（电气工程专业论文）大型汽轮发电机转子绕组始发故障识别系统.pdf

， ， 一 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文大型汽轮发电机转子绕组始发故 障识别系统，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研 究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：三乡馘日 期：丝! ! ：! 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不 同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期：堡：! ! ：兰：罗 - l l 华北电力大学工程硕士学位论文摘要 摘要 发电机转子绕组匝间短路故障是发电机的一种常见故障。转子在制造过程中的 工艺不良以及发电机运行条件差都可能发生转子匝间短路，从而使转子电流增大， 绕组温度升高，限制发电机带无功能力。短路严重的情况下，由于磁场失去平衡而 引起振动增加，最终导致发电机被迫停止运行。本文针对京泰发电公司新装群1 发电 机组开发研制了发电机转子匝间短路故障诊断系统。通过从d c s 系统中采集发电 机的励磁电流、有功、无功、励磁电压等数据，经过精确的数据模型计算出相应的 励磁电流，与局域网内客户机进行连接，对发电机的转子状况进行实时监控，及早 发现转子匝间短路故障，确保发电机始终处于一种良好的运行状态。 关键词：汽轮发电机；转子匝间短路；数据采集；故障诊断；软件 a b s t r a c t t h ef a u l to fg e n e r a t o rr o t o rw i n d i n gs h o r t - c i r c u i ti sac o m m o nf a u l t r o t o rc r a f ti n t h em a n u f a c t u r i n gp r o c e s s ，a sw e l la so p e r a t i n gi nb a dp o o ro p e r a t i n gc o n d i t i o n sa r et h e r o t o rw i n d i n gs h o r t - c i r c u i tm a yo c c u r , s ot h a tt h er o t o rc u r r e n ti n c r e a s e s ，w i n d i n g t e m p e r a t u r eu p s ，t h e s el i m i tt h en o n - f u n c t i o n a lp o w e ro fg e n e r a t o r s h o r t - c i r c u i ti n s e v e r ec a s e s ，l o s so fb a l a n c eo fm a g n e t i cf i e l dc a u s e db yv i b r a t i o nw i l li n c r e a s e ， e v e n t u a l l yl e a dt ot h a tg e n e r a t o rw a sf o r c e dt os t o pr u n n i n g t h i sp a p e rd e v e l o p e da g e n e r a t o rr o t o rs h o r t - c i r c u i tf a u l td i a g n o s i ss y s t e mf o rj i n gt a ip o w e rc o m p a n yu n i t1 t h ed a t ag e n e r a t o re x c i t a t i o nc u r r e n t ，a c t i v ep o w e r , r e a c t i v ep o w e r , e x c i t a t i o nv o l t a g e ， c o l l e c t e df r o mt h ed c ss y s t e m ，c a l c u l a t et h ec o r r e s p o n d i n ge x c i t a t i o nc u r r e n tb ya p r e c i s ed a t am o d e l ，c o n n e c tt ot h el a n c l i e n t st om o n i t o rt h ec o n d i t i o no ft h eg e n e r a t o r r o t o r , f i n dt h ef a u l to ft h eg e n e r a t o rw i n d i n gs h o r t - c i r c u i ti nt i m e , e n s u r em a tt h e g e n e r a t o r sa l w a y si nag o o ds t a t eo fo p e r a t i o n s uy o n g - j i a n ( p o w e rp l a n tt h e r m a lp o w e re n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f z h ul i n g k e yw o r d s ：t u r b i n e - g e n e r a t o r , r o t o ri n t e r - t u r ns h o r tc i r c u i 乞f a u l td i a g n o s i s s o f t w a r e ，d a t aa c q u i s i t i o n 讳 i 一 中文摘要 英文摘要 第一章引言。1 1 1 研究背景l 1 2 转子绕组匝间短路故障原因l 1 3 目前主要的研究方式2 1 4 本文的主要工作4 第二章数据采集系统的设计与实现5 2 1 通信技术方式。5 2 2o p e n p l a n t t m 实时数据库模型8 2 2 1o p e n p l a n t t m 实时数据对象8 2 2 2 时间约束：9 2 3o p e n p l a n t t m 实时内存数据库技术9 2 3 1 实时内存数据库的数据装入与交换1 0 2 3 2 数据库的重装入恢复1 1 2 4o p e n p l a n t t m 实时数据库数据管理1 1 2 4 1 数据库的定义1 l 2 4 2 数据库的存储1 2 2 4 3o p e n p l a n t t m 数据库开放式接口1 4 2 4 4 调用数据1 4 第三章转子匝间短路诊断数据库系统1 6 3 1 数据库分析对比1 6 3 2 数据库设计：1 8 3 2 1 总体设计1 8 3 2 2 设计与创建表【l i 1 2 1 1 9 3 3 基于v i s u a l b a s i c 语言的实现方案2 0 第四章汽轮发电机转子绕组匝间短路故障诊断系统设计2 3 i 录 i l 1 1 研究背景 电力工业的发展促使发电机向大容量、高参数方向迈进，我国的能源结构逐步 调整，而且速度越来越快。新能源产业逐步壮大，核电、水电、风电、生物质能的 比例逐渐增大，但是火电机组在相当一段时间还将扮演重要角色。汽轮发电机组的 可靠运行对电网安全而言尤为关键，开展发电机转子绕组始发故障识别的研究工作 很有必要。如果发电机转子的故障在初始阶段得到监测，并且能够及时地进行停机 及故障排除，不仅提高了电力系统运行的稳定性，而且可以避免给企业造成巨大损 失。发电机转子绕组匝间短路是发电机常发的故障之一。在其故障始发阶段特征不 够明显，往往不会引起高度重视。但是发电机长期运行下去将会造成转子线圈一点 甚至两点接地，在这种状态下长期运行会导致转子重大故障发生。某发电厂( 群5 机 组q f s n 3 3 0 2 型发电机) 新机投运后，在进入1 6 8 小时试运行的第二天出现转子 接地故障，被迫停运返厂进行修复，给企业造成巨大损失。像这一类事故属于制造 厂的质量问题，但还是由于之前的监测手段不全造成故障扩大化。发电机转子在运 行中处于3 0 0 0 r m i n 的高速运转状态，所受的电磁力和机械力极大，匝间短路故障 发生的频率较高。为了避免这类故障的频发，国内外进行转子绕组匝间短路故障初 始状态的研究也越来越广泛，通过科学的监测手段逐步地将转子故障范围缩小，确 保机组安全稳定运行。 1 2 转子绕组匝间短路故障原因 根据转子绕组短路故障的现象分析，造成转子绕组匝间短路故障的原因主要有 以下几个方面： ( 1 ) 转子的制造工艺不良，绕组在固定时不够牢固，运行中造成松动位移：匝间 绝缘垫片衬垫不合要求，造成通风孔堵塞，绕组导线的焊接质量差以及转子线圈有 毛刺或留有异物等； ( 2 ) 转子在检修或运行过程中绕组的通风孔内落入异物，尤其是金属性异物极易 造成转子线圈的匝间短路； ( 3 ) 转子在高速旋转的过程中产生的电磁力和机械力促使绕组发生位移变形：转 子冷却风道堵塞造成局部过热，导致匝间绝缘受损；机组冷态启动过程中，励磁后 转子电流突增，线圈与铁芯受热膨胀不均匀，使得绕组线圈蠕变留下的残余塑性变 在前列。这些工业发 部分科研院所以及部 方法： 是将探测线圈装在定 以测量磁通的切向分 将此微分信号引入示 波器进行分析。由于不同的信号微分后的波形不一样，特别是正常和故障情况有很 大的差别，所以对微分波形进行分析即可诊断出转子绕组是否存在匝间短路故障， 并准确显示出故障槽的位置。 微分线圈动测法不受外部条件及匝闻短路故障点在槽中位置的影响，可信度较 高。然而气隙线圈探测法只能在发电机空载和三相短路的情况下进行，在发电机带 负载条件下，由于电枢反应，探测效果并不明显，且检测准确度也较差。这种方法 要求转子处于旋转状态下测量，所以在转子安装前和半成品时不能采用，而且从已 调研的资料发现，国内绝大多数电厂现有及新设计的电机中，极少装有这种测量线 圈，并且安装这种线圈需要的停机时间也很长。 ( 2 ) 开口变压器法【2 】 单开口变压器法的测试原理是将转子置于定子膛外，由滑环通入交流电到绕组 中，在转子槽齿上便产生交变磁通。当线圈中存在或不存在匝问短路两种情况下， 在开口变压器线圈上所感应的电势的大小和电源电压之间的夹角是不同的。双开口 变压器法是利用电磁感应原理，将两个开口变压器置于转子本体同一线圈的对应槽 齿上。故障时，由短路匝产生的磁通对测量变压器起助磁作用，因此测量变压器的 感应电势比槽内无匝间短路时成倍增长。 单开口变压器法和双开口变压器法的缺点是均不能应用于转动状态下检测，需 要在停机抽出转子后才可以进行。 ( 3 ) 交流阻抗和功率损耗法 2 华北电力大学工程硕士学位论文 正常情况下，当转予旋转时，槽内线匝在离心力的作用下压向槽楔，既减少了 线匝在槽内的有效高度，又使槽楔与转子槽齿接触紧密，增强了阻尼效应，使得阻 抗值随转速升高而有规律下降。发生匝间短路故障时，对同一台机组相同状态下， 阻抗值会发生突变，而功率损耗则相对升高。 对于现场广泛采用的交流阻抗法，虽然具有简便、实用和较为灵敏的优点，也 可以在静态和动态下测量，但是交流阻抗法的测试结果受外部条件影响因素较多， 检测方法有很大的局限性：除了受到转子槽楔的材料及槽楔与槽壁接触的紧密程度 的影响之外，还受到转动状态下的定子附加损耗、转子本体剩磁、试验时施加电压 的高低、试验电源频率、波形的谐波分量等多种因素的影响，对判定较轻微的匝间 短路故障有时不能获得较准确结论，故不能作为判断匝间短路的主要依据。 ( 4 ) 直流电阻法 直流条件下，转子绕组电阻故障状态的测量值比正常状态的测量值明显偏低。 直流电阻法的缺点是灵敏度较低，只有在短路匝数较多时，直流电阻值才呈现 明显的变化。 ( 5 ) 空载及短路特性试验法 利用发电机空载和短路特性试验在正常或故障状态下所测参数值与特征曲线 的不同来判断是否发生转子绕组匝间短路故障。 空载与短路特性法对匝间短路故障的反映也不够灵敏，与直流电阻法相似，只 有在短路匝数较多时，特性曲线才有明显变化。 上述介绍的这些检测方法属于比较传统的检测方法，它们中的大多数都已经在 现场中应用了多年，并且积累了很多经验。但是由于大部分都不是在线检测或者受 到其他因素的干扰比较大，所以实际测试中得到的结果并不十分理想，而且检测的 灵敏度也不高。即使检测出故障以后，也无法一次性实现对故障槽的准确定位。 ( 6 ) 励磁电流判别法【孓4 】 该方法是通过检测发电机的励磁电流来判断是否存在匝间短路。当短路等效磁 势反向作用在短路磁极主磁场的磁势上，转子的短路效应会导致磁场相对减弱。因 此转子绕组匝间短路虽然会引起转子电流增大，但无功相对减小和不变。这可作为 发生匝间短路故障的一个明显的特征。在发电机运行中，电压、有功已知时，无功 与励磁电流之间的关系可以用下式表示： ，、厂广一 代r ) = u 2 + ，2 x ；+ ij 在铁芯不饱和的条件下，已知电压、电流、无功时，励磁电流可以确定；在铁 3 华北电力大学工程硕士学位论文 芯饱和条件下，借助磁化曲线可以得出对应的励磁电流。把它和励磁电流实际值进 矿= - f o 口 行比较，可以判断发电机转子绕组是否发生匝问短路，其判据为l j o ( 口为 把计算误差和测量误差考虑在内的偏差相对值，一般取o 4 0 5 ) 。 ( 7 ) r s o 重复脉冲检测法 r s o 检测法可用于检测转子绕组匝间短路、断线和绕组接地检测。这种方法是 用行波技术，利用双脉冲信号发生器对发电机转子两极同时施加前沿陡峭的一个高 频冲击脉冲波。当该脉冲信号沿绕组传播到阻抗突变点时，导致反射波和透视波的 出现。用双线示波器录得两组响应特征曲线，借以对波形响应时间的测定，经过计 算分析将检测结果直接与出厂时制造厂提供的标准波形进行比较，可判断转子绕组 匝间是否存在短路以及短路点的位置。此方法易于发现较小的匝间短路，但由于波 形容易受到转子阻抗变化的影响，不可作为在线监测方法。 1 4 本文的主要工作 按照我厂新装q f s n 3 0 0 型汽轮发电机的实际状况开发适于该类型发电机的转 子绕组始发故障识别系统，使得发电机转子在投运初期就能够检测其运行状况，确 保其长周期安全稳定运行。本系统的开发研究主要涉及以下几个方面的内容： ( 1 ) 通过数字通讯接i ：3 采集到发电机的励磁电流、有功、无功、线电流、相电压、 功率因数和频率等参数； ( 2 ) 将采集到的数据通过通讯设备传输至服务器数据库； ( 3 ) 将采集到的数据和发电机模型综合后编制发电机转子绕组始发故障识别诊 断软件，与厂内的局域网相连，在m i s 系统中实时监测发电机的运行状况。 4 华北电力大学工程硕士学位论文 第二章数据采集系统的设计与实现 为了实现发电机在线数据的采集，在电厂原来的数据系统基础上进行嵌入式数 据接口，本文就利用该通讯技术建立数据采集系统。 2 1 通信技术方式 京泰电厂数据系统采用上海麦杰科技公司开发的o p e n p l a n t 实时数据库系 统。 ( 1 ) 实时数据库的简介 实时数据库是数据库系统发展的一个分支，它适用于处理不断更新的快速变化的数 据及具有时间限制的事务处理。实时数据库技术是实时系统和数据库技术相结合的产 物，是为了获得对更新与查询极快的响应，满足实时应用的需要，将数据库和实时系统 两者的概念、技术、方法和机制的无缝结合，产生了实时数据库r t d b ( r e a lt i m e d a t a b a s e ) 。实时数据库就是其数据和事务都有显式定时限制的数据库，在时间约束的 条件下保证共享数据的一致性，数据的正确性不仅依赖于逻辑结果，而且依赖于逻辑结 果的产生时间和导出结果所使用数据的时间一致性。按需求来说，一方面实时数据平台 能够提供高速、及时的实时数据服务，能够有效地集成异构控制系统，提供分布式的数 据服务；另一方面它可以在工厂控制层( 现场总线、d c s 、p i , c 等) 与m e s 系统之间建 立了实时的数据连接，使企业全生产过程控制和业务管理相结合。同时它也是流程模拟、 先进控制、实时在线优化、生产全过程管理系统的数据平台。( 见图2 - 1 ) 5 华北电力大学工程硕士学位论文 、 一，0 2 y 一、一7 一 、 。罗，举 路由_：篁 m 喀网竺 l l 甲外网防火墙 图2 - 1s i s 网络结构 ( 2 ) 实时数据库的应用要求 实时数据库更多的是捆绑在s i s 系统中来体现它的数据服务的功能价值。实时数据 库不仅要将全厂生产过程的实时数据采集上来，还要将它们以其基本形式( 控制系统采 集的时间间隔、精度等) 保存下来，并且满足不同的授权用户和应用程序为实现不同目 的而进行的调用。它至少应该满足以下的要求： 1 ) 实时数据库点量不少于5 0 0 0 0 点。 2 ) 实时数据库应支持标准的b s ( 浏览器服务器) 结构，应具有良好的开放性和 可扩展性，支持多服务器结构，当扩建机组的数据接入时，只需增加数据库服务器即 可。 3 ) 系统应支持多平台结构：包括i n t e ln t a l a p h a 、u n i x s u n 、u n i x i b m 、u n i x h p 、 u n i x d e c 、o p e nv m s 等。 4 ) 对于数据的采集应包括与s i s 联网的所有系统的实时数据，所采集的每个点的 精度应可按应用方的要求定义。 5 ) 应该采取有效的压缩方式保证电厂所有生产过程实时信息和计算、分析结果数 据( 按5 万点设置) 的保存时间至少达到4 年( 一个大修期) ，经压缩的数据恢复的 扫描时间应不大于1 5 毫秒。实时及历史数据应禁止修改。对每个采集点的安全等级 应可以定义，只有各级的合法的授权用户才能访问该级别的数据。数据库系统必须设 6 华北电力大学工程硕士学位论文 有单向物理隔离、防火墙，以阻止计算机病毒、操作失误或人为破坏数据系统。采用 有效压缩存储或无损压损存储方式。 6 ) 实时数据库系统应有和与其联网的数据源系统的标准接口，它们至少应包括目 前国内主流d m s 系统和s i e m e n s 、m o d i c o n 、a b 等p l c 系统以及其它通用或专用 网络等。 7 ) 实时数据库不仅应作为s i s 所有计算分析程序和打印、报表所需数据的来源， 还应有和m i s 网络上关系型数据库的标准接口，支持a p i 、o d b c 2 0 、s q l 等标准 的链接方式，并可向电厂管理信息系统( m i s ) 提供其所需的实时数据和计算、分析 结果。其服务器和客户端的硬件应采用标准的第三方产品，软件模块应完全支持和兼 容微软的体系结构，并具有良好的透明度和二次开发能力。 ( 3 ) o p e n p l a n t 实时数据库系统构成 l 图2 2 数据库系统构成 ( 4 ) o p e n p l a n t 实时数据库系统技术详解 o p e n p l a n t 俐实时数据库系统采用当今先进的技术和架构，可安全、稳定地实现与现 场各控制系统的接口，并能对采集来的数据进行高效的数据压缩和长期的历史存储，同 时提供方便易用的客户端程序和通用的数据接口，如a p i 、d d e 、o d b c 、o p c 等，可 7 华北电力大学工程硕士学位论文 以帮助企业实现全厂范围内的实时数据共享，并在此基础上，结合企业的实际生产运行 情况和各业务流程的实际特点推出了一套包括过程图形监视、实时历史趋势、生产数 据字典、生产过程回放、操作指导、设备状态统计等一系列客户端用解决方案，为提高 企业的生产管理水平、节约生产成本、增强企业的市场竞争能力提供了坚实的数据基础 和科学依据。 o p e n p l a n t t m 实时数据库系统已经被成功地用于多个项目中。 2 2 0 p e n p l a n f f 实时数据库模型 o p e n p l a n t t m 实时数据库模型由下列三要素组成：一组实时数据对象及其结构、一组 操作和一组( 关于对象与操作的) 约束。其中的约束更突出地包括时间限制。 2 2 1 0 p e n p l a n t t m 实时数据对象 o p e n p l a n t t m 实时数据库( r t d b ) 中包含下列两种类型的数据对象： ( 1 ) 过程点对象 现实世界中的过程对象由传感器监视，其值被周期性地采样，并写入数据库。这种 被实时写入的过程对象的值就是一个过程对象在特定时刻的映像，称为过程点对象。一 个过程点对象有一个时标和一个有效期与之相连，它们分别对于相关过程对象的采样时 刻和自此时刻开始至下一采样发生的时间区间。一个过程对象的值被采样并写入 o p e n p l a n t t m 数据库而成为一个过程对象点的任务，然后建模为一个周期实时事务。过程 对象的值一旦记入数据库，就不被更改，而将对过程对象的另一时刻值采样并写入数据 库，作为新的过程对象。 ( 2 ) 导出对象 一个导出对象( d i v c d o b j c c t ，d e o ) 是经过一个事务的执行，由一组过程点对象 和或其他数据对象计算而得。显然，d e o 也有时标，它是事务时间，其有效期则为导 出它的多数据对象的有效之交，且可能有多个时间区间形式。 时间关系代数操作 o p e n p l a n t t m 实时数据库的时间关系代数有几种基本操作：选择、投影、迪卡尔积、 差和并。其定义与一般关系代数略有不同： 1 ) 时间选择 定义为选择满足时间条件表达式的数据对象。 如用户查询在一定起始时间和结束时间范围内的数据对象。 2 ) 时间并 华北电力大学工程硕士学位论文 先定义”时间归并”操作t 对于一个过程点对象，将其中所有具有相同值、不同有效 期的数据对象分别并成一个，其有效期为各相有效期之并。这就意味着去掉那些值和有 效期都相同的重复对象，在进行历史存储中可以有效地提高数据的压缩率，增加数据存 储量。 2 2 2 时间约束 ( 1 ) 数据的时间一致性 o p e n p l a n t t m 实时数据库是相现实过程的直接映像，现实世界状态的任何变化都及时 反应在数据库中，换句话说，数据对象的时标足够地接近其真实时间，使数据库的状态 能反现实过程的n 当前”状态。 ( 2 ) 事务的时间限制 实时事务由事件驱动，事件建模数据与时间之间的联系，事务的定时限制有的则表 现为相联事件的限制。o p e n p l a n t t m 有三种关于事件的时间限制： 两事件间的最大时距，如限定过程点历史存储的最大时距为l 小时； 两事件间的最小时距，事件记录最小分辨率为l 毫秒； 限定事件在特定时间发生，如限定历史数据的归档时间为每天零点。 实时事务的定时限制有： 限定事务执行的开始； 限定事务执行的结束； 限定事务在指定期间执行，如限定历史数据的归档周期为7 天。 实时事务的定时限制来自于外部环境的要求，指系统性能要求及数据的时间一致性 要求。 2 3o p c n p l a n t t m 实时内存数据库技术 o p e n p l a n t t m 实时内存数据库的设计打破传统磁盘数据库的设计观念，考虑内存直接 快速存取的特点，以c p u 和内存空间的高效利用为目标来重新设计开发各种策略与算 法、技术、方法及机制。 o p e n p l a n t t m 将整个数据库或其主要的”工作”部分放入内存，使每个事务在执行过程 中没有f o ，则为系统准确估算和安排事务的运行时间，使之具有较好的动态可预报性 提供了有力的支持，同时也为实现事务的定时限制打下了基础。 9 华北电力大学工程硕士学位论文 2 3 1 实时内存数据库的数据装入与交换 o p e n p l a n t t m 实时内存数据库根据实时数据本身及其事务的特征来考虑数据装入与 交换策略。 ( 1 ) 初始装入 内存数据库初装时，首先考虑的是事务的优先级。优先级高的事务先装入内存，或 者不分优先级而按调度策略，将先执行的事务先装入内存； 变化速率高的数据对的事务往往也是高优先事务； 存取频率高的数据一般还是先要被存取的数据； 紧密相关的数据( 即多个数据经常被一起使用) 考虑同时装入或交换。 初装的基本思想是将数据库的全部属性的集合按其存取频率及相亲度划分成子集， 然后求出每一子集的加权最高存取优先级，最后依内存容量，将相对加权存取优先级高 的那些子集装入内存。 ( 2 ) 内外存数据交换 o p e n p l a n t t m 通过提供一种内外存数据交换策略来支持实时内存数据库的实现，数据 交换策略考虑以下因素： 高易变的实时数据必须常驻内存中且不能被交换出去： 活跃或高频数据留驻内存中，一般不交换出去； 立即执行的数据在第一个处理请求以前不能被交换出去； 高优先级事务的数据在事务的活动期不能被交换出去，尤其当事务是周期性事务 时，其数据尽可能常驻内存； 非永久数据和关键数据最好不要换出。要保证对关键数据存取的及时性和有效性； 进行交换的数据单位通常是元组集( 页或块) 。 1 0 2 3 2 数据库的重装入恢复 图2 - 3 实时内存结构 数据库重装是针对掉电等系统故障的，初装策略在这里可以适用。部分重装是针对 内存介质故障或内存不能存储整个数据库的，交换策略适用这种情况，只是这里考虑的 是如何选择要换入的数据。 o p e n p l a n t t m 实时数据库重装时，按事务优先级顺序，先装立即所需数据，使系统尽 快地重启动运行，然后按需要逐步装入数据。 2 4o p e n p l a n t t m 实时数据库数据管理 2 4 1 数据库的定义 o p e r l p l a n t t m 数据库是一些s q l 对象( ”数据库对象”) 的命名集合； 通常每个数据 库对象( 表，函数等等) 属于并且只属于一个数据库。系统表属于整个安装，并且可以 在安装之内的每个数据库里访问。 o p e n p l a n t t m 数据库是用查询语言命令c r e a t ed a t a b a s e 创建的： c r e a t ed a t a b a s el l a m e 这里的l l a m c 遵循s q l 标识符的一般规则 当前用户自动成为此新数据库的所 有者同时，以后删除这个数据库也是这个用户的特权，同时还会删除其中的所有对象， 数据库的删除是不可恢复的。 o p e n p l a n t t m 数据表由c r e a t et a b l e 创建。 华北电力大学工程硕士学位论文 基本系统表有：实时数据表，历史数据表，点配置表，用户表，节点表，系统配置 表等。 等。 表2 1 实时数据表( r e a l t i m ed a t at a b l e ) 表2 - 2 历史数据表( h i s t o r yd a t at a b l e ) 点配置表：( p o i n tc o n f i gt a b l e ) 标识，点名，点的描述，类型，刷新频率，相关硬件，报警级别，存档，点的类别 对拟量点有：量程，单位，报警上下限，显示格式，死区，压缩类型等。 对统计点有：统计类型，统计周期，时间偏移，计算公式等。 表2 3 用户表 表2 4 节点表 2 4 2 数据库的存储 ( 1 ) 数据库空间结构 采用内存数据库技术，数据库的存储空间是一个四层结构：易失的内存m 1 、不易 失内存m 2 、磁盘存储器m 3 和外部存储器m 4 。 m 1 存放支持各事务的工作数据，故称为实时数据库的”工作版本o d b 。它由事务 直接存取，一般事务也只与它打交道。 m 2 是m 1 的拓延，用以存储一些活动的临时性数据，称为临时版本”t - d b 。o d b 和t - d b 统称为实时数据库的”内存版本”( m d b ) 。 1 2 华北电力大学工程硕士学位论文 m 3 用来存放不在内存的数据库部分，当然还要存放用作恢复的数据库备份。这部 分数据库统称为实时数据库的外存版本 ( s d b ) 。 m 4 一般是外部磁盘或磁带，用来存储以前数据库某时刻完整状态的映像，称为实 时数据库的 后援版本n a - d b ，仅是为了安全保护的目的和作为档案长期保存。 o p e n p l a n t t m 实时数据库存储体系结构基于内存数据库技术，考虑了各种数据的用语 义与特征和系统功能实现。 ( 2 ) 物理数据组织 o p e n p l a n t t m 实时内存数据库的物理组织是其总体设计目标实现的基础，其存储结 构、索引结构、中间数据存储结构都考虑到内存直接存取这一特征，主要采用两种物理 组织方法。 ( a ) 区一块式 区一块式组织基于关系数据模型，将存储空间按时间划分为 分区竹，每一分区存储 一个关系，物理上由若干件块”组成。一个块是内存中一固定长度的连续区域，相当于” 页 ，是内外存i o 的单位，也是内存空间分配及内存数据库恢复的单位。一块一般为 1 k 字节大小。 ( b ) 映射内存式 o p e n p l a n t t m 将内存数据库空间划分成实时内存数据库的主拷贝p d b 与“映射”拷贝 s m 两部分。在事务操作期问，每次查询总是先对s m 试探，若不成功，再对p d b 操作。 所有的更新操作都在s m 中进行，且都记录在活动日志中。每当一个事务提交时，由它 所产生的在s m 中的“后映像”就拷贝到p d b 中。 ( 3 ) 索引结构 对实时内存数据库而言，通常的索引结构如a v l 树、b 树都具有一个共同的缺点， 就是存储的有效使用和利用率很低。为此，我们开发出一种高效的实时数据索引结构。 它的查找类似于二叉树，其不同之处主要在于每一结点的比较不是针对其中的各个元素 值，而是对其最大( 即最右) 者和最小( 即最左) 者。它的维护操作类似于a v l 树， 但由于其独特的结点结构，故在具体的结点插入与删除时有所不同。 ( 4 ) 数据库的压缩存储 在实时数据库系统中，数据压缩在传统意义上是为了减少磁盘空间。针对不同的用， 数据压缩有多种算法，实时数据库系统不仅要求能够在有限的硬盘空间中存储大量历史 数据，而且还要求这些数据能够快速地被访问。 o p e n p l a n t t m 实时数据库根据实时数据的特点，采用了先进的数据压缩算法，对大量 的实时数据进行原型压缩，同时结合高效的数据检索策略设计了实时数据库的压缩系 统。这样，既可以较完整地保存大量的原始数据，又能有效地使用数据。 1 3 华北电力大学工程硕士学位论文 ( a ) 数据流 ( b ) 历史数据压缩算法 o p e n p l a n t t m 实时数据库采用了基于时间和空间的二维压缩算法。 时间纬度的压缩：定制的采样频率( 1 s 5 s 1 0 s 6 0 s ) ； 例外报告：对不发生变化的点，或值的变化在定义的死区范围之内，或时间在最大 时距之内，不存入历史表。 矢量线性压缩，保存关键点； 空间纬度的压缩： 以数据块为基本单位，结合平衡二叉树； 减少索引数据所占有的磁盘空间。 数据库的存储空间： 由于采用上述优秀的压缩算法，平均单点存储占用空间小于2 k b 2 4 小时。 2 4 3o p e n p l a n t t m 数据库开放式接口 o p e n p l a n t t m 实时数据库提供方便易用的程序接口，使用户可以很方便地从实时数据 库中获取所需要的数据： 客户端驱动o p a p i 为用户提供详尽的接口函数，用户可以利用流行的开发环境如 v i s u a ls t u d i o ，c b u i l d e r ，d e l p h i ，j a v a 等来进行二次开发， o p e n p l a n t t mo p c 驱动提供工业标准的o p cc l i e n t s e r v e r 驱动，保证与开放标准的 快速连接。 动态数据交换d d e 可方便地将实时数据库中的数据引入其它商业软件进行分析和 处理，如m se x c e l ，w o r d 等，提高用户数据分析及决策能力； 开放式数据库互连o d b cd r i v e r 采用微软的o d b c 标准，允许客户用标准的a n s i s q l 访问实时数据库，实现与其它o d b c 数据源之间的数据共享。 通过o p e n p l a n t t mo d b cd r i v e r ，可以根据用户的需求，将o p e n p l a n t t m 数据库的实时 数据提交给其他关系数据库及管理系统，实现与企业e r p 系统的有机集成。 2 4 4 调用数据 v i s u a lb a s i c 可以调用系统或第三方提供的d l l 库函数。当对通信有特殊要求时， 可以首先利用其他通用语言( 如v c + + 、d d p h i 等) 或专用工具生成d l l 库，在知道对方 所用的通信协议然后用v b 调用。 发电机运行参数由数据采集系统从现场传送到服务器的专门数据库，依靠这些数据 可以监测发电机的运行工况。故障诊断工作站依靠故障分析软件，并利用通过i n t e r a c t 1 4 华北电力大学工程硕士学位论文 传输的电厂机组现场数据，调用实时及历史数据库，利用知识库提出基于规则的推理， 自动判断电厂机组的故障，并提出解决问题的有效办法。在此系统中，数据采集的实时 性和准确性至关重要，系统运行的情况表明此数据采集系统完全可以满足电厂的需要。 此数据采集的数据可以满足对发电机运行状态的监测和作为故障诊断系统的数据基础 的要求。 由上面所述的运行机理，可以给出发电厂故障诊断系统原理框图如图2 4 ： 固 i - j 发电机 图2 - 4 故障诊断系统 b 服务 器 工 图2 - 5 数据采集系统界面 至此，由这些数据我们可以实时监测电机的运行状态。 1 5 华北电力大学工程硕士学位论文 第三章转子匝间短路诊断数据库系统 为了能够实现基于局域网络的转子匝间短路诊断系统，使得局域网络上的所有 用户都能够通过网络了解和判断发电机当前的运行状态，数据库的选型、系统管理 及其开发都非常重要。 3 1 数据库分析对比 数据库系统是实现有组织地、动态地存储大量的相关数据，方便多用户访问的 计算机软、硬件资源组成的系统。一个数据库系统主要是由以下几部分组成：【9 l 一个结构化的相关数据的结合，即数据库本身，它是数据库系统的核心，是管 理的对象，能为多种应用服务，可以独立于应用程序之外。 一个负责对所有数据库进行管理和维护的软件系统，即数据库管理系统 ( d b m s ) ，它对数据库中各种操作进行统一处理，并能保证数据库的安全、可靠 和完整性。 一种或多种数据库程序接口，可供不同的操作系统和编辑程序调用，以对数据 库进行查询、增添、删除和修改等操作。 数据库按照其数据记录间的关系( 即数据模型) 可以分为层次型数据库、网状 数据库和关系型数据库。其中关系型数据库简化了程序员的工作和数据库开发建立 的工作，比早期的层次模型和网状模型有较大的改进： 数据语言的一体化：层次和网状模型的数据语言一般分为数据描述语言d d l 、 数据操纵语言d m l 。而关系数据语言则具有一体化的特点，即不仅具有查询、更新 等数据操纵功能，而且具有数据定义和控制功能。另外关系模型中，实体以及实体 之间的联系都用关系来表示，这种数据表示的单一性带来了数据操作符的统一性， 想完成的每种操作( 插入、删除等) 都只需一种操作符，而层次和网状模型则至少 需要两种操作符。 数据的自动导航：层次和网状模型的数据语言描述是详尽烦琐的，操作是过程 化的，存取机制是导航式的，应用程序对数据库的访问路径都要通过指针直接指明， 这样数据语言存取效率较高，但用户必须随时注意自己的当前位置，因而较难掌握， 使用比较复杂。而关系数据库把存取路径向用户隐藏起来，用户不必也不能了解存 取路径。用户只要提出“干什么 无需指出“怎么于 。 面向集合的处理：它可以一次操作多个记录，而层次和网状模型一次只能操作 一个记录。关系模型操作的对象是一个或多个关系，操作的结果也是一个新的关系。 1 6 华北电力大学工程硕士学位论文 数据的逻辑独立性：关系模型具有更好的机制使应用程序不随数据库的改变而 改变。一方面是更换数据库系统不影响应用程序，另一方面视图等的应用使数据库 结构的变化也不影响应用程序。 随着关系数据库应用的日益广泛，数据库产品市场呈现非常繁荣的景象。各软 件公司纷纷推出自己的数据库应用系统。目前的关系数据库产品基本可分为桌面数 据库和大型数据库应用系统两大类。 常见的桌面数据库产品有b o d a n d 公司的p a r a d o x 、m i c r o s o f t 公司的v i s u a l f o x p r o 和a c c e s s 、i b m 的子公司l o t u s 的a p p r o a c h 等。尤其是a c c e s s 数据库，提 供了许多非常实用的向导，使用内嵌v i s u a lb a s i c 语言作为开发工具，完全面向对 象编程，可以可视化地创建数据库应用程序，并且支持网络环境的应用。 大型数据库产品运行在由数据库服务器和p c 机工作站组成的网络上，系统采 用客户月艮务器结构，具有复杂的数据安全性、完整性和故障恢复能力，整体性能高， 能满足大量的数据存储和处理要求，广泛应用于企业、部门。常见的大型数据库产 品有o r a c l e 、s y b a s e 、i n f o r m i x 、m i c r o s o f ts q ls e r v e r 以及i b md b 2 等。 由于汽轮发电机监测系统要求实时性高，采集通道多，一般发电机电气信号如 有功、无功、励磁电流、相电流、线电压、功率因数、旋转频率等5 秒种刷新一次， 以利于即时观察发电机运行状态，从而使得数据存储量大，历史数据比较多。由于 桌面数据库产品如f o x p r o 不支持多用户并发访问的功能，并且当数据记录超过一定 极限时，将会大大降低访问速度，影响监测诊断系统效率。而o r a c l e 、s q ls e r v e r 等大型数据库不仅大大加大了数据存储量，而且字段的数量也可设置较大。综合考 虑各数据库性能和用户客观需求，选择m i c r o s o f ts q ls e r v e r 为转子匝间短路诊断 系统的后台数据库，前端开发平台采用v i s u a lb a s i c 。 s q ls e r v e r 是一建立在m i c r o s o f tw i n d o ws e r v e r 操作系统基础之上的，支持多 个并发用户的关系型数据库( r e l a t i o n a ld a t a b a s e ) ，它除了支持传统关系数据库对 象( 如数据库、表) 和特性外，另外也支持现今关系数据库常用的对象如存储过程 ( s t o r e dp r o c e d u r e ) 、视图( v i e w ) 等，它还支持标准查询语言s q l ( s t r u c t u r e dq u e r y l a n g u a g e ) 。s q ls e r v e r 在c l i e n t s e r v e r 数据库开发模式中扮演服务器端( s e r v e r 端) 角色，主要职责是存储社局和提供一套方法来管理这些数据，并且应付来自c l i e n t 的连接和数据存取需求【m 】。 后台数据的完整和安全是保证发电机监测系统稳定运行的关键，一般的桌面数 据库是以文件形式保存其数据的，假如由于某些系统原因或人为原因的影响，计算 机出现故障、感染病毒，将会破坏数据文件，从而丢失数据，并且也无法避免其它 用户进入数据服务器拷贝数据文件，不能保证数据的安全。数据不仅存储着发电机 1 7 华北电力大学工程硕士学位论文 运行状态、电厂经济运行数据等，既有一定技术价值，也有一定的经济价值。而对 于s q ls e r v e r 数据库，为了保证数据安全，需定期或不定期备份数据。在s q ls e r v e r 系统中，备份是动态的，即在进行备份的时候，允许用户对数据库继续进行操作， s q ls e r v e r 提供了四种备份方法： 数据库备份：数据库的完整备份，将拷贝