三峽電站智能平臺架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)

張曉宇，卞慶華，張坤峰

（中國長江電力股份有限公司三峽水力發(fā)電廠，湖北 宜昌 443133）

1 引言

根據(jù)上述建設目標和基本要求，本文構(gòu)建覆蓋電站全壽命周期，以智能數(shù)據(jù)為基礎、智能管控一體化平臺為核心、智能發(fā)電運行管控模式為目標的三峽電站智能平臺架構(gòu)[1]，在此平臺上進行了應用擴展和資源優(yōu)化調(diào)度整合。通過該平臺的信息集成，實現(xiàn)了智能數(shù)據(jù)層、智能算法層、智能應用層之間的融合，提升了設備診斷效率和安全管理維護水平。

2 三峽電站智能平臺架構(gòu)

智能發(fā)電以發(fā)電過程的數(shù)字化、自動化、信息化、標準化為基礎，以管控一體化、大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)為平臺，集成智能傳感與執(zhí)行、智能控制與優(yōu)化、智能管理與決策等技術(shù)，形成一種具備自學習、自適應、自趨優(yōu)、自恢復、自組織的智能發(fā)電運行控制管理模式，實現(xiàn)更加安全、高效、清潔、低碳、靈活的生產(chǎn)目標[2]?；诖?，運用自適應控制、模糊控制、多目標優(yōu)化等現(xiàn)代控制理論，采用大數(shù)據(jù)、深度學習、工業(yè)平臺等信息技術(shù)，構(gòu)建覆蓋電站全壽命周期，以智能數(shù)據(jù)為基礎、智能管控一體化平臺為核心、智能發(fā)電運行管控模式為目標的三峽電站智能平臺架構(gòu)，如圖1 所示。平臺軟件由具有不同功能的微組件以“搭積木”的方式組成，組件可移植、可復用，能以圖形化模式供電站運行人員根據(jù)經(jīng)驗和設備特性自行配置，組成不同系統(tǒng)和設備的智慧運行平臺。微組件可以是在設備運行、維護、狀態(tài)評估、故障診斷的技術(shù)、知識、經(jīng)驗等基礎上建立的物理機理模型，如泵運行狀態(tài)組件；或是結(jié)合大數(shù)據(jù)統(tǒng)計、人工智能算法、異常檢測、歸一化處理、數(shù)據(jù)聚類、關(guān)聯(lián)和預測等數(shù)據(jù)處理方法標準化后的數(shù)據(jù)分析模塊，如邏輯運算組件、FFT 組件等，實現(xiàn)趨勢統(tǒng)計、大數(shù)據(jù)分析及智能告警功能。

圖1 三峽電站智能平臺架構(gòu)

2.1 智能數(shù)據(jù)層

智能數(shù)據(jù)層對各分散的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)海量異構(gòu)數(shù)據(jù)進行預處理，打通生產(chǎn)經(jīng)營多個環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)孤島，是智慧電站數(shù)據(jù)治理的重要工作內(nèi)容，也是智能管控的基礎和驅(qū)動力。

（1）智能數(shù)據(jù)層由數(shù)據(jù)源、數(shù)據(jù)接口模塊、數(shù)據(jù)清洗模塊等組成，負責從II 區(qū)數(shù)據(jù)整合平臺讀取數(shù)據(jù)，進行清洗，去除重復、冗余及無效數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換、歸約、集成和統(tǒng)一編碼，為智能算法層中的優(yōu)化控制、狀態(tài)評估及診斷系統(tǒng)提供重要數(shù)據(jù)保證。

（2）系統(tǒng)采用Ⅱ區(qū)數(shù)據(jù)整合平臺提供的專用數(shù)據(jù)服務接口獲取數(shù)據(jù)，支持WebService、FTP 等通用協(xié)議。數(shù)據(jù)接口將各種通用通信協(xié)議做成獨立模塊，可以根據(jù)需要進行組合，滿足數(shù)據(jù)讀取要求。智能數(shù)據(jù)層如圖2 所示。

圖2 數(shù)據(jù)層結(jié)構(gòu)

（3）智能數(shù)據(jù)層嵌入智能測量設備，如紅外熱成像、高清攝像頭、智能機器人、聲音監(jiān)測裝置、無人機等，全天候?qū)υO備狀態(tài)進行全方位監(jiān)測，實時對巡檢結(jié)果進行識別和診斷，彌補了傳統(tǒng)人工巡檢的缺陷和不足，提高了設備運行可靠性[3]。

2.2 智能算法層

智能算法層通過智能應用層指令與智能數(shù)據(jù)層數(shù)據(jù)信息實現(xiàn)，融合先進控制算法及智能控制策略、多目標優(yōu)化、數(shù)據(jù)分析等技術(shù)手段，精細控制發(fā)電過程中的各項重要參數(shù)。智能算法層主要包括以下幾種技術(shù)：

（1）智能算法層嵌入智能數(shù)據(jù)分析技術(shù)，融合大數(shù)據(jù)分析、邊緣計算等先進技術(shù)，對電力生產(chǎn)過程中的海量數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、挖掘，歸納數(shù)據(jù)特征和規(guī)律，從而實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的深度融合，為設備智能控制提供優(yōu)化建議。

（2）智能算法層中嵌入設備實時評價規(guī)則庫，結(jié)合智能數(shù)據(jù)層提供的高可靠、高精度數(shù)據(jù)，融合相關(guān)行業(yè)標準、設備現(xiàn)場實際運行特性及專家經(jīng)驗，應用數(shù)據(jù)挖掘、機器學習和自尋優(yōu)算法，全面、精確、實時反映當前電廠設備及系統(tǒng)性能，推薦當前工況下最優(yōu)運行方式，運行人員可根據(jù)建議調(diào)整設定值和運行方式，提高機組運行效率。

語文教育家葉圣陶先生說：“就接受和發(fā)表而言，口頭的表現(xiàn)形式為聽人說和自己說。聽和讀，之于接受同樣重要；說和寫，之于發(fā)表同樣重要。”中學生學習文本語言，就是為了實現(xiàn)表達的遷移。我們要為中學生創(chuàng)設民主自由的表達空間，引導學生漫溯文本，于深度解讀處抓住語言表達的章法，以適時運用提升其口語。

（3）智能算法層嵌入機組工況和試驗工況識別算法，記錄工況原始數(shù)據(jù)、計算性能指標，根據(jù)不同工況對數(shù)據(jù)采用不同的分析策略，并自動評估性能品質(zhì)及變化趨勢，顯著增加機組控制系統(tǒng)自動化水平，大幅減少操作強度。基于機組工況的設備性能分析平臺如圖3 所示。

圖3 基于機組工況的設備性能分析平臺

（4）智能算法層中嵌入故障診斷知識庫，如圖4所示。建立大型發(fā)電機組健康狀態(tài)多維動態(tài)智能診斷模型、機組穩(wěn)定性故障診斷模型、機組導葉間隙診斷模型、推力瓦受力分布診斷模型、液壓系統(tǒng)內(nèi)漏診斷模型等，實現(xiàn)對機組運行狀態(tài)及故障的超前預警與故障診斷，方便運行人員及時掌控設備健康狀況，識別潛在風險，為智能管理提供決策支持[4]。

圖4 故障診斷種類

（5）智能算法層中嵌入智能軟測量技術(shù)，使用機理和數(shù)據(jù)雙驅(qū)動精確建模[5]，如機組穩(wěn)定性及效率數(shù)字模型、三部軸承溫度預測模型、調(diào)速器控制行為尋優(yōu)模型、液壓系統(tǒng)工況劣化預測模型等，實現(xiàn)電站設備不可測關(guān)鍵狀態(tài)在線監(jiān)測。以調(diào)速器控制行為尋優(yōu)模型為例，采用T-S 模糊模型對調(diào)速器這個復雜非線性動態(tài)系統(tǒng)進行建模，將既能有效進行自學習又能利用模糊規(guī)則推理來描述系統(tǒng)的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡控制技術(shù)應用于調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制中[6]。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 自適應模糊廣義預測控制系統(tǒng)

傳統(tǒng)調(diào)速器控制規(guī)律大多采用PID 控制，在機組確定工況下，通過整定一組恰當?shù)膮?shù)可以獲得較好的控制性能[7]。但當工況發(fā)生變化偏離設定工況時，PID 控制很難取得滿意的控制效果。針對線性模型不能準確描述系統(tǒng)動態(tài)特性，從而導致基于線性模型所設計的控制器無法取得理想控制效果的缺點[8]，將T-S 模糊模型與廣測控制（GPC）[9]相結(jié)合，采樣被控對象的輸入輸出數(shù)據(jù)，離線辨識得到T-S模糊模型，在線對模型進行自適應調(diào)整，在每個采樣時刻得到被控對象的線性化模型，采用GPC 算法對機組進行控制；同時，針對系統(tǒng)辨識輸入變量難以選擇的問題，采用決策樹搜索法來挑選輸入變量，建立系統(tǒng)的最優(yōu)模糊模型。通過對模型輸出結(jié)論部分在線辨識，既避免了全局模型在線實時辨識造成的算法復雜耗時，又能保證系統(tǒng)具有較高的動態(tài)性能和魯棒性。實踐表明，基于T-S 模糊模型的水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)自適應廣義預測控制器具有很好的控制效果，控制性能指標明顯優(yōu)于傳統(tǒng)PID 控制方法和基于線性模型的GPC 控制方法。

2.3 智能應用層

智能應用層是平臺的核心，其根據(jù)智能算法層提供的設備實時評價方案、故障診斷結(jié)果，以各類分析算法與模型為支撐，實現(xiàn)水電站設備狀態(tài)的全方位實時自動巡檢、自動報表定制等。智能應用包括智能巡檢、智能報表、智能檢修等應用軟件，提供設備狀態(tài)實時監(jiān)測、智能巡檢、預警報警、趨勢預測、狀態(tài)檢修等功能，為運行人員提供決策支持。

（1）智能應用層中嵌入設備狀態(tài)實時自動巡檢系統(tǒng)。包括以各類分析算法與模型為支撐的設備狀態(tài)實時自動巡檢系統(tǒng)、基于判斷監(jiān)測數(shù)據(jù)是否異常的監(jiān)測狀態(tài)巡檢系統(tǒng)、與設備特征值比較的設備性能巡檢系統(tǒng)等。以上導狀態(tài)巡檢策略為例，系統(tǒng)從3 方面對設備狀態(tài)進行巡檢：①關(guān)鍵參數(shù)越限巡檢：實時分析上導關(guān)鍵參數(shù)的狀態(tài)，判斷是否有越限報警。②關(guān)鍵參數(shù)離群巡檢：將實時監(jiān)測數(shù)值和歷史分布區(qū)間進行對比，分析參數(shù)是否偏離正常區(qū)間。③常見故障巡檢：根據(jù)當前上導擺度、上機架振動數(shù)據(jù)，結(jié)合上導擺度峰峰值、間隙值長期變化趨勢，分析軸瓦松動情況；計算上導瓦溫偏差數(shù)值，結(jié)合上導軸心軌跡形狀，分析判斷上導瓦隙是否存在不均勻；分析瓦溫是否超標或有增大趨勢，結(jié)合潤滑油溫、油位，分析上導潤滑油系統(tǒng)是否異常。

實時自動巡檢不僅能夠根據(jù)當前狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)出報警信息，還能根據(jù)數(shù)據(jù)的變化趨勢發(fā)出預警提示，以預防重大故障的發(fā)生；所有報警閾值可根據(jù)設備不同運行工況計算，也可根據(jù)運行人員經(jīng)驗設定，具有很強的自適應性。

（2）智能應用層中嵌入智能運行分析報表。以智能數(shù)據(jù)層數(shù)據(jù)為基礎，結(jié)合各種分析算法模型及運行分析經(jīng)驗，自動生成運行分析報表，包括實時狀態(tài)分析報表、定期狀態(tài)分析報表、專項檢查分析報表、定期巡檢報表等。在此基礎上，提供各種分析功能，如頻域分析、閾值分析、趨勢分析、對比分析等，智能分析評價機組健康狀態(tài)，實時給出當前工況下最優(yōu)操作目標值和最優(yōu)運行方式，指導機組智慧運行。智能分析報表結(jié)合了診斷和評價技術(shù)，可自動根據(jù)設定的狀態(tài)報告分析模板選取相關(guān)的數(shù)據(jù)，自動進行相應的計算并提取相應的特征數(shù)據(jù)，根據(jù)特征數(shù)據(jù)提出相應的處理意見，具有分析報表定制化、分析手段多樣化、分析結(jié)論精準化等特點。

以擺度特性定期狀態(tài)分析報表為例，利用系統(tǒng)長期積累的不同水頭和負荷下的擺度數(shù)據(jù)，通過多維相關(guān)趨勢分析工具分析導軸承擺度在不同水頭下隨負荷的變化趨勢，掌握水頭對導軸承擺度隨負荷變化特性的影響，為優(yōu)化運行提供數(shù)據(jù)基礎；此外，通過分析導軸承擺度幅值、相位和擺度測點平均間隙在相同工況下隨時間的變化趨勢，分析導軸承擺度是否存在突變，輔助及時發(fā)現(xiàn)機組異常情況。

（3）智能應用層中嵌入智能檢修系統(tǒng)。長期以來，三峽電站有一套成熟的基于人工打分系統(tǒng)的設備檢修決策方法，通過長期的實踐已證明了此決策方法有其合理性，但是根據(jù)經(jīng)驗的人工設備檢修決策受限于經(jīng)驗和知識水平，有其局限性。融合計算機智能化輔助檢修決策和人工檢修決策信息，將狀態(tài)檢修、智能預警、專家診斷[10]、遠程診斷等技術(shù)應用于狀態(tài)檢修策略的制定、檢修過程實施的智能狀態(tài)檢修系統(tǒng)，構(gòu)建基于設備性能特征值的等級評估模型、基于故障診斷的劣化預測模型、基于健康預測及健康評估的健康管理模型、基于自學習訓練樣本的可靠性檢修模型、基于大數(shù)據(jù)統(tǒng)計的壽命評判模型等，能夠?qū)崿F(xiàn)對重要系統(tǒng)和設備的自學習、自分析、自診斷，從而實現(xiàn)科學優(yōu)化檢修項目、檢修周期、檢修費用，最終實現(xiàn)檢修管理水平提升和檢修成本優(yōu)化。

以變壓器狀態(tài)評估方法為例，傳統(tǒng)的三比值法評價指標固化、無法綜合參照設備各個參量的不足，采用“在線數(shù)據(jù)＋實驗機理數(shù)據(jù)”或“智能算法＋故障機理模型”這類數(shù)據(jù)驅(qū)動與傳統(tǒng)評價指標相結(jié)合的方式[11]，能夠有效地判斷變壓器的運行狀態(tài)。選取油色譜數(shù)據(jù)、電氣試驗數(shù)據(jù)、油品質(zhì)試驗數(shù)據(jù)、絕緣油特性數(shù)據(jù)為定量指標，變壓器運行情況及檢修記錄為定性指標，構(gòu)建變壓器絕緣狀態(tài)評估指標體系如圖6 所示?；谥笜肆踊却_定等級劃分標準{H1，H2，H3，H4}，構(gòu)建變壓器狀態(tài)評估的物元層次模型，引入最優(yōu)權(quán)重和D-S 證據(jù)理論，對評估中的模糊性和隨機性等不確定性整體考慮，從而得出最終狀態(tài)評估結(jié)果。

圖6 變壓器絕緣狀態(tài)評估體系

（4）智能應用層中嵌入預警報警系統(tǒng)。根據(jù)設備運行特性及模型，結(jié)合積累的歷史數(shù)據(jù)，利用聚類分析算法等智能趨勢分析算法對設備變化趨勢、變化率異常自動識別并及時告警，報警策略包括動態(tài)閾值報警、參數(shù)離群報警、參數(shù)變化異常報警、設備故障報警等。預警報警系統(tǒng)可解決機組漏水、漏油、軸承溫度緩慢異常變化等問題，實現(xiàn)故障超前預警、超限報警和趨勢預測。

3 結(jié)語

本文分析了三峽電站智能化現(xiàn)狀，探討了三峽電站智能平臺架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)及業(yè)務模塊功能。三峽電站智能平臺整合了全廠的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，為生產(chǎn)過程深度分析及指導全廠運行控制提供了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)基礎；此外，在此數(shù)據(jù)平臺上提供了豐富的智能算法及其應用環(huán)境供運行控制調(diào)用，能完成包含機器學習、能效計算、運行優(yōu)化、智能控制等各種生產(chǎn)環(huán)節(jié)的計算,提高了電站的智能化水平[8]。