郭貴彬

（四川九源電力開發(fā)有限責(zé)任公司，四川 甘孜 626200）

0 引 言

河口水電站位于四川省甘孜州九龍縣境內(nèi)。該水電站的電站裝機(jī)容量為2×18 MW，額定水頭為219 m，額定轉(zhuǎn)速為600 r/min，設(shè)計(jì)引水流量為18.93 m3/s。同時(shí)，采用混流式機(jī)型，水輪機(jī)型號(hào)為HLA351-LJ-160，發(fā)電機(jī)型號(hào)為SF18-10/3250。此外，河口水電站#1和#2機(jī)組振擺儀的測點(diǎn)少，只能記錄振度和擺度數(shù)據(jù)，無法分析數(shù)據(jù)，不滿足集控建設(shè)要求。因此，需要升級(jí)改造河口小水電站實(shí)施監(jiān)測系統(tǒng)，采用PSTA2100在線監(jiān)測系統(tǒng)，能夠有效實(shí)現(xiàn)小水電站水電機(jī)組監(jiān)測。

1 PSTA2100水電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)基本概述

PSTA2100是面向水電系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)匯聚，管理和應(yīng)用的平臺(tái)化軟件系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用先進(jìn)的云技術(shù)架構(gòu)，模塊可靈活組配，支持多種硬件部署方案，功能可持續(xù)更新。利用PSTA2100軟件平臺(tái)可配置相應(yīng)的硬件設(shè)備，搭建從設(shè)備級(jí)、廠站級(jí)到區(qū)域級(jí)和集團(tuán)級(jí)的各種規(guī)模的在線監(jiān)測系統(tǒng)、狀態(tài)分析系統(tǒng)、故障診斷系統(tǒng)以及集成數(shù)據(jù)分析中心等數(shù)據(jù)集成和應(yīng)用的系統(tǒng)。此外，PSTA2100采用數(shù)據(jù)源、數(shù)據(jù)管理與應(yīng)用三者分離的技術(shù)方案，既保證了功能結(jié)構(gòu)的一致性和可靠性，又支持了應(yīng)用開發(fā)及設(shè)備部署的靈活性和擴(kuò)展性，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 PSTA結(jié)構(gòu)圖

PSTA2100水電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)在軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了全新的設(shè)計(jì)。與硬件設(shè)計(jì)一樣，在設(shè)計(jì)之初設(shè)計(jì)軟件結(jié)構(gòu)時(shí)，從軟件功能的開放式開發(fā)、系統(tǒng)的維護(hù)、功能的更新以及與其他信息系統(tǒng)的融合等多種應(yīng)用角度考察了大量的應(yīng)用軟件系統(tǒng)，最終選擇了類似蘋果的軟件架構(gòu)和服務(wù)模式。

PSTA2100水電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)軟件的突出特點(diǎn)是應(yīng)用功能模塊化。模塊的更新和增加帶來了系統(tǒng)功能的更新，而且采用國際標(biāo)準(zhǔn)WebService數(shù)據(jù)服務(wù)模式，任何人都可以在本系統(tǒng)上做應(yīng)用模塊的開發(fā)。這可以吸引眾多的開發(fā)者開發(fā)功能模塊，開發(fā)者可以是其他公司，也可以是行業(yè)研究所、設(shè)計(jì)院以及專家。此外，業(yè)主也可以根據(jù)自己的需求，提出功能模塊設(shè)計(jì)并由軟件外包實(shí)現(xiàn)，從而確保系統(tǒng)可以不斷更新且不完全依賴于系統(tǒng)提供商。APP應(yīng)用模塊的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)可自動(dòng)提示用戶系統(tǒng)更新、功能模塊更新和增加。

PSTA2100系統(tǒng)有自己的APP應(yīng)用模塊網(wǎng)絡(luò)服務(wù)中心，象一個(gè)應(yīng)用模塊池一樣只需將最新開發(fā)或更新的功能模塊，以及更新的系統(tǒng)放到池中，所有PSTA2100系統(tǒng)用戶只要通過網(wǎng)絡(luò)連上該中心，即可象蘋果用戶一樣，得到更新和新模塊的提示，用戶可選擇下載，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)更新和功能增加，而無需廠家到現(xiàn)場進(jìn)行升級(jí)服務(wù)。

2 監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用模塊設(shè)計(jì)

此系統(tǒng)能夠配置獨(dú)立運(yùn)行模塊，可以確保數(shù)據(jù)監(jiān)測、分析以及診斷的功能。不同類型的應(yīng)用模塊可以實(shí)現(xiàn)不同類型的功能，并且不同模塊都具有獨(dú)立程序，這就能夠滿足模塊針對性的開發(fā)。KDM平臺(tái)提供了滿足本項(xiàng)目要求的所有應(yīng)用模塊，用戶可以在此基礎(chǔ)上擴(kuò)展開發(fā)[1]。

2.1 應(yīng)用工具類

編碼工具：可進(jìn)行編碼配置和維護(hù)工作，同時(shí)可以查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)情況。

組態(tài)工具：提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)組態(tài)展示工具，用戶可以靈活配置監(jiān)視畫面。

數(shù)據(jù)檢索：按編碼、中文名及模糊查詢等方式檢索數(shù)據(jù)，并顯示實(shí)時(shí)值、歷史趨勢等內(nèi)容。

數(shù)據(jù)分析工具：對所關(guān)心的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢索、顯示、下載及導(dǎo)出，繪制趨勢曲線，進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析等操作。

2.2 數(shù)據(jù)展示類

通用數(shù)據(jù)展示：系統(tǒng)可以表格、趨勢及圖形等方式展示部分或全部監(jiān)測數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)評價(jià)展示：可以對任意信號(hào)設(shè)定閾值，進(jìn)行A、B、C、D在線分級(jí)評價(jià)，并對評價(jià)進(jìn)級(jí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)警，支持按照給定的算法策略進(jìn)行趨勢變化預(yù)警；展示的數(shù)據(jù)內(nèi)容包括數(shù)值、報(bào)警狀態(tài)、數(shù)據(jù)屬性及歷史趨勢等。

2.3 專業(yè)分析類

主要用于機(jī)組穩(wěn)定性監(jiān)測和分析，包括穩(wěn)定性監(jiān)測、實(shí)時(shí)單值、實(shí)時(shí)趨勢、波形頻譜分析、空間軸線分析、氣隙狀態(tài)分析及瀑布圖分析等模塊。表1為應(yīng)用模塊清單。

表1 應(yīng)用模塊清單

3 PSTA2100水電機(jī)組監(jiān)測功能性設(shè)計(jì)

3.1 監(jiān)測功能

KDM數(shù)據(jù)平臺(tái)的同步數(shù)據(jù)傳輸功能能夠保證上下位機(jī)同步監(jiān)視機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)。豐富的應(yīng)用模塊用以完成全面的監(jiān)測功能，能夠以數(shù)值、曲線、圖表等各種形式和監(jiān)測畫面，從不同的角度、分層次地顯示出機(jī)組的各種狀態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測功能[2]。

第一，監(jiān)測類應(yīng)用模塊。系統(tǒng)提供了豐富的應(yīng)用模塊作為監(jiān)測工具完成項(xiàng)目要求的監(jiān)測功能。可以直接運(yùn)行的應(yīng)用模塊分為兩類：用于波形數(shù)據(jù)塊的監(jiān)測分析工具和用于監(jiān)測量的監(jiān)測分析工具。波形數(shù)據(jù)塊監(jiān)測分析工具包括波形分析工具、頻譜分析工具、軌跡分析工具以及空間軸線分析工具。監(jiān)測量監(jiān)測分析工具包括數(shù)值分析工具、趨勢分析工具、比較棒圖以及數(shù)值表監(jiān)測。

利用組態(tài)配置工具，配置生成的監(jiān)測畫面包括測量類監(jiān)測畫面和設(shè)備類監(jiān)測畫面兩類。其中，測量類監(jiān)測畫面包括設(shè)備布置圖、監(jiān)測參數(shù)數(shù)值表、棒圖比較圖、空間軸線圖、軸心軌跡圖以及趨勢跟蹤圖。設(shè)備類監(jiān)測畫面包括大軸軸線狀態(tài)、導(dǎo)軸承狀態(tài)以及噴嘴振動(dòng)狀態(tài)。

第二，報(bào)警。PSTA2100系統(tǒng)能夠?yàn)楦鱾€(gè)通道提供一級(jí)報(bào)警和二級(jí)報(bào)警功能。報(bào)警定值可設(shè)置，報(bào)警邏輯和報(bào)警延遲時(shí)間可組態(tài)設(shè)置。

第三，其他。支持Web方式的監(jiān)測，畫面刷新速度：≤3 s，支持在現(xiàn)地采集系統(tǒng)顯示屏、局域網(wǎng)終端、遠(yuǎn)程授權(quán)終端上完成實(shí)時(shí)監(jiān)測，支持畫面打印功能。

3.2 分析功能

3.2.1 穩(wěn)態(tài)分析及優(yōu)化運(yùn)行

可以利用數(shù)值分析工具將KDM數(shù)據(jù)平臺(tái)自動(dòng)記錄的監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制成振動(dòng)和擺度等監(jiān)測數(shù)據(jù)隨功率和水頭等工況的變化曲線（統(tǒng)稱特性曲線），幫助用戶了解和掌握機(jī)組的穩(wěn)定性性能。

綜合機(jī)組設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，運(yùn)行人可以指導(dǎo)機(jī)組優(yōu)化運(yùn)行。系統(tǒng)可以提供如下特性曲線：振動(dòng)、擺度隨負(fù)荷變化曲線；振動(dòng)、擺度隨轉(zhuǎn)速變化曲線；振動(dòng)、擺度隨水頭變化曲線；接力器運(yùn)行特性。

3.2.2 暫態(tài)工況分析

KDM數(shù)據(jù)平臺(tái)自動(dòng)記錄了包括開機(jī)、停機(jī)、甩負(fù)荷、變負(fù)荷以及變勵(lì)磁等暫態(tài)過程的監(jiān)測數(shù)據(jù)。利用數(shù)值分析工具可以繪制各種測量數(shù)據(jù)隨工況參數(shù)及時(shí)間變化的特性曲線，了解和掌握機(jī)組暫態(tài)性能。系統(tǒng)提供暫態(tài)工況的高速錄波和數(shù)據(jù)回放，可以制作如下曲線：振動(dòng)、擺度隨轉(zhuǎn)速變化曲線；振動(dòng)、擺度隨勵(lì)磁電流變化曲線；甩負(fù)荷過程性能分析；甩負(fù)荷過程振動(dòng)、擺度變化過程。

3.2.3 趨勢分析

本項(xiàng)目提供趨勢分析工具軟件模塊，專門用于各種目的的趨勢分析任務(wù)。主要功能有：可以對發(fā)展趨勢進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，以便相應(yīng)管理人員可以第一時(shí)間了解機(jī)組運(yùn)行情況；能夠?qū)蓚€(gè)或者多個(gè)參數(shù)（例如振動(dòng)擺度和轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、水頭、勵(lì)磁電流、勵(lì)磁電壓等）之間所具有的關(guān)系進(jìn)行趨勢分析，能夠任意設(shè)定橫縱軸以及時(shí)間段，能夠及時(shí)有效的查明故障原因所在；能夠按照現(xiàn)階段相應(yīng)參數(shù)指標(biāo)的變動(dòng)情況來判定水電機(jī)組后續(xù)的發(fā)展情況，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)機(jī)組故障情況，及時(shí)采取針對性措施進(jìn)行治理，防止發(fā)生破壞性事故。

3.2.4 波形數(shù)據(jù)塊分析工具

PSTA2100系統(tǒng)提供如下應(yīng)用模塊用于對波形數(shù)據(jù)塊的專業(yè)分析：波形頻譜分析工具、空間軸線分析及瀑布圖分析。

3.2.5 試驗(yàn)分析

機(jī)組進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)時(shí)，KDM平臺(tái)會(huì)自動(dòng)同步記錄試驗(yàn)過程的所有采集數(shù)據(jù)，通過數(shù)值分析工具檢索和整理采集的數(shù)據(jù)。能夠支持的現(xiàn)場試驗(yàn)包括但不限于如下項(xiàng)目：甩負(fù)荷和帶負(fù)荷試驗(yàn)；啟停機(jī)試驗(yàn)；效率試驗(yàn)；穩(wěn)定性（動(dòng)平衡）試驗(yàn)；模擬盤車過程，校驗(yàn)盤車結(jié)論[3]。

3.3 其他功能

3.3.1 遠(yuǎn)程及安全功能

系統(tǒng)支持電站、集控中心及設(shè)備廠家通過遠(yuǎn)程通信方式對機(jī)組狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程故障診斷。

3.3.2 數(shù)據(jù)通信

PSTA2100系統(tǒng)可從電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中獲取數(shù)據(jù)，同時(shí)又可將本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)打包發(fā)送給監(jiān)控系統(tǒng)，滿足安全要求。PSTA2100系統(tǒng)能正確接收GPS的同步信號(hào)。同步信號(hào)取自電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，同步方式可采用脈沖對時(shí)、串口對時(shí)或IRIG-B對時(shí)（最終對時(shí)方式設(shè)計(jì)聯(lián)絡(luò)會(huì)確定），PSTA2100系統(tǒng)的對時(shí)由系統(tǒng)自動(dòng)完成。3.3.3 數(shù)據(jù)采集

該系統(tǒng)能夠采集完整的數(shù)據(jù)，全方位記錄水電機(jī)組的運(yùn)行數(shù)據(jù)，記錄以往機(jī)組事故數(shù)據(jù)。一旦水電機(jī)組出現(xiàn)故障就可以提供完善的數(shù)據(jù)，以便分析事故[4]。3.3.4 數(shù)據(jù)管理

可以長期存儲(chǔ)機(jī)組穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)過程和高密度錄波數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)容量滿足保留最近4年內(nèi)的原始數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)間隔為不間斷存儲(chǔ)，保證機(jī)組歷史信息不丟失。對超過4年的數(shù)據(jù)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)備份軟件可進(jìn)行自動(dòng)和人工備份。系統(tǒng)存儲(chǔ)量可根據(jù)硬盤容量進(jìn)行擴(kuò)展，提供黑匣子記錄功能，可完整記錄機(jī)組出現(xiàn)異常前后的數(shù)據(jù)，確保系統(tǒng)能提供完整詳盡的數(shù)據(jù)用于分析診斷機(jī)組狀態(tài)。此外，提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的長期保留。

4 結(jié) 論

本文主要以河口小水電站為例闡述基于PSTA2100系統(tǒng)的水電機(jī)組監(jiān)測系統(tǒng)方面的內(nèi)容。此系統(tǒng)采用先進(jìn)的云技術(shù)架構(gòu)，模塊可靈活組配，支持多種硬件部署方案，功能可持續(xù)更新和擴(kuò)展，對小水電站具有非常實(shí)際的作用。