嚴 瑾，劉 強，劉 絢，陳志江

（中國移動通信集團設計院有限公司，北京 100080）

0 引 言

為了保證數(shù)據(jù)中心持續(xù)穩(wěn)定運行，一般配置柴油發(fā)電機組來保障電力供應，并投入了大量的沉沒資本，但依然會出現(xiàn)備用電源失效的情況。為了保障備用柴油發(fā)電機組健康度處于正常狀態(tài)，能夠在市電中斷時為數(shù)據(jù)中心供應電力，現(xiàn)行的手段一般為定時對數(shù)據(jù)中心的備用發(fā)電機組進行帶載測試，通過測試的實際結果來判斷發(fā)電機組能否正常運行。此種方法需要實際帶載，不僅降低了發(fā)電機組的壽命，消耗大量儲油，造成環(huán)境污染，一次帶載測試成本高，而且只能保障發(fā)電機組在當前狀態(tài)下能正常運行，不能判斷發(fā)電機組實際上的健康度及發(fā)電機組在下次市電中斷時能否正常運行。

目前，故障預測模型研究比較成熟，文獻[1]提出一種集成了專家規(guī)則與神經網絡模型的故障預警模型，文獻[2]提出一種基于風險評估的故障預警模型，文獻[3]提出一種針對發(fā)電機側的鏈式故障預警模型，文獻[4]提出構建發(fā)電機組故障預測的本體模型和知識模型，文獻[5]提出一種基于灰色關聯(lián)度分析-長短期記憶（Grey Relation Analysis-Long Short TermMemory，GRA-LSTM）疊加的故障預警模型，文獻[6]則提出一種基于大數(shù)據(jù)分析的故障預警方法。在實際應用中，結合成本、適用性等因素，選擇合適的故障診斷和預警算法。為了彌補離線方法的不足，提出一種通過對數(shù)據(jù)中心備用發(fā)電機組在線監(jiān)測來進行健康度診斷分析和預警的方法，通過對發(fā)電機組運行狀態(tài)的數(shù)據(jù)進行監(jiān)測和分析，從而判斷其是否處于正常狀態(tài)，避免帶載測試，增強發(fā)電機組作為備用電源的可靠性。

1 發(fā)電機組故障原因

1.1 燃油系統(tǒng)故障

（1）低壓油路供油不暢。柴油發(fā)電機組的低壓油路是從柴油箱到噴油泵進油腔之間的進油管路與回油管路，低壓油路供油不暢會導致發(fā)動機加速困難、機組輸出功率降低、無法啟動以及熄火等故障發(fā)生。低壓油路中的管路與管路連接處或墊圈處出現(xiàn)破損導致柴油泄漏，低壓油路密封性能會變差，環(huán)境空氣可以進入低壓油路引起供油回路中空氣阻力增大，從而造成供油不暢。此外，管路變形或堵塞導致的低壓油路管路橫截面變小也會引起供油不暢。機組應按時更換燃油濾芯，避免因濾芯堵塞造成供油不暢。

（2）輸油泵活塞彈簧折斷。輸油泵活塞彈簧折斷會導致柴油發(fā)電機組在運行中突然熄火，不能啟動。

（3）輸油泵止回閥密封不嚴。當輸油泵止回閥密封不嚴時，柴油發(fā)電機組將難以啟動。

（4）高壓油路堵塞。當高壓油管因長期使用產生雜質過多而堵塞或變形時，柴油發(fā)電機組啟動后油管部位可能有明顯敲擊聲，柴油發(fā)電機無法正常工作，會出現(xiàn)輸出功率降低的現(xiàn)象。

（5）噴油器密封錐面損壞。噴油器內部殘留固體殘渣、水分會造成噴油器密封錐面損壞，發(fā)電機組啟動困難。

（6）現(xiàn)有備用柴油發(fā)電機組缺陷?，F(xiàn)有備用柴油發(fā)電機組通過燃油油水分離器與燃油濾器對燃油進行了凈化處理，但無法處理長期運行中積聚在燃油儲油罐的水分油污。當燃油中顆粒物過多時，其無法濾除干凈，運行中會因濾器堵塞導致發(fā)電機組低頻跳機。

1.2 啟動系統(tǒng)故障

啟動系統(tǒng)中，啟動電池容量不足、啟動開關損壞均會導致發(fā)電機組無法啟動。

1.3 冷卻系統(tǒng)故障

（1）冷卻水量稀少，不能給柴油發(fā)電機組持續(xù)冷卻，導致其連續(xù)發(fā)熱。

（2）水泵供水效率低，冷卻循環(huán)水流量降低，造成系統(tǒng)散熱效果差，從而導致冷卻水溫度過高。

（3）循環(huán)系統(tǒng)管道結垢堵塞，水垢沉淀附著在循環(huán)系統(tǒng)內，嚴重影響發(fā)電機內的散熱效果。

（4）節(jié)溫器故障，導致循環(huán)異常。

（5）散熱風扇損壞，如皮帶打滑、開裂和扇葉損壞。

1.4 控制系統(tǒng)故障

控制系統(tǒng)中，一臺高壓并機運行機組二次接線頭高達26 000個，關鍵端子接觸不良會導致發(fā)電機組故障。

2 發(fā)電機組在線監(jiān)測

采用傳統(tǒng)離線方法來監(jiān)測發(fā)電機組存在檢測周期長、無法實時了解設備運行狀態(tài)的弊端，難以保障發(fā)電機組的可靠性。而在線監(jiān)測系統(tǒng)可以通過傳感器實時采集設備信息，反映設備狀態(tài)，不存在上述問題[1]。

2.1 在線監(jiān)測主要內容

在線監(jiān)測系統(tǒng)將傳感器安裝在需要監(jiān)測的關鍵位置上，通過實時數(shù)據(jù)的采集，分析當前發(fā)電機組運行狀態(tài)并預測未來趨勢。根據(jù)上述數(shù)據(jù)中心備用柴油發(fā)電機組故障原因分析，對備用發(fā)電機組進行多個項目的監(jiān)測，具體如表1所示。

表1 備用發(fā)電機組主要檢測項目

數(shù)據(jù)中心備用柴油發(fā)電機組僅在市電中斷時啟用，長時間處于停機狀態(tài)。在長期停機放置過程中存在自然損耗，逐漸出現(xiàn)機組密封性變差、設備老化變形、接線端子阻抗變化等問題。在線監(jiān)測系統(tǒng)在發(fā)電機組停機時仍對部分檢測項進行實時監(jiān)測，通過實時監(jiān)測數(shù)據(jù)判斷發(fā)電機組在停機時狀態(tài)是否發(fā)生變化，并預測下一次發(fā)電機組能否正常啟動，避免帶載測試。由于發(fā)電機組在線監(jiān)測系統(tǒng)長時間運行耗電量會增大，因此在發(fā)電機組停機時在線監(jiān)測系統(tǒng)僅保留基礎監(jiān)測功能，轉為低功耗狀態(tài)持續(xù)運行。

2.2 監(jiān)控系統(tǒng)構成

（1）監(jiān)測設備。將監(jiān)測傳感器連接至柴油發(fā)電機組需要監(jiān)測的部位，并將傳感器接入在線檢測系統(tǒng)上，可以通過在線監(jiān)測系統(tǒng)實時查看傳感器采集到的信息[7]。

（2）監(jiān)測設備電源。將傳感器和在線監(jiān)測系統(tǒng)均連接至電源上，由電源供電。

（3）診斷分析系統(tǒng)。通過分析采集到的數(shù)據(jù)來判定柴油發(fā)電機組運行工況和狀態(tài)，并根據(jù)判定結果進行健康度診斷，最后將診斷結果通過人機交互界面顯示出來。

3 發(fā)電機組健康度診斷分析

通過上述在線監(jiān)測系統(tǒng)可以得到柴油發(fā)電機組實時數(shù)據(jù)，需要進一步分析數(shù)據(jù)得出機組狀態(tài)。柴油發(fā)電機組運行時，診斷分析系統(tǒng)將采集的數(shù)據(jù)與系統(tǒng)內部設定正常數(shù)值范圍進行對比，判斷采集數(shù)據(jù)是否異常。當采集到的數(shù)據(jù)處于設定正常值范圍內，則根據(jù)采集數(shù)據(jù)的變化進一步分析機組狀態(tài)，并根據(jù)變化趨勢預測機組未來健康度。若機組狀態(tài)良好且預測結果為下一次機組能順利啟動且無故障運行，則診斷預測機組健康度為健康，無需維護和帶載測試，下次可直接投入使用；若機組狀態(tài)良好但預測結果為下一次機組無法正常運行，則診斷預測機組健康度為亞健康，需維護人員根據(jù)診斷分析系統(tǒng)的分析結果進行檢修，檢修完成后機組可正常投入使用；若機組狀態(tài)較差，說明機組無法維持本次長時間穩(wěn)定運行，則診斷預測機組健康度為異常前驅態(tài)，此時維護人員需做好其他機組接入或設備下電的準備，機組停機后維護人員根據(jù)診斷分析系統(tǒng)的預測結果進行檢修，檢修完成后機組可正常投入使用。當采集到的數(shù)據(jù)異常時，則診斷運行故障并告警，此時發(fā)電機組為不健康，機組需人工維護后再投入使用。當柴油發(fā)電機組停機時，診斷分析系統(tǒng)工作方式與機組運行時基本一致，區(qū)別為無“異常前驅態(tài)”。

診斷分析系統(tǒng)主要包括發(fā)電機組信息采集模塊、狀態(tài)監(jiān)測模塊以及故障預警模塊，如圖1所示。

圖1 發(fā)電機組健康度診斷分析系統(tǒng)

其中，發(fā)電機組信息采集模塊通過傳感器等檢測儀器采集發(fā)電機組數(shù)據(jù)，并將采集數(shù)據(jù)傳遞至診斷分析系統(tǒng)中的狀態(tài)監(jiān)測模塊。狀態(tài)監(jiān)測模塊將采集到的數(shù)據(jù)與模塊中設置的正常數(shù)值范圍進行比對，若采集數(shù)據(jù)不在正常范圍內，則判斷為不健康，并將故障信息傳遞至故障預警模塊；若數(shù)值正常，則分析運行數(shù)據(jù)變化趨勢，將機組正常運行信息與分析結果傳遞至故障預警模塊。故障預警模塊接收到狀態(tài)監(jiān)測模塊故障信息時，通過人機交互界面直接進行告警。當接收到狀態(tài)監(jiān)測模塊正常運行信息與運行數(shù)據(jù)分析結果時，通過模塊內置的故障預警模型對發(fā)電機組健康度進行診斷，診斷結果分為健康、亞健康、異常前驅以及不健康，借助人機交互界面報告診斷結果，為人工檢修提供參考，提高維護效率。

上述功能的實現(xiàn)能夠幫助數(shù)據(jù)中心維護人員及時發(fā)現(xiàn)并預測柴油發(fā)電機組故障，針對性對機組進行維護，降低數(shù)據(jù)中心維護成本，保障發(fā)電機組處于健康狀態(tài)，提高機組運行的可靠性，同時避免帶載測試，減少能源消耗。

4 結 論

相較于現(xiàn)有的帶載測試方法，通過監(jiān)測平臺讀取設備狀態(tài)和運行數(shù)據(jù)、故障預警，能及時進行人工維護，延長發(fā)電機組壽命，增強數(shù)據(jù)中心備用發(fā)電機組的可靠性，同時可以減少油量損耗，節(jié)約能源，響應國家低碳號召。隨著數(shù)據(jù)中心的設備數(shù)量增加和功耗增大，供電保障愈發(fā)重要，備用發(fā)電機組在線監(jiān)測的必要性越來越高。5G通信技術的成熟和計算機技術的發(fā)展給在線監(jiān)測帶來了更多的可能性，未來將采集更多數(shù)據(jù)中心發(fā)電機組的信息，量化所提在線監(jiān)測方法的各項指標，為后續(xù)系統(tǒng)優(yōu)化奠定堅實基礎。