張銳鋒 王繼華 聶海龍 徐貴光

(1.貴州電力試驗(yàn)研究院,貴陽 550002；2.北京四方繼保自動化股份有限公司,北京 100085)

電站仿真系統(tǒng)對我國電站的長期穩(wěn)定、高效、安全運(yùn)行起到了至關(guān)重要的作用[1]。長期以來，電站仿真系統(tǒng)一直是局域網(wǎng)模式運(yùn)行。近年來隨著互聯(lián)網(wǎng)理念向各行業(yè)的滲透，第二代電站仿真系統(tǒng)步入了互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行模式。大型網(wǎng)絡(luò)化電站仿真系統(tǒng)(Massively Networked Power Plant Simulator System,MNPPSS)逐步開始引領(lǐng)電站仿真系統(tǒng)的前進(jìn)方向[2]。

在電站仿真系統(tǒng)中，報(bào)警系統(tǒng)通過對實(shí)時過程參數(shù)動態(tài)信息的狀態(tài)監(jiān)視和事故預(yù)警，為運(yùn)行人員全面系統(tǒng)地掌控機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)提供了及時的信息支持。但故障診斷，即瞬間從出現(xiàn)的大量報(bào)警信息中提取有效信息、迅速準(zhǔn)確定位出這些報(bào)警產(chǎn)生的原因，一直是電站系統(tǒng)研究學(xué)者們關(guān)注的重點(diǎn)[3,4]。

伴隨著MNPPSS的運(yùn)行，故障信息的產(chǎn)生速度、數(shù)據(jù)規(guī)模和存儲類型都呈現(xiàn)出激增態(tài)勢，這些屬性決定了傳統(tǒng)的模型和實(shí)現(xiàn)方式已經(jīng)無法應(yīng)用于目前的實(shí)時系統(tǒng)運(yùn)行。因此筆者結(jié)合大數(shù)據(jù)技術(shù)[5]，從集合論的角度提出了一種新的故障診斷方法，并對其實(shí)現(xiàn)過程予以說明。

1 MNPPSS的結(jié)構(gòu)與功能

MNPPSS的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 MNPPSS的結(jié)構(gòu)

在此，服務(wù)器并不是單指一個物理服務(wù)器，也不是單指一個服務(wù)器程序，而是使用客戶/服務(wù)器模型的服務(wù)器組，即由多個物理服務(wù)器和對應(yīng)的多個服務(wù)器程序構(gòu)成。利用集群服務(wù)器來提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的實(shí)質(zhì)就是將整個仿真系統(tǒng)的管理、運(yùn)行和分析任務(wù)分散到多個計(jì)算單元進(jìn)行處理，降低單臺計(jì)算機(jī)負(fù)載，更好地保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和通信的及時性。

在服務(wù)器組中，中央服務(wù)器是整個服務(wù)器群的控制中樞，管理、監(jiān)控所有其他服務(wù)器的運(yùn)行并負(fù)責(zé)服務(wù)器間的數(shù)據(jù)交換。當(dāng)有新服務(wù)啟動后，中央服務(wù)器為其分配一個GUID，并通知其他服務(wù)與其建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)鏈路。

賬號數(shù)據(jù)庫服務(wù)器承擔(dān)所有用戶信息、模型總覽信息、任務(wù)信息、考題信息及分配信息等相關(guān)資料的保存與查詢響應(yīng)。賬號數(shù)據(jù)庫服務(wù)器也可依據(jù)功能細(xì)化為多臺服務(wù)器。實(shí)際應(yīng)用中對頻繁訪問的數(shù)據(jù)信息設(shè)置訪問數(shù)據(jù)庫緩存區(qū)，提升其使用效率。

模型服務(wù)器為每套仿真系統(tǒng)提供運(yùn)行環(huán)境，并作為各客戶端的數(shù)據(jù)來源。其服務(wù)器規(guī)模與當(dāng)下同時運(yùn)行的仿真系統(tǒng)規(guī)模密切相關(guān)。

歷史服務(wù)器保存了仿真系統(tǒng)使用過程中產(chǎn)生的所有歷史數(shù)據(jù)，此服務(wù)器的規(guī)模隨著系統(tǒng)使用時間與使用頻率的提高將會逐步增大。

更新服務(wù)器為客戶端提供了最新的平臺和模型更新包，提供了版本驗(yàn)證功能。當(dāng)客戶端啟動時自動與服務(wù)器匹配相應(yīng)版本。

連接服務(wù)器處理客戶與服務(wù)器之間的網(wǎng)絡(luò)連接、數(shù)據(jù)包加密解密及封包拆包解析等工作。因?yàn)檫B接服務(wù)器的負(fù)荷分擔(dān)，使得模型服務(wù)器可以更專注于模型的運(yùn)行與數(shù)據(jù)處理。

分流服務(wù)器是用戶第一次連接的對象服務(wù)器，也是對外公布IP地址的服務(wù)器。用戶連接成功后，此服務(wù)器為其建立與連接服務(wù)器的鏈接，同時為其指定相應(yīng)的模型服務(wù)器，起到了負(fù)載均衡的作用。

MNPPSS是指基于TCP/IP協(xié)議，以Internet為依托，可以供若干人同時對多套模型進(jìn)行操控的電站仿真系統(tǒng)群。界定為MNPPSS的最明顯要素為：凡接入Internet網(wǎng)絡(luò)的用戶均可以隨時隨地使用仿真系統(tǒng)；允許大規(guī)?？蛻敉瑫r通過Internet在線使用仿真系統(tǒng)。

MNPPSS的功能框架如圖2所示。依據(jù)用戶使用系統(tǒng)的目的將系統(tǒng)功能劃分為管理功能、仿真功能和分析功能。

圖2 MNPPSS的功能框架

2 報(bào)警系統(tǒng)與故障診斷的數(shù)學(xué)模型

2.1 報(bào)警系統(tǒng)的模型設(shè)計(jì)

報(bào)警系統(tǒng)是指通過實(shí)時獲取過程參數(shù)的動態(tài)信息，經(jīng)過既定報(bào)警邏輯規(guī)則判斷，實(shí)現(xiàn)機(jī)組仿真運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視、事故預(yù)警及事件順序記錄等功能的綜合體系。

定義1 設(shè)某仿真系統(tǒng)的報(bào)警監(jiān)控點(diǎn)為集合P，P={p1,…，pi,…，pm},1≤i≤m，其中pi表示第i個監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)點(diǎn)的信息，m表示所有監(jiān)控點(diǎn)的總數(shù)。

定義2 設(shè)報(bào)警規(guī)則類型為集合R，R={r1,…，rj,…，rn}，1≤j≤n，其中rj表示第j類監(jiān)控判定規(guī)則的信息，n表示所有監(jiān)控判定規(guī)則的總數(shù)。

可見P×R二元組所對應(yīng)的元素{pi,rj}表示所有報(bào)警條目的觸發(fā)條件，其維度為m×n。

定義3 設(shè)P×R二元組中的子元素{pi,rj}對應(yīng)的報(bào)警條目觸發(fā)條件是否生效的判定為uij，其可組成生效矩陣Umn：

可見P×R·U矩陣中的非零元素{pi,rj,uij}表示所有已生效的報(bào)警觸發(fā)條件。

定義4 設(shè)P×R·U矩陣中的非零元素{pi,rj,uij}組成的集合為T，集合個數(shù)為t。則T:{tk={pi,rj,uij}|{pi,rj,uij}∈P×R·U,uij≠0}，其中1≤k≤t。

定義5 設(shè)仿真系統(tǒng)某一階段運(yùn)行后產(chǎn)生的報(bào)警信息條目為一個有序多重集合A，A={a1,…,as,…,ap}，1≤s≤p，A:{as|as∈T}。

可見，若as=tk={pi,ri,uij},則表示第s個報(bào)警信息as的觸發(fā)原因?yàn)榈趇個監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)點(diǎn)的第j類判定規(guī)則。

2.2 故障診斷

故障診斷是指針對控制系統(tǒng)和設(shè)備已經(jīng)發(fā)生的故障現(xiàn)象，利用各種測試方法分析其產(chǎn)生的原因和類型。

定義6 將兩報(bào)警信息條目集合A′和A″的相似匹配度定義為函數(shù)M(A′,A″)，其值表示二者的相似程度。

故障診斷示意圖如圖3所示。已知故障原因1、2與對應(yīng)的報(bào)警信息集合1、2，目標(biāo)是尋找產(chǎn)生報(bào)警信息集合x的原因。依據(jù)報(bào)警信息集合x與已知故障原因的報(bào)警信息集合1、2的相似匹配度M(x,1/2)，即可得出產(chǎn)生該報(bào)警信息集合原因?yàn)橐阎?、2的程度，進(jìn)而為解決故障提供理論依據(jù)。

圖3 故障診斷示意圖

定義7 設(shè)(er,Ar)組成的集合為標(biāo)準(zhǔn)故障庫，記作L，L={l1,…,lr,…,lq},1≤r≤q，q表示標(biāo)準(zhǔn)庫的故障庫集合個數(shù)。

依據(jù)上述數(shù)學(xué)模型對故障診斷重新定義。

定義8 故障診斷的過程為事先依據(jù)經(jīng)驗(yàn)建立標(biāo)準(zhǔn)故障庫L，將某一次的報(bào)警信息條目集合A記為目標(biāo)對象，依據(jù)定義的報(bào)警條目匹配函數(shù)M，得出目標(biāo)對象與標(biāo)準(zhǔn)故障庫中各項(xiàng)元素的故障信息列表對象的近似匹配程度，從而得出目標(biāo)對象的報(bào)警原因。

將抽象的匹配函數(shù)具體化為可執(zhí)行的運(yùn)算方案是故障診斷技術(shù)的重點(diǎn)。依據(jù)某一次運(yùn)算得出的匹配度規(guī)模將運(yùn)算方案區(qū)分為泛化分析與細(xì)化分析。

2.3 泛化分析的實(shí)現(xiàn)

2.4 細(xì)化分析的實(shí)現(xiàn)

細(xì)化分析是指通過一次運(yùn)算得出目標(biāo)對象與故障庫中的某一元素相應(yīng)對象的匹配度，此結(jié)果以更詳盡的內(nèi)容展示了兩對象之間的匹配度。將報(bào)警信息條目集合A轉(zhuǎn)換為報(bào)警矩陣IA=T(A)，報(bào)警矩陣為報(bào)警條目的一種矩陣表示方式。記矩陣IAr=T(Ar)，與目標(biāo)對象矩陣IA的乘積所表示的矩陣為目標(biāo)對象A與報(bào)警庫中元素Ar的相似程度。

3 基于大數(shù)據(jù)的故障診斷實(shí)現(xiàn)

MNPPSS的引入使得仿真系統(tǒng)中的故障數(shù)據(jù)量更為龐大、生成速度更快、存儲類型種類更為復(fù)雜，這些特點(diǎn)使故障診斷的實(shí)現(xiàn)策略引入大數(shù)據(jù)技術(shù)成為必然。

針對泛化分析，鑒于同一項(xiàng)目中矩陣LM變更頻率較低，故將其固定分割為q個水平條，使得一個矩陣可以分別存儲于q個不同的文件。將目標(biāo)報(bào)警向量存儲并作為獨(dú)立數(shù)據(jù)單獨(dú)存儲，以備運(yùn)算。

Map函數(shù)的任務(wù)為將第i個矩陣分割向量和目標(biāo)報(bào)警向量兩個文件塊作為輸入，對兩向量做乘法后得到鍵值對〈i,value〉。Reduce函數(shù)的任務(wù)是將所有鍵值對作為輸入，依據(jù)value值排序，最終輸出i值的序列。依據(jù)i值的序列，得到目標(biāo)向量與報(bào)警庫相應(yīng)元素的對應(yīng)關(guān)系。對相似度較高的報(bào)警庫元素進(jìn)行深入的細(xì)化分析。針對細(xì)化分析的矩陣相乘問題，此處不再贅述。

4 結(jié)束語

筆者提出的MNPPSS使電站仿真系統(tǒng)的使用便捷程度大幅提升，基于大數(shù)據(jù)的故障診斷技術(shù)為運(yùn)行人員方便快速地從故障信息中定位出故障原因提供了一套較好的解決方案?；诖髷?shù)據(jù)的故障診斷方案不僅適用于電站仿真系統(tǒng)，隨著DCS系統(tǒng)的大范圍聯(lián)網(wǎng)及其經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的日益豐富，此技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)DCS系統(tǒng)中也具有一定的借鑒意義。

[1] 呂崇德,任挺進(jìn),姜學(xué)智,等.大型火電機(jī)組系統(tǒng)仿真與建模[M].北京:清華大學(xué)出版社,2002:2～13.

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[5] 李國杰,程學(xué)旗.大數(shù)據(jù)研究:未來科技及經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的重大戰(zhàn)略領(lǐng)域——大數(shù)據(jù)的研究現(xiàn)狀與科學(xué)思考[J].中國科學(xué)院院刊,2012,27(6):647～657.