數(shù)據(jù)中心備用發(fā)電機(jī)組在線監(jiān)測(cè)與健康度診斷

嚴(yán) 瑾，劉 強(qiáng)，劉 絢，陳志江

（中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100080）

0 引 言

為了保證數(shù)據(jù)中心持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，一般配置柴油發(fā)電機(jī)組來保障電力供應(yīng)，并投入了大量的沉沒資本，但依然會(huì)出現(xiàn)備用電源失效的情況。為了保障備用柴油發(fā)電機(jī)組健康度處于正常狀態(tài)，能夠在市電中斷時(shí)為數(shù)據(jù)中心供應(yīng)電力，現(xiàn)行的手段一般為定時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)中心的備用發(fā)電機(jī)組進(jìn)行帶載測(cè)試，通過測(cè)試的實(shí)際結(jié)果來判斷發(fā)電機(jī)組能否正常運(yùn)行。此種方法需要實(shí)際帶載，不僅降低了發(fā)電機(jī)組的壽命，消耗大量?jī)?chǔ)油，造成環(huán)境污染，一次帶載測(cè)試成本高，而且只能保障發(fā)電機(jī)組在當(dāng)前狀態(tài)下能正常運(yùn)行，不能判斷發(fā)電機(jī)組實(shí)際上的健康度及發(fā)電機(jī)組在下次市電中斷時(shí)能否正常運(yùn)行。

目前，故障預(yù)測(cè)模型研究比較成熟，文獻(xiàn)[1]提出一種集成了專家規(guī)則與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的故障預(yù)警模型，文獻(xiàn)[2]提出一種基于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的故障預(yù)警模型，文獻(xiàn)[3]提出一種針對(duì)發(fā)電機(jī)側(cè)的鏈?zhǔn)焦收项A(yù)警模型，文獻(xiàn)[4]提出構(gòu)建發(fā)電機(jī)組故障預(yù)測(cè)的本體模型和知識(shí)模型，文獻(xiàn)[5]提出一種基于灰色關(guān)聯(lián)度分析-長(zhǎng)短期記憶（Grey Relation Analysis-Long Short TermMemory，GRA-LSTM）疊加的故障預(yù)警模型，文獻(xiàn)[6]則提出一種基于大數(shù)據(jù)分析的故障預(yù)警方法。在實(shí)際應(yīng)用中，結(jié)合成本、適用性等因素，選擇合適的故障診斷和預(yù)警算法。為了彌補(bǔ)離線方法的不足，提出一種通過對(duì)數(shù)據(jù)中心備用發(fā)電機(jī)組在線監(jiān)測(cè)來進(jìn)行健康度診斷分析和預(yù)警的方法，通過對(duì)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析，從而判斷其是否處于正常狀態(tài)，避免帶載測(cè)試，增強(qiáng)發(fā)電機(jī)組作為備用電源的可靠性。

1 發(fā)電機(jī)組故障原因

1.1 燃油系統(tǒng)故障

（1）低壓油路供油不暢。柴油發(fā)電機(jī)組的低壓油路是從柴油箱到噴油泵進(jìn)油腔之間的進(jìn)油管路與回油管路，低壓油路供油不暢會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)加速困難、機(jī)組輸出功率降低、無法啟動(dòng)以及熄火等故障發(fā)生。低壓油路中的管路與管路連接處或墊圈處出現(xiàn)破損導(dǎo)致柴油泄漏，低壓油路密封性能會(huì)變差，環(huán)境空氣可以進(jìn)入低壓油路引起供油回路中空氣阻力增大，從而造成供油不暢。此外，管路變形或堵塞導(dǎo)致的低壓油路管路橫截面變小也會(huì)引起供油不暢。機(jī)組應(yīng)按時(shí)更換燃油濾芯，避免因?yàn)V芯堵塞造成供油不暢。

（2）輸油泵活塞彈簧折斷。輸油泵活塞彈簧折斷會(huì)導(dǎo)致柴油發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行中突然熄火，不能啟動(dòng)。

（3）輸油泵止回閥密封不嚴(yán)。當(dāng)輸油泵止回閥密封不嚴(yán)時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)組將難以啟動(dòng)。

（4）高壓油路堵塞。當(dāng)高壓油管因長(zhǎng)期使用產(chǎn)生雜質(zhì)過多而堵塞或變形時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)后油管部位可能有明顯敲擊聲，柴油發(fā)電機(jī)無法正常工作，會(huì)出現(xiàn)輸出功率降低的現(xiàn)象。

（5）噴油器密封錐面損壞。噴油器內(nèi)部殘留固體殘?jiān)⑺謺?huì)造成噴油器密封錐面損壞，發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)困難。

（6）現(xiàn)有備用柴油發(fā)電機(jī)組缺陷?，F(xiàn)有備用柴油發(fā)電機(jī)組通過燃油油水分離器與燃油濾器對(duì)燃油進(jìn)行了凈化處理，但無法處理長(zhǎng)期運(yùn)行中積聚在燃油儲(chǔ)油罐的水分油污。當(dāng)燃油中顆粒物過多時(shí)，其無法濾除干凈，運(yùn)行中會(huì)因?yàn)V器堵塞導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組低頻跳機(jī)。

1.2 啟動(dòng)系統(tǒng)故障

啟動(dòng)系統(tǒng)中，啟動(dòng)電池容量不足、啟動(dòng)開關(guān)損壞均會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組無法啟動(dòng)。

1.3 冷卻系統(tǒng)故障

（1）冷卻水量稀少，不能給柴油發(fā)電機(jī)組持續(xù)冷卻，導(dǎo)致其連續(xù)發(fā)熱。

（2）水泵供水效率低，冷卻循環(huán)水流量降低，造成系統(tǒng)散熱效果差，從而導(dǎo)致冷卻水溫度過高。

（3）循環(huán)系統(tǒng)管道結(jié)垢堵塞，水垢沉淀附著在循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)，嚴(yán)重影響發(fā)電機(jī)內(nèi)的散熱效果。

（4）節(jié)溫器故障，導(dǎo)致循環(huán)異常。

（5）散熱風(fēng)扇損壞，如皮帶打滑、開裂和扇葉損壞。

1.4 控制系統(tǒng)故障

控制系統(tǒng)中，一臺(tái)高壓并機(jī)運(yùn)行機(jī)組二次接線頭高達(dá)26 000個(gè)，關(guān)鍵端子接觸不良會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組故障。

2 發(fā)電機(jī)組在線監(jiān)測(cè)

采用傳統(tǒng)離線方法來監(jiān)測(cè)發(fā)電機(jī)組存在檢測(cè)周期長(zhǎng)、無法實(shí)時(shí)了解設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的弊端，難以保障發(fā)電機(jī)組的可靠性。而在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以通過傳感器實(shí)時(shí)采集設(shè)備信息，反映設(shè)備狀態(tài)，不存在上述問題[1]。

2.1 在線監(jiān)測(cè)主要內(nèi)容

在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將傳感器安裝在需要監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵位置上，通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集，分析當(dāng)前發(fā)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)并預(yù)測(cè)未來趨勢(shì)。根據(jù)上述數(shù)據(jù)中心備用柴油發(fā)電機(jī)組故障原因分析，對(duì)備用發(fā)電機(jī)組進(jìn)行多個(gè)項(xiàng)目的監(jiān)測(cè)，具體如表1所示。

表1 備用發(fā)電機(jī)組主要檢測(cè)項(xiàng)目

數(shù)據(jù)中心備用柴油發(fā)電機(jī)組僅在市電中斷時(shí)啟用，長(zhǎng)時(shí)間處于停機(jī)狀態(tài)。在長(zhǎng)期停機(jī)放置過程中存在自然損耗，逐漸出現(xiàn)機(jī)組密封性變差、設(shè)備老化變形、接線端子阻抗變化等問題。在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在發(fā)電機(jī)組停機(jī)時(shí)仍對(duì)部分檢測(cè)項(xiàng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)判斷發(fā)電機(jī)組在停機(jī)時(shí)狀態(tài)是否發(fā)生變化，并預(yù)測(cè)下一次發(fā)電機(jī)組能否正常啟動(dòng)，避免帶載測(cè)試。由于發(fā)電機(jī)組在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行耗電量會(huì)增大，因此在發(fā)電機(jī)組停機(jī)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)僅保留基礎(chǔ)監(jiān)測(cè)功能，轉(zhuǎn)為低功耗狀態(tài)持續(xù)運(yùn)行。

2.2 監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成

（1）監(jiān)測(cè)設(shè)備。將監(jiān)測(cè)傳感器連接至柴油發(fā)電機(jī)組需要監(jiān)測(cè)的部位，并將傳感器接入在線檢測(cè)系統(tǒng)上，可以通過在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)查看傳感器采集到的信息[7]。

（2）監(jiān)測(cè)設(shè)備電源。將傳感器和在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)均連接至電源上，由電源供電。

（3）診斷分析系統(tǒng)。通過分析采集到的數(shù)據(jù)來判定柴油發(fā)電機(jī)組運(yùn)行工況和狀態(tài)，并根據(jù)判定結(jié)果進(jìn)行健康度診斷，最后將診斷結(jié)果通過人機(jī)交互界面顯示出來。

3 發(fā)電機(jī)組健康度診斷分析

通過上述在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以得到柴油發(fā)電機(jī)組實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，需要進(jìn)一步分析數(shù)據(jù)得出機(jī)組狀態(tài)。柴油發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)，診斷分析系統(tǒng)將采集的數(shù)據(jù)與系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)定正常數(shù)值范圍進(jìn)行對(duì)比，判斷采集數(shù)據(jù)是否異常。當(dāng)采集到的數(shù)據(jù)處于設(shè)定正常值范圍內(nèi)，則根據(jù)采集數(shù)據(jù)的變化進(jìn)一步分析機(jī)組狀態(tài)，并根據(jù)變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)機(jī)組未來健康度。若機(jī)組狀態(tài)良好且預(yù)測(cè)結(jié)果為下一次機(jī)組能順利啟動(dòng)且無故障運(yùn)行，則診斷預(yù)測(cè)機(jī)組健康度為健康，無需維護(hù)和帶載測(cè)試，下次可直接投入使用；若機(jī)組狀態(tài)良好但預(yù)測(cè)結(jié)果為下一次機(jī)組無法正常運(yùn)行，則診斷預(yù)測(cè)機(jī)組健康度為亞健康，需維護(hù)人員根據(jù)診斷分析系統(tǒng)的分析結(jié)果進(jìn)行檢修，檢修完成后機(jī)組可正常投入使用；若機(jī)組狀態(tài)較差，說明機(jī)組無法維持本次長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，則診斷預(yù)測(cè)機(jī)組健康度為異常前驅(qū)態(tài)，此時(shí)維護(hù)人員需做好其他機(jī)組接入或設(shè)備下電的準(zhǔn)備，機(jī)組停機(jī)后維護(hù)人員根據(jù)診斷分析系統(tǒng)的預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行檢修，檢修完成后機(jī)組可正常投入使用。當(dāng)采集到的數(shù)據(jù)異常時(shí)，則診斷運(yùn)行故障并告警，此時(shí)發(fā)電機(jī)組為不健康，機(jī)組需人工維護(hù)后再投入使用。當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)組停機(jī)時(shí)，診斷分析系統(tǒng)工作方式與機(jī)組運(yùn)行時(shí)基本一致，區(qū)別為無“異常前驅(qū)態(tài)”。

診斷分析系統(tǒng)主要包括發(fā)電機(jī)組信息采集模塊、狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊以及故障預(yù)警模塊，如圖1所示。

圖1 發(fā)電機(jī)組健康度診斷分析系統(tǒng)

其中，發(fā)電機(jī)組信息采集模塊通過傳感器等檢測(cè)儀器采集發(fā)電機(jī)組數(shù)據(jù)，并將采集數(shù)據(jù)傳遞至診斷分析系統(tǒng)中的狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊。狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊將采集到的數(shù)據(jù)與模塊中設(shè)置的正常數(shù)值范圍進(jìn)行比對(duì)，若采集數(shù)據(jù)不在正常范圍內(nèi)，則判斷為不健康，并將故障信息傳遞至故障預(yù)警模塊；若數(shù)值正常，則分析運(yùn)行數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)，將機(jī)組正常運(yùn)行信息與分析結(jié)果傳遞至故障預(yù)警模塊。故障預(yù)警模塊接收到狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊故障信息時(shí)，通過人機(jī)交互界面直接進(jìn)行告警。當(dāng)接收到狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊正常運(yùn)行信息與運(yùn)行數(shù)據(jù)分析結(jié)果時(shí)，通過模塊內(nèi)置的故障預(yù)警模型對(duì)發(fā)電機(jī)組健康度進(jìn)行診斷，診斷結(jié)果分為健康、亞健康、異常前驅(qū)以及不健康，借助人機(jī)交互界面報(bào)告診斷結(jié)果，為人工檢修提供參考，提高維護(hù)效率。

上述功能的實(shí)現(xiàn)能夠幫助數(shù)據(jù)中心維護(hù)人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)并預(yù)測(cè)柴油發(fā)電機(jī)組故障，針對(duì)性對(duì)機(jī)組進(jìn)行維護(hù)，降低數(shù)據(jù)中心維護(hù)成本，保障發(fā)電機(jī)組處于健康狀態(tài)，提高機(jī)組運(yùn)行的可靠性，同時(shí)避免帶載測(cè)試，減少能源消耗。

4 結(jié) 論

相較于現(xiàn)有的帶載測(cè)試方法，通過監(jiān)測(cè)平臺(tái)讀取設(shè)備狀態(tài)和運(yùn)行數(shù)據(jù)、故障預(yù)警，能及時(shí)進(jìn)行人工維護(hù)，延長(zhǎng)發(fā)電機(jī)組壽命，增強(qiáng)數(shù)據(jù)中心備用發(fā)電機(jī)組的可靠性，同時(shí)可以減少油量損耗，節(jié)約能源，響應(yīng)國(guó)家低碳號(hào)召。隨著數(shù)據(jù)中心的設(shè)備數(shù)量增加和功耗增大，供電保障愈發(fā)重要，備用發(fā)電機(jī)組在線監(jiān)測(cè)的必要性越來越高。5G通信技術(shù)的成熟和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展給在線監(jiān)測(cè)帶來了更多的可能性，未來將采集更多數(shù)據(jù)中心發(fā)電機(jī)組的信息，量化所提在線監(jiān)測(cè)方法的各項(xiàng)指標(biāo)，為后續(xù)系統(tǒng)優(yōu)化奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。