基于SIS數(shù)據(jù)火電廠廠用電能耗評(píng)估分析系統(tǒng)的研究及應(yīng)用

李 哲

(中國大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司華北電力試驗(yàn)研究院，北京 100040)

目前，大部分電廠都設(shè)有廠級(jí)實(shí)時(shí)信息監(jiān)控系統(tǒng)(SIS)，是集過程實(shí)時(shí)監(jiān)測、優(yōu)化控制及生產(chǎn)過程管理為一體的廠級(jí)自動(dòng)化信息系統(tǒng)[1]，對(duì)發(fā)電廠的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)有效地進(jìn)行了存儲(chǔ)與監(jiān)控，從電廠現(xiàn)有的SIS中可以獲取較為完整的廠用電信息，提高了對(duì)于電能量的統(tǒng)計(jì)效率[2-3]，但是在獲取和存儲(chǔ)電能量數(shù)據(jù)之后，對(duì)這些數(shù)據(jù)的分析和管理上存在缺失。且由于各設(shè)備時(shí)標(biāo)、單位脈沖電量值不統(tǒng)一，各電量數(shù)據(jù)的同時(shí)性無法保證，個(gè)別電能表超差、互感器超差或相關(guān)二次回路原因造成數(shù)據(jù)異常等，這些都給電量平衡分析、廠用能耗分析帶來困難[4-5]。

因此，通過開發(fā)一套基于電站SIS的廠用電能耗評(píng)估系統(tǒng)軟件來完成電廠電平衡分析，實(shí)現(xiàn)短期內(nèi)對(duì)計(jì)量系統(tǒng)健康狀況的評(píng)估；繪制全面詳細(xì)的動(dòng)態(tài)廠用電構(gòu)成，分析長期以來廠用設(shè)備能耗變化情況，并進(jìn)行設(shè)備、機(jī)組、電廠間橫向比較。最終用以指導(dǎo)廠用電節(jié)能改造工作，降低廠用電率。

1 廠用電能耗評(píng)估系統(tǒng)模型建立

廠用電能耗評(píng)估系統(tǒng)是基于電量平衡原理監(jiān)測和判斷電量計(jì)量系統(tǒng)的有效性、完整性和準(zhǔn)確性，掌握廠用電率的動(dòng)態(tài)變化及原因分析，最終給出具體的降低能耗的措施。該系統(tǒng)計(jì)算分析思路如下。

1.1 原始數(shù)據(jù)整理

從電廠取來SIS中的發(fā)電機(jī)端、主變高壓側(cè)、高廠變高壓側(cè)和廠用主要高壓電動(dòng)機(jī)等計(jì)量點(diǎn)的電量數(shù)據(jù)，根據(jù)已確定的需要對(duì)廠用能耗分析的時(shí)間段進(jìn)行分析整理，形成計(jì)算所需的“數(shù)據(jù)庫”。

1.2 綜合廠用能耗分析

一般廠用電能耗上升即綜合廠用電率上升的原因有以下幾種：廠用負(fù)荷沒有進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整；主變壓器(以下簡稱主變)的負(fù)載率偏低；發(fā)電負(fù)荷波動(dòng)大；機(jī)組深度進(jìn)相運(yùn)行；機(jī)組頻繁啟機(jī)；關(guān)口表計(jì)量問題等。綜合上述原因,將廠用能耗分析系統(tǒng)分為以下幾個(gè)部分。

a. 根據(jù)所選時(shí)間段、所選電廠機(jī)組的綜合廠用電情況，可輸出機(jī)組的發(fā)電量、主變上送電量、下網(wǎng)電量、生產(chǎn)用廠用電量、綜合損失電量、綜合線損和變損電量、不平衡電量和綜合廠用電率；同時(shí)，系統(tǒng)可同步輸出往年同期的電量情況，形成電量縱向?qū)Ρ取?/p>

b. 根據(jù)所選時(shí)間段、所選電廠統(tǒng)計(jì)輸出每臺(tái)機(jī)組的啟停機(jī)情況，計(jì)算每次啟停機(jī)過程中相應(yīng)時(shí)段下網(wǎng)電量與啟機(jī)消耗電量，最終輸出所選時(shí)間段所選電廠機(jī)組啟停機(jī)次數(shù)、機(jī)組每次啟機(jī)消耗電量，形成新的數(shù)據(jù)庫，在發(fā)生啟停機(jī)耗電量異常情況及時(shí)查找異常原因。

c. 根據(jù)所選時(shí)間段、電廠、所選機(jī)組、所選機(jī)組的主變平均功率因數(shù)分析，通過流過主變的正向和反向有功功率計(jì)算出選定時(shí)間段內(nèi)主變平均功率因數(shù)。針對(duì)某些有進(jìn)相運(yùn)行需求的機(jī)組，主變的平均功率因數(shù)可反饋出該機(jī)組的進(jìn)相深度，進(jìn)相深度的改變將會(huì)對(duì)綜合廠用電率造成影響。

d. 針對(duì)不同工況，對(duì)主要高壓用電設(shè)備(電廠重要輔機(jī))的電量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。輔機(jī)電動(dòng)機(jī)的耗電量對(duì)廠用電率起著決定性作用，合理調(diào)整運(yùn)行方式、優(yōu)化節(jié)能改造同樣影響著廠用電率[6]，所以，掌握主要輔機(jī)用電量的動(dòng)態(tài)變化對(duì)調(diào)整輔機(jī)運(yùn)行方式、主要輔機(jī)工頻改造等有著重要意義。

2 軟件結(jié)構(gòu)與功能應(yīng)用

基于廠用電能耗評(píng)估系統(tǒng)模型，搭建基于SIS數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程采集的廠用電率計(jì)算分析系統(tǒng)軟件，通過軟件將SIS中所需數(shù)據(jù)進(jìn)行手動(dòng)觸發(fā)或定時(shí)自動(dòng)遠(yuǎn)程采集、存儲(chǔ)、分類。根據(jù)目標(biāo)任務(wù)對(duì)所需數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化、結(jié)構(gòu)化信息入庫，完成對(duì)目標(biāo)任務(wù)的全過程管理，最終通過廠用電率計(jì)算的自助分析模塊輸出分析結(jié)果，形成分析報(bào)告。

2.1 數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程采集

數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程采集連接內(nèi)網(wǎng)的SIS，需兼容不同電廠的SIS。根據(jù)用戶提供的數(shù)據(jù)點(diǎn)表中目標(biāo)任務(wù)所需數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的手動(dòng)觸發(fā)和定時(shí)抽取。預(yù)留一定數(shù)量的采集點(diǎn)，便于平臺(tái)功能擴(kuò)充。自動(dòng)數(shù)據(jù)采集通過內(nèi)網(wǎng)訪問各電廠IP，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集。手動(dòng)采集數(shù)據(jù)，需導(dǎo)出系統(tǒng)模板，將所需導(dǎo)入的數(shù)據(jù)內(nèi)容填寫至模板中，再導(dǎo)入至軟件數(shù)據(jù)庫中。采集的具體功能包括：結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)接入，根據(jù)不同電廠的數(shù)據(jù)點(diǎn)表，自動(dòng)對(duì)應(yīng)采集所需數(shù)據(jù)，支持手動(dòng)觸發(fā)和定時(shí)抽取；采集測量數(shù)據(jù)接入，具備至少采集3 000個(gè)測點(diǎn)的能力，并支持后期對(duì)采集測點(diǎn)的擴(kuò)充；非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的采集；按時(shí)間為索引抽取數(shù)據(jù)等。

2.2 數(shù)據(jù)庫

數(shù)據(jù)庫采用云端存儲(chǔ)，主要包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)計(jì)算功能。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)可實(shí)現(xiàn)海量采集數(shù)據(jù)的高效存儲(chǔ)、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)緩沖區(qū)、數(shù)據(jù)導(dǎo)出、可視化管理。數(shù)據(jù)計(jì)算可支持分布計(jì)算、批量數(shù)據(jù)處理等基礎(chǔ)功能，實(shí)現(xiàn)任務(wù)的定義、提交、調(diào)度、監(jiān)控等合理計(jì)算調(diào)配；同時(shí)還具備流計(jì)算和內(nèi)存計(jì)算等功能。通過配置廠名、機(jī)組和點(diǎn)名，最終形成樹狀可視化數(shù)據(jù)庫?？梢暬瘮?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可根據(jù)用戶需求進(jìn)行刪減和編輯。

2.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

實(shí)現(xiàn)海量采集數(shù)據(jù)的高效存儲(chǔ)，采用云端的方式，本地配置Windows服務(wù)器。具體功能應(yīng)包括：列式存儲(chǔ)；內(nèi)存存儲(chǔ)；支持將數(shù)據(jù)加載至內(nèi)存中，可直接進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取操作；在線快速讀??；監(jiān)控管理；節(jié)點(diǎn)狀態(tài)管理和監(jiān)測；非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。

對(duì)面向企業(yè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化整理并高效存儲(chǔ)。具體包括：對(duì)象管理，提供常用數(shù)據(jù)對(duì)象的創(chuàng)建和刪除操作，支持?jǐn)?shù)據(jù)庫用戶的創(chuàng)建、刪除操作以及用戶權(quán)限的分配和回收；存儲(chǔ)過程和自定義函數(shù)，支持基于存儲(chǔ)過程和自定義函數(shù)的編程語言；數(shù)據(jù)導(dǎo)出，可以根據(jù)查詢條件并具備可按需展示、輸出等功能。數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，對(duì)面向應(yīng)用的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)高效存儲(chǔ)：根據(jù)數(shù)據(jù)歸倉、數(shù)據(jù)分析等業(yè)務(wù)要求；應(yīng)用程序需完成與數(shù)據(jù)庫的連接；支持?jǐn)?shù)據(jù)生命周期管理，對(duì)逾期數(shù)據(jù)進(jìn)行定期歸倉或清除?？梢暬芾恚黝惤缑婀ぞ咝杼峁┤诵曰O(shè)計(jì)，方便用戶管理。

2.4 數(shù)據(jù)計(jì)算

支持適用于非實(shí)時(shí)、無交互的數(shù)據(jù)應(yīng)用場景中的分布式計(jì)算、批量計(jì)算等基礎(chǔ)功能。支持對(duì)內(nèi)存實(shí)時(shí)計(jì)算，適用于對(duì)動(dòng)態(tài)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算并及時(shí)反饋結(jié)果。支持結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的內(nèi)存計(jì)算，適用于高響應(yīng)的計(jì)算場景。具體功能包括：任務(wù)定義，滿足目標(biāo)任務(wù)根據(jù)業(yè)務(wù)需求進(jìn)行各類型統(tǒng)計(jì)分析任務(wù)的定義；任務(wù)提交，支持將已定義的任務(wù)提交至大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)計(jì)算組件計(jì)算集群中，實(shí)現(xiàn)任務(wù)在集群中的快速安裝部署；任務(wù)調(diào)度，支持配置任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間、間隔、次數(shù)，并根據(jù)平臺(tái)計(jì)算資源的使用情況進(jìn)行任務(wù)的合理調(diào)配；任務(wù)監(jiān)控，支持任務(wù)整個(gè)周期的監(jiān)控。

2.5 數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用

主要實(shí)現(xiàn)對(duì)采集數(shù)據(jù)的應(yīng)用。具體實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化展示窗口；自助式的目標(biāo)任務(wù)分析工具；對(duì)目標(biāo)任務(wù)結(jié)果以表格、柱狀圖等方式展示；預(yù)留接口備用。以廠用電率分析計(jì)算為目標(biāo)任務(wù)，形成自助式分析工具。個(gè)人定制想要分析的時(shí)間、電廠和機(jī)組，計(jì)算結(jié)果自動(dòng)與往年同期對(duì)標(biāo)比較，縱向掌握數(shù)據(jù)的變化情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)任務(wù)整個(gè)生命周期的統(tǒng)計(jì)計(jì)算，并通過可視化組件實(shí)現(xiàn)對(duì)最終計(jì)算分析數(shù)據(jù)的多元化展示，可支持未來對(duì)功能模塊的擴(kuò)充。

2.6 數(shù)據(jù)安全控制和權(quán)限管理

數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)環(huán)境為內(nèi)網(wǎng)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用云端，需保證數(shù)據(jù)平臺(tái)的安全。提供接入安全、存儲(chǔ)安全、隱私保護(hù)、身份驗(yàn)證等安全控制手段，為用戶提供對(duì)系統(tǒng)中的組織機(jī)構(gòu)、用戶、角色、權(quán)限等控制配置的功能。

3 算例應(yīng)用

某燃?xì)怆姀S共3臺(tái)機(jī)組，其中1、2號(hào)機(jī)為燃?xì)廨啓C(jī)組，3號(hào)機(jī)為汽輪機(jī)組，3臺(tái)發(fā)電機(jī)額定容量均為320 MW，通過3臺(tái)額定容量400 MVA的主變壓器接在同一段220 kV母線上，送往對(duì)側(cè)變電站。

首先，通過軟件功能中手動(dòng)取數(shù)方式，從SIS中調(diào)取該廠2016年、2017年兩年的全部電量數(shù)據(jù)，通過手動(dòng)方式導(dǎo)入SIS數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。在自助分析軟件系統(tǒng)中逐月對(duì)該廠2017年1～3月綜合廠用電能耗情況進(jìn)行分析，形成分析表格，將兩年同期電量情況進(jìn)行對(duì)標(biāo)分析。

其次，通過分析軟件“自助式數(shù)據(jù)分析工具-機(jī)組綜合廠用情況”得知，該廠2017年1月份2、3號(hào)機(jī)組的發(fā)電量與2016年同期基本持平(多發(fā)電量4.897×106kW·h)，主變上送電量多5.606×106kW·h，綜合損失電量減少約7.000×105kW·h；1號(hào)機(jī)的發(fā)電量同比減少5.943×107kW·h，主變上送電量減少5.982×107kW·h，綜合損失電量反而增加3.900×105kW·h?？梢娭饕?號(hào)機(jī)組引起的綜合損失電量增加較多。2017年1月份1號(hào)機(jī)組生產(chǎn)用電量為5.683×106kW·h，比2016年1月份的5.158×106kW·h多5.250×105kW·h，而此時(shí)1號(hào)發(fā)電機(jī)的發(fā)電量卻減少很多，說明2017年1月份在發(fā)電機(jī)出力減少的情況下，廠用電沒有隨之進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，降低了出力。

從分析數(shù)據(jù)中還可得出：2號(hào)主變損失電量同比增加較多，但導(dǎo)出數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)2號(hào)高廠變?cè)?016年3月前月用電量一般在5.000×106kW·h左右，但從2016年4月以后就減少為3.000×106kW·h左右，主要輔機(jī)耗電量正常，且與高廠變用電量普遍相差2.000×106kW·h左右。沒有改動(dòng)廠用設(shè)備的接線，經(jīng)后期查找，原因?yàn)楦邚S變計(jì)量表計(jì)出現(xiàn)問題導(dǎo)致計(jì)量數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯(cuò)誤。

最終，通過“自助式數(shù)據(jù)分析工具-機(jī)組啟停機(jī)情況”得知，2017年2月份該廠燃機(jī)共啟停機(jī)8次，啟停機(jī)期間，倒送電量1.210×106kW·h；而2016年2月無啟停機(jī)，所以可以得出結(jié)論為機(jī)組啟停是造成該廠廠用電率升高的主要原因。

4 結(jié)論

通過開發(fā)基于SIS的廠用電能耗評(píng)估系統(tǒng)，充分利用了SIS中的大量實(shí)時(shí)/歷史數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了基于全廠SIS數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)電平衡分析，時(shí)效性高，可全面掌握廠用電量的構(gòu)成，進(jìn)行了設(shè)備、機(jī)組、電廠間電量的橫向比較，掌握了廠用電率的動(dòng)態(tài)變化及原因分析。能夠評(píng)價(jià)電量統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)情況、排除由于正常電網(wǎng)調(diào)度、燃料供應(yīng)和表計(jì)非正常誤差等非故障性因素，給出降低廠用電的指導(dǎo)意見以及實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)量系統(tǒng)健康性的檢測。實(shí)現(xiàn)了對(duì)SIS中數(shù)據(jù)的深度挖掘和利用，為電廠安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了有利的數(shù)據(jù)保障和技術(shù)支持，收獲了顯著的實(shí)際效果。