DQZHAN技術(shù)訊：電廠設備在線監(jiān)測與故障預警系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

隨著電廠自動化程度的增加，提高關(guān)鍵設備的有效性運行和可維護性也變得非常重要。傳統(tǒng)的設備檢修方式日益暴露出其局限性，設備故障帶來的經(jīng)濟損失也日益受到發(fā)電企業(yè)的重視和關(guān)注。文章通過對發(fā)電機組設備**現(xiàn)狀的分析，基于專家案例庫豐富的故障和預警模型，結(jié)合 IO 組態(tài)、高速數(shù)據(jù)通信等信息化技術(shù)，詳細闡述了電廠設備在線監(jiān)測與故障預警系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)。 系統(tǒng)的應用能夠?qū)υO備故障提前告警，確保設備**穩(wěn)定運行，有效降低設備故障發(fā)生率，大大提高了機組設備的管理效率。

0、引言

電廠生產(chǎn)過程的任何故障不僅直接影響電能產(chǎn)量和電能質(zhì)量，而且還可能造成設備損毀和人身事故。要使發(fā)電機組設備能夠**、可靠、有效的運行，使其充分發(fā)揮作用，發(fā)展設備狀態(tài)監(jiān)控和故障預警技術(shù)是必經(jīng)之路。 故障預警技術(shù)的基本思想是實時監(jiān)測設備的運行狀態(tài)，在設備故障產(chǎn)生初期，即設備當前運行狀態(tài)與正常狀態(tài)偏差較小時，給出準確的、快速的診斷結(jié)果，為檢修和運行人員爭取更多的故障處理時間與主動性，提高機組設備的可靠性，降低維修成本，減少經(jīng)濟損失。 電廠設備在線監(jiān)測與故障預警系統(tǒng)，針對電力行業(yè)發(fā)電機組中重要的設備設計并研發(fā)的一款智能分析系統(tǒng)，為發(fā)電機組的設備監(jiān)控、預警、檢修、輔助決策等提供整體的解決方案。

1、系統(tǒng)架構(gòu)設計

1.1、物理架構(gòu)

電廠設備狀態(tài)監(jiān)測與故障預警系統(tǒng)的物理架構(gòu)如圖 1 所示。 系統(tǒng)的物理架構(gòu)構(gòu)建了從生產(chǎn)數(shù)據(jù)實時采集到應用層數(shù)據(jù)處理，再到多平臺信息展示的應用架構(gòu)，形成完善、高速、**的環(huán)境體系，以實現(xiàn)電廠設備的實時監(jiān)測和預警。

1) 生產(chǎn)層： 包含分布式控制系統(tǒng)(Distributed Control System， DCS)、 可 編 程 邏 輯 控 制 器(Programmable Logical Controller， PLC)等 多 個 系 統(tǒng)，通過分布式采集器，從這些系統(tǒng)中采集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到應用層。 生產(chǎn)層和應用層兩者之間通過物理隔離裝置進行連接，使得采集的數(shù)據(jù)只能單向地從生產(chǎn)層流向應用層，保證了實時數(shù)據(jù)的高效**穩(wěn)定傳輸。

2) 應用層： 包括實時庫服務器、 Web 服務器、數(shù)據(jù)庫服務器、文件服務器、接口服務器等一系列設備，實時庫服務器獲取從生產(chǎn)層面?zhèn)鱽淼膶崟r數(shù)據(jù)，對這些數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一劃分、歸檔，再將處理過后的數(shù)據(jù)經(jīng)由內(nèi)部網(wǎng)絡傳輸?shù)?Web 服務器，由 Web 服務器發(fā)送給多平臺的信息展示層。

3) 多平臺信息展示層： 在該層系統(tǒng)通過 Web 服務器，向 PC 端、手機端等多個平臺推送*新設備運行信息，用戶可以隨時掌握設備運行狀態(tài)并對可能發(fā)生的故障進行排查，保證了電廠**、高效、穩(wěn)定的生產(chǎn)，減少經(jīng)濟損失。

1.2、數(shù)據(jù)架構(gòu)

系統(tǒng)按照數(shù)據(jù)類型可分為從設備上實時采集的原始數(shù)據(jù)、 Web 系統(tǒng)中維護的設備測點信息和配置的指標工況故障信息以及實時庫內(nèi)的信息，通過對數(shù)據(jù)進行處理后就可得到監(jiān)測預警數(shù)據(jù)。 實時庫作為重要的一環(huán)，支撐起系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測和故障預警這2 個主要功能。 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)架構(gòu)如圖 2 所示，通過IO 模塊，獲取原始數(shù)據(jù)，經(jīng)由內(nèi)部網(wǎng)絡傳輸?shù)綄崟r模塊。 在這一過程中，實時數(shù)據(jù)庫保留原始數(shù)據(jù)的實時快照，以備 Web 系統(tǒng)所用。 實時模塊分為 3 個子功能模塊，分別是歷史模塊、報警模塊和計算模塊。

1) 系統(tǒng)通過歷史模塊，記錄實時數(shù)據(jù)并實例化，用于系統(tǒng)學習和分析各設備的歷史運行規(guī)則。

2) 報警模塊根據(jù)獲取 Web 系統(tǒng)中維護的設備測點參數(shù)，通過算法獲得各設備對應工況等信息，再通過對實時數(shù)據(jù)的計算分析比較生成報警記錄。

3) 計算模塊通過系統(tǒng)的 WebSocket 服務，獲取實時數(shù)據(jù)庫提供的實時快照、歷史數(shù)據(jù)和報警數(shù)據(jù)，并經(jīng)過 Web 系統(tǒng)的再處理，以報表、表單、圖形、消息提醒等方式展現(xiàn)給用戶。

1.3、技術(shù)架構(gòu)

系統(tǒng)的技術(shù)架構(gòu)如圖 3 所示，自下而上的將系統(tǒng)分為采集層、存儲層、應用層、服務層和展示層。各個層面分工明確，相互之間由內(nèi)外網(wǎng)混合模式進行數(shù)據(jù)傳輸。

1)采集層： 負責系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集，是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源頭。

2)存儲層： 負責數(shù)據(jù)的壓縮、存儲、檢索及查詢，為核心功能層提供數(shù)據(jù)支撐。

3)應用層： 用于搭建軟件應用環(huán)境，負責底層技術(shù)支撐，并與硬件服務層緊密關(guān)聯(lián)，使得各子系統(tǒng)服務能正常運行。

4)服務層： 給客戶端或者第三方系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)或者信息推送，是系統(tǒng)中的關(guān)鍵一環(huán)，從存儲層獲取數(shù)據(jù)，通過系統(tǒng)中算法、公式等一系列操作，將匯總的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成可視化信息推送給各平臺展示。

5)展示層： 提供了系統(tǒng)信息的多種展示方式，包括 PC 端和移動端數(shù)據(jù)的展示。

2、系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

設備在線監(jiān)測與故障預警系統(tǒng)分為在線監(jiān)測和故障預警 2 部分。 在線監(jiān)測*重要的就是數(shù)據(jù)的實時性，即用戶能在**時間了解生產(chǎn)實時情況，實現(xiàn)對實時數(shù)據(jù)流的高速處理。 故障預警*重要的是預警的準確性，準確的故障預警能減少事故的發(fā)生，減少機組停機時間。 預警的準確性依賴于專家?guī)旌陀嬎氵^程的準確性。 整個系統(tǒng)的設計開發(fā)都是圍繞著在線監(jiān)測和故障預警 2 部分展開。

信息化系統(tǒng)的核心是數(shù)據(jù)，對本系統(tǒng)來說，所有的功能都是以實時數(shù)據(jù)為核心展開的。 其中系統(tǒng)的主要數(shù)據(jù)處理部分由科大國創(chuàng)自主研發(fā)的 Iplant實時數(shù)據(jù)庫完成。 Iplant 實時數(shù)據(jù)庫主要負責數(shù)據(jù)的采集、存儲、分析、計算、報警以及向客戶端以及第三方系統(tǒng)的數(shù)據(jù)推送。 實時數(shù)據(jù)庫為各種上層應用提供數(shù)據(jù)支撐，是系統(tǒng)運行的基礎。

2.1、IO 組態(tài)

IO 組態(tài)模塊是實時數(shù)據(jù)庫的采集模塊，是整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源頭。 IO 組態(tài)模塊采用分布式數(shù)據(jù)采集，可以在不同的網(wǎng)絡節(jié)點、不同的物理位置甚至可以穿過物理隔離裝置部署 IO 采集器。 IO 組態(tài)模塊根據(jù)已經(jīng)配置好的通信裝置和對應的通信參數(shù)，從不同系統(tǒng)和裝置中采集數(shù)據(jù)并上傳給實時數(shù)據(jù)庫。不同的通信協(xié)議和不同的通信設備向上采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)上送接口，完全實現(xiàn)通信協(xié)議的透明化。 采集器和實時數(shù)據(jù)庫采用松耦合設計，既可以部署在同一臺機器上，也可以部署在不同機器上以增強系統(tǒng)部署靈活性。 系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)的通信協(xié)議有： OPC，Modbus， IEC102，IEC104 等多種標準通信協(xié)議以及PI， pSpace， EDNA 等各實時數(shù)據(jù)庫廠家 API，支持被動接收和主動采集 2 種采集模式。

2.2、歷史數(shù)據(jù)管理

歷史數(shù)據(jù)處理模塊負責整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲、檢索，歷史數(shù)據(jù)的壓縮效率直接影響著文件的存儲時間。 歷史文件管理以測點為核心，圍繞著測點來組織歷史數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)類型分為 Float， Digital， Int4，Int2， byte 等多種類型，存儲的測點信息包括時間戳、測點值、質(zhì)量戳。 歷史文件存儲采用三級索引、時間戳差分存儲等技術(shù)手段來提高檢索效率和存儲容量，并通過*近內(nèi)存訪問機制優(yōu)化數(shù)據(jù)訪問，縮短數(shù)據(jù)的訪問時間，提高在系統(tǒng)中查詢、比較、計算歷史數(shù)據(jù)的效率。

2.3、數(shù)據(jù)壓縮及擬合

在實時數(shù)據(jù)庫中，通常具有數(shù)據(jù)采集量大及數(shù)據(jù)臨近度高的特點。 如果不對這些數(shù)據(jù)進行壓縮，將對系統(tǒng)資源造成巨大的浪費，因此，為了節(jié)省磁盤空間，系統(tǒng)在歷史數(shù)據(jù)存儲時，會根據(jù)設定，采用旋轉(zhuǎn)門壓縮、死區(qū)壓縮或哈夫曼壓縮算法進行數(shù)據(jù)壓縮。

2.4、高速數(shù)據(jù)通信技術(shù)

由于系統(tǒng)有數(shù)據(jù)采集、實時數(shù)據(jù)處理、歷史數(shù)據(jù)、計算以及報警等多個模塊，所以模塊間的數(shù)據(jù)通信速度直接影響了系統(tǒng)的實時性以及數(shù)據(jù)的正確性。為了保證系統(tǒng)的實時性以及正確性，模塊間的通信采用了持久化內(nèi)存映射方式，這種方式的優(yōu)點是通信效率高，在異常斷電或者程序異常的情況下能保證數(shù)據(jù)不丟失。 在服務器端和瀏覽器端傳輸實時數(shù)據(jù)時采用了 WebSocket 技術(shù)，由于傳輸采用了二進制數(shù)據(jù)塊通信并保持常連接的方式，其通信效率比傳統(tǒng)的 http 輪詢有數(shù)十倍的提高，這樣才能確保系統(tǒng)中的頁面在瀏覽器中運行流暢，無遲延，告警信息能夠?qū)崟r迅速地推送給用戶。

2.5、分布式技術(shù)

由于系統(tǒng)特點或者硬件條件限制，不同的功能模塊可能要在不同的服務器上或者不同的物理位 置 部 署， 系 統(tǒng) 采 用 了 互 聯(lián) 網(wǎng) 通 信 引 擎(Internet Communications Engine， ICE)技術(shù)來解決模塊之間的通信問題。 ICE 是一款高性能、跨平臺、跨語言的中間件，支持分布式部署管理、消息中間件以及網(wǎng)格計算等。

本系統(tǒng)利用了 ICE 框架技術(shù)來實現(xiàn)各個模塊的分布式功能。 當測點多、數(shù)據(jù)量非常龐大或者服務器處理能力不足時，可以將實時數(shù)據(jù)庫的各個功能模塊分布到不同的服務器上。

2.6、實時數(shù)據(jù)計算

系統(tǒng)監(jiān)控和預警依賴于對實時數(shù)據(jù)準確、及時、靈活的統(tǒng)計計算處理。 計算模塊將公式腳本經(jīng)過詞法分析、語法分析等過程，可以實現(xiàn)簡單公式、腳本段以及復雜腳本的運算。

簡單公式包括運算符、表達式、函數(shù)、測點、公式以及括號等，函數(shù)包括常用數(shù)學函數(shù)、 IF97 水蒸氣函數(shù)以及自定義函數(shù)、測點間橫向計算函數(shù)以及縱向統(tǒng)計函數(shù)。 簡單公式可以綜合運用測點編碼信息、表達式、二級公式、四則運算、邏輯關(guān)系、預定義數(shù)學公式、自定義函數(shù)等多種參數(shù)，組合形成所需的計算規(guī)則。

腳本段包括變量定義、表達式語句、 if 分支、switch 分支、 for 循環(huán)、 while 循環(huán)等。

復雜腳本除了包括表達式、腳本段外，還包括函數(shù)調(diào)用，每個腳本都有個 main 函數(shù)作為運行入口。復雜腳本可以滿足更靈活、更強大的實時計算需求。

系統(tǒng)中的計算引擎載入上述計算規(guī)則，當接收到實時數(shù)據(jù)時，則立即自動觸發(fā)計算，并根據(jù)計算結(jié)果和預先設定的規(guī)則決定是否報警。 計算結(jié)果也可以被當作實時數(shù)據(jù)存儲到實時庫中，從而在歷史數(shù)據(jù)回放時避免再次計算，降低了系統(tǒng)負荷。

2.7、故障信息推送

故障預警依賴實時數(shù)據(jù)計算來實現(xiàn)故障預警信息推送功能。 故障預警觸發(fā)方式分為周期性觸發(fā)和新數(shù)據(jù)觸發(fā)模式，可直接針對測點報警，也可以針對計算公式(腳本)的計算結(jié)果報警。 系統(tǒng)還考慮到了測點在不同工況下的報警情形，可針對不同工況分別設定報警觸發(fā)條件。 報警觸發(fā)方式有閾值報警、設計值報警以及上下限報警等多種方式。 為防止偶發(fā)性的數(shù)據(jù)異常，系統(tǒng)通過設置持續(xù)時間、死區(qū)等方式排除數(shù)據(jù)擾動，減少誤報、重復報的現(xiàn)象。

報警產(chǎn)生以及結(jié)束后會將相關(guān)報警信息在實時數(shù)據(jù)庫模塊本地緩存后再發(fā)送到 Web 服務器，由Web 服務器進行面向用戶的報警通知、展示等。

3、系統(tǒng)主要功能

3.1、設備信息管理功能

設備信息管理功能主要用于維護發(fā)電機組設備的主要物理信息，包含機組設備的位置信息、設備相關(guān)技術(shù)規(guī)范維護信息(包括設備編碼、廠家等)、設備測點等基礎信息。 除此之外，還要構(gòu)建指標體系，將設備上的所有測點進行提取和篩選，選取與設備運行狀況密切相關(guān)的有用測點(如設備的性能參數(shù)、主要指標等)，抽象成多個采集點指標。 根據(jù)專家案例庫挖掘的測點間的計算或邏輯關(guān)系維護成虛擬測點，這些虛擬測點稱為計算點指標，可作為設備運行健康狀況的標志值，也可成為對管理人員而言容易理解、直觀化的某些運行參考數(shù)據(jù)。這些采集點和計算點指標形成整體的指標體系，設備監(jiān)控和故障預警都要圍繞它們來實現(xiàn)。

3.2、模型管理功能

模型管理功能主要用于維護設備的一系列性能參數(shù)(如設計參數(shù)、特征參數(shù)和相關(guān)參數(shù)等)以及參數(shù)報警的上下限值，根據(jù)這些參數(shù)和限值，通過實時監(jiān)測參數(shù)指標值，系統(tǒng)實現(xiàn)了傳統(tǒng)的故障閾值報警。

模型管理模塊還有一個主要功能就是關(guān)聯(lián)相似相關(guān)設備，建立設備間關(guān)系。相似設備是指運行環(huán)境、模式相似的平行設備;相關(guān)設備是指機組運行過程中，設備健康狀況會相互影響的設備。 相似、相關(guān)設備的關(guān)聯(lián)，有利于實時監(jiān)測過程中用戶對設備間運行狀況的比較，以及故障報警后設備異常數(shù)據(jù)間的比較和分析。 因為本系統(tǒng)故障預警不是僅僅針對單個測點，而是可以根據(jù)專家?guī)斓闹R，組合多個測點的實時數(shù)據(jù)來綜合判斷某設備是否有故障，因此當用戶發(fā)現(xiàn)某個設備出現(xiàn)告警時，可以通過一層層展開，查看多個相關(guān)測點的實時數(shù)據(jù)，從而判斷問題的根源所在。

設備信息和模型管理模塊維護的指標信息、性能參數(shù)、設備間關(guān)系，都會展示在設備指標關(guān)系頁面(見圖 4)，便于監(jiān)控設備運行狀況。

3.3、提供專家案例庫功能

專家案例庫是業(yè)務專家通過知識和經(jīng)驗的積累，針對設備形成的故障和預警模型。 系統(tǒng)開發(fā)前期大量收集電廠故障方面的資料，并根據(jù)專家的專業(yè)知識、事故案例分析和專業(yè)工程師、檢修人員在日常工作實踐中積累的經(jīng)驗，把理論和經(jīng)驗相結(jié)合分析總結(jié)出一套典型故障模型(包括故障征兆、分析、解決方案等)。 通過對典型故障模型的分析和公式量化，把專家的知識、事故案例分析結(jié)論和專業(yè)工程師、檢修人員的故障判斷量化為數(shù)據(jù)、計算公式等一系列明確的預警準則(如橫向多個指標間的相互關(guān)系、時間縱向的指標變遷等)，建立起一套完整的預警機制，并且在電廠設備運行中進行反復的驗證，不斷汲取經(jīng)驗進行優(yōu)化完善。 由典型故障模型及其對應的預警準則所構(gòu)成的專家案例庫(見圖5)，是系統(tǒng)成功預警的基石。

3.4、設備監(jiān)測功能

系統(tǒng)除了提供電廠傳統(tǒng)的組態(tài)圖監(jiān)測畫面，還提供更為直觀明了的設備狀態(tài)監(jiān)測畫面(見圖 6)。狀態(tài)監(jiān)測頁面以 SVG 圖形技術(shù)展示了發(fā)電機組的工藝流程，并且可以為發(fā)電機組主要設備定制監(jiān)測頁面，所有設備都可以點擊設備圖標彈出其實時監(jiān)控頁面查看運行狀況，圖 7、圖 8 分別為水冷壁實時監(jiān)測頁面和水冷壁測點監(jiān)測頁面。

3.5、故障預警功能

系統(tǒng)通過使用企業(yè)自主研發(fā)的實時數(shù)據(jù)技術(shù)，對自動采集的實時數(shù)據(jù)進行存儲，再根據(jù)前期在系統(tǒng)的知識庫模塊中建立維護的故障預警準則進行計算和分析，用以判斷預警準則是否成立，并將結(jié)果快速高效**地發(fā)送到系統(tǒng) Web 服務器， Web 服務器再將各預警信息實時推送到系統(tǒng)前臺的狀態(tài)監(jiān)測頁面和相關(guān)檢修人員的手機客戶端。

當預警系統(tǒng)發(fā)出警示時，用戶不僅可以看到發(fā)出警示的設備對應的信息，還可以通過關(guān)系樹查看是該設備的哪些測點可能發(fā)生故障，并通過相關(guān)相似設備查看發(fā)生警示的設備是否會影響到其下游設備的運行或者警示是否是其上游設備的某些異常導致，以便更加直觀、快速地找出問題來源。

當某一設備發(fā)出告警信息時，系統(tǒng)將其可能影響到的設備問題的相關(guān)指標參數(shù)，通過趨勢圖組的形式在同一界面上顯示，以及對該設備的相關(guān)相似設備運行狀況進行分析比較，為相關(guān)技術(shù)人員查看、分析和判斷等工作提供了便利，不僅有利于**分析問題，還可以極大地提升工作效率減少經(jīng)濟損失。同時系統(tǒng)會將設備可能發(fā)生的故障發(fā)出處理請求，生成缺陷處理單，并對處理過程、響應時間和處理結(jié)果進行跟蹤統(tǒng)計。

3.6、檢修決策功能

故障和預警發(fā)生后，在保障設備**運行的前提下，對設備進行壽命分析，融合維修成本、節(jié)能效益等管理信息，為廠領導提供設備維修和更換方案進行技術(shù)經(jīng)濟分析，提供維修輔助決策，并且根據(jù)專家案例庫里的典型故障模型，提供具體對策和處理建議，指導運行人員進行運行調(diào)整和處理，從而有效地消除故障，保證機組設備經(jīng)濟、**運行。

4、結(jié)語

適應國內(nèi)電力行業(yè)的發(fā)展需求，實現(xiàn)設備預知性維修，是電力設備檢修改革發(fā)展的必然趨勢。 本系統(tǒng)對機組設備的性能參數(shù)進行實時狀態(tài)監(jiān)測，自動提取反映設備故障特征的信息，利用故障診斷模型識別設備的健康狀態(tài)，給出設備*有可能發(fā)生故障原因的建議，對解決發(fā)電機組設備問題具有很好的指導意義，為機組設備狀態(tài)檢修的優(yōu)化提供有力支持。

本系統(tǒng)的研究主要集中在設備運行狀態(tài)預測部分。 目前由于實現(xiàn)故障預警的預警準則是人為分析總結(jié)制定的規(guī)則，其準確性還需要在實踐中反復不斷的驗證和優(yōu)化。 不斷的完善、優(yōu)化、充實專家案例庫，是本系統(tǒng)未來發(fā)展的方向。 由于發(fā)電設備的故障預警系統(tǒng)研究是國內(nèi)外研究的新興課題，在應用推廣上還有漫長的道路要走.