集控模式下的水電廠區(qū)域化設備遠程集中運維研究

張雷防，龔相杰

［1.南瑞集團（國網電力科學研究院）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和信息技術的發(fā)展，我國水電行業(yè)已廣泛應用集控運行模式[1-2]。國內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，水電站設備的日常運行和控制調節(jié)由集控中心完成，電站側運行僅作為應急和事故備用，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，負責電站設備的巡檢維護和應急運行[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效率，降低了運行成本，提升了整體經濟效益。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備遠程運維模式，建設遠程集中運維中心，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)在下屬電站均設置檢修維護部門或運維部門，負責電站日常設備的維護檢修工作。這種模式滿足了水電設備運維檢修及時性的要求，保障了水電廠生產的順利開展。近年來，水電站一次設備和二次設備的質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，實現檢修維護人才資源和技術資源的集中，充分發(fā)揮檢修資源的規(guī)模效應、集中效應，實施流域電站多機組、多工況的設備檢修運維，積累豐富的檢修經驗，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。集控模式實現了水電站運行的集約化，將電站運行人員由電站轉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。設備遠程運維模式下，在集控中心建設統(tǒng)一的遠程集中運維中心，對所屬電站進行統(tǒng)一的設備運維管理，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備進行維護，分析設備健康狀態(tài)，進行設備故障預警和診斷，制定設備檢修計劃和檢修方案，必要時赴電站進行現場檢修維護[6-8]。

采用設備遠程運維模式，可在保障電站設備正常運行的前提下，解放部分檢修維護力量用于設備檢修維護相關的科研攻關，例如統(tǒng)計建立水電企業(yè)設備正常運行樣本庫、狀態(tài)評價健康樣本庫和設備故障診斷樣本庫，為后續(xù)實現設備狀態(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)的設備運維管理水平。

2 集控模式下水電廠區(qū)域化設備遠程集中運維的必要條件

2.1 設備可靠性和控制自動化水平進一步提高

采用設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，設備故障后檢修的及時性會有所下降，這就要求設備本體具有更低的故障率和更長的設備故障間隔時間，具有更高的可靠性。

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

2.2 設備狀態(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備運行狀態(tài)信息。現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字化智能傳感器實時采集水電站設備的振動、擺度、氣隙、場強、壓力、溫度、電壓、電流等運行數據，提升信號采集的精確度和全面性，實現水電站設備運行狀態(tài)的全面感知。利用覆蓋水電站全廠異構融合的物聯通信網絡將設備運行狀態(tài)數據上送至一體化管控平臺，實現數據的融合匯聚和展示。結合BIM三維建模及AR/VR技術，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備實時運行狀態(tài)，支撐設備故障的遠程診斷和維護。

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

2.3 高清視頻監(jiān)視

當前水電廠已普遍建設視頻監(jiān)視系統(tǒng)，但受制于技術和投資等因素，現有的視頻監(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)，并通過網絡將高清視頻監(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、油水氣等機電設備的視頻監(jiān)視攝像頭配備高清紅外熱成像功能，實現設備全天候測溫監(jiān)視。

3 集控模式下水電廠區(qū)域化設備遠程集中運維的技術要求

3.1 設備運行狀態(tài)遠程監(jiān)視

基于設備狀態(tài)全面感知建設，實現電廠設備運行狀態(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，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)測數據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據。

各種監(jiān)測傳感器和裝置均作為設備遠程運維的數據源，數據源通過通信協議轉換后形成可供平臺應用的數據序列，數據序列通過清洗、整理和編碼后成為標準化的數據，存入數據庫，通過同步、路由及調用服務實現共享。算法處理可將共享的測量數據抽取、加工形成特征數據，特征數據有明確的功能意義，為設備遠程運維提供分析來源。

3.2 二次設備遠程維護

在遠程集中運維中心設立遠程維護工作站，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，實現對電站二次設備告警閾值遠方修改、軟壓板遠方投退、服務器和控制器等設備遠方重啟、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，降低維護所產生的費用。

匯總梳理水電站各二次設備維護經驗，建設水電站二次設備典型故障狀態(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備故障信息并與處置方法專家?guī)礻P聯，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。

3.3 設備遠程智能巡檢

在電站和遠程集中運維中心建設遠程無人巡檢系統(tǒng)，借助物聯網、移動互聯網、機器人、人工智能等技術手段，利用電站內的巡檢機器人、高清攝像頭、智能傳感設備等，實現電站設備的無人化遠程智能巡檢。利用在電站內安裝的各類輪式機器人和軌道機器人按照預先設定的任務時間或根據運維人員的臨時性要求自動執(zhí)行巡檢任務，采集并記錄發(fā)電機層、水輪機層、尾水層等水電廠各設備層的滲漏、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絡傳輸至一體化管控平臺。部分機器人難以到達的地方，以及經常出現漏油的部位，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，自動判別設備運行異常和漏油故障，有效監(jiān)測水電廠的“跑冒滴漏”現象。此外，基于智能傳感設備，構建主設備狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)，全面采集機組等各類主設備的溫度、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，實現生產設備現場巡檢無人化，實現運維人員對多個廠站、多臺機組的集中統(tǒng)一管理。

3.4 設備故障遠程診斷

在遠程集中運維中心建設和部署基于大數據技術和故障診斷技術相結合的電站設備故障診斷系統(tǒng)，構建水輪發(fā)電機組、主變壓器、GIS、閘門等設備故障診斷專家系統(tǒng)、故障知識圖譜和診斷故障樹，實時分析電站設備運行狀態(tài)和趨勢，對設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容的故障診斷報告，為設備遠程運維提供支撐。

設備故障診斷專家系統(tǒng)應包括知識庫、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，并完成結果融合；解釋器主要完成獲取知識庫中故障信息，根據推理機提供的診斷結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用戶提交的實際故障結果反饋，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果輸出、報表生成、非量化特征獲取、診斷結果反饋、知識庫管理等功能接口。

針對主機設備和輔機設備，采用自底向上的方式，進行知識建模和故障知識圖譜的構建?；谒娦袠I(yè)標準從數據源進行映射，設計實現數據存儲模塊，選定實體與實體間的關系，進行數據表的搭建，最終設計實現知識圖譜的可視化模塊，進行知識重構并展示。

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

4 結束語

水電站區(qū)域化遠程集中運維模式可有效提升電站設備運維工作效率，降低運維成本，是水電設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、必要條件和技術要求進行了探討。隨著新技術和新設備的發(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。