張雷防，龔相杰

［1.南瑞集團（國網(wǎng)電力科學研究院）有限公司，江蘇省南京市 211000；2.河海大學 能源與電氣學院，江蘇省南京市 211000］

0 引言

隨著水電自動化技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展，我國水電行業(yè)已廣泛應(yīng)用集控運行模式[1-2]。國內(nèi)各大流域水電公司都已建成水電集控中心，負責對所轄水電站的遠程集中控制。在集控模式下，水電站設(shè)備的日常運行和控制調(diào)節(jié)由集控中心完成，電站側(cè)運行僅作為應(yīng)急和事故備用，部分電站已探索實行“運維合一”模式，將原先分別設(shè)立的電站運行部門和檢修維護部門合并為運維部門，負責電站設(shè)備的巡檢維護和應(yīng)急運行[3-4]。

水電站集控和運維合一的模式提高了水電企業(yè)集約化管理水平和生產(chǎn)效率，降低了運行成本，提升了整體經(jīng)濟效益。但由于運維人員仍分屬各自電站，不能形成合力，有必要研究集控模式下的設(shè)備遠程運維模式，建設(shè)遠程集中運維中心，將原本分散在各電站的運維人員集中使用，對各電站實行遠程集中運維，進一步提高人員使用效率和工作效率。

1 集控模式下水電廠區(qū)域化設(shè)備遠程集中運維必要性分析

當前水電企業(yè)在下屬電站均設(shè)置檢修維護部門或運維部門，負責電站日常設(shè)備的維護檢修工作。這種模式滿足了水電設(shè)備運維檢修及時性的要求，保障了水電廠生產(chǎn)的順利開展。近年來，水電站一次設(shè)備和二次設(shè)備的質(zhì)量和運行可靠性不斷提高，不再需要頻繁地進行檢修，維護工作量也大幅減少，檢修維護人員存在工作量不飽滿、人力資源不能充分使用的問題。同時，各電站的檢修維護人員單獨配置，不便于統(tǒng)籌使用。采用水電站設(shè)備遠程集中運維模式，可以將原先各電站分散的維護檢修力量進行整合加強，實現(xiàn)檢修維護人才資源和技術(shù)資源的集中，充分發(fā)揮檢修資源的規(guī)模效應(yīng)、集中效應(yīng)，實施流域電站多機組、多工況的設(shè)備檢修運維，積累豐富的檢修經(jīng)驗，促進檢修人員技能的提升和檢修隊伍的快速成長。

水電站因其生產(chǎn)特點，一般都位于較為偏遠的地區(qū)，遠離大城市。集控模式實現(xiàn)了水電站運行的集約化，將電站運行人員由電站轉(zhuǎn)移到生活條件較好的城市上班，改善了工作和生活環(huán)境[5]。但檢修維護人員仍需留在電站上班，不利于電站員工隊伍的穩(wěn)定。設(shè)備遠程運維模式下，在集控中心建設(shè)統(tǒng)一的遠程集中運維中心，對所屬電站進行統(tǒng)一的設(shè)備運維管理，平時運維人員可在工作和生活條件較好的城市上班，通過遠程方式對電站二次設(shè)備進行維護，分析設(shè)備健康狀態(tài)，進行設(shè)備故障預(yù)警和診斷，制定設(shè)備檢修計劃和檢修方案，必要時赴電站進行現(xiàn)場檢修維護[6-8]。

采用設(shè)備遠程運維模式，可在保障電站設(shè)備正常運行的前提下，解放部分檢修維護力量用于設(shè)備檢修維護相關(guān)的科研攻關(guān)，例如統(tǒng)計建立水電企業(yè)設(shè)備正常運行樣本庫、狀態(tài)評價健康樣本庫和設(shè)備故障診斷樣本庫，為后續(xù)實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)檢修提供支撐，也有利于人才的引進、培養(yǎng)和專業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展，提升流域發(fā)電企業(yè)的設(shè)備運維管理水平。

2 集控模式下水電廠區(qū)域化設(shè)備遠程集中運維的必要條件

2.1 設(shè)備可靠性和控制自動化水平進一步提高

采用設(shè)備遠程集中運維模式后，電站不再保留或僅保留少量的常駐檢修維護人員，設(shè)備故障后檢修的及時性會有所下降，這就要求設(shè)備本體具有更低的故障率和更長的設(shè)備故障間隔時間，具有更高的可靠性。

當前水電站主要設(shè)備已完全實現(xiàn)了控制自動化，但電站的部分閥門和開關(guān)等輔助設(shè)備還未完全實現(xiàn)控制自動化，還需要進行手動操作，需要對這些輔助設(shè)備進行改造或替換，實現(xiàn)控制自動化，實現(xiàn)水電站設(shè)備控制的全自動化，進一步提高設(shè)備的控制自動化水平。

2.2 設(shè)備狀態(tài)全面感知

目前水電行業(yè)主要采用傳統(tǒng)的模擬量信號輸出傳感器采集設(shè)備運行狀態(tài)信息?，F(xiàn)有的模擬量信號輸出傳感器存在可靠性不足、抗干擾能力差、故障排查困難等缺點，越來越不能滿足水電行業(yè)數(shù)字化、智能化發(fā)展的要求。采用紅外、激光、光纖光柵等各種新型數(shù)字化智能傳感器實時采集水電站設(shè)備的振動、擺度、氣隙、場強、壓力、溫度、電壓、電流等運行數(shù)據(jù)，提升信號采集的精確度和全面性，實現(xiàn)水電站設(shè)備運行狀態(tài)的全面感知。利用覆蓋水電站全廠異構(gòu)融合的物聯(lián)通信網(wǎng)絡(luò)將設(shè)備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)上送至一體化管控平臺，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的融合匯聚和展示。結(jié)合BIM三維建模及AR/VR技術(shù)，使電廠維護人員在集控遠端就可以身臨其境般地感知電廠設(shè)備實時運行狀態(tài)，支撐設(shè)備故障的遠程診斷和維護。

當前電廠二次系統(tǒng)及相應(yīng)智能電子裝置、服務(wù)器等設(shè)備的運行狀態(tài)信息還未上送至集控中心，還無法實現(xiàn)這些信息的遠方實時監(jiān)視。根據(jù)設(shè)備遠程運維的要求，上述設(shè)備需要具備將負載狀態(tài)、自診斷信息、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)等運行狀態(tài)信息通過網(wǎng)絡(luò)上送至集中運維中心的能力，為遠程運維人員開展IT設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視和遠程運維提供數(shù)據(jù)支撐。

2.3 高清視頻監(jiān)視

當前水電廠已普遍建設(shè)視頻監(jiān)視系統(tǒng)，但受制于技術(shù)和投資等因素，現(xiàn)有的視頻監(jiān)視系統(tǒng)普遍存在功能單一、畫面清晰度不足、不能實現(xiàn)監(jiān)視全覆蓋、有監(jiān)視死角等問題。為滿足遠程集中運維要求，需建設(shè)覆蓋水電站全廠的具備圖像識別、人臉識別、自診斷與防盜、智能行為分析、主設(shè)備溫度全景監(jiān)控、異常報警等功能的高清視頻監(jiān)視系統(tǒng)，并通過網(wǎng)絡(luò)將高清視頻監(jiān)視畫面送至遠程集中運維中心，運維人員在遠程集中運維中心可對全廠無死角地進行視頻巡查。對電廠機柜、油水氣等機電設(shè)備的視頻監(jiān)視攝像頭配備高清紅外熱成像功能，實現(xiàn)設(shè)備全天候測溫監(jiān)視。

3 集控模式下水電廠區(qū)域化設(shè)備遠程集中運維的技術(shù)要求

3.1 設(shè)備運行狀態(tài)遠程監(jiān)視

基于設(shè)備狀態(tài)全面感知建設(shè)，實現(xiàn)電廠設(shè)備運行狀態(tài)的遠程監(jiān)視，使運維人員在遠程集中運維中心能夠查看電廠設(shè)備的全面實時的運行狀態(tài)。

充分運用水輪機發(fā)電機狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)，利用氣隙磁通監(jiān)測裝置、局部放電監(jiān)測裝置、定子光纖測溫裝置和轉(zhuǎn)子集電環(huán)碳刷溫度及電流監(jiān)測裝置等各類發(fā)電機在線監(jiān)測裝置及其配套傳感器，全面感知各電站發(fā)電機運行和健康狀態(tài)，將監(jiān)測數(shù)據(jù)上送至遠程集中運維中心，為運維人員提供電廠實時的運行數(shù)據(jù)。

各種監(jiān)測傳感器和裝置均作為設(shè)備遠程運維的數(shù)據(jù)源，數(shù)據(jù)源通過通信協(xié)議轉(zhuǎn)換后形成可供平臺應(yīng)用的數(shù)據(jù)序列，數(shù)據(jù)序列通過清洗、整理和編碼后成為標準化的數(shù)據(jù)，存入數(shù)據(jù)庫，通過同步、路由及調(diào)用服務(wù)實現(xiàn)共享。算法處理可將共享的測量數(shù)據(jù)抽取、加工形成特征數(shù)據(jù)，特征數(shù)據(jù)有明確的功能意義，為設(shè)備遠程運維提供分析來源。

3.2 二次設(shè)備遠程維護

在遠程集中運維中心設(shè)立遠程維護工作站，集中展示電站各二次系統(tǒng)的實時運行狀態(tài)，利用可視化的界面工具實時查詢電站二次設(shè)備的溫度、負載等閾值，自動將其與正常閾值進行比較，當二者不一致時，可進行自動報警，提醒維護人員注意。利用遠程運維工具，在保證安全和可控的情況下，實現(xiàn)對電站二次設(shè)備告警閾值遠方修改、軟壓板遠方投退、服務(wù)器和控制器等設(shè)備遠方重啟、自動化系統(tǒng)遠方測試等遠程集中維護工作，縮短維護時間，提高維護工作效率，降低維護所產(chǎn)生的費用。

匯總梳理水電站各二次設(shè)備維護經(jīng)驗，建設(shè)水電站二次設(shè)備典型故障狀態(tài)庫和處置方法專家?guī)斓戎R庫。將各電站二次設(shè)備運行狀態(tài)與狀態(tài)庫信息進行實時比對，自動分析并篩查出二次設(shè)備故障信息并與處置方法專家?guī)礻P(guān)聯(lián)，自動生成故障處置方案，指導遠程運維人員進行故障處置和恢復(fù)。

3.3 設(shè)備遠程智能巡檢

在電站和遠程集中運維中心建設(shè)遠程無人巡檢系統(tǒng)，借助物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、機器人、人工智能等技術(shù)手段，利用電站內(nèi)的巡檢機器人、高清攝像頭、智能傳感設(shè)備等，實現(xiàn)電站設(shè)備的無人化遠程智能巡檢。利用在電站內(nèi)安裝的各類輪式機器人和軌道機器人按照預(yù)先設(shè)定的任務(wù)時間或根據(jù)運維人員的臨時性要求自動執(zhí)行巡檢任務(wù)，采集并記錄發(fā)電機層、水輪機層、尾水層等水電廠各設(shè)備層的滲漏、聲音、圖像等信號，對各類異常信號進行自動判別，并自動將采集的信息通過無線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸至一體化管控平臺。部分機器人難以到達的地方，以及經(jīng)常出現(xiàn)漏油的部位，需要采用安裝固定式高清攝像頭的方式，利用圖像識別等技術(shù)，自動判別設(shè)備運行異常和漏油故障，有效監(jiān)測水電廠的“跑冒滴漏”現(xiàn)象。此外，基于智能傳感設(shè)備，構(gòu)建主設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)，全面采集機組等各類主設(shè)備的溫度、振動、擺度、壓力脈動、氣隙、磁通量等信號；基于集控中心的一體化管控平臺，匯聚巡檢信息、狀態(tài)在線監(jiān)測信息，實現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備現(xiàn)場巡檢無人化，實現(xiàn)運維人員對多個廠站、多臺機組的集中統(tǒng)一管理。

3.4 設(shè)備故障遠程診斷

在遠程集中運維中心建設(shè)和部署基于大數(shù)據(jù)技術(shù)和故障診斷技術(shù)相結(jié)合的電站設(shè)備故障診斷系統(tǒng)，構(gòu)建水輪發(fā)電機組、主變壓器、GIS、閘門等設(shè)備故障診斷專家系統(tǒng)、故障知識圖譜和診斷故障樹，實時分析電站設(shè)備運行狀態(tài)和趨勢，對設(shè)備故障進行分析和診斷，實時推送包含故障信息、故障時間、故障部位、故障原因、處理措施和運行意見等內(nèi)容的故障診斷報告，為設(shè)備遠程運維提供支撐。

設(shè)備故障診斷專家系統(tǒng)應(yīng)包括知識庫、推理機、解釋器、自學習模塊、人機交互等模塊。知識庫模塊用于存儲各種專家知識及故障信息，具有通用性添加、修改、刪除等功能；推理機提供了統(tǒng)一的推理模式，按照各個知識庫模塊中的規(guī)則進行推理，并完成結(jié)果融合；解釋器主要完成獲取知識庫中故障信息，根據(jù)推理機提供的診斷結(jié)果輸出用于人機界面顯示的各種信息；學習機主要功能為根據(jù)用戶提交的實際故障結(jié)果反饋，對于誤診、漏診的情況進行規(guī)則修改；人機交互模塊主要提供結(jié)果輸出、報表生成、非量化特征獲取、診斷結(jié)果反饋、知識庫管理等功能接口。

針對主機設(shè)備和輔機設(shè)備，采用自底向上的方式，進行知識建模和故障知識圖譜的構(gòu)建。基于水電行業(yè)標準從數(shù)據(jù)源進行映射，設(shè)計實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲模塊，選定實體與實體間的關(guān)系，進行數(shù)據(jù)表的搭建，最終設(shè)計實現(xiàn)知識圖譜的可視化模塊，進行知識重構(gòu)并展示。

診斷故障樹利用專門的樹狀結(jié)構(gòu)，采用正向搜索、閾值比較和模糊識別的方法，沿自頂向下的方向?qū)υO(shè)備故障進行深度和廣度的搜索，結(jié)合故障事件關(guān)鍵重要度，得到最終故障發(fā)生的概率，完成故障推理，并將診斷結(jié)果從大到小排序，提交給人機交互模塊。

4 結(jié)束語

水電站區(qū)域化遠程集中運維模式可有效提升電站設(shè)備運維工作效率，降低運維成本，是水電設(shè)備運維管理的主要發(fā)展趨勢。本文從水電站遠程運維的需求出發(fā)，提出了以建設(shè)遠程集中運維中心為核心的遠程集中運維模式，并對遠程運維的必要性、必要條件和技術(shù)要求進行了探討。隨著新技術(shù)和新設(shè)備的發(fā)展，遠程運維也需要不斷開展深入的研究和探索，以促進水電站遠程運維工作的順利開展。