基于大數(shù)據(jù)的水電廠監(jiān)控系統(tǒng)輔助決策功能研究與設計

摘" 要：隨著電力數(shù)字化改革進程加速和設備不斷的技術改造升級，水電廠監(jiān)控系統(tǒng)接入的各類設備“三遙”數(shù)據(jù)不斷增加。海量監(jiān)控數(shù)據(jù)產(chǎn)生后若能夠加以二次開發(fā)利用，將進一步發(fā)揮數(shù)字財產(chǎn)的價值。該文研究并設計基于大數(shù)據(jù)的水電廠監(jiān)控系統(tǒng)輔助決策功能。通過對水電廠監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行加工分析，實現(xiàn)設備的運行狀態(tài)分析、狀態(tài)預警、應急及事故處置輔助決策等，為水電廠監(jiān)控系統(tǒng)功能建設及改造提供思路。

關鍵詞：大數(shù)據(jù)；水電廠；監(jiān)控系統(tǒng)；數(shù)據(jù)二次開發(fā)；輔助決策

中圖分類號：TP277" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）36-0130-05

Abstract： With the acceleration of the power digitalization reform process and the continuous technological transformation and upgrading of equipment， the \"three remote\" data of various equipment connected to the hydropower plant monitoring system continues to increase. If the massive monitoring data can be developed and utilized again after being generated， the value of digital property will be further exerted. This paper studies and designs the decision-making auxiliary function of hydropower plant monitoring system based on big data. By processing and analyzing the data of the hydropower plant monitoring system， equipment operating status analysis， status early warning， emergency and accident handling auxiliary decision-making are realized， thus providing ideas for the functional construction and transformation of the hydropower plant monitoring system.

Keywords： big data; hydropower plant; monitoring system; secondary data development; decision-making assistance

水電廠監(jiān)控系統(tǒng)是應用計算機參與針對水電廠的監(jiān)測與控制并借助一些輔助部件與被控對象相聯(lián)系，以實現(xiàn)水電廠的安全、穩(wěn)定、高效運行而構成的系統(tǒng)[1]。水電廠各類設備的運行監(jiān)視、操作、異常處置和故障分析等都需要利用監(jiān)控系統(tǒng)相關功能進行實現(xiàn)。

現(xiàn)階段，隨著電力數(shù)字化改革進程加速和設備不斷的技術改造升級，監(jiān)控系統(tǒng)接入的各類設備“三遙”數(shù)據(jù)不斷增加。若監(jiān)控系統(tǒng)不具備輔助決策功能，無法實現(xiàn)對海量數(shù)據(jù)的加工分析和二次開發(fā)，則海量的數(shù)據(jù)依然要靠人工進行處理和分析，難以實現(xiàn)異常的提前預知干預和異常后的輔助決策。這樣的情況下，不僅給水電廠的安全穩(wěn)定運行帶來了問題，同時制約了生產(chǎn)力的發(fā)展，浪費了數(shù)據(jù)資源和人力資源。

本文設計基于大數(shù)據(jù)的水電廠監(jiān)控系統(tǒng)輔助決策功能。通過對水電廠各類主機、輔機數(shù)據(jù)及運行日志等監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行加工分析，實現(xiàn)設備的運行狀態(tài)分析、狀態(tài)預警、應急及事故處置輔助決策等，為水電廠監(jiān)控系統(tǒng)建設及改造提供思路。

1" 水電廠監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)使用問題分析

1.1" 監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)互通性不足

目前，受限于監(jiān)控系統(tǒng)硬件性能及兼容性、網(wǎng)絡安全等限制，部分水電廠往往存在各子系統(tǒng)各自為政，監(jiān)控數(shù)據(jù)難以互通的情況[2]。圖1為國內某水電廠設備監(jiān)測系統(tǒng)建設情況，水輪機部分由機組在線監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測、發(fā)電機及輔機部分由下位機監(jiān)測、主變部分由主變在線監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測。水輪機及主變因單獨建設有在線監(jiān)測系統(tǒng)，導致僅有部分數(shù)據(jù)上送監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)無法實現(xiàn)全廠設備的統(tǒng)一監(jiān)控和全量數(shù)據(jù)采集。

1.2" 監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)利用不足

現(xiàn)階段，部分投運較長時間的水電廠監(jiān)控系統(tǒng)功能較為落后，缺乏數(shù)據(jù)的分析功能，僅能實現(xiàn)簡單的數(shù)據(jù)展示及存儲、數(shù)據(jù)波形生成、事件記錄等，缺乏對數(shù)據(jù)的加工分析和二次開發(fā)功能，難以實現(xiàn)設備故障的預知和提前干預。圖2為某國產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)廠商監(jiān)控系統(tǒng)功能畫面，僅能生成并展示歷史數(shù)據(jù)的波形用于異?；蚴鹿屎蟮姆治?，無法根據(jù)歷史數(shù)據(jù)自行開展設備狀態(tài)監(jiān)測評價及預警，從而實現(xiàn)設備異常的事前管控。

1.3" 異常處置智能化支撐不足

水電廠監(jiān)控系統(tǒng)功能落后同樣會影響異常處置的準確性和效率。因監(jiān)控系統(tǒng)未對采集數(shù)據(jù)及告警信息進行二次處理，無法實現(xiàn)告警信息的過濾和歸集。當某主設備的子系統(tǒng)設備異常時，將可能同時有數(shù)十條包含主系統(tǒng)、子系統(tǒng)的關聯(lián)告警同時彈出在監(jiān)控畫面中，此時需依靠運行值班人員識別告警并確定具體故障地點，一定程度上影響了異常處置時效性。此外，當異常發(fā)生時，需要運行值班人員在監(jiān)控系統(tǒng)上開展一系列應急處置，如當水輪機組停機異常時可能需要連帶操作緊急停機、關閉機組進水閥、引水口事故閘門等，若監(jiān)控系統(tǒng)無相關提示功能，可能因值班員經(jīng)驗不足或緊張等導致應急處置不及時，進而導致事故擴大。

2" 基于大數(shù)據(jù)的監(jiān)控系統(tǒng)輔助決策功能設計

2.1" 利用SOE開發(fā)算法，實現(xiàn)設備運行趨勢變化預警

利用監(jiān)控系統(tǒng)SOE（Sequence Of Event，即事件順序記錄）數(shù)據(jù)，通過設置一定的算法，可實現(xiàn)設備運行趨勢的跟蹤預警[3]。表1為某水電廠調速器壓油裝置部分SOE數(shù)據(jù)設置的算法邏輯，通過對SOE中4個點位設置算法，即可實現(xiàn)油泵單次打壓時長、周啟動次數(shù)、啟動時間間隔的自動計算。以1#油泵單次打壓時長為例，1#油泵接觸器合信號為M43.3，當其狀態(tài)變?yōu)椤?”時，即代表接觸器吸合，油泵處于啟動狀態(tài)；當其狀態(tài)變?yōu)椤?”時，即代表接觸器斷開，油泵處于停止狀態(tài)。通過計算M43.3狀態(tài)從“1”變?yōu)椤?”之間的時長，即可統(tǒng)計出1#油泵1次動作所用時長。對該數(shù)據(jù)進行大量積累即可形成時長波形，能夠直觀展示出設備運行情況。

由圖3可知，通過以上計算數(shù)據(jù)的積累而形成的設備運行曲線，可有效反映出設備運行狀態(tài)的變化情況，如油泵單次打壓時長逐漸變長，則可判斷油系統(tǒng)回路可能存在堵塞或者油質變差。壓油裝置啟動時間間隔逐漸縮短，則可判斷油系統(tǒng)回路可能存在漏油情況。此外，可根據(jù)運行經(jīng)驗設定閾值，即可在設備狀態(tài)惡化到不可接受前實現(xiàn)預警。如壓油裝置啟動時間間隔正常約為4 h左右，即可設定告警閾值為3 h，當預警發(fā)出后，運行檢修人員可提前介入對該異常進行檢查處置，即能避免異常進一步擴大，進而導致壓油裝置失壓或機組調速器失控等嚴重故障的發(fā)生。

此外，該思路同樣可以用于計算水輪發(fā)電機組各狀態(tài)轉換時間變化趨勢，有助于從系統(tǒng)角度分析水輪發(fā)電機組整體運行情況的變化。常規(guī)水電機組存在停機態(tài)、空狀態(tài)、空載態(tài)及并網(wǎng)態(tài)等穩(wěn)定工況，通過對相關關鍵節(jié)點的SOE數(shù)據(jù)進行抓取，即可實現(xiàn)機組工況變化跨步時間的計算。圖4為某水電廠機組工況變化跨步時間計算邏輯，以停機態(tài)至空轉態(tài)時間計算為例，當機組狀態(tài)賦值由“1”變化為“2”時，即可完成一次時長計算。對該數(shù)據(jù)進行大量積累即可形成時長波形，當停機至空轉時間增大時，可能預示著調速器控制系統(tǒng)或導葉等導水機構功能存在異常，有助于協(xié)助運維人員提前制定運維策略[4]。

2.2" 利用告警邏輯梳理，實現(xiàn)故障快速定位

水電廠監(jiān)控系統(tǒng)光字告警是由監(jiān)控系統(tǒng)中的光字牌發(fā)出的，當監(jiān)控系統(tǒng)檢測到異常或故障時，相應的光字牌會被激活，顯示特定的信息，從而實現(xiàn)對異常情況的快速識別和處理。但在實際運維中，故障發(fā)生后的大量光字同時彈出可能影響運維人員第一時間定位到具體故障、設備，從而影響異常處置效率。

現(xiàn)階段國產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的告警功能主要通過下位機上送告警信號的方式實現(xiàn)，而下位機告警的發(fā)出需要滿足PLC程序的邏輯判斷。因此，在監(jiān)控系統(tǒng)中按照PLC程序邏輯設置一定的篩選邏輯，即可實現(xiàn)告警的過濾和歸集。

以某水電廠一次開機失敗事件為例，某日14點17分，2#機組處于開機至并網(wǎng)流程，機組轉速上升至95%后觸發(fā)開機失敗標志位啟動故障及開機失敗流程，機組轉停機流程停機。故障時刻監(jiān)控系統(tǒng)在1 s內發(fā)出多條光字告警，包含“2F_調速器故障（P1.381）A、2F_開機失敗報警：調速器異常切手動A、2F_開機流程告警總信號、2F_調速器總故障（自保持）A、2F_開停機流程總故障（自保持）A、2F_調速器PLC.調速器故障A、2F_調速器PLC.調速器故障切手動F、2F_調速器PLC.導葉返饋故障A”從大量的告警描述來看，僅能初步分析出2#機組因調速器故障而導致開機失敗，無法從大量告警中厘清告警的因果關系。

由圖5可知，通過逐項查看下位機程序發(fā)現(xiàn)，導致開機失敗報警的原因為“2F_開機失敗報警：調速器異常切手動A”。其程序邏輯設計為：判斷機組轉速上升至95%，同時判斷調速器是否為手動方式，如果為手動方式，則觸發(fā)故障及開機失敗流程標志，同時監(jiān)控系統(tǒng)報“調速器異常切手動A”信號。進一步檢查發(fā)現(xiàn)，導致調速器異常切手動原因為“導葉反饋故障”。其程序邏輯設計為：中接開度信號采自中接位移傳感器，輸出為直流電壓型（0～5 V）。每150 ms周期中采集到的中接開度差超過8%（約0.3 V），則觸發(fā)“導葉反饋故障”信號。由此得以厘清告警的因果關系為“導葉反饋故障”引發(fā)“調速器異常切手動A”，從而造成2#機組開機失敗。

由此實例可得出，當監(jiān)控告警光字同時出現(xiàn)“導葉反饋故障”“調速器異常切手動A”及“2F_開機失敗報警”時，就可以快速定位為導葉反饋故障導致的異常。依據(jù)此規(guī)則，監(jiān)控系統(tǒng)通過抓取關鍵字及邏輯計算，對關鍵光字“導葉反饋故障”進行閃亮、彈窗、優(yōu)先級排序等特殊提醒，即可幫助運維人員快速定位故障，提高應急處置效率。

2.3" 利用歷史知識庫，實現(xiàn)應急處置輔助決策功能

水電廠監(jiān)盤值班是確保電廠安全、高效、環(huán)保和靈活運行的關鍵環(huán)節(jié)，它通過實時監(jiān)督和調整電廠各個系統(tǒng)的運行參數(shù)，及時發(fā)現(xiàn)并處理異常情況，從而保障電廠的穩(wěn)定運行[5]。監(jiān)盤時值班人員需要經(jīng)常面對應急處置和操作的情況，這時值班人員往往需要同時開展設備告警查看及分析、設備應急操作、故障信息匯報等多項工作，對值班人員的個人能力及心理素質都存在一定的考驗。

所謂輔助決策功能即根據(jù)規(guī)程、制度及歷史異常處置信息等形成知識庫，當相關設備出現(xiàn)異常時，通過檢索知識庫，能夠將設備信息、規(guī)程制度、歷史應急處置記錄等快速呈現(xiàn)于運維人員面前，從而在一定程度上緩解應急處置對人員經(jīng)驗能力的要求。因此，通過監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)輔助決策功能，幫助值班員開展應急處置將是實現(xiàn)電廠監(jiān)盤工作本質安全的一項重要舉措。

知識庫應實現(xiàn)同設備或光字告警的關聯(lián)，當異常發(fā)生時，通過彈窗的形式協(xié)助運維人員開展應急處置。知識庫可參考表2輔助決策信息表格式進行設置。

3" 結束語

基于大數(shù)據(jù)的水電廠監(jiān)控系統(tǒng)輔助決策功能解決了傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)對海量數(shù)據(jù)分析與利用不足的問題。通過充分發(fā)掘數(shù)據(jù)資源價值，進一步強化了水電廠安全穩(wěn)定運行技術支撐，一定程度上彌補了監(jiān)控系統(tǒng)智能化水平不足問題，是提升企業(yè)核心競爭力、推動本質安全型企業(yè)建設的重要舉措。

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