jié)約人力資源。

(3) 建立分布式數(shù)據(jù)庫(kù)作為對(duì)設(shè)備特征進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)；通過(guò)各種相關(guān)回溯算法建立設(shè)備運(yùn)行特征曲線，方便日后使用方運(yùn)行決策的制定，并可加快設(shè)備生產(chǎn)方技術(shù)革新速度。使用分布數(shù)據(jù)庫(kù)，建立歷史數(shù)據(jù)庫(kù)，為遠(yuǎn)期規(guī)劃中的基于大數(shù)據(jù)的設(shè)備運(yùn)行分析系統(tǒng)創(chuàng)建基礎(chǔ)。

(4) 實(shí)現(xiàn)分布式數(shù)據(jù)庫(kù)的安全共享管理，利用這種數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析。目前行業(yè)內(nèi)沒(méi)有提出利用大數(shù)據(jù)進(jìn)行技術(shù)革新的概念，原因在于設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)是集中式建立的，數(shù)據(jù)基本是采樣數(shù)據(jù)，不具備大數(shù)據(jù)的特征。所以我們利用P2P的對(duì)等聯(lián)接，在全網(wǎng)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)相互共享。

(5) 用P2P方式連接遠(yuǎn)程設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控及設(shè)備診斷，這也是目前行業(yè)內(nèi)暫時(shí)沒(méi)有的遠(yuǎn)程服務(wù)系統(tǒng)，究其原因主要是P2P是進(jìn)入21世紀(jì)后的新概念，而且P2P本身存在安全漏洞。因此，該方式的技術(shù)難點(diǎn)之一就是P2P數(shù)據(jù)傳送的安全問(wèn)題。當(dāng)下，著力解決好UDP協(xié)議下大數(shù)據(jù)流的分解/組裝和加密問(wèn)題，才能確保海量數(shù)據(jù)的安全和實(shí)時(shí)性。

(6) 安全加密工作處理：相對(duì)于傳統(tǒng)客戶/服務(wù)器模式的服務(wù)器可以做主動(dòng)和被動(dòng)的防御，P2P節(jié)點(diǎn)的安全防護(hù)手段匱乏，且P2P協(xié)議有缺乏必要認(rèn)證機(jī)制的固有安全漏洞，沒(méi)辦法對(duì)黑客攻擊進(jìn)行可靠防御，所以針對(duì)P2P方式傳輸，我們采用消息摘要算法(MD)對(duì)每段Message(字節(jié)串)產(chǎn)生fingerprint(指紋)，并加入數(shù)字指紋認(rèn)證技術(shù)(如MD5)防止監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)被篡改并保證數(shù)據(jù)存儲(chǔ)安全，同時(shí)使用主要應(yīng)用于金融業(yè)的快速DES算法加密算法進(jìn)行數(shù)據(jù)加密，防止數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中被竊視[5]。

本系統(tǒng)對(duì)客戶的網(wǎng)絡(luò)要求極低，無(wú)論是內(nèi)網(wǎng)、2G、3G，能用QQ的網(wǎng)絡(luò)均可接入本平臺(tái)，而且沒(méi)有繁復(fù)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)置，不要網(wǎng)絡(luò)專用知識(shí)，不必設(shè)置路由器等設(shè)備，完全地即插即用。它必須由客戶發(fā)起請(qǐng)求，才能建立虛連接，所以不須擔(dān)心診斷服務(wù)端會(huì)誤發(fā)指令動(dòng)作客戶設(shè)備，同時(shí)虛連接建立后的數(shù)據(jù)對(duì)話均使用DES加密算法，有可靠的數(shù)據(jù)安全性?；竟δ軐?shí)現(xiàn)如下：

(1) 遠(yuǎn)程監(jiān)視，將運(yùn)行數(shù)據(jù)存入云存儲(chǔ)器。該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)視并記錄接入調(diào)速器設(shè)備所有運(yùn)行參數(shù)及數(shù)據(jù)，并自動(dòng)存入云存儲(chǔ)器。遠(yuǎn)程服務(wù)人員可以隨時(shí)登陸并監(jiān)視設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，并根據(jù)需要，打開(kāi)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)，分析前期設(shè)備運(yùn)行狀況。

(2) 遠(yuǎn)程調(diào)試與實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)?，F(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行維護(hù)人員技術(shù)能力薄弱，可以通過(guò)遠(yuǎn)程進(jìn)行調(diào)試和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)?，F(xiàn)場(chǎng)人員只需要根據(jù)提示進(jìn)行簡(jiǎn)單的操作，遠(yuǎn)程服務(wù)人員就可以完成控制系統(tǒng)的各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，確保無(wú)水情況下的各項(xiàng)調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)正常。

(3) 優(yōu)化參數(shù)，促進(jìn)設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。設(shè)備在大修或小修后，設(shè)備特性肯定有所變化，前期參數(shù)不一定合適，需要進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。該系統(tǒng)根據(jù)監(jiān)視現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)程服務(wù)人員根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)及記錄波形，進(jìn)行相關(guān)參數(shù)整定，保證控制系統(tǒng)的各項(xiàng)功能最優(yōu)。

(4) 專家故障診斷系統(tǒng)。遠(yuǎn)程服務(wù)人員通過(guò)網(wǎng)絡(luò)為遠(yuǎn)程用戶提供維護(hù)服務(wù)和故障診斷服務(wù)。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和診斷并能及時(shí)地發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題，大大提高了工作效率。

(5) 遠(yuǎn)程視頻培訓(xùn)互動(dòng)系統(tǒng)。針對(duì)用戶的遠(yuǎn)程培訓(xùn)需求，可以進(jìn)行遠(yuǎn)程視頻培訓(xùn)，并可以與現(xiàn)場(chǎng)用戶“一對(duì)一”互動(dòng)。遠(yuǎn)程培訓(xùn)打破了傳統(tǒng)的培訓(xùn)模式，降低了運(yùn)營(yíng)成本，培訓(xùn)時(shí)不受時(shí)間、地點(diǎn)等因素的影響，給培訓(xùn)工作帶來(lái)了一次新的變革。增加與現(xiàn)場(chǎng)用戶互動(dòng)，培訓(xùn)更加有針對(duì)性，效果更好。

目前，我們已經(jīng)通過(guò)武漢長(zhǎng)控平臺(tái)對(duì)客戶端進(jìn)行了水電機(jī)組控制設(shè)備遠(yuǎn)程運(yùn)營(yíng)維護(hù)的部分服務(wù)，得到了客戶的充分認(rèn)可。經(jīng)過(guò)我們前期的大力宣傳和客戶調(diào)研，很多設(shè)備使用方非常樂(lè)意以包年或單次收費(fèi)的方式購(gòu)買水電機(jī)組控制設(shè)備遠(yuǎn)程運(yùn)營(yíng)維護(hù)系統(tǒng)或部分服務(wù)功能。特別值得一提的是，云貴地區(qū)一些客戶已訂購(gòu)或有意向訂購(gòu)了本系統(tǒng)提供的服務(wù)。

7 結(jié) 語(yǔ)

隨著水電資源利用和水電開(kāi)發(fā)技術(shù)的進(jìn)展，水電機(jī)組的容量越來(lái)越大，結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，且水電電能在電網(wǎng)中所占的比例也越來(lái)越大，水電機(jī)組的安全運(yùn)行對(duì)水電廠及電網(wǎng)的安全都至關(guān)重要。因此，水電機(jī)組的安全性問(wèn)題倍受關(guān)注，實(shí)施“水電機(jī)組控制設(shè)備遠(yuǎn)程運(yùn)營(yíng)維護(hù)系統(tǒng)”是掌控機(jī)組安全性的必由之路。

目前，水電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷的相關(guān)技術(shù)發(fā)展得如火如荼，而水電機(jī)組控制設(shè)備遠(yuǎn)程運(yùn)營(yíng)維護(hù)系統(tǒng)只有概念上的提及，國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有相關(guān)的成熟產(chǎn)品?？梢灶A(yù)言，水電機(jī)組控制設(shè)備遠(yuǎn)程運(yùn)營(yíng)維護(hù)系統(tǒng)將成為未來(lái)水力發(fā)電企業(yè)發(fā)展的必然選擇。一旦它在水利水電工程中推廣應(yīng)用，將提高水能的綜合利用率，并保障水利水電工程的運(yùn)行安全與設(shè)備安全[6]。

工業(yè) 4.0 時(shí)代已經(jīng)來(lái)臨，積極參與并引領(lǐng)工業(yè) 4.0 是信息化強(qiáng)國(guó)、中國(guó)崛起、企業(yè)超常發(fā)展進(jìn)步的必由之路，我們應(yīng)該努力成為工業(yè) 4.0 的開(kāi)拓者、引領(lǐng)者與實(shí)踐者。工業(yè) 4.0 也是中國(guó)企業(yè)進(jìn)行轉(zhuǎn)型升級(jí)、提升核心競(jìng)爭(zhēng)力與創(chuàng)新商業(yè)模式的最大轉(zhuǎn)機(jī)，水利水電行業(yè)企業(yè)理應(yīng)抓住這一歷史機(jī)遇，積極開(kāi)展有關(guān)應(yīng)用實(shí)踐，把握好我國(guó)工業(yè) 4.0的發(fā)展方向，積極發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)型制造向服務(wù)型制造轉(zhuǎn)變。我們開(kāi)發(fā)的“水電機(jī)組控制設(shè)備遠(yuǎn)程運(yùn)營(yíng)維護(hù)系統(tǒng)”就是緊跟國(guó)家政策適應(yīng)新形勢(shì)的充分體現(xiàn)?！八姍C(jī)組控制設(shè)備遠(yuǎn)程運(yùn)營(yíng)維護(hù)系統(tǒng)”研究成果的用戶調(diào)研和試用情況表明：用戶對(duì)該系統(tǒng)有強(qiáng)烈和濃厚的興趣，反應(yīng)非常積極。這代表著未來(lái)運(yùn)營(yíng)維護(hù)模式發(fā)展方向的“水電機(jī)組控制設(shè)備遠(yuǎn)程運(yùn)營(yíng)維護(hù)系統(tǒng)”深得到用戶、同行和市場(chǎng)的一致認(rèn)可與好評(píng)，值得我們水電人去推廣。本系統(tǒng)將引領(lǐng)水電機(jī)組其它設(shè)備逐步實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程運(yùn)營(yíng)和維護(hù)。

[1] 林志英.設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)[M].北京：北京大學(xué)出版社，2007.

[2] 潘熙和，黃業(yè)華，程遠(yuǎn)楚. 水電機(jī)組性能參數(shù)綜合測(cè)試系統(tǒng)綜述[J]．長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2013，30(1)：76-79.

[3] 安周鵬，肖志懷，陳宇凡，等．小波包能量譜和功率譜分析在水電機(jī)組故障診斷中的應(yīng)用[J]．水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2015，34(6)：86-89.

[4] 劉曉婷，馮輔周．水電機(jī)組運(yùn)行設(shè)備監(jiān)測(cè)診斷技術(shù)及應(yīng)用[M]．北京: 中國(guó)水利水電出版社，2010．

[5] 盧 娜．基于多小波的水電機(jī)組振動(dòng)特征提取及故障診斷方法研究[D]．武漢：武漢大學(xué)，2014．

[6] 陳喜陽(yáng). 水電機(jī)組狀態(tài)檢修中若干關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 武漢：華中科技大學(xué)，2005.

(編輯：劉運(yùn)飛)

Research and Practice of Remote Operation and MaintenanceSystem for Hydropower Unit

PAN Xi-he, ZHOU Ying, HUANG Ye-hua

(Changjiang Control Equipment Department, Yangtze River Scientific Research Institute,Wuhan 430010,China)

The research background and significance of remote operation and maintenance system for hydropower unit are expounded in this article. By introducing the idea of Industry 4.0 into the sector of control equipment manufacturing for hydropower unit, “Internet Plus” devices are applied to the control equipment of hydropower unit. P2P data exchange is established using NAT penetration technology to solve the decomposition/assembly and encryption problems of data flow under the UDP protocol. On this basis, the field devices can transparently and directly connected to the server, and the reinvestment of customer is reduced. A remote operation and maintenance system for control equipment of hydropower unit is developed in this article. This system could implement the remote monitoring, diagnosis, operation, maintenance, training, and technological service for the control equipment of hydropower unit, hence is worthy of promotion.

control equipment; remote operation and maintenance; monitoring and diagnosis; Industry 4.0; Internet plus; Internet of Things

2016-07-15；

2016-08-11

潘熙和(1965-)，男，湖北陽(yáng)新人，教授級(jí)高級(jí)工程師，碩士，主要從事電站控制設(shè)備的研究工作，(電話)027-82927565(電子信箱)541194149@qq.com。

黃業(yè)華(1976-)，男，湖北孝感人，高級(jí)工程師，主要從事電站控制設(shè)備的研究工作，(電話)13971369945(電子信箱)158145737@qq.com。

10.11988/ckyyb.20160723

2017,34(1):145-150

TV734，TM312

A

1001-5485(2017)01-0145-06