（系统分析与集成专业论文）水电厂远程监测及分析系统研究与开发.pdf

i 摘 要 人们已经深刻的认识到水电厂计划检修制度的弊端，在追求经济效益最大化的 企业中，需要对这一制度逐步进行改革，向状态检修发展。水电厂的远程状态监测 和综合分析将为状态检修提供良好的基础。 本文在综合分析远程监测的技术基础上，详细阐述了 c/s 模式和 b/s 模式的技 术优点和缺点，提出了水电厂远程监测的 ria 模型。确定了水电机组状态监测的内 容，进一步根据电厂实际情况总结了水电机组状态监测数据获取途径：从调节控制 系统和监控系统获取、传感器采集及人工采集。详细介绍了水轮机组分析方法：性 能评价、设备分析和统计与趋势分析，并通过实际例子加以阐述。 本文陈述了水电厂远程监测和分析的系统框架，包括网络结构和功能结构。然 后对系统的硬件设备、软件开发环境进行选择，确定功能实现方法，展示了最优维 护信息系统在长江电力股份有限公司的应用及运行状况。 最后对全文进行了总结，提出了今后需要努力的方向。 最优维护信息系统为水电厂的现有检修体制提供了新的思路和工作方式，并将 指导水电厂检修工作的开展。 关键词： 水电机组；远程监测；分析；诊断；状态检修；最优维护信息系统 ii abstract the disadvantages of scheduled maintenance in hydropower plant have been recognized, and this mechanism needs to be reformed gradually to condition-based maintenance mechanism, especially in a company with the goal of maximizing the economic benefits. remote monitoring and analysis system for the hydropower plant will provide a good platform for condition-based maintenance. based on a comprehensive analysis of remote monitoring technology, this paper describe the advantages and disadvantages of b/s model and c/s model first, then put forward the ria model of remote monitoring for hydropower plant. after determine the monitoring content of hydropower generating units, according to the actual condition of hydropower plant, we sum up three means to acquire data from hydropower generating units: get from control system and monitoring system, acquire from sensor and manual collection. then introduce the methods of analyzing in detail which include performance evaluation, equipment analysis and trend analysis with some practical examples. this paper describes the framework of the remote monitoring and analysis system for hydropower plant, including network structure and function structure. then choose the hardware equipments, software development environment, determine the implementation approach and introduce the application state of hydropower optimal maintenance information system (homis) in china yangtze power co.,ltd.(cypc) . at last this paper is summarized and looks forward the further research work to be developed. homis brings up a new way of thinking and working for hydropower plant, and will guide the maintenance work. key words： hydropower generating units; remote monitoring; analysis; diagnosis; condition maintenance; homis 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密 ，在_年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 1 1 绪绪 论论 在水电生产过程中，由于受到多种因素如电、磁、热、风、水的影响，水电站 的设备会随着时间而逐渐老化，性能降低甚至发生故障。目前，水电厂为了减少设 备的故障率和提高设备的可靠性，大多采取计划检修的策略，计划检修的缺点是容 易造成“维修不足”与“维修过剩”的情况， “维修不足”将造成设备容易损坏， “维 修过剩”又会增加不必要的维修费用，因此，水电行业内早就提出了“状态检修” 的概念。状态检修方式是设备维护发展方向之一，它由设备的状态监测和故障诊断 所提供的信息，经过统计分析和数据处理，来判断设备的劣化程度，并在故障发生 前有计划地进行适当的维修。它是一种以设备状态为基础的预防维修方式1-3。 目前，水电厂状态检修虽然取得了不少进步，但实际应用中还少有成熟的产品， 主要原因是它的发展受到许多约束。一方面，由于水电发电设备的复杂性，许多设 备难以建立精确的数学模型或仿真模型，专家知识难以量化，导致对设备的诊断分 析理论依据不足；令一方面，状态检修是以设备的状态监测为基础的，而在当前的 检修体制下，检修人员并不能及时地、直接地了解设备的当前运行状况，不具备状 态检修的基本条件。 虽然从计划检修过渡到状态检修是一个长久的过程，不能一步跨越，但随着科 学技术的发展和进步，约束状态检修发展的各种因素也必将得到一一解决。在设备 监测与诊断方面，一大批的专项设备监测产品已经涌现出来，如机组振动监测装置， 发电机主绝缘监测与诊断装置，定转子气隙监测装置，水轮机空蚀在线监测装置等， 已经得到了广泛应用。在给检修人员提供状态检修的基本条件方面，网络技术的发 展带来了很大的机遇。可以利用网络通信技术建立起对水电厂发电设备的远程监测 和状态分析系统，让检修人员能够随时随地能了解设备运行状态。设备故障诊断分 析技术和远程监测技术相结合，将有着强大的生命力和广阔的应用前景。 1.1 水电机组状态监测与诊断分析的现状水电机组状态监测与诊断分析的现状 经过多年的发展，大型旋转机械的在线监测与诊断系统研究、开发和应用都取 得了一定的进步。水电机组包含的设备多而复杂，导致其状态监测与诊断分析技术 也各具特色，各有侧重点。目前已有的状态监测和诊断分析技术包括：振动摆度监 测、发电机定转子气隙监测、发电机绝缘监测、水轮机空蚀监测等4。 2 1)振动摆度监测与诊断分析 水轮机组的振动和摆度是由多种因素引起的，机组在运转中必定就会有振动和 摆度，甚至停机时受到其它机组的影响也会出现，一般计算振动摆度的三个参数， 即频率、幅值与相位，这是评定机组健康状态的重要指标5-7。 水电机组的振动摆度监测一般安装以下测点：上导、水导、下导的 x、y 方向摆 度，上、下机架垂直与水平振动，定子机座垂直与水平振动，定子铁心垂直与水平 振动，支持盖水平与垂直振动。 国内监测振动摆度的产品有 bzj 型、ybzj 型水电机组振动摆度监测仪、sbzj 手持式振动摆度监测仪、北京奥技异公司的振动摆度监测系统、华中科技大学的振 动摆度监测系统等，应用比较广泛，功能比较全面，除了对机组进行监测外，还可 以指导机组的安装，缺点是诊断分析功能较弱。国外的产品有德国申克公司的 vibrocontrol 4000，该系统也在许多电厂得到应用，它的结构灵活，用户可根据测点 多少选择监测单元数量，每个监测单元安装两路传感器，硬件和软件都采用模块化 的技术，可方便地配置成振动分析系统8。 2)发电机绝缘监测与诊断分析 绝缘监测是指对发电机定子线棒绝缘的监测，通常使用局部放电的技术来实现。 局部放电技术一般在频宽从几千 hz 至几兆 hz 之间的频带上测量放电频率、放电幅 值等信号8-11。 国内有些单位已经研制了发电机局部放电的监测装置，基本原理是定子绕组或 出线上的安装成对耦合电容，获取局部放电的脉冲信号，使用信号处理技术进行处 理与分析，获取局部放电的特征量如放电次数、幅值等，判断发电机内部绝缘局部 放电情况。国外在局部放电方面有比较成熟的产品，如 adwel 公司的 pda premium 局部放电监测仪，fes 公司的局部放电 pda 监测系统等。相比起来，国 外的产品监测精度高，分析定位功能更好，应用也更为广泛。 3)定转子气隙监测与诊断分析 定转子气隙是一项重要的电磁参数，它直接影响发电机电气特性和机械特性。 定转子气隙监测主要监测和分析定、转子气隙的大小（最大值、最小值和平均值） ， 给出定、转子圆度等参数12-13。国内此类产品较少，有水利部、电力部机电研究所研 制的气隙测量系统、清华大学研制的气隙距离测量系统、华中科技大学研制的气隙 状态监测系统等。国外的产品有加拿大 vibrosystm 公司的 agm 系统等，是目 3 前世界上最为完善和成熟的气隙测量系统，该系统已在我国多个水电厂得到应用。 4)水轮机空蚀监测与分析 水轮机空蚀监测主要监测转轮叶片和尾水管的空蚀。水轮机空蚀影响水轮机的 运行效率、安全等，如果不及时处理可能会造成巨大经济损失14。 国内在水轮机空蚀检测与分析方面，由华中科技大学水电学院研制的水轮机在 线监测系统相对比较成熟并得到应用，它使用超声波和振动加速度传感器进行数据 采集和测量，使用数字信号处理技术进行分析，取得了良好的效果15。 国外在这方面发展较快，美国电力研究所（epri） 、加拿大魁北克水力研究所 （ireq）和美国声学 ore 股份有限公司已经开发出一些产品。 综合上面的论述来看，目前水电机组的状态监测还没有能够非常全面的反映机 组的运行状态，相应的诊断分析也比较欠缺，离机组的综合监测与诊断分析的距离 还比较远，具体表现在以下几点： 国内大部分都是以监测仪表，监测盘柜和监控系统相结合的监视装置，只有 运行人员能够及时地看到机组运行状况，检修人员必须亲临现场或者由他人转达才 能了解。 对水电机组的监测与诊断分析大多是专项监测，只对机组中某个特定设备进 行监测诊断，无法全面掌握水电机组的运行状态，且诊断分析功能较弱； 大多比较成熟的专项监测都只注重于当前设备的状态分析，无法对设备的历 史运行状况进行趋势分析。 针对目前水电厂状态监测和诊断分析存在的问题，一方面需要在理论基础和监 测诊断方法上做进一步研究，另一方面也需要对已有的信息进行综合诊断分析，逐 步建立起集监测、诊断分析于一身的优化维护系统，为状态检修提供条件。 1.2 水电机组状态监测与诊断分析的发展趋势水电机组状态监测与诊断分析的发展趋势 水电机组状态监测和诊断分析是极具发展前景的研究方向，它将保证发电设备 的安全可靠运行，及时地预报可能发生的故障，对现有故障进行分析等等，为企业 带来巨大的经济效益。 最早开始的机组状态监测故障诊断主要依靠简单仪表，专家或维修人员的感觉 和，后来传感器技术、动态测试技术、信号分析技术和计算机技术的发展使得状态 监测达到了自动化阶段，并能实现许多设备的故障报警，但大多数时候仍然需要维 4 修人员凭借经验识别1617。目前随着人工智能技术的应用和计算机网络的普遍发展， 水电机组的状态监测和诊断分析即将进入远程化、智能化阶段。 模块化、微型化、高速性将是监测数据采集装置优劣的评判标准，越来越多的 监测装置会出现，部件的模块化使得研究成果可以方便移植和应用，减小成本；微 型化使得其应用的空间增大，尤其在生产设备的现场，仪表盘柜已经很多，如果监 测装置庞大，会给安装带来很大限制；高速性将使得监测装置能够监测更为详细的 数据，对于很多设备监测，数据的采样和计算速度需要达到兆以上的速度。 组件化、智能化和开放化将是监测与诊断分析软件的发展趋势。组件化使软件 和监测装置模块化相对应，一个模块的硬件装置将拥有可配置、重复利用的软件分 析组件。智能化是指软件将具备应用多种算法、推理策略的能力，对监测数据尽可 能的计算和分析，减少人工分析。开放化使得不同厂家的软件具有可共享性，竞争 力，软件适当开放功能分析的接口，不仅使得软件独立性更强，更使得其它软件方 便融合。 对整个监测与诊断分析系统来说，网络化、智能化是发展趋势。网络化使得不 同的专家、不同地点、不同的系统协同工作成为可能，为检修工作人员提供状态监 测和诊断分析的必要条件。智能化是采用多种监测诊断方法如人工智能、模糊理论 等，尽可能的由诊断分析系统本身提供分析结果和处理意见。 1.3 本文主要研究工作及意义本文主要研究工作及意义 我国大部分水电厂都实现了生产过程控制自动化，这是生产运行工作的一大进 步，而如何使水电厂检修工作有长足的进步，实现状态检修，还需要更为深入、广 泛的思考，更多的借鉴其它行业的成功经验。本文在全面总结我国现有维护体制与 水电机组状态监测现状的基础上，结合“长江电力最优维护信息系统”项目，对水 电机组远程状态监测和诊断分析技术进行了系统研究，并在长江电力公司内部成功 实现机组远程状态监测和分析功能。目前该系统已成功在长江电力运行，验证了研 究的有效性和可行性。 全文共分五章，各章的主要研究工作如下： 第一章：总结了目前水电厂状态监测和诊断分析的现状，分析了其发展趋势， 提出了水电厂远程监测和综合分析的意义及其重要性。并由此引出了本文的主要研 究工作。 5 第二章：水电机组状态监测技术与分析方法是最优维护信息系统实现远程状态 监测和分析功能的技术基础。确定了水电机组远程状态监测的内容，分析了当前远 程监测的技术，提出了适合于水电厂远程监测的 ria 模型，并进一步介绍了机组综 合分析方法：性能评价、设备分析和统计与趋势分析。 第三章：在利用水电机组实时状态监测技术与分析方法的基础上，分析最优维 护信息系统中实现水电机组远程状态监测和分析的框架，对系统的网络结构、功能 结构、硬件平台做了详细的说明，最后对软件实现中的数据库设计、机组诊断服务 器、应用服务器、厂房和企业级 web 站点进行分析和阐述。 第四章：介绍了最优维护信息系统在长江电力股份有限公司的功能应用情况和 运行状况，运行情况表明该系统为葛洲坝电厂的检修工作提供了全面的状态监视平 台，为水电机组诊断分析提供了有利条件，节省了检修工作的人力与物力，提高了 检修工作的有效性与经济性。 第五章：总结全文，阐述本文取得的主要成果，展望了需要进一步进行的工作， 指出了远程监测和综合分析在电厂检修和维护工作中的实际意义、应用前景和发展 方向。 6 2 水电机组远程监测和分析方法水电机组远程监测和分析方法 2.1 水电机组远程监测内容及来源水电机组远程监测内容及来源 水电机组远程检测的内容包括水电机组所有的状态量，数据量比较庞大，有必 要对其分类。按照机组的物理结构和二次设备进行分类，把所有状态信息归纳为调 速系统、励磁系统、发电机、水轮机、轴系稳定性、变压器和辅助设备七类。 1)调速系统 包含机组调速系统基本状态（如有功功率、水头等） 、控制给定与参数、油压装 置状态，机械随动系统状态、控制方式、控制命令、导叶/轮叶控制模式、保护系统 状态、调速系统故障报警、油压装置故障报警等。 2)励磁系统 包含机组励磁系统基本状态（如无功功率、控制角等） 、控制给定与参数、整流 屏状态、控制方式、控制命令、监控系统报警、励磁调节器报警等。 3)发电机 包括发电机主绝缘状态、气隙状态、磁场强度、推力轴承、上导轴承的温度、 定子温度、空冷器温度量、水流量，发电机保护信息等。 4)水轮机 包括水导轴承温度、压力脉动状态、水轮机空蚀状态、水导轴承报警信息等。 5)轴系稳定性 包括上导、水导的 x、y 方向摆渡、上机架垂直与水平振动、推力轴承支座垂直 与水平振动、定子铁心垂直与水平振动、顶盖水平与垂直振动等。 6)变压器 包括主变的所有信息如电压、电流、风机状态、报警信息等。最优维护信息系 统中目前还没有包含这部分信息。 7)辅助设备 包括辅机部分的信息及其他设备信息如技供水、滤过器、顶盖排水、辅助设备 的控制信息、报警信息等。 这些状态信息在电厂监控系统和其它调节控制系统中大部分已有，没有必要重 复采集，而其中一些关键的信息如空蚀监测信息、振动摆度信息没有现成系统，需 7 要自己监测和分析。总的来说，监测数据的来源有三种。 1)从调节控制系统和监控系统获取 水电机组安装有调速系统和励磁系统，它们已经采集了大量信息并做了信号处 理，实时性也比较好，如机组的机端电压、机组频率、机组无功，机组有功等基本 信息和控制信息都包含在内。 水电厂监控系统包含了机组大部分的状态量，对于一些实时性及精度不高的状 态量，都可以从中获取。主要包括： 温度量。定子温度、冷风温度、热风温度、上导瓦温、推力瓦温等； 辅助设备信息。如压油罐、事故油罐压力、油位，上导、推力、集油槽油位 等； 大部分电气量。其中有部分与调速系统和励磁系统重复； 机组所有的开关量、报警信号。 此外励磁、调速控制系统采集了大量的励磁、调速系统信息并做了一些基本的 分析，可以通过高速通讯来获取这些状态量，以避免重复监测，造成资源浪费。如 励磁、调速系统中的、励磁电压、励磁电流、开、停机令等基本的状态量及一些控 制器报警信号等。 2)传感器采集 通过加装传感器采集本身监控系统没有或者不便直接从监控系统中提取的量， 比如水轮机空蚀状态、机组振动摆度、磁场强度、气隙、发电机绝缘等，此类信息 具有反应迅速、信息全面、清晰等特点，是状态监测与故障诊断数据的重要来源。 3)人工采集 对于不适合自动监测的状态信息且实时性要求不高的状态量，可以采用巡检或 离线实验的办法实现采集。在线巡检和离线试验相对在线监测来讲具有投资小，监 测面宽、设备简单、对监测对象的影响较小等特点。在线巡检与离线试验的数据可 通过人机接口输入到状态监测系统中。 2.2 远程监测模式及其特点远程监测模式及其特点 远程监测是指在远方获取作业现场的信息。一般通过现场设备采集数据，使用 远程通讯手段如电力网、internet 或者无线通讯把数据传输到远方终端，使得远程用 户有如亲临设备运行现场一样，可以对现场设备进行监视与分析。 8 远程监测已经在很多行业得到了应用，特别是电信、电力行业，如基站监控系 统、变电站自动化系统、远程抄表系统都已经非常成熟19-22。目前，实现远程监测的 技术模式可以分为两类：基于客户端软件和服务器软件的 c/s（client/server）模式， 基于浏览器和 web 服务器软件的 b/s（browser/server）模式，这两种模式各有其优 缺点，适用范围也不相同。 2.2.1 c/s 模式2.2.1 c/s 模式 c/s 结构是一种客户端进程向服务器进程请求服务的计算体系结构，是网络软件 运行的一种形式。通常，采用 c/s 结构的系统，有一台或多台服务器以及大量的客 户端。服务器配备大容量的存储器并安装数据库系统，用于数据的存放和数据检索； 客户端装有专用软件，负责数据的输入，运算和输出23-25。 客户端 客户端 客户端 应用服务器 数据库服务器 图 2-1 c/s模式结构 图 2-1 是一个典型远程监测的 c/s 模式结构，客户端装有客户端软件，服务器 端有数据库服务器和应用服务器。应用服务器完成的主要工作包括客户端请求的排 队、优先级调度、事务管理、业务逻辑验证、计算、统计、以及推理分析等。客户 端的主要功能有权限认证、格式化和输入输出、数据校验、计算、商业逻辑等工作。 数据库服务器则主要完成数据存储、数据管理、操作权限的控制等功能。目前采用 这种结构的应用系统应用非常广泛。如宾馆、酒店的客房登记、结算系统，超市的 pos 系统，银行、邮电的网络系统等。 几乎所有的远程监测系统都可以使用 c/s 模式来实现，不同的是软件所使用的 技术、通讯方式和运行环境。c/s 模式能够胜任复杂的业务逻辑，高实时性和灵活的 人机交互。但也存在其固有缺点： 1)数据交互和部分商业规则在客户端，使得系统的安全和管理成为问题。 2)平台可移植性差。客户端的软件往往是针对某个平台开发的，比如在 windows 9 下开发的，这样，当用户使用的不是相同的平台时，就无法使用客户端或者服务器 端的软件，除非在此平台下另外开发一个具有相同功能的软件。 3)方便性差。当用户需要在某台机器上访问服务器时，就必须先安装客户端软 件，这样就不能随时随地的访问服务器，大大地限制了用户的可移动性。 4)系统管理不便。整个应用系统分布在网络上，及时一致地保持所有设备上的 系统配置信息一致是很困难的。另外把一个 c/s 应用系统同步或阶段性地升级到一 个新版本也比较困难。 2.2.2 b/s 模式2.2.2 b/s 模式 b/s(browser/server)结构的应用系统的客户端软件使用标准浏览器，而不再使用 专用的客户端软件。客户端直接和 web 服务器交互，web 服务器及服务器扩展完成 事务管理、业务逻辑验证、计算、统计、数据访问以及推理分析等绝大部分工作。 随着浏览器的功能越来越强大，在许多场合下，浏览器可以取代客户端/服务器 结构的客户端软件26-29。结合现有的 web 服务器软件，开发自己的 web 站点和相应 功能扩展，用户就可以直接使用浏览器进行数据的输入和输出，而不必安装特定的 客户端软件。 客户端只需要有操作系统和支持标准功能的 web 浏览器， 目前此类 web 浏览器数量众多，如 internet explorer、firefox、opera 等，大多数浏览器都是免费的。 浏览器 浏览器 浏览器 web 服务器 服务器扩展 数据库服务器 图 2-2 b/s结构 图 2-2 中是一个典型的 b/s 系统模型。在客户端，用户通过浏览器进行操作。 在浏览器中的人机交互界面是以网页形式展现的， 一般使用 dhtml、 css、 javascript 等技术，网页中可能包含有一些功能扩展如 activex 组件和 java applet 以及页面， 但这些功能扩展并不像 c/s 系统那样保存在客户端而是保存在 web 服务器上，当用 户访问 b/s 结构的应用系统时，这些功能扩展被自动下载到客户端执行。 实际应用中，如果用户数量不大，数据存取任务不是很繁重，通常把 web 服务 10 器和数据库服务器放到同一台计算机上面。对于大的应用系统，可能设置多台 web 服务器进行访问负载均衡，数据库服务器也放到单台或多台高性能计算机上，保证 数据的存取速度，增大并发访问的能力。 和 c/s 模式相对比，b/s 模式有很多优点30： 1)系统功能的修改与升级容易，客户端实现简单，管理维护费用低。 2)由于所有的应用逻辑在服务器端实现，功能模块相对集中，便于更好的控制 业务安全。 3)web 服务器功能扩展的使用，整个系统具有良好的功能、性能扩展性和伸缩 性。 4)web 服务器的使用，使整个系统具有很好的平台无关性和极大的方便性，在 大多数操作系统上都可以通过浏览器随时随地进行访问。 同时，b/s 模式同时也带来了一些问题： 1)增加了系统的复杂性。系统涉及到的技术又有很多，html、脚本语言、web 扩展技术、组件模型、与其它系统的接口设计等。 2)减小了系统的实时性。b/s 系统的数据通过 http 协议来传输，数据传速率往 往不能达到实时系统的要求，而 b/s 系统的交互往往也是以请求响应的方式进行， 加大了系统响应时间。 2.3 基于基于 ria 模型的远程监测方法模型的远程监测方法 新的互联网应用技术如 mozilla xul、oracle forms、micromedia flex、microsoft samrtclient 等，对 b/s 结构和 c/s 结构进行融合，含有两者的特征，集两者的优点 于一身。目前把此类系统所采用的结构称为 ria（rich internet application，富互联 网应用系统）结构，并已经在多个行业有所应用31-33。ria 技术正处在发展阶段，在 工业实际中少有实现。microsoft 公司的.net framework 目前应用相对比较广泛，属 于比较成熟的技术，它也为实现 ria 结构提供了很好的平台，可以利用它构造出功 能全面的 ria 系统，基于.net 的 ria 系统原理如图 2-3： 11 浏览器 .net框架 .net组件 应用 服务器 数 据 库 调用web 服务 web 服务器 网络通讯 sql js脚本 html数据 交互 操 作 用户服务器 图 2-3 基于.net的 ria原理结构 水电站发电机组实时监测数据点较多，单台机组的模拟量和开关量共有上千种， 对于要面对大量用户的服务器端来说，数据交换量是比较大的，并且要保证数据传 输的实时性。针对这些特点，建立一种远程实时监视的 ria 功能模型，如图 2-4： .net组件 应用服务器 数 据 库 获取监测量 基本信息 web服务器 请求和传输 监测量实时 数据 sql js脚本 动态生成html网页 操 作 用户 web页面 实 操作 操作 响应 图 2-4 远程实时监视的 ria功能模型 在此功能模型中，客户端的 web 页面中部署.net 组件，用户可以和 web 页 面、.net 组件进行操作。对 web 页面操作后，js 脚本予以处理并操作组件进行响 应。用户操作组件后，组件直接加以处理并响应。组件的主要任务是和应用服务器 进行网络通讯，根据用户的操作发送响应的数据请求，解析接收到的实时监测数据， 以友好的界面向用户显示。服务器端架设 web 服务器、应用服务器和数据库服务器。 web 服务器用来处理一般的网页浏览请求，提供访问机组设备基本信息的 web 服务； 12 应用服务器则从监测系统中获取机组监测状态量并加以缓存，处理浏览器中组件的 实时监测数据请求，对通讯进行安全验证，发送实时监测数据；数据库服务器保存 web 网站的必要信息、机组设备基本信息等。 ria 模型的特点有以下几点： 1) 数据内容丰富。.net 组件可以完成类似客户端软件的功能，在网络通讯、 图形显示以及数据处理逻辑等方面功能强大，能满足大数据量、实时性高的数据传 输与处理。 2)交互性灵活。在 ria 结构中，用户与系统之间的交互操作被分为两部分，一 方面用户可以在 web 页面上完成常规的页面浏览操作，另一方面可以在.net 组件中 执行更复杂的交互动作，并能得到快速的响应。把两种交互方式相结合起来，就能 够以最少的交互操作和等待时间，使用户得到最好的交互效果。 3)安全性高。在.net 组件和应用服务器之间可以实现用户认证、数据加密、数 据压缩等安全防范功能。 4)可靠性好。一方面，使用.net 框架下的托管代码编写的组件不容易造成对用 户端操作系统的破坏；另一方面，.net framework 本身具有资源回收机制，能够避 免用户端的内存泄露等问题。 基于 ria 模型的远程监测融合了 b/s 和 c/s 模式的优点，可以满足水电厂远程 监测的要求。 13 2.4 水电机组分析方法 2.4.1 性能评价 水电机组分析方法 2.4.1 性能评价 性能评价是参考相关行业规定，对设备的运行特性进行指标计算，并与国家标 准、行业标准进行比较，来判别设备运行性的好坏。对于水电机组而言，主要是对 其控制系统进行性能评价，如调速系统、励磁系统。性能评价一般在机组发生工况 变化、试验或故障时进行。如果控制系统性能指标达不到要求，表明设备或系统故 障，系统应报警并诊断故障原因34-36。 水电机组具有多种工况运行状态，设备在不同的工况下其分析的性能指标方法 和评判标准也不一样，因而性能评价分析必须与工况分析相结合才具有意义。 以开机过程的性能评价分析为例来说明此种分析方法。 在开机过程中，调速系统计算如下指标37： 1)机组频率上升时间：从“开机令到 & 导叶开度大于 3”开始计时，到机组 频率上升到 90%为止，即为机组频率上升时间。如果转速上升时间大于 60 秒，则表 明开机失败，应报警。 2)机组频率超调量：计算出频率上升时间后，测量频率最大值，到电压连续 20 个周期小于最大值为止或电压单调上升时 10 秒钟计时到为止。如果频率最大值大于 额定频率，计算出实际超调量，否则，超调量等于零。 3)主接力器开启时间：从开度为 5到启动开度（快速开启到慢速开启甚至保持 开度不变的拐点）的 90为止（如果启动开度为 30，就是到开度为 27为止）所 用时间折算到导叶以该速度走全行程所需的时间。 4)导叶控制精度：实际导叶开度的稳定值与导叶开度的控制值的差值。当导叶 开度的控制值稳定在常数后开始。 5)轮叶控制精度：实际轮叶转角的稳定值与轮叶转角的控制值的差值。 6)滤网最大压差：开机过程中压力油罐内的压力值与过滤器后侧压力值差值的 最大值。因为开机过程中导叶开启速度快，通过过滤网油的速度快，这时的压差最 容易反映滤网堵塞情况。 7)导叶开腔最大压力：导叶从静止开始到启动开度为止导叶接力器开腔油压的 最大值。 开机过程中，励磁系统有一个起励过程，当起励成功完成，且机端电压上升到 14 额定值附近时，进行指标计算37。主要计算下列指标： 1)机端电压上升时间：从“开机 & 机组转速达到 95”开始计时，到机端电 压上升到 90%为止，即为电压上升时间。 2)机端电压超调量：计算出电压上升时间后，测量电压最大值，到电压连续 10 个周期小于最大值为止或电压单调上升时 5 秒钟计时到为止。如果电压最大值大于 额定电压，计算出实际超调量，否则，超调量等于零。 2.4.2 设备分析2.4.2 设备分析 设备分析是指针对具体设备的专项分析。如发电机气隙、发电机绝缘分析、水 轮机空蚀状态分析、辅机设备分析等。机组中的各个具体设备的功能不一，其工作 特性和机械特性都难以确定，我们主要根据其工作特性来分析38-40。以水电机组的油 系统分析为例说明。 油系统中由储油设备、管网、用油设备、油泵、油滤设备以及其他油处理设备 一起构成油系统回路41。在油系统中，压油罐油位低于要求时压油泵启动，此时压 油罐油位处于最低点，集油槽油位处于最高点；油泵打油使压油罐油位上升，集油 槽油位随之下降；打油结束压油罐油位到达最高点，集油槽油位处于最低点。我们 称把这个过程称作压油泵的打油过程。在机组负荷稳定情况下，压油泵的打油过程 是周期性的，且周期比较稳定，也就是说，负荷稳定时机组的耗油速度是稳定的。 油系统中有时会出现漏油现象。如果存在漏油现象，油管中的油压、总储油量 将不断下降，对机组运行构成威胁。油系统的漏油可以通过集油槽的最高油位和最 低油位包络图中检测出来。如果最高油位和最低油位不断下降，说明油系统中的总 油量不断减少，油系统中存在漏油现象，需要进行处理。 以实际生产过程中故障来说明，葛洲坝电厂 3#机压油泵在 2006 年 6 月发生了严 重的漏油，被迫停机检查。我们通过对油系统分析，监测出了此次即将发生的事故。 如图 2-5 所示： 15 -200 -100 0 100 200 300 400 500 600 2006-6-1 00:00 2006-6-2 00:00 2006-6-3 00:00 2006-6-4 00:00 2006-6-5 00:00 2006-6-6 00:00 2006-6-7 00:00 油位（mm） 集油槽油位最小值集油槽油位最大值 图 2-5 油系统设备分析 图 2-5 中有两条数据线，考上的数据线是集油槽油位最大值，靠下的数据线是 集油槽油位最小值，从 2006 年 6 月 4 日开始，油位直线下降，并有一直下降的趋势， 在 2006 年 6 月 6 日停机检查处理之后，油位恢复正常。 2.4.3 统计与趋势分析2.4.3 统计与趋势分析 水电机组的某些状态由多种设备的工作状态影响，如果某个设备的性能不断降 低，会表现在该状态量上，但仅由状态量难以确定性能降低的设备，此时可以采用 统计与趋势分析的方法来分析。下面以推力轴承轴瓦的温度为例说明。 推力轴承轴瓦的温度是机组健康的一个重要衡量值，推力轴承轴瓦温度反映了 轴承状态和冷却水系统状态的健康状况。 因为机组运行的负荷不断变化，负荷的不同有可能导致推力瓦温的变化。为了 分析负荷与推力瓦温的相关性，我们以葛洲坝 19#机组为例，在 2005 年 4 月 8 日这 一天之内，19#机组负荷从 92.4wm 增加到 113.1wm，负荷变化 20.7wm，但推力瓦 16 温一直稳定在 40 摄氏度左右，上下波动不超过 0.1 摄氏度，而这一天之内受气候影 响基本可以忽略不计，此时可以认为机组在正常负载运行期间，推力瓦温与负荷大 小无关。这一点在大量数据统计工作中已经得到验证。 气候的变化，环境温度的改变也可能影响推力瓦温，我们可以对机组正常运行 时的推力瓦温、冷却水温度按年月做一个统计趋势图。 0 10 20 30 40 50 60 4月5月6月7月8月9月10月11月 温度（摄氏度） 推力瓦温推力进口水温推力出口水温 图 2-6 推力瓦温的统计趋势图 图 2-6 中统计了 19#机组从 2005 年 4 月到 2005 年 11 月的推力瓦温和冷却水温 度，部分月份因为机组在停机状态。可以发现，温度量的高低走势几乎是完全符合 一年四季气候温度的变化趋势。由此我们可以得出结论：推力瓦温以及冷却水温度 受环境温度的影响，一年中的温差在 8 摄氏度以上。也就是说，在机组正常运行的 情况下，推力瓦温应该符合以上统计规律的曲线，如果有某个时段偏离了曲线，则 表明机组健康状况出现异常。 17 3 远程监测与分析系统设计和开发远程监测与分析系统设计和开发 3.1 系统框架系统框架 结合电厂实际情况，我们在信息共享以及网络技术的基础之上，设计开发了最 优维护信息系统，实现远程检测与综合分析的功能。 最优维护信息系统是以机组级、厂房级和企业级分层次的逐步建立的。机组级 主要包含各个现地监测诊断单元、监测单元的移动工作站和机组诊断服务器，其中 机组诊断服务器把各个单元所得的监测信息和诊断信息汇总，形成机组的信息库， 并向上层提供实时数据、历史数据、分析数据等。 厂房级在机组级基础之上建立专用网络，以机组级的机组诊断服务器为起点， 在其之上添加厂房的 web 服务器和交换机等网络设备，然后接入已有的企业信息网。 厂房级 web 服务器综合各台机组服务器的监测与诊断信息，通过处理之后，以网页 形式发布出来。 企业级首先是利用葛洲坝区域的千兆骨干网，从物理设备上建立一个企业级的 高速数据通讯网络，其次，从最优维护系统功能结构上建立起一个分布式分析诊断 网络和一个集中的数据分析诊断中心，数据分析诊断的结果将提供给用户。 3.1.1 系统网络结构3.1.1 系统网络结构 最优维护信息系统的网络系统在物理上充分利用了现有的信息网络，成功地实 现了从工业现场到办公桌面的信息延伸。 系统网络总体结构如图 3-1 所示。 目前在大江、二江分别建立了状态监测与诊断区域网络，将机组服务器使用专 用的单模光纤汇集到厂房 web 服务器，然后通过已有的企业信息网络，与位于葛洲 坝建修厂机房企业级 web 服务器相连，在机房设立了一个企业级数据库服务器，提 供技术资料与专家知识信息和人工诊断、分析信息。 1)网络总体结构 18 图 3-1 网络总体结构示意图 2)大江厂房网络结构 大江厂房网络结构如图 3-2 所示。将每台机组监测与诊断服务器的 4 芯单模光 纤汇集到位于 14f 机组旁的光配线架，然后用 2 条 28 芯单模光纤接到交换机，与中 央控制室的运行终端一起构成大江内部网络，然后通过 web 服务器接入企业信息网。 19 图 3-2 大江厂房网络结构示意图 3)二江厂房网络结构 二江厂房维护网络物理结构如图 3-3 所示。将每台机组监测与诊断服务器的 4 芯单模光纤汇集到位于 3f 机组旁的光配线架，然后用 1 条 28 芯单模光纤接到交换 机，与中央控制室的运行终端一起构成二江内部网络，然后通过 web 服务器接入企 业信息网。 图 3-3 二江厂房网络结构示意图 3.1.2 系统功能结构3.1.2 系统功能结构 系统的功能结构如图 3-4 所示，一共分为 3 层：桌面用户级，web 服务器级， 机组诊断服务器级。 1)桌面用户级 在软件体系中， 桌面用户级只需要部署ie 5.0以上浏览器以及.net framework 2.0 即可，桌面用户通过浏览器完成和 web 服务器级的一切操作，获取相应的数据及服 20 务。 2)web 服务器级 web 服务器级主要包含有厂级数据库服务器、应用程序、应用程序服务器和 web 服务器。厂级数据库服务器从机组数据库服务器中提取数据，部分数据进行同步； 厂级数据库为应用程序和 web 服务器提供在线联机分析服务（olap） 、xml 访问接 口、报表服务和基本数据库访问接口。 应用程序服务器是为客户端开发、部署在 web 服务器上的一组程序，通过它完 成对机组的状态监测、诊断和分析工作。 应用程序服务器软件完成一些实时性强或者任务繁重的工作，并为应用程序提 供访问接口。应用程序服务器软件与机组服务器软件进行通讯，获得机组运行的实 时数据。 web 服务器对桌面用户级提供浏览、检索、工作流、安全认证等实时性相对较 轻的服务。 3)机组诊断服务器级 机组诊断服务器级通过与现地诊断单元之间的通讯，对机组运行的实时数据、 指标、工况、事件、报警等数据进行存储、显示、分析。机组诊断服务器软件为 web 服务器级的应用程序服务器，机组移动工作站软件提供访问接口，为它们提供机组 运行的实时数据。 21 浏览器 桌面用户级 厂级数据库服务器 报表服务 基本数据访问接口 olap 服务 xml 接口 数据库同步 web 服务器 应用程序服务器 安全验证 .net 组件 机组数据库 机组诊断服务器软件 web 服务器级 机组诊断服务器级 企业级数据库服务器 web 服务器 web 服务器 图 3-4 系统功能结构示意图 3.2 硬件选择硬件选择 机组诊断服务器的配置可根据数据处理量的需求而定，本系统中，选择了 dell poweredeg1800 机架式服务器，安装一块华控 hk30b 的 can 通讯卡，用于和单元 监测层通讯；一块千兆网卡，用于在机组监测层内部组成内部局域网，和移动工作 站通讯；一块千兆光纤网卡，和 web 服务器通讯。 厂房 web 服务器使用 hp ml370g4 服务器，1 个 intel xeon mp 处理器，2gb 内存，两块千兆网卡，一块与机组监测层的局域网交换机相连，一块与企业 mis 网 相连。厂房 web 服务器上配置了 kvm 远程访问管理系统，供管理员远程访问和管理 web 服务器。 企业级 web 服务器使用 hp ml370g4 服务器， 2 个 intel xeon mp处理器， 4gb 内 22 存，hp smart array 6402 磁盘阵列，配置了 kvm 远程访问管理系统，供管理员远程 访问和管理。 企业级磁带备份机使用惠普 hp 1/8 ultrium 230 自动加载磁带机，5 盒 hp ultrium 200 gb 数据磁带，2 盒 hp ultrium 通用清洗带。 厂房局域网网络交换机使用华为 quidway s5012t-12/10gbc 以太网交换机，交 换容量大于 24gbps。 3.3 软件实现软件实现 远程监测与综合分析系统中需要实现的软件部分包括：数据库设计、机组诊断 服务器软件、应用程序服务器软件、厂房 web 站点、企业级 web 站点。 3.3.1 总体思路3.3.1 总体思路 使用 sql server 作为数据库管理系统，在机组服务器、厂房 web 服务器、企 业级数据库服务器上布置数据库，存储相应的数据，构成分布式的数据系统。 使用 vc+开发机组诊断服务器软件，功能模块分为：信息采集通讯接口、信息 预处理、数据分析、工况辨识、诊断分析、数据库访问、移动站访问接口、网络通 讯等模块。机组服务器使用 can 通讯接收各监测单元的实时监测数据并予以缓存、 存储，使用 udp 通讯协议定时向应用服务器发送机所有监测数据。 使用 2.0 开发厂房 web 站点和企业服务器站点， 2.0 技术先进，可 以使用它来构建多层结构的 web 站点，把页面设计、业务逻辑、数据库访问等等进 行分别开发，方便协同工作。使用 技术可以大大改善 web 站点的安全性，避 免类似 asp 木马之类的威胁，同时， 开发的站点访问速度快，配置