朱曉瑾 封立林 年珩

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2021.08.023

摘? 要：針對現(xiàn)今火電廠中電量、水量在線監(jiān)測和平衡管理所面臨的問題，提出了一種火電廠電量、水量平衡監(jiān)測和信息化管理系統(tǒng)設計方案，包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)展示、故障診斷與告警、安全趨勢分析等具體功能，并采用了基于改進Pearson相關系數(shù)法的安全趨勢分析方法。該系統(tǒng)可應用于指導電量、水量平衡調(diào)度，為火電廠電量、水量平衡管理系統(tǒng)提供技術參考。

關鍵詞：平衡監(jiān)測;信息化管理;火電廠;系統(tǒng)設計;改進Pearson相關系數(shù)法

中圖分類號：TP311.5? ? 文獻標識碼：A ? ?文章編號：2096-4706（2021）08-0078-04

Design on Power and Water Quantity Balance Management System in?Fossil-fuel Power Station

ZHU Xiaojin1，F(xiàn)ENG Lilin2，NIAN Heng3

（1.Zhejiang Zheneng Taizhou No.2 Power Generation Co.，Ltd.，Taizhou? 317109，China;

2.Zhejiang Zheneng Electric Power Co.，Ltd.，Hangzhou? 310007，China;3.Zhejiang University，Hangzhou? 310058，China）

Abstract：Aiming at the faced problems of online monitoring and balance management for power and water quantity in fossil-fuel power station at present，this paper puts forward a design scheme for power and water quantity balance monitoring and informatization management system in fossil-fuel power station，which includes data acquisition，data processing，data display，fault diagnosis and alarm，safety trend analysis and other specific functions. And a safety trend analysis method based on improved Pearson correlation coefficient method is adopted. The system can be used to guide the balance scheduling of the power and water quantity，and provide technical reference for the power and water quantity balance management system in fossil-fuel power station.

Keywords：balance monitoring;informatization management;fossil-fuel power station;system design;improved Pearson correlation coefficient method

0? 引? 言

現(xiàn)階段，我國在電力生產(chǎn)方式方面大體展現(xiàn)出多樣化發(fā)展的趨勢，但作為傳統(tǒng)發(fā)電主體的火力發(fā)電廠在未來很長一段時間內(nèi)，仍然將占據(jù)著我國發(fā)電行業(yè)的主體地位。然而，隨著國家對于生態(tài)環(huán)境問題的日益重視，對于傳統(tǒng)火電行業(yè)的生產(chǎn)流程也提出了更高的標準。完善傳統(tǒng)火力發(fā)電的發(fā)電流程，更高效率地優(yōu)化對火力發(fā)電過程中生產(chǎn)物料的利用，已經(jīng)成為火電行業(yè)發(fā)展的重要方向。

隨著我國對于火電行業(yè)能效環(huán)保要求的不斷提高，火電廠所面臨的水資源利用效率和生態(tài)環(huán)境問題變得日益凸顯^[1]。因此，深入研究火電廠水系統(tǒng)的監(jiān)測和管理技術，實現(xiàn)水平衡的高效運行，是對現(xiàn)代火力發(fā)電廠的重要要求之一。此外，我國正處于現(xiàn)代化建設的關鍵時期，對于電氣網(wǎng)絡的性能要求也越來越高。目前，大部分火電廠仍保持運行的傳統(tǒng)電氣設備在實際運行過程中無法實現(xiàn)高效的電量監(jiān)測和安全管控要求。因此，還必須提高對火電廠電氣網(wǎng)絡和信息化管理技術的研究和優(yōu)化力度^[2]。

由于國家保護生態(tài)環(huán)節(jié)政策的要求和提高火電廠能效指標的需求^[3，4]，火電廠亟須一套實時監(jiān)測和信息化管理系統(tǒng)來實現(xiàn)電量、水量平衡管理的合理高效運行，提高火電廠水電平衡信息化管理的運行效率。近年來，信息技術與數(shù)字管理技術得到了迅速的發(fā)展，在眾多工業(yè)領域中都得到了廣泛的應用，火力發(fā)電行業(yè)也不例外^[5，6]?，F(xiàn)階段，火力發(fā)電廠的水電管理系統(tǒng)逐漸朝著智能化、信息化和數(shù)字化方向發(fā)展，不僅實現(xiàn)了水電平衡管控效率的有效提升，而且有效保障在線管理系統(tǒng)的實時運行安全。

鑒于以上問題，本文以浙江某火電廠為依托，結合其實際基礎數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與自動化控制系統(tǒng)，開發(fā)了基于實時數(shù)據(jù)處理技術的火電廠電量、水量平衡管理系統(tǒng)，在線監(jiān)測火電廠發(fā)電過程中的電量、水量平衡關系，實時管理生產(chǎn)過程中的水電平衡。實時數(shù)據(jù)技術結合圖形化數(shù)據(jù)展示極大地提高了數(shù)據(jù)可讀性和信息化管理能力，為火電廠信息化管理監(jiān)測提供了全新的模式。

1? 系統(tǒng)設計

1.1? 設計目標

本文所設計的火電廠電量、水量平衡管理系統(tǒng)是以安全、穩(wěn)定、節(jié)能為目標的信息化智慧管理平臺，融合實時監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析、故障預警、任務分配、設備全生命周期管理等功能，以專業(yè)化技術、專家型應用，實現(xiàn)水電智慧管理?；痣姀S電量、水量平衡管理系統(tǒng)主要由現(xiàn)場儀表、采集終端、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)采集與預處理層、高級應用層五部分組成。其硬件部分按設計規(guī)模配置，具有可擴展性，并留有后期接口，而相應的應用軟件則按最終規(guī)模設計。

1.2? 理論支撐

火電廠電量、水量平衡管理系統(tǒng)對公司內(nèi)所有電能表、水表進行數(shù)據(jù)采樣，包括關口電能表、#1和#2機主設備電能表、10 kV系統(tǒng)的電能表、380 V系統(tǒng)的電能表，化學制水、工業(yè)水、生活水、回用水、自來水五大管網(wǎng)的電磁流量計、水表等，將采集來的各種數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡形式傳送至火電廠電量、水量平衡管理系統(tǒng)，并對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、計算與分析，建立公司級電量、水量平衡管理模型。

在本文的火電廠電量、水量平衡管理系統(tǒng)的設計中，借鑒了電力系統(tǒng)信息交互標準化的成熟經(jīng)驗，基于DL/T 890.301CIM標準建立了母線、變壓器、斷路器、電力電纜、電力負荷等電力設備模型，并拓展水管道、水閥門、水泵、蓄水池、水負荷等水資源輸送、存儲、消費設備模型。然后根據(jù)設備之間的連接關系，按照從源端到荷端的方向深度遍歷，分別將電網(wǎng)和水網(wǎng)各設備參數(shù)及其連接關系入庫，即建立了電氣、水網(wǎng)絡模型。

通過對火電廠的電量、水量平衡管理模型進行建模，電網(wǎng)和水網(wǎng)各設備的物理參數(shù)和相互之間的聯(lián)結關系將以數(shù)學模型的方式填入網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫中，以便于后續(xù)的高級應用進行調(diào)用。

1.3? 結構設計

本文所設計的火電廠電量、水量平衡管理系統(tǒng)是具有完整能源監(jiān)控、管理、分析和優(yōu)化功能的管控一體化計算機系統(tǒng)。如圖1所示，系統(tǒng)整體組成架構一共包括5個層級，自底向上分別是：

用戶層：用于輸入能源系統(tǒng)各部分相關能源數(shù)據(jù)，包括燃電力系統(tǒng)、水系統(tǒng)、燃氣系統(tǒng)等;

數(shù)據(jù)層：為了滿足大數(shù)據(jù)采集需要，滿足異構數(shù)據(jù)的融合和綜合展示，在數(shù)據(jù)層要構建混合硬件平臺。支持混合操作系統(tǒng)，采用中間件技術保證系統(tǒng)的可移植性，并采用分布式網(wǎng)絡通信來增加系統(tǒng)的靈活性和可靠性。在數(shù)據(jù)層構建大數(shù)據(jù)采集控制與管理分析平臺，實現(xiàn)對不同類型數(shù)據(jù)的采集處理、監(jiān)視控制，以及大數(shù)據(jù)的管理分析功能，打造一體化的多能全數(shù)據(jù)分析中心;

平臺層：在統(tǒng)一應用支撐平臺基礎上結合在線監(jiān)測、運行管理、移動服務等功能，為能源管控系統(tǒng)的運行提供平臺支撐。同時平臺層的軟件模塊具備開放性，支持不同層面應用功能的二次開發(fā);

應用層：主要由六大應用組成，包括數(shù)據(jù)視圖、在線監(jiān)測、電量平衡報表、水量平衡報表、告警管理、信息管理;

服務層：借助平臺以及基礎應用，提供包括電廠水電平衡分析、管網(wǎng)壓力與安全趨勢分析、電廠故障診斷預警、能源需求側智能互動等服務。

1.4? 功能設計

本文所設計的火電廠電量、水量平衡管理系統(tǒng)的具體功能包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)展示、故障診斷與告警，以及安全趨勢分析等環(huán)節(jié)。

1.4.1? 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)用于對電量、水量平衡管理系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)信息進行采集量測。其中電量數(shù)據(jù)采集對象包括一次設備的有功、無功、電壓、電流等模擬量，以及開關位置、隔離刀閘位置、接地刀閘位置等開關狀態(tài)量;二次設備的保護信號;一次、二次設備的狀態(tài)信號;上層系統(tǒng)下發(fā)的控制信號以及終端上傳的數(shù)據(jù)等。

水量數(shù)據(jù)采集對象包括各種水資源在管道中的流量、壓力等模擬量，以及水泵、閥門狀態(tài)量;水質(zhì)量指標以及終端上傳的數(shù)據(jù)等。

1.4.2? 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)數(shù)據(jù)類型，分為模擬量處理、狀態(tài)量處理、統(tǒng)計計算、數(shù)據(jù)記錄等，其中：模擬量處理包括數(shù)據(jù)有效性檢查、數(shù)據(jù)過濾、零漂處理、上下限值處理、數(shù)據(jù)變化率處理和單位轉換等;狀態(tài)量處理包括雙位遙信處理、誤遙信處理、人工輸入、動作計時和動作計數(shù)等;統(tǒng)計計算：根據(jù)調(diào)度運行的需要，對各類數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，可以靈活定制計算公式，比如數(shù)值統(tǒng)計、極值統(tǒng)計、次數(shù)統(tǒng)計等;數(shù)據(jù)記錄：根據(jù)事件類型、線路、設備類型、動作時間等條件對數(shù)據(jù)記錄進行分類檢索、顯示和打印輸出。

1.4.3? 數(shù)據(jù)展示

數(shù)據(jù)的圖形化展示為組態(tài)化界面，支持圖元編輯、圖形編輯、圖形展示，在圖形界面上可視化展示各電氣、水網(wǎng)絡設備在系統(tǒng)中的位置、測量數(shù)據(jù)和運行工況。圖形化展示使用戶可以方便地與系統(tǒng)交互，實時展示能源信息，監(jiān)視系統(tǒng)的運行情況、查詢有關的統(tǒng)計數(shù)據(jù)、下達命令，以及執(zhí)行各應用的相關操作。

1.4.4? 故障診斷與告警

系統(tǒng)運行過程中產(chǎn)生的報警信息，可以通過報警界面進行實時監(jiān)視。用戶可在實時報警界面內(nèi)察看到系統(tǒng)當前的所有報警，也可設置條件檢索任意時段任意類型的歷史報警。

報警信息在線綜合處理、顯示與推理，支持匯集和處理各類告警信息，對大量報警信息進行分類管理和存儲，對不同需求形成不同的報警顯示方案，利用形象直觀的方式提供全面綜合的報警提示，方便用戶的運行監(jiān)視。

1.4.5? 安全趨勢分析

結合管道模型和歷史故障信息，通過采集在供水高峰時間段的水管壓力不穩(wěn)定的工況數(shù)據(jù)，建立基于非機理性的故障診斷模型。根據(jù)該模型能夠分析出水管壓力不穩(wěn)定故障相關的特征工況，并通過與實時工況數(shù)據(jù)的對比實現(xiàn)對水管網(wǎng)絡漏水段的快速定義。此外，還可通過對水管網(wǎng)絡壓力健康度進行評估與預警，以避免類似故障的再次發(fā)生。水管網(wǎng)絡安全趨勢分析的整理工作流程如圖2所示。

Pearson相關系數(shù)法是一種被廣泛應用的相似度分析方法，因此本文采用該方法對比分析管道水壓的采樣信號和參考信號，進而實現(xiàn)水管網(wǎng)絡的安全趨勢分析。參考文獻^[7]，Pearson相關系數(shù)法的傳統(tǒng)計算公式可以表示為：

其中，P1_i是當前時刻之前10毫秒內(nèi)第i個時刻管道水壓的采樣值，P2_i是當前時刻之前20毫秒至10毫秒管道水壓第i個時刻管道水壓的采樣值，n是兩個時間段內(nèi)管道水壓所對比點的總數(shù)，i和j是自然數(shù)。

在水管網(wǎng)絡的水壓檢測中，由于被用于比較的水壓曲線采用了平均值處理，且穩(wěn)態(tài)參考水壓是一個帶有紋波的恒定值。因此，如果直接對采樣水壓和穩(wěn)態(tài)計算水壓進行對比，相關系數(shù)將隨水壓紋波的變化而變化，可能出現(xiàn)大量的誤報警。為防止誤報警的發(fā)生，本章采用采樣水壓的累加值進行安全趨勢分析中的相關系數(shù)分析，采樣水壓曲線和穩(wěn)態(tài)參考水壓曲線的第i個對比值可分別表示為：

由于Pearson相關系數(shù)法對絕對值不敏感。當水壓曲線不同而水壓變化率相同時，也會出現(xiàn)高度相關性。因此，在安全趨勢分析中需要消除由這種現(xiàn)象引起的干擾。本文設計并引入了一個調(diào)整因子p來優(yōu)化Pearson相關系數(shù)法，參數(shù)p被設計為：

p的所在區(qū)間為[0，1]，p越大，相關性越高，反之p越小，相似性越低。最終，改進后的Pearson相關系數(shù)可以表示為：

r=r₀×p

基于所建故障診斷模型和改進Pearson相關系數(shù)法，本文對水管網(wǎng)絡進行安全趨勢分析的具體流程包括5個步驟，所對應的流程圖如圖3所示。

（1）在每條管道兩個終端中上以1毫秒/次的頻率采集終端的管道水壓，并實時存儲水壓;

（2）使用改進Pearson相關系數(shù)法對比當前時刻之前10毫秒內(nèi)管道水壓與當前時刻之前20毫秒至10毫秒管道水壓的相似程度;

（3）所用改進Pearson相關系數(shù)法通過多數(shù)據(jù)點對比，能夠有效防止由于單點采樣誤差、短時運行工況波動等引起的誤判斷，其采樣時間可以根據(jù)數(shù)據(jù)精度靈活選取;

（4）所用改進Pearson相關系數(shù)法可用于檢測、判斷系統(tǒng)水管水壓的穩(wěn)定情況，以及時發(fā)現(xiàn)處于亞健康狀態(tài)的水管并進行相應的安全預警;

（5）如果某個端口的管道水壓的相似程度低于設定閾值，表示此端口內(nèi)水管網(wǎng)絡的水壓處于波動的不穩(wěn)定狀態(tài)，可以判斷此時該條管道處于亞健康狀態(tài)，并發(fā)出預警信號。

2? 應用示范

本文研究的火電廠電量、水量平衡管理系統(tǒng)在浙江某火力發(fā)電廠得到了應用，該火力發(fā)電廠的電氣網(wǎng)絡具體圖形化展示界面如圖4所示。

根據(jù)現(xiàn)場系統(tǒng)的運行測試顯示，該系統(tǒng)能夠有效地調(diào)度火電廠電量、水量的動態(tài)平衡。并且，通過對電量、水量數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測和統(tǒng)計處理，該系統(tǒng)能夠?qū)㈦娋W(wǎng)絡的全廠電能流動關系和水網(wǎng)絡的全廠水耗分布關系進行可視化展示，具體的圖形化展示界面如圖5、圖6所示。

根據(jù)該火電廠電量、水量平衡管理系統(tǒng)的試運行情況反饋可以看出，所設計信息化管理系統(tǒng)能夠有效地解決火電廠現(xiàn)場電量、水量平衡的調(diào)度管理問題，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)實時的采集檢測。并且，結合圖形化展示界面實現(xiàn)了平衡管理信息的動態(tài)展示和交互控制。

3? 結? 論

通過將數(shù)據(jù)采集技術、信息化處理技術與平衡管理技術相結合，對火電廠電量、水量的動態(tài)平衡情況實現(xiàn)實時監(jiān)測和管理，實現(xiàn)了對于電網(wǎng)絡和水網(wǎng)絡的統(tǒng)一調(diào)度管理。同時，火電廠電量、水量平衡管理系統(tǒng)中的故障診斷與告警系統(tǒng)及時記錄了數(shù)據(jù)故障情況，提高了平衡管理的質(zhì)量和水平，降低了電量、水量平衡調(diào)度過程中的故障發(fā)生率，實現(xiàn)了火電廠現(xiàn)場平衡管理系統(tǒng)的規(guī)范化、信息化和科學化。因此，該火電廠電量、水量平衡管理系統(tǒng)是以安全、穩(wěn)定、節(jié)能為目標的信息化智慧管理平臺，該系統(tǒng)的研發(fā)與應用具有良好的推廣前景。

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作者簡介：朱曉瑾（1974—），女，漢族，浙江臺州人，高級工程師，碩士，研究方向：發(fā)電廠繼電保護技術及其應用。

收稿日期：2021-02-28