基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的水電設(shè)備安全預(yù)警平臺(tái)

1、基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的水電設(shè)備安全預(yù)警平臺(tái)基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的水電設(shè)備安全預(yù)警平臺(tái)概述中國(guó)是水能資源最多的國(guó)家，根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)的理論資源蘊(yùn)藏量有 1.6 億 kW，技術(shù)開發(fā)量為 1.28 億 kW，其可開發(fā)量占全國(guó)水電資源可開發(fā)量的 23%，居世界第一位。我國(guó)水電資源的開發(fā)已處于較成熟的狀態(tài)，裝機(jī)容量逐年上升，持續(xù)增長(zhǎng)， 但增速有放緩的趨勢(shì)，水電市場(chǎng)規(guī)模趨于穩(wěn)定。根據(jù)國(guó)家能源局能源發(fā)展戰(zhàn)略行動(dòng)計(jì)劃（2014-2020 年），至 2020 年我國(guó)水電總裝機(jī)容量要達(dá)到 4.2 億千瓦；據(jù)此測(cè)算 2020 年我國(guó)水電裝機(jī)容量年度復(fù)合增長(zhǎng)率為 5.73%，十三五期間平均每年將新增裝機(jī)容量 2083 萬千瓦。

2、近年來，隨著水電能源的大力發(fā)展，國(guó)家也加大了對(duì)水電發(fā)展的扶持力度，各種扶持水電開發(fā)的政策也相繼出臺(tái)。國(guó)務(wù)院總理李克強(qiáng)主持召開國(guó)務(wù)院常務(wù)會(huì)議，部署加快推進(jìn)節(jié)水供水重大水利工程建設(shè)，決定大幅增加國(guó)家創(chuàng)投引導(dǎo)資金促進(jìn)新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展。會(huì)議確定，按照統(tǒng)籌謀劃、突出重點(diǎn)的要求，在今明年和“十三五”期間分步建設(shè)納入規(guī)劃的 172 項(xiàng)重大水利工程。國(guó)家能源局印發(fā)水電發(fā)展“十三五”規(guī)劃指出，加強(qiáng)“互聯(lián)網(wǎng)+”智能水電站建設(shè)，重點(diǎn)發(fā)展與信息技術(shù)的融合， 推動(dòng)水電工程設(shè)計(jì)、建造和管理數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化，充 289 分利用物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算和大數(shù)據(jù)等技術(shù)，研發(fā)和建立數(shù)字流域和數(shù)字水電，促進(jìn)智能水電站、智能電網(wǎng)、智能能源網(wǎng)

3、友好互動(dòng)。圍繞能源互聯(lián)網(wǎng)開展技術(shù)創(chuàng)新，探索“互聯(lián)網(wǎng)+”智能水電站和智能流域，開展建設(shè)試點(diǎn)。加強(qiáng)行業(yè)信息化管理，推動(dòng)信息管理平臺(tái)建設(shè)，系統(tǒng)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目建設(shè)和運(yùn)行信息，建立項(xiàng)目全過程信息化管理體系，為流域管理和行業(yè)監(jiān)管提供支撐。背景水力發(fā)電行業(yè)的主要生產(chǎn)任務(wù)是發(fā)電。從生產(chǎn)角度來說， 主要有以下特點(diǎn)：發(fā)電成本低。水力發(fā)電只是利用水流所攜帶的能量，無需再消耗其他動(dòng)力資源。而且上一級(jí)電站使用過的水流仍可為下一級(jí)電站利用。因此水電站的提高效益的主要手段是利用利用有限的來水量自可能發(fā)更多的電。對(duì)于大中型水電站而言， 發(fā)電量由網(wǎng)調(diào)給出根據(jù)流域來水和網(wǎng)上負(fù)荷需求給定; 而對(duì)于小水電而言，在不影響電網(wǎng)穩(wěn)定性的前提下，

4、發(fā)電量完全可以根據(jù)電站的來水量自我調(diào)整優(yōu)化，盡可能提高發(fā)電量。水電站的設(shè)備比較簡(jiǎn)單,其核心設(shè)備是水力發(fā)電機(jī)組及其附屬設(shè)備。對(duì)于水電站來說保證發(fā)電機(jī)設(shè)備可靠安全、健康運(yùn)行是整個(gè)生產(chǎn)過程的核心。雖然水電站初期間設(shè)備成本高、周期長(zhǎng)，但是當(dāng)建設(shè)完成之后，在整個(gè)運(yùn)行成本中，設(shè)備的檢修、維護(hù)費(fèi)用成為主要的生產(chǎn)成本。因此，水電站運(yùn)行管理的關(guān)鍵工作就是設(shè)備的運(yùn)行、維護(hù)和檢修。高效而靈活,運(yùn)行工況復(fù)雜。水力發(fā)電主要 HYPERLINK /s?wd=%E5%8A%A8%E5%8A%9B%E8%AE%BE%E5%A4%87&from=1012015a&fenlei=mv6quAkxTZn0IZRqIHckPjm4n

5、H00T1YLPhmvmynvPj6zPhwbPWc10ZwV5Hcvrjm3rH6sPfKWUMw85HfYnjn4nH6sgvPsT6KdThsqpZwYTjCEQLGCpyw9Uz4Bmy-bIi4WUvYETgN-TLwGUv3EnHDkn1T4rHmsnjm4PjTLn1R1rf 動(dòng)力設(shè)備的 HYPERLINK /s?wd=%E6%B0%B4%E8%BD%AE%E5%8F%91%E7%94%B5%E6%9C%BA%E7%BB%84&from=1012015a&fenlei=mv6quAkxTZn0IZRqIHckPjm4nH00T1YLPhmvmynvPj6zPhwbPWc10ZwV

6、5Hcvrjm3rH6sPfKWUMw85HfYnjn4nH6sgvPsT6KdThsqpZwYTjCEQLGCpyw9Uz4Bmy-bIi4WUvYETgN-TLwGUv3EnHDkn1T4rHmsnjm4PjTLn1R1rf 水輪發(fā)電機(jī)組，不僅效率較高而且啟動(dòng)、操作靈活。因此，利 290 用水電承擔(dān)電力系統(tǒng)的調(diào)峰、調(diào)頻、負(fù)荷備用和事故備用等任務(wù)，可以提高整個(gè)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。也正是如此，水電機(jī)組的工況轉(zhuǎn)換頻繁、復(fù)雜，對(duì)設(shè)備的沖擊較大，故障率較高，因而對(duì)于設(shè)備制造、維護(hù)、檢修的要求也高。實(shí)施目標(biāo)根據(jù)水電行業(yè)的特點(diǎn)，對(duì)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)施的業(yè)務(wù)需求也非常明確，主要是以下三點(diǎn)。發(fā)電設(shè)備運(yùn)行的安全預(yù)警，保

7、證發(fā)電設(shè)備的安全運(yùn)行。近幾年，國(guó)內(nèi)外發(fā)生了多起水電站嚴(yán)重事故，例如俄羅斯撒揚(yáng)水電站于 2009 年 8 月發(fā)生的事故，導(dǎo)致 75 人死亡，10 臺(tái)機(jī)組受到不同情況的損壞，廠房被損毀，事故造成當(dāng)?shù)氐貐^(qū) 25%的電力缺口，直接經(jīng)濟(jì)損失 130 億美元。導(dǎo)致此次事故的其中一個(gè)很關(guān)鍵的技術(shù)因素就是，電站未能振動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)缺失，在設(shè)備劣化初期，未能提前預(yù)警，導(dǎo)致重大的人員傷亡和設(shè)備損壞。結(jié)合國(guó)內(nèi)實(shí)際情況，隨著我國(guó)三峽等巨型水電站的投入運(yùn)行，發(fā)電機(jī)組的容量加大、水頭變高、庫容增大，一方面，設(shè)備事故導(dǎo)致的非停產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效率損失巨大，另外一方面，惡性事故導(dǎo)致的社會(huì)危害也加大；而且，隨著我國(guó)水電事業(yè)的大力發(fā)展，在

8、各個(gè)大江大河上建立了星羅棋布的大小水電站，任何一個(gè)水電站的事故會(huì)產(chǎn)生較大的影響，因此對(duì)水力發(fā)電設(shè)備運(yùn)行的安全預(yù)警已經(jīng)提到了非常重要的地位。因此，對(duì)運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘，建立預(yù)警模型，實(shí)現(xiàn)發(fā)電設(shè)備的安全預(yù)警，對(duì)于保障發(fā)電 291 設(shè)備安全運(yùn)行，避免惡性重大事故的發(fā)生有重要的意義。發(fā)電設(shè)備運(yùn)行的優(yōu)化調(diào)度，提高水能利用率和設(shè)備可用率；對(duì)于發(fā)電站來說，在上游來水總量確定的情況下，盡可能發(fā)出更多的電量，或者在總發(fā)電量給定的情況下，盡可能地降低耗水率指標(biāo)，是提高發(fā)電廠經(jīng)濟(jì)效益的重要目標(biāo)。從目前的現(xiàn)狀來說，對(duì)于大中型水電站而言，都已經(jīng)建立了AGC（自動(dòng)發(fā)電控制）系統(tǒng)，來解決上述優(yōu)化調(diào)

9、度的問題，然而存在的問題是其水輪發(fā)電機(jī)效率模型一般根據(jù)設(shè)備制造廠模型機(jī)數(shù)據(jù)建立的，并非依據(jù)真機(jī)數(shù)據(jù)建立，和實(shí)際的效率模型存在差異；而對(duì)于數(shù)量巨大的小水電而言，建立機(jī)組的效率模型，并借以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化調(diào)度的電站少之又少。因此，借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采集機(jī)組負(fù)荷、效率等參數(shù)，利用 大數(shù)據(jù)技術(shù)建立水輪發(fā)電機(jī)效率模型，根據(jù)來水總量和給定發(fā) 電量實(shí)時(shí)計(jì)算目標(biāo)負(fù)荷，并反饋到控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)組以經(jīng)濟(jì) 指標(biāo)為最優(yōu)的負(fù)荷優(yōu)化分配，對(duì)于提高水能利用率有重要意義。另外，水輪發(fā)電機(jī)組工況承擔(dān)著電網(wǎng)的調(diào)峰、調(diào)頻、負(fù)荷備用等功能，負(fù)荷調(diào)整頻繁。然而不同的工況對(duì)發(fā)電設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性影響差異較大，對(duì)設(shè)備的損傷也不一樣，因此，考慮在機(jī)組調(diào)度時(shí)

10、將設(shè)備的穩(wěn)定性指標(biāo)作為控制目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的可靠運(yùn)行也是延長(zhǎng)設(shè)備壽命，提高設(shè)備可用率的目標(biāo)。因此，借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采集機(jī)組振動(dòng)、溫度參數(shù)，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)建立水輪發(fā)電機(jī)穩(wěn)定性模型，根據(jù)來水總量和給定發(fā)電量實(shí)時(shí)計(jì)算目標(biāo)負(fù)荷，并反饋到控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)組以穩(wěn)定 292 性指標(biāo)為最優(yōu)的負(fù)荷優(yōu)化分配，對(duì)于提高發(fā)電設(shè)備可用率有重要意義。綜合上述兩種優(yōu)化模型，實(shí)現(xiàn)水電站效率和穩(wěn)定性的綜合最優(yōu)調(diào)度，提高水能利用率和設(shè)備可用率。發(fā)電設(shè)備故障診斷，實(shí)現(xiàn)發(fā)電設(shè)備檢修、維護(hù)指導(dǎo)； 關(guān)于發(fā)電設(shè)備的檢修，需要解決兩個(gè)問題，一個(gè)是什么時(shí)候修、該不該修，另外一個(gè)問題是修什么、如何修。第一個(gè)問 題是檢修觸發(fā)的問題，是依據(jù)設(shè)備的可靠性

11、原則和故障預(yù)警， 進(jìn)行檢修決策的問題；第二個(gè)問題是依據(jù)故障定位和故障確認(rèn) 來進(jìn)行針對(duì)性、精確檢修的問題，上述兩個(gè)問題是實(shí)現(xiàn)“狀態(tài) 檢修”的核心為題。從現(xiàn)狀上看，發(fā)電機(jī)組屬于大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械， 能夠?qū)崿F(xiàn)精確診斷的故障并不是很豐富，而且機(jī)組個(gè)性突出， 采用傳統(tǒng)故障機(jī)理建立起來的故障模型普適性并不是很好，因 此，水電行業(yè)實(shí)施工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，重要的一個(gè)需求就是運(yùn)用機(jī)器 學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)分析結(jié)合傳統(tǒng)故障機(jī)理模型，實(shí)現(xiàn)故障預(yù)警和故 障診斷，從而為發(fā)電設(shè)備的檢修決策和檢修實(shí)施提供依據(jù)。適用范圍本解決方案應(yīng)用于各水力發(fā)電集團(tuán)或水電站中水輪發(fā)電機(jī)組、變壓器等關(guān)鍵設(shè)備運(yùn)行的安全健康預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)上述設(shè)備的設(shè)備安全狀態(tài)的預(yù)

12、測(cè)、故障預(yù)警、故障診斷和狀態(tài)評(píng)價(jià)，防止設(shè)備缺陷的擴(kuò)大化，而為數(shù)電站設(shè)備的優(yōu)化運(yùn)行、檢修決策和檢修實(shí)施提供依據(jù)。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)中的位置 293 圖 1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)示意圖本解決方案包含在電站各發(fā)電設(shè)備上部署傳感器、采集處理設(shè)備，在電站部署數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)治理軟件，以及在發(fā)電集團(tuán)公司的工業(yè)云平臺(tái)(私有云)上部署監(jiān)測(cè)、預(yù)警、故障診斷等各類應(yīng)用。對(duì)應(yīng)于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)，涉及以下多個(gè)位置：智能機(jī)器與工廠控制系統(tǒng)：本解決方案中，傳感器設(shè)備部署于電站設(shè)備上，而數(shù)據(jù)采集設(shè)備部署于設(shè)備旁邊， 用于采集設(shè)備的振動(dòng)、溫度、壓力等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，是實(shí)現(xiàn)設(shè)備智能預(yù)警、故障診斷的基礎(chǔ)。這些數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳送到電站

13、設(shè)備的控制系統(tǒng)，用于輔助優(yōu)化控制，同時(shí)也傳送到工廠云平臺(tái)，進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘等工廠云平臺(tái)(及管理軟件):在電站工廠側(cè)云平臺(tái)部署安全特征指標(biāo)計(jì)算軟件，用以接收傳感器采集到的振動(dòng)、溫度、壓力等數(shù)據(jù)，并融合工廠控制系統(tǒng)的運(yùn)行控制過程數(shù)據(jù)，以上述數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)特征指標(biāo)的實(shí)時(shí)計(jì)算提 294 取，同時(shí)部署數(shù)據(jù)清洗軟件以及數(shù)據(jù)編碼轉(zhuǎn)換等軟件。在數(shù)據(jù)整合、治理、標(biāo)準(zhǔn)化之后，通過專用網(wǎng)絡(luò)將特征指標(biāo)數(shù)據(jù)傳送到發(fā)電集團(tuán)公司的工業(yè)云平臺(tái)進(jìn)行存儲(chǔ)、展示、預(yù)警、評(píng)價(jià)等處理。智能化生產(chǎn)（工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用）: 在本解決方案中，智能化生產(chǎn)應(yīng)用主要包括設(shè)備狀態(tài)展示、故障預(yù)警及故障診斷、運(yùn)行優(yōu)化決策、檢修決策等應(yīng)用。上述應(yīng)用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是

14、工廠云平臺(tái)傳送來的的設(shè)備特征指標(biāo)數(shù)據(jù)。需求分析從信息技術(shù)角度分析，水力發(fā)電設(shè)備本身信息化程度較高， 大多具備物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)條件。尤其是對(duì)于大中型水電站而 言，大多已經(jīng)建立了 SCADA/計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、發(fā)電設(shè)備在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、水情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、生產(chǎn)信息系統(tǒng)等，但存在的問題是， 上述系統(tǒng)各自獨(dú)立，不能實(shí)現(xiàn)信息共享，更不能滿足機(jī)組安全 預(yù)警、優(yōu)化運(yùn)行指導(dǎo)和檢修決策、維修指導(dǎo)的功能。因此，在 大中型水電站實(shí)施工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的路徑，打通原來各個(gè)獨(dú)立的子 系統(tǒng)，就是要在電站或者流域性發(fā)電企業(yè)內(nèi)部建立一套完整的 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，涵蓋機(jī)組的運(yùn)行控制、安全監(jiān)測(cè)、故障預(yù)警 和診斷以及檢修、維修指導(dǎo)各生產(chǎn)環(huán)節(jié)。從信息安全

15、的角度而 言，水電行業(yè)有嚴(yán)格的網(wǎng)絡(luò)安全控制措施，能有力地保證設(shè)備 安全、網(wǎng)絡(luò)安全、控制安全、應(yīng)用安全和數(shù)據(jù)安全。對(duì)于小水電而言，信息化程度并不高，并不具備物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)條件，需要從邊緣層開始有選擇地建立數(shù)據(jù)采集、邊緣計(jì)算，可以逐步在公有云上利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，踐行云制 295 造的理念。解決方案方案介紹本方案基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計(jì)，采用大數(shù)據(jù)技術(shù)、機(jī)器 學(xué)習(xí)等智能化分析技術(shù)，結(jié)合設(shè)備故障機(jī)理研究，構(gòu)建水電安 全狀態(tài)數(shù)據(jù)的集數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)治理、預(yù)警預(yù)測(cè)和分析決策為 一體的預(yù)警平平臺(tái)。本方案通過在水電站各設(shè)備上部署傳感器、數(shù)據(jù)采集和安全特征指標(biāo)計(jì)算設(shè)備進(jìn)行設(shè)備安全狀態(tài)的數(shù)據(jù)采 集、數(shù)據(jù)治理；同時(shí)

16、，基于大數(shù)據(jù)技術(shù)和大量水電設(shè)備數(shù)據(jù)， 進(jìn)行智能分析與計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)水電設(shè)備的設(shè)備隱患（或故障） 智能預(yù)警、設(shè)備健康狀態(tài)評(píng)估、設(shè)備運(yùn)行優(yōu)化、設(shè)備檢修決策 等智能化平臺(tái)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)水電設(shè)備的安全狀態(tài)監(jiān)測(cè)和分析、運(yùn) 行特征挖掘；系統(tǒng)將根據(jù)數(shù)據(jù)整合與數(shù)據(jù)分析結(jié)果，實(shí)現(xiàn)可視 化應(yīng)用展示，為設(shè)備的安全運(yùn)行、故障預(yù)警、異常診斷等系統(tǒng) 應(yīng)用提供必要支持。系統(tǒng)架構(gòu)總體架構(gòu)如下圖 2 所示，包括邊緣層、平臺(tái)層、企業(yè)應(yīng)用層。 296 圖 2 水電行業(yè)設(shè)備安全預(yù)警平臺(tái)總體架構(gòu)邊緣層包含電站內(nèi)容實(shí)現(xiàn)機(jī)組控制、監(jiān)測(cè)等的各類現(xiàn)場(chǎng)傳感器、各類工業(yè)控制系統(tǒng)如 PLC、SCADA、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、設(shè)備在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等，提供傳感器數(shù)據(jù)的

17、采集和處理，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并進(jìn)行初步的計(jì)算處理，形成初始的技術(shù)指標(biāo)。它們分別通過不同的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議、透過網(wǎng)絡(luò)安全隔離設(shè)備將數(shù)據(jù)上傳至平臺(tái)層。平臺(tái)層包含 IaaS 和 PaaS 兩層。IaaS 層接受邊緣層傳輸上來的數(shù)據(jù)，并提供數(shù)據(jù)的計(jì)算服務(wù)、存儲(chǔ)服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、災(zāi) 備服務(wù)、安全服務(wù)等，同時(shí) IaaS 的資源通過 APIs、入口等與PaaS 層無縫鏈接，并由 PaaS 層統(tǒng)一管理和維護(hù)環(huán)境；PaaS 層提供數(shù)據(jù)的分析和處理工具，用以完成面向多用戶的應(yīng)用開發(fā)。系列的微服務(wù)組件也存放在這個(gè)區(qū)域。同時(shí)提供即插即用的微 服務(wù)，如工業(yè)模型、算法，工業(yè)建模中間件等。水力發(fā)電設(shè)備 的專用診斷模型和性能分析模

18、型也作為 PaaS 層的服務(wù)提供服務(wù)。企業(yè)應(yīng)用層可提供五個(gè)模塊的服務(wù)： 297 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)服務(wù)，提供設(shè)備狀態(tài)參數(shù)的全景展示，以及基于 GIS 的設(shè)備監(jiān)測(cè)等；智能預(yù)警服務(wù)，通過對(duì)云平臺(tái)大數(shù)據(jù)的挖掘，實(shí)現(xiàn)對(duì)基于設(shè)備關(guān)聯(lián)性分析的安全預(yù)警服務(wù)；設(shè)備的智能診斷/智能評(píng)價(jià)系統(tǒng)服務(wù)，提供設(shè)備的健康評(píng)價(jià)和故障診斷服務(wù)；結(jié)合設(shè)備的專用分析工具，如頻譜分析、軌跡分析、回歸分析、聚類分析等等；將知識(shí)管理系統(tǒng)服務(wù)，提供設(shè)備的基礎(chǔ)知識(shí)信息、知識(shí)信息學(xué)習(xí)等服務(wù)。在企業(yè)應(yīng)用的最高層，提供了設(shè)備狀態(tài)的全景展示、設(shè)備安全預(yù)警和故障診斷、檢修決策、運(yùn)行優(yōu)化等服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)水電設(shè)備安全運(yùn)行預(yù)警平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)如圖 3 所示： 2

19、98 圖 3 水電設(shè)備安全運(yùn)行預(yù)警平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淦脚_(tái)由感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層三部分組成。感知層：數(shù)據(jù)采集、故障預(yù)警指標(biāo)計(jì)算提取。由傳感器、變送器、智能采集/指標(biāo)計(jì)算裝置等智能采集組成。設(shè)備各部位 的傳感器將各種物理信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，傳送到智能采集器及 特征指標(biāo)計(jì)算裝置，智能特征指標(biāo)計(jì)算裝置將這些信號(hào)采集和 處理提取，得到反映機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)和故障的各種特征指標(biāo)等， 統(tǒng)一存儲(chǔ)到廠站側(cè)局域網(wǎng)數(shù)據(jù)服務(wù)器。電站網(wǎng)絡(luò)層：數(shù)據(jù)匯集、數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化。位于電站局域網(wǎng)（電站云平臺(tái)），包括數(shù)據(jù)服務(wù)器、設(shè)備監(jiān)測(cè)管理機(jī) 等。主要完成感知層采集的指標(biāo)數(shù)據(jù)收集、整理、清洗、標(biāo)準(zhǔn) 化、存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)，并向位于云端的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心

20、發(fā)送監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、狀態(tài)特征指標(biāo)數(shù)據(jù)等。應(yīng)用層：可視化展示、智能預(yù)警與評(píng)價(jià)、數(shù)據(jù)挖掘、檢修決策。應(yīng)用層位于集團(tuán)公司或者遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)診斷中心的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)。借助于該云平臺(tái)，水電企業(yè)在集團(tuán)公司及遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)診斷中心實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、安全故障預(yù)警和診斷。功能設(shè)計(jì)平臺(tái)功能包括設(shè)備狀態(tài)的可視化展示、智能預(yù)警與評(píng)價(jià)、設(shè)備運(yùn)行優(yōu)化指導(dǎo)、檢修決策等。設(shè)備狀態(tài)的全景展示功能全景展示功能以水電站設(shè)備為中心，采用三維立體展示方式和 GIS 技術(shù)，進(jìn)行設(shè)備全景信息、設(shè)備狀態(tài)綜合展現(xiàn)。智能預(yù)警與評(píng)價(jià)功能 299 主要基于大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)結(jié)合專業(yè)設(shè)備故障機(jī)理，建立設(shè)備故障預(yù)警模型，實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)的預(yù)測(cè)和早期預(yù)警，提供設(shè)備的健康評(píng)價(jià)

21、和故障診斷服務(wù)，防止設(shè)備故障導(dǎo)致的惡性事件的發(fā)生。包括對(duì)設(shè)備進(jìn)行設(shè)備健康狀態(tài)評(píng)估、故障診斷、趨勢(shì)預(yù)測(cè)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等。以下圖 4 是水電站設(shè)備故障預(yù)警模型：圖 4 基于大數(shù)據(jù)挖據(jù)的故障預(yù)警模型首先，需要根據(jù)在線監(jiān)測(cè)的歷史數(shù)據(jù)，依據(jù)故障機(jī)理模型進(jìn)行故障特征指標(biāo)計(jì)算，對(duì)歷史特征指標(biāo)集采用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)（如多元線性回歸分析、支持向量機(jī)（SVM）等進(jìn)行訓(xùn)練，建立故障預(yù)測(cè)模型。然后，將訓(xùn)練后的預(yù)測(cè)模型應(yīng)用于實(shí)時(shí)的故障特征異常檢測(cè)，即根據(jù)實(shí)時(shí)采集到的設(shè)備的原始數(shù)據(jù)，在邊緣側(cè)進(jìn)行故障特征指標(biāo)的實(shí)時(shí)計(jì)算，根據(jù)預(yù)測(cè)模型的計(jì)算結(jié)果和實(shí)際計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，用以檢測(cè)故障特征指標(biāo)是否發(fā)生變化。當(dāng)預(yù)警系統(tǒng)檢測(cè)到特征指標(biāo)發(fā)生變

22、化時(shí)則發(fā)出告警信息，并輸出告警分析報(bào)告。設(shè)備運(yùn)行優(yōu)化功能以設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和智能預(yù)警評(píng)價(jià)結(jié)果為基礎(chǔ)，結(jié)合設(shè)備 運(yùn)行性能模型，提供優(yōu)化運(yùn)行建議，指導(dǎo)水電機(jī)組的安全可靠、 300 高效率運(yùn)行。設(shè)備檢修決策功能以設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和智能預(yù)警評(píng)價(jià)結(jié)果為依據(jù)，給出設(shè)備 檢修建議，實(shí)現(xiàn)水電設(shè)備的檢修觸發(fā)以及檢修方案的指導(dǎo)決策。檢修建議要求包括設(shè)備的檢修項(xiàng)目、檢修優(yōu)先順序、檢修等級(jí) 和檢修時(shí)間，評(píng)估其檢修的必要性，為實(shí)施最佳、最優(yōu)檢修提 供決策與支持。安全及可靠性本方案的安全設(shè)計(jì)，包括身份鑒別、訪問控制、安全審計(jì)設(shè)計(jì)、通訊完整性、保密性、抗抵賴、剩余資源保護(hù)和控制、軟件容錯(cuò)等多個(gè)方面，確保系統(tǒng)安全。系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)按

23、照電力監(jiān)控系統(tǒng)安全防護(hù)規(guī)定以及其他電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全規(guī)定進(jìn)行設(shè)計(jì)。電力網(wǎng)絡(luò)安全 I、II 區(qū)與 III 區(qū)之間的數(shù)據(jù)通訊部署單向網(wǎng)絡(luò)隔離柵，防止III 區(qū)及以外數(shù)據(jù)侵入電力網(wǎng)絡(luò)安全I(xiàn)、II 區(qū)，引起設(shè)備控制系統(tǒng)的誤動(dòng)。身份鑒別，采用用戶身份認(rèn)證，保證用戶的合法性。系統(tǒng)內(nèi)的每個(gè)角色有可靠的身份識(shí)別，訪問權(quán)限控制，防止對(duì)信息的非法使用、調(diào)閱、修改和破壞。采取應(yīng)用系統(tǒng)運(yùn)行日志、應(yīng)用系統(tǒng)操作日志、系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控和故障報(bào)警等手段，加強(qiáng)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)控。提供訪問控制功能控制用戶組/用戶對(duì)系統(tǒng)功能和用戶數(shù)據(jù)的訪問。安全審計(jì)與身份鑒別、訪問控制、數(shù)據(jù)完整性等安全功 301 能的設(shè)計(jì)緊密結(jié)合，并為下述可審計(jì)事件產(chǎn)

24、生審計(jì)記錄。數(shù)據(jù)通訊：采用約定通信會(huì)話方式的方法保證通信過程中數(shù)據(jù)的完整性；采用 MD5 單向加密密碼技術(shù)保證通信過程中數(shù)據(jù)的完整性。剩余資源保護(hù)和控制，對(duì)系統(tǒng)的各類剩余資源進(jìn)行監(jiān)視、清理、控制。軟件容錯(cuò)。在故障發(fā)生時(shí)，應(yīng)用系統(tǒng)能夠繼續(xù)提供一部分功能，如非登錄用戶的公共功能。提供數(shù)據(jù)有效性檢驗(yàn)功能; 采用集群技術(shù)和備份技術(shù)，提供自動(dòng)保護(hù)功能，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)自動(dòng)保護(hù)當(dāng)前所有狀態(tài)，保證系統(tǒng)能夠進(jìn)行恢復(fù)。成功案例1）基于預(yù)警平臺(tái)的水輪發(fā)電機(jī)組不平衡故障預(yù)警案例水輪發(fā)機(jī)組是水電站的核心資產(chǎn)，保障水電機(jī)組的安全健康運(yùn)行是水電站日常生產(chǎn)的最主要的任務(wù)。而在水輪發(fā)電機(jī)組故障中，不平衡類故障是最為常見的故障類型，包括轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡、轉(zhuǎn)輪質(zhì)量不平衡、電磁拉力不平衡、水力不平衡等， 也是引起機(jī)組振動(dòng)最為主要的原因。對(duì)不平衡類故障實(shí)現(xiàn)早期預(yù)警，能解決水輪發(fā)電機(jī)組大部分的預(yù)警預(yù)測(cè)問題，為水輪發(fā)電機(jī)組的安全健康運(yùn)行提供有力的保證。 302 圖 5 水輪發(fā)電機(jī)組不平衡故障安全預(yù)警實(shí)施架構(gòu)預(yù)警系統(tǒng)的工廠云平