徐 麟，蔡 杰

[南瑞集團（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院）有限公司，江蘇省南京市 211106]

0 引言

隨著電網(wǎng)對水電機組調(diào)峰、調(diào)頻、事故備用和黑啟動能力要求的日益提高，傳統(tǒng)以功能狀態(tài)監(jiān)控為主的測控技術(shù)體系已經(jīng)無法適應(yīng)新的需求。建立設(shè)備功能狀態(tài)監(jiān)控和健康狀態(tài)監(jiān)控并重的測控技術(shù)體系，研制管控平臺軟件及主設(shè)備狀態(tài)評估、故障診斷和狀態(tài)檢修模型，提高水電機組可觀性、可控性和可調(diào)性，將是未來我國水電機組自動化技術(shù)發(fā)展的必然趨勢[1-2]。

近年來，隨著一些巨型電站建成投產(chǎn)，實時數(shù)據(jù)規(guī)模已達到數(shù)十萬至百萬級，給電站的安全穩(wěn)定運行帶來新的挑戰(zhàn)[3-6]，傳統(tǒng)監(jiān)控報警機制的不足日益突出：①大量過程和刷屏報警，報警有效性不高；②報警滯后，無設(shè)備異常預(yù)判和處理指導(dǎo)；③報警形式單一，無關(guān)聯(lián)分析；④依靠運行人員判斷系統(tǒng)運行狀態(tài)，設(shè)備健康狀態(tài)衡量體系不健全；⑤信息孤島嚴重，系統(tǒng)數(shù)據(jù)資源綜合利用率不高；⑥報警交互可靠性不高，無法確認相關(guān)責(zé)任人員有無收到報警。已有技術(shù)難以保障巨型電站長期安全穩(wěn)定運行，亟需提出一種安全快速可靠交互的水電廠運維智能預(yù)警機制，以防止由偶發(fā)事件或人為因素引發(fā)安全風(fēng)險的發(fā)生。智能預(yù)警系統(tǒng)作為新測控技術(shù)體系的重要組成部分，將為水電廠運維智能預(yù)警機制的建立提供堅強的技術(shù)支撐。

智能預(yù)警系統(tǒng)綜合判斷設(shè)備運行實時數(shù)據(jù)、篩選設(shè)備重要特征信號后，生成可靠報警信息（或?qū)υO(shè)備異常進行預(yù)判）及處理建議，指導(dǎo)運維人員迅速定位和處理設(shè)備異常事件。該系統(tǒng)能逐步替代運行人員人工監(jiān)屏，大大減少運行人員監(jiān)屏工作量，最終具備機器監(jiān)屏功能。

1 智能預(yù)警的設(shè)計原則

智能預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)遵循以下設(shè)計原則：

（1）實時數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫應(yīng)支持標準、公開的數(shù)據(jù)讀取接口，便于后期第三方的數(shù)據(jù)讀取需求。

（2）應(yīng)能充分利用歷史數(shù)據(jù)，根據(jù)設(shè)備長期運行的特征數(shù)據(jù)和相關(guān)運行經(jīng)驗，建立報警模型，實現(xiàn)趨勢報警。

（3）按設(shè)備邏輯分層歸并報警信息，生成設(shè)備綜合報警。

（4）建立單點報警信息篩選邏輯，實現(xiàn)報警信息過濾。

（5）設(shè)備狀態(tài)預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)能提供關(guān)聯(lián)工況的條件報警圖形化組態(tài)功能，使用戶能夠編寫報警條件邏輯屏蔽報警或生成報警，設(shè)備工況包括設(shè)備操作過程、特定報警條件、設(shè)備狀態(tài)等。

（6）預(yù)警系統(tǒng)報警工作站應(yīng)能在保證信息安全的前提下將顯示終端（含鼠標、鍵盤、音響）延伸至遠方集控中心。

（7）根據(jù)組態(tài)定義分析數(shù)據(jù)是否正常，并按不同顏色顯示報表數(shù)據(jù)，如“正?！憋@示綠色，接近報警限值顯示“黃色”，“越限報警”顯示紅色等；報表數(shù)據(jù)格應(yīng)支持鼠標點擊后顯示報警詳細信息，應(yīng)能調(diào)出歷史曲線界面和顯示報警觸發(fā)原因等數(shù)據(jù)，應(yīng)能提供縱向、橫向的數(shù)據(jù)比較的功能。

（8）多個語音報警同時發(fā)生時，應(yīng)能區(qū)分重要程度，優(yōu)先播報高級別報警。

2 智能預(yù)警的體系結(jié)構(gòu)

為了滿足二次安防要求，系統(tǒng)整體上需要分為2個中心部署，Ⅰ區(qū)部署通信服務(wù)器、報警服務(wù)器和工作站，用于采集監(jiān)控與狀態(tài)檢測系統(tǒng)基本信息，并通過預(yù)定義的策略產(chǎn)生報警，工作站可以對報警進行配置、確認、轉(zhuǎn)發(fā)、跟蹤，系統(tǒng)整體采用CS方式部署，前臺界面采用Java Swing 技術(shù)實現(xiàn)，后臺服務(wù)采用Unix C 技術(shù)實現(xiàn)。Ⅲ區(qū)部署移動服務(wù)器與移動工作站，用于報警的移動端推送、確認，以及工作流的組態(tài)、執(zhí)行與管理，系統(tǒng)整體采用J2ee技術(shù)實現(xiàn)部署，采用Html5 + Hybrid技術(shù)，實現(xiàn)移動應(yīng)用、BS應(yīng)用的統(tǒng)一展示。

智能預(yù)警系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，報警組態(tài)模塊可實現(xiàn)設(shè)備庫模型組態(tài)、設(shè)備庫關(guān)系邏輯組態(tài)等多種模型組態(tài)；數(shù)據(jù)及運算服務(wù)模塊可實現(xiàn)智能預(yù)警的各種算法；信息發(fā)布層實現(xiàn)生產(chǎn)實時畫面、智能報表和報警數(shù)據(jù)發(fā)布等功能。

圖1 智能預(yù)警系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Software structure diagram of smart warning system

3 智能預(yù)警的關(guān)鍵技術(shù)

針對巨型水電機組監(jiān)控的海量實時數(shù)據(jù)，提出基于分區(qū)概念的海量實時數(shù)據(jù)分布式管理方法，實現(xiàn)可靠高效的實時數(shù)據(jù)管理。針對巨型水電機組監(jiān)控的海量歷史數(shù)據(jù)，基于“冷熱數(shù)據(jù)”的兩級存儲思想，優(yōu)化歷史數(shù)據(jù)存儲策略，在保證歷史數(shù)據(jù)寫入與查詢效率的前提下，有效減少數(shù)據(jù)庫的存儲空間，提升系統(tǒng)的存儲效率。基于專業(yè)主題模板，實現(xiàn)了快速制作數(shù)據(jù)挖掘方案，將數(shù)據(jù)挖掘結(jié)果及設(shè)備故障、異常判斷等運行經(jīng)驗固化為專家知識庫，實現(xiàn)智能預(yù)警，解決了綜合數(shù)據(jù)分析與挖掘過程的效率低和擴展性差的問題。通過可定制報表工具，實現(xiàn)復(fù)雜邏輯的報表業(yè)務(wù)，為海量歷史數(shù)據(jù)的深入分析與挖掘提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3.1 高速的分布式實時數(shù)據(jù)庫

引入分區(qū)概念，根據(jù)需要對實時數(shù)據(jù)進行分區(qū)，每個分區(qū)擁有獨立的實時數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，分區(qū)內(nèi)服務(wù)器節(jié)點通過跨分區(qū)實時數(shù)據(jù)總線發(fā)布實時數(shù)據(jù)的配置與狀態(tài)信息。人機接口節(jié)點根據(jù)需要訂閱源自不同分區(qū)的實時數(shù)據(jù)，不同的接口節(jié)點如操作員站可以訂閱不同分區(qū)的實時數(shù)據(jù)。這樣的分布式數(shù)據(jù)架構(gòu)，在實現(xiàn)用戶層邏輯耦合的同時，使人機接口節(jié)點只在本地接收和存儲與該節(jié)點功能相關(guān)的實時數(shù)據(jù)及定義，有效提高系統(tǒng)部署的靈活度和減輕節(jié)點運行負載。一旦分區(qū)的實時數(shù)據(jù)定義發(fā)生變化時，訂閱相關(guān)實時數(shù)據(jù)的節(jié)點會自動獲取版本信息，更新本地數(shù)據(jù)定義。因此實時數(shù)據(jù)庫維護工作的影響范圍局限在特定的數(shù)據(jù)節(jié)點上，減輕了維護工作可能產(chǎn)生的風(fēng)險，提高了系統(tǒng)安全可靠性。

分布式數(shù)據(jù)動態(tài)加載管理機制具有以下特征：①跨分區(qū)訂閱具有安全審核機制，確保接入節(jié)點的安全性。②分區(qū)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)版本信息的發(fā)布采用組播方式，確保版本發(fā)布的及時性。③分區(qū)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的發(fā)布采用多進程，并且采用TCP方式，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。④分區(qū)內(nèi)服務(wù)器節(jié)點采用主從冗余或集群方式，只有為主的服務(wù)器節(jié)點才能夠?qū)ν獍l(fā)布數(shù)據(jù)，確保信息發(fā)布的權(quán)威性。⑤在接收其他分區(qū)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)時采用二次校驗和錯誤重傳機制，確保所接收數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的正確性。⑥在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)更新過程當(dāng)中，測點信息會保持原有狀態(tài)不變，確保系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。

智能預(yù)警系統(tǒng)采用Hash表索引管理和存儲內(nèi)存數(shù)據(jù)庫，給數(shù)據(jù)應(yīng)用提供高效的訪問機制。同時采用兩種方法優(yōu)化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲空間的擴展：①智能預(yù)估：根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前的負載增長情況估計分布式系統(tǒng)后續(xù)信息的存儲空間，如果預(yù)測需要動態(tài)擴展存儲空間，則提前進行擴展。②優(yōu)化更新：采用MQ LRU（Least Recently Used，最近最少使用）算法。根據(jù)訪問頻率將數(shù)據(jù)劃分為多個隊列，不同的隊列具有不同的訪問優(yōu)先級，其核心思想是：優(yōu)先緩存訪問次數(shù)多的數(shù)據(jù)。

3.2 海量監(jiān)測數(shù)據(jù)的冷熱數(shù)據(jù)分級存儲

智能預(yù)警系統(tǒng)采用占用存儲更多，但更有利于寫入和查詢的結(jié)構(gòu)存儲熱數(shù)據(jù)，以空間換時間，提高海量數(shù)據(jù)的整體吞吐能力。熱數(shù)據(jù)存儲達到一定時間閾值后，采用以下兩種存儲結(jié)構(gòu)將其歸檔為冷數(shù)據(jù)。其一是完整數(shù)據(jù)壓縮存儲，將單個測點單位時間內(nèi)的連續(xù)數(shù)據(jù)作為一個集合，結(jié)合線性有損壓縮與霍夫曼無損壓縮處理方法，在精度允許的范圍內(nèi)縮小存儲空間，其壓縮結(jié)果以字節(jié)流方式存儲在數(shù)據(jù)庫中，滿足曲線查詢功能的要求；其二是特征數(shù)據(jù)存儲，將單位時間的特征值信息整理統(tǒng)計并存儲，滿足報表查詢功能的要求。

智能預(yù)警系統(tǒng)同時采用分布式架構(gòu)，建立歷史數(shù)據(jù)存儲與代理查詢機制，將歷史數(shù)據(jù)存儲分配給不同的歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器節(jié)點。應(yīng)用代理機制，實現(xiàn)分布式歷史數(shù)據(jù)查詢的黑匣化，提升海量歷史數(shù)據(jù)的存儲和處理能力。

3.3 面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)建模

將海量報警信息，按照多級對象形式組織。當(dāng)最后一級對象根據(jù)腳本策略觸發(fā)報警后，報警信息會自動的向上級對象傳遞，逐級點亮光字。人機界面上，最高層級的報警信息嵌在主監(jiān)視畫面中，當(dāng)對應(yīng)光字被點亮后，運行人員可以點擊查看其子層級報警信息及相關(guān)數(shù)據(jù)點信息。通過分級顯示報警信息，運行人員可以快速直觀地從海量信息中，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)故障或異常，提升電站運行管理水平。

例如：當(dāng)發(fā)生1F機組水導(dǎo)外循環(huán)系統(tǒng)雙泵全停時，在主界面上將1號機水導(dǎo)系統(tǒng)置為事故報警狀態(tài)，同時彈出報警信息顯示界面，第一層級顯示1F機組主要設(shè)備狀態(tài)，包括水導(dǎo)系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)、勵磁系統(tǒng)等，第二層級顯示水導(dǎo)系統(tǒng)主要數(shù)據(jù)點狀態(tài)，包括水導(dǎo)雙泵全停報警、油泵狀態(tài)、上油箱油位、油流量等，其中突出顯示水導(dǎo)雙泵全停報警信息，同時提供快捷按鈕，點擊后可顯示水導(dǎo)相關(guān)數(shù)據(jù)點狀態(tài)，如水導(dǎo)瓦溫、機組轉(zhuǎn)速、機組功率等。

3.4 專家知識庫智能預(yù)警

對水電廠各子系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理。根據(jù)水電廠各子系統(tǒng)的專業(yè)數(shù)據(jù)分析要求，建立專業(yè)主題模板；所述專業(yè)主題模板由數(shù)據(jù)集提取規(guī)則、指標、算法、視圖、報警等要素組成。選擇相關(guān)專業(yè)主題模板，關(guān)聯(lián)待分析設(shè)備和歷史數(shù)據(jù)時段，勾選待分析參數(shù)，生成相關(guān)專業(yè)挖掘方案。驗證專業(yè)挖掘方案的準確性并修正專業(yè)主題模板。

智能預(yù)警系統(tǒng)采用腳本語言的形式，定義報警策略，形成智能預(yù)警的專家知識庫。報警策略一方面源自運行管理經(jīng)驗總結(jié)，另一方面源自經(jīng)驗證的數(shù)據(jù)挖掘結(jié)果。

建立設(shè)備趨勢分析報警、設(shè)備操作過程分析報警、關(guān)聯(lián)設(shè)備報警、自定義綜合報警等模型。

3.5 可定制報表分析

智能預(yù)警系統(tǒng)提供可定制的專用報表函數(shù)，從海量歷史數(shù)據(jù)中提取各電站機電設(shè)備的運行特征，應(yīng)用關(guān)聯(lián)分析、偏差分析、趨勢分析等統(tǒng)計分析方法，實現(xiàn)不同設(shè)備參數(shù)的對比分析、相同設(shè)備不同時期的對比分析和相關(guān)量分析，并可通過多種視圖實現(xiàn)分析結(jié)果展示：趨勢圖、折線圖、散點圖、雷達圖、瀑布圖、數(shù)據(jù)對比表、數(shù)據(jù)對比曲線、數(shù)據(jù)對比圖、餅圖、柱狀圖等。

4 應(yīng)用實例

向家壩水電站是金沙江水電基地下游四級開發(fā)中的最末一級電站，是西電東送骨干電源點，也是金沙江水電基地唯一兼顧灌溉功能的超級大壩。單機800MW水輪發(fā)電機組為世界最大，電站裝機容量7750MW，規(guī)模僅次于三峽、溪洛渡水電站。

向家壩水電站運行設(shè)備狀態(tài)智能預(yù)警系統(tǒng)作為三峽集團公司智能水電廠建設(shè)項目之一，于2018年6月通過三峽集團公司組織的專家驗收，系統(tǒng)投入運行提高了電站和機組的運行效率，減少了停運時間，節(jié)省了運維費用，實現(xiàn)了電站與機組的安全高效運行。向家壩水電站智能預(yù)警系統(tǒng)設(shè)備層級監(jiān)視圖如圖2所示。

圖2 智能預(yù)警系統(tǒng)設(shè)備層級監(jiān)視圖Fig.2 Device hierarchy monitoring diagram of smart warning system

智能預(yù)警系統(tǒng)與傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)指標對比如表1所示。

表1 智能預(yù)警系統(tǒng)與傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)指標對比Tab.1 Technical indicator comparison between smart arning system and traditional monitoring system

5 結(jié)束語

針對目前大型水電站在電網(wǎng)中調(diào)峰調(diào)頻作用日益顯著及水電企業(yè)運行管控水平大幅提升的實際情況，深化研究巨型水電機組生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)綜合分析技術(shù)，建立水電廠運維智能預(yù)警機制，解決水電廠眾多自動化、信息系統(tǒng)海量異構(gòu)數(shù)據(jù)資源綜合利用的問題，充分挖掘水電廠海量數(shù)據(jù)資源內(nèi)在聯(lián)系，將其轉(zhuǎn)為日常生產(chǎn)運行指標，健全各類設(shè)備健康狀態(tài)的衡量體系，提高了水電廠的信息化管理水平及預(yù)防性維護決策能力，進一步提升了水電廠對電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的保障作用。

本文提出的智能預(yù)警解決方案已成功應(yīng)用于三峽集團公司巨型水電站向家壩水電站，也可以為其他大中型水電站或集控中心的類似項目實施提供參考。