发电集团级水电机组分布式状态监测与诊断平台建设的体系结构

摘要

本发明涉及一种发电集团级水电机组分布式状态监测与诊断平台建设的体系结构，包括总体技术架构、业务架构、信息/数据架构、应用架构、技术架构及基础设施等。平台以统一编码为基础，建立三级数据中心实现分布式数据采集、存储和应用，根据数据特征及应用需求划分推送和提取数据，可有效降低网络通讯压力和数据维护量，可进一步提升数据的实时性。平台各应用模块提供APP应用集市，可为9级用户角色按需提供应用服务。实现了厂站各监测与控制系统、区域集控分析诊断系统、集团监测诊断系统之间监测数据、控制调度、诊断结果和决策指令等信息的互通和共享，可为发电集团级水电机组状态监测与诊断平台建设提供解决方案。

说明书

技术领域

本发明涉及一种发电集团级水电机组分布式状态监测与诊断平台建设的体系结构，尤其是其信息技术架构设计，属于工业互联网领域中的设备监测诊断体系结构。

背景技术

近十几年来，国内外已有大量的生产厂家和研究机构针对水电机组的状态监测技术开展了相关研究，并开发了相应的产品成功应用于电厂。从已开发和应用的水电机组状态监测系统来看，普遍具有较好的分析功能，但很多还没有诊断功能，且监测对象大都仅局限于机组某方面或某部分，没有一个是针对机组的全状态监测，更没有形成多个区域多台机组的监测诊断的网络系统。

国内目前还没有出现一个多区域多机组的监测、诊断、管理、维修一体化的网络系统。现有水电机组监测系统的分析功能还不够强大；个别采用专家系统技术提供了初级故障诊断功能，但缺乏来自故障机理的深层次的理论和技术支持，且缺少大量宝贵的现场实际诊断经验，与工程实际应用存在较大差距；状态检修功能几近空白。公开日为2015年02月04日，公开号为CN104331631A的中国专利中，公开了一种水电机组运行状态远程诊断决策方法，该方法通过建立水电机组运行状态远程诊断决策基础知识库、故障数据库，远程监测并获取水电机组运行振动、摆度、压力脉动、顶盖水下部分碰磨信号、调速控制系统静特性、动特性及功能性指标、开关机时间及规律、压油槽油泵启停时间等重要参量，采用趋势分析、特定频率带碰磨分析、特性指标比对、开关机时间及动作规律分析、压油槽油泵启停时间分析等方法，对机组运行稳定性进行远程诊断决策，该方法与工程实际应用存在差距。

在自动化、信息化技术的推动下，状态检测与诊断分析系统正在逐步融合发电设备在线监测与故障预警系统，向着全方位、系统化的方向发展。电力企业的“信息高速公路”已基本建成，随着互联网技术的发展，我国一些大型发电企业已开始从国外引进或与国内的高校、研究所等单位联合开发集团级厂级监控信息系统（SIS++）、集团及设备大数据库、集团级技术监督管理平台等，但基本是基于大集中式布置，数据的管理与维护、应用的扩展与升级、通讯的稳定性及安全等都成为集团级监测与诊断平台的发展瓶颈，因此急需新的技术、思维和新的平台架构突破大发电企业集团级监测与诊断分析平台建设和发展的瓶颈问题。

发明内容

本发明的目的在于着力于解决大发电企业集团级监测与诊断分析平台建设问题，而提供一种发电集团级水电机组分布式状态监测与诊断平台建设的体系结构。

本发明解决上述问题所采用的技术方案是：该发电集团级水电机组分布式状态监测与诊断平台建设的体系结构的特点在于：包括：

1）总体技术架构；

2）业务架构；

3）信息/数据架构；

4）应用架构；

5）技术架构；

6）基础设施。

作为优选，本发明所述总体技术架构把平台各子系统进行模块化，并在安全防护体系和标准规范体系的保障下实现信息、数据的通讯和交换，包括在线监测基础设施、信息系统基础设施、数据库群、数据管理、基础组件和业务应用系统。

作为优选，本发明所述业务架构包括检测试验、技术监督、状态检修和优化调度。

作为优选，本发明所述信息/数据架构在结构化数据采集和统一编码的基础上完成数据的接入、处理、存储和访问的等统一管理。

作为优选，本发明所述应用架构包括电厂、分公司和集团的应用分级部署，9级用户角色部署方式及权限配置，APP应用集市及应用推送及订阅服务流程。

作为优选，本发明所述技术架构包括功能结构设计、分层分布式集散型网络设计、应用程序设计和安全防护设计。

作为优选，本发明所述基础设施通过平台的开放性接口分期分块开发和整合水电机组各在线监测系统。

作为优选，本发明发电集团级水电机组分布式状态监测与诊断平台以状态检修为核心业务线条，同时兼顾检测实验、技术监督和优化调度等生产优化、生产管理的其它业务内容；通过该平台对发电厂可实现常用的监测、诊断、分析等功能；分公司可实现统计、对标、维修计划、决策等功能；在分公司级应用的基础上可实现统计对标与管理、远程诊断与分析、大数据分析与应用，并提供运行策略、维修策略、备品策略、培训策略等服务推送功能；

为实现集团级水电机组状态监测与诊断，本平台系统整体采用分层规划，平台分为电厂级、分公司级和集团级三级应用部署，涉及多流域、多电厂、多机组和多监测子系统，同时考虑系统未来扩展能力；

平台以统一编码为基础，建立三级KDM数据中心实现分布式数据采集、存储和应用；在集团数据中心建立B/S架构的集团水电状态监测与诊断分析系统，为9级用户角色提供应用服务；同时为各专业应用模块提供APP应用集市，推送及订阅服务；各级用户可以按需下载APP应用模块，实现基于本地数据、C/S模式的本地应用。

作为优选，本发明平台整体规划各主要模块如下：

（1）电厂数据源主要包括：各状态在线监测系统、大坝监测系统和计算机控制系统的数据；

（2）数据采集模块：包括通讯规约、数据库接口协议和文件读写协议，实现从仪器仪表、结构化数据库和非结构化文档的数据采集；通信规约包括：ModbusRTU/TCP，IEC61850，104等现场规约；

（3）KKS编码管理与服务：对所有数据进行KKS编码，基于统一编码进行数据管理和数据应用；

（4）数据存储包括：关系数据库和实时数据库存储，厂级、分公司级和集团级根据数据采集的不同内容进行就地存储；

（5）数据调度包括数据服务接口和KDM级联两部分；数据服务接口为外部应用程序提供标准统一的数据访问接口；KDM级联接口是KDM与KDM之间的通信接口，可在两个KDM数据中心之间进行结构化数据交互，以形成分布式系统；

（6）实时计算引擎包括实时测点数据处理和文档大数据挖掘处理节点两部分，以实现流式算法的配置、测点数据的二次计算和存储、实验报告等设备文档类数据的处理分析，以支持机组状态监测与诊断的各种高级应用功能；

（7）APP分发管理：实现对APP应用集市的集中管控，包括用户、权限、认证、数据配置、版本控制等内容。

作为优选，本发明由于现场条件和用户对状态监测系统的要求不同，状态监测分为单机本地数据模式、基于局域网的C/S模式和基于Internet的网络模式；平台在线监测范围非常广，一共包含有32个主要设备可视化监视模块；可视化监视模块分为水轮机、发电机、轴系稳定性、调速系统、励磁系统、辅助设备6大块；水轮机部分可视化监视主要包含对机组水导轴承、空化与噪声、水流运动、压力脉动几个部分；发电机部分主要包含对机组空冷器、上导轴承、定子发热与绝缘、推力轴承、局部放电、定转子间气隙的监视；轴系稳定性部分主要包含对机组振动、摆度、轴承温度的监视；调速系统可视化监视主要包含对机组导叶/轮叶执行机构、轮叶协联关系、导叶电液转换、轮叶电液转换的监视；励磁系统可视化监视主要包含机组基本状态、整流屏状态、励磁控制参数与给定；辅助系统实时可视化监视主要包括油系统、顶盖排水、风闸状态。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：包括总体技术架构、业务架构、信息/数据架构、应用架构、技术架构及基础设施等。平台以统一编码为基础，建立三级数据中心实现分布式数据采集、存储和应用，根据数据特征及应用需求划分推送和提取数据，可有效降低网络通讯压力和数据维护量，可进一步提升数据的实时性。平台各应用模块提供APP应用集市，可为9级用户角色按需提供应用服务。通过对水电机组设备状态监测数据的标准化及监测系统的升级改造，本发明的出现改变了传统水电厂监测系统孤立、数据无法共享等问题。实现了厂站各监测与控制系统、区域集控分析诊断系统、集团监测诊断系统之间监测数据、控制调度、诊断结果和决策指令等信息的互通和共享，可为发电集团级水电机组状态监测与诊断平台建设提供解决方案。

附图说明

图1是本发明实施例系统整体分层规划图（三级应用）的示意图。

图2是本发明实施例KDM数据中心整体结构的示意图。

图3是本发明实施例应用模块开发、发布、下载、使用的示意图。

具体实施方式

下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

实施例。

参见图1至图3，本实施例中发电集团级水电机组分布式状态监测与诊断平台建设的体系结构设计着力于解决大发电企业集团级监测与诊断分析平台建设问题。

发电集团水电机组分布式状态监测与诊断平台以状态检修为核心业务线条，同时兼顾检测实验、技术监督和优化调度等生产优化、生产管理的其它业务内容。通过该平台对发电厂可实现常用的监测、诊断、分析等功能；分公司可实现统计、对标、维修计划、决策等功能；在分公司级应用的基础上可实现统计对标与管理、远程诊断与分析、大数据分析与应用，并提供运行策略、维修策略、备品策略、培训策略等服务推送功能。

为实现集团级水电机组状态监测与诊断，本平台系统整体采用分层规划，平台分为电厂级、分公司级和集团级（集团公司、集团水电技术中心）三级应用部署，涉及多流域、多电厂、多机组和多监测子系统，同时考虑系统未来扩展能力（系统扩展和新机组扩展），采用的总体结构如图1所示。

平台以统一编码为基础，建立三级KDM数据中心实现分布式数据采集、存储和应用。在集团数据中心建立B/S架构的集团水电状态监测与诊断分析系统，为9级用户角色提供应用服务，详见表1。同时为各专业应用模块提供APP应用集市，推送及订阅服务。各级用户可以按需下载APP应用模块，实现基于本地数据、C/S模式的本地应用。KDM数据中心整体结构如图2所示。

注：u：电厂级KDM数据中心数据；v：分公司级KDM数据中心数据；w：集团级KDM数据中心数据。

平台整体规划各主要模块说明如下。

（1）电厂数据源主要包括：现地各状态在线监测系统、大坝监测系统和计算机控制系统的数据。

（2）数据采集模块：包括通讯规约、数据库接口协议和文件读写协议，实现从仪器仪表、结构化数据库和非结构化文档的数据采集。通信规约包括：ModbusRTU/TCP，IEC61850，104等现场规约。

（3）KKS编码管理与服务：对所有数据进行KKS编码，基于统一编码进行数据管理和数据应用。

（4）数据存储包括：关系数据库和实时数据库存储，厂级、分公司级和集团级根据数据采集的不同内容进行就地存储。

（5）数据调度包括数据服务接口和KDM级联两部分。数据服务接口为外部应用程序提供标准统一的数据访问接口。KDM级联接口是KDM与KDM之间的通信接口，可在两个KDM数据中心之间进行结构化数据交互，以形成分布式系统。

（6）实时计算引擎包括实时测点数据处理和文档大数据挖掘处理节点两部分，以实现流式算法的配置、测点数据的二次计算和存储、实验报告等设备文档类数据的处理分析，以支持机组状态监测与诊断的各种高级应用功能。

（7）APP分发管理：实现对APP应用集市的集中管控，包括用户、权限、认证、数据配置、版本控制等内容，如图3所示。

本发明在前期与水电企业充分交流与沟通，充分吸取各电厂各在线监测系统及集团现有信息系统开发部署的经验和教训，吸纳国内相关行业内先进的技术和理念，以“数据标准化、应用模块化、工程产品化”为理念，其核心思想如下：（1）平台要实现可持续性和可扩展性，必须首先建立生态系统，建立编码体系，统一数据采集和编码管理。（2）平台实现分级应用，必须要基于大数据技术，建立分布式数据架构和流式处理体系，建立分布式数据服务中心。（3）平台要满足不同的应用需求，必须建立开放的应用架构，实现数据与应用分离，统一数据调度。（4）平台要规范应用的开发与管理，降低统一部署的成本，必须建立数据和应用的维护、管理体系，建立统一的应用超市。

平台采用统一的编码为数据命名，建立设备的全景模型，所有的数据查询、通信、传输、分析等软件均以数据的编码为数据的唯一标识。根据电厂监控系统及调节控制系统的建设情况，数据来源主要包括监控系统、传感器采集、人工采集和其它系统采集等。数据在各级KDM数据中心采集后立即统一编码、然后进行存储、调度、实时处理等功能。电厂级现地层各监测子系统的数据存储以厂家提供的为主，厂级KDM数据中心应按照集团公司的统一规划建立完备的实时数据库服务器和关系数据库服务器，保存的数据内容包括：二进制缓冲文件、实时数据库和关系数据库3个部分。分公司层和集团水电中心层的KDM数据中心数据服务器保存的数据内容包括：实时数据库和关系数据库2个部分，按需保存数据。

由于现场条件和用户对状态监测系统的要求不同，状态监测分为单机本地数据模式、基于局域网的C/S模式和基于Internet的网络模式等。平台在线监测范围非常广，一共包含有32个主要设备可视化监视模块。可视化监视模块可分为水轮机、发电机、轴系稳定性、调速系统、励磁系统、辅助设备6大块。水轮机部分可视化监视主要包含对机组水导轴承、空化与噪声、水流运动、压力脉动几个部分；发电机部分主要包含对机组空冷器、上导轴承、定子发热与绝缘、推力轴承、局部放电、定转子间气隙的监视；轴系稳定性部分主要包含对机组振动、摆度、轴承温度的监视；调速系统可视化监视主要包含对机组导叶/轮叶执行机构、轮叶协联关系、导叶电液转换、轮叶电液转换的监视；励磁系统可视化监视主要包含机组基本状态、整流屏状态、励磁控制参数与给定等；辅助系统实时可视化监视主要包括油系统、顶盖排水、风闸状态等。

平台采用模块化应用的理念进行建设，根据功能可以划分为数据监视和展示类、应用工具类、设备状态评价类（在线预警、设备状态量化评价、故障分析、检修决策等）和运行监管类。应用程序的实现基于SOA架构，可以为C/S模式（APP下载）和B/S模式。其中C/S模式（APP下载）均以独立软件模块的方式提供，称为应用模块，为各种监测、分析、诊断等数据挖掘功能，应用模块的相关发布、使用和管理由集团统一配置。各式各样的应用模块满足多样化功能需求。每个应用模块都是独立的程序，在开放方式标准数据接口的基础上，可以由不同的开发商开发。应用模块的发布、下载及使用根据各级用户的不同角色进行下载授权、生成配置文件、下载安装和使用授权。用户可以灵活配置监视画面。对所关心的数据进行检索，显示，下载，导出，绘制趋势曲线，进行关联分析等操作。用户可进行评价反馈，指导应用程序的开发。

此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同，本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例说明。凡依据本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效变化或者简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。