发电机组嵌入式远程状态监测与诊断分析系统①

彭道刚，张 浩，李 辉，夏 飞

(上海电力学院电力与自动化工程学院，上海 200090)

当前全国供电紧张，部分地区严重缺电，使得许多发电设备长期处于超负荷运行状态，设备的安全性随之下降，这就要求对发电机组及生产过程的各种参数进行实时监测与诊断分析，以保证锅炉、汽轮机、发电机等主机设备和其他主要辅机设备的正常运行以及电厂的正常发电[1]。大型发电机组的远程状态监测与诊断分析技术是一门多学科交叉渗透的综合性研究课题，但是，由于现场状态监测设备不够完善，现场领域专家不足，信息不能共享等原因，严重制约了发电机组故障的早期预见和及时、准确的诊断分析[2]。

本文针对大型发电机组，设计了具有多种通信方式的嵌入式数据采集与监测平台，并在此基础上设计和实现了基于实时数据库的大型发电机组远程状态监测与诊断分析系统。该系统可有效提高大型发电机组运行的经济性、可靠性和运行效率，提高电力企业现代化科学管理水平。

1 系统总体设计

基于嵌入式平台的大型发电机组远程状态监测与诊断分析系统总体架构如图1所示。系统包括两个部分:本地监测与诊断中心和远程监测与诊断中心。两者通过Internet网络连接各自实时数据库和Web服务器。为了保护远程监测与诊断系统的安全，在本地网关上架设防火墙，以阻止有攻击意图的网络包发往远程监测与诊断中心的服务器[4]。

本地监测与诊断中心主要建设在发电企业，企业领导、机组运行与检修人员等可通过企业内部高速局域网直接访问应用服务器，这种连接方式最快捷，主要可用于机组状态的实时监测和诊断。本地监测与诊断中心主要由嵌入式数据采集与监测平台、实时数据库服务器、Web服务器、监测工作站、诊断工作站等部分组成。嵌入式数据采集与监测平台可通过串口、工业以太网、现场总线及无线传输等通信方式从发电机组的分散控制系统DCS(distributed control system)、厂级监控信息系统SIS(supervisory information system in plant level)、数字电液控制系统 DEH(digital electric hydraulic control system)、汽轮机监测仪表系统TSI(turbine supervisory instrumentation)等系统或者通过嵌入式数据采集器从传感器中实时采集机组各种工艺参数的运行数据，采集数据经过多种信号分析处理技术进行预处理后通过局域网发送到本地监测与诊断中心的实时数据库服务器，通过故障诊断专家系统平台分析处理后形成各种监测画面，如棒图、趋势、报表、特征图谱等，以供本地监测和诊断工作站对机组进行实时状态监测和诊断分析[4]。同时将监测与诊断分析结果通过Web服务器向远程监测与诊断平台发布，供出差在外的企业领导、远程监测用户和诊断专家等进行远程监测和分析使用。

图1 系统总体架构设计Fig.1 Overall architecture design of system

远程监测与诊断中心主要建设在机组设备制造商、发电企业集团公司和研究院所等单位，主要由实时数据库服务器、Web服务器、故障诊断案例库、专家知识库、远程管理中心等部分组成。设备制造商或发电集团公司根据自己对机组监测和诊断工作的需要，通过实时数据在线监视与远程传输系统软件从本地监测与诊断中心的实时数据库服务器获取所要监测和诊断分析的机组相关运行数据，然后存入远程监测与诊断中心的实时数据库服务器，用于设计和制造新型发电机组，或者研究机组各种故障机理等，通过故障诊断案例库、专家知识库等实现对机组的故障诊断和分析[5]。同时，可以集中各个方面的专家，通过远程监测与诊断分析系统观察机组的运行情况，综合计算机故障诊断专家系统和人类专家的诊断结论，通过中心服务器发布的诊断分析结果，为机组的运行和实施状态检修计划提供指导性意见。

2 嵌入式数据采集与监测平台设计

嵌入式数据采集与监测平台中主要采用了目前流行的PowerPC和ARM等嵌入式系统硬件平台，在嵌入式平台支持Modbus/RTU、Modbus/TCP 、CAN 、InterBus 、EPA 、Zigbee 等 工业以太网、现场总线及无线网络通信技术，平台总体设计结构如图2所示[6～8]。该平台除了完成数据采集、数据处理与分析及网络通讯等功能，还提供数据采集接口、网络通信接口和人机交互接口。同时，该平台也集成了嵌入式Web服务器和嵌入式实时数据库。通过移植和修改成熟的嵌入式Web服务器到目标平台，支持通用网关接口JAVA服务器主页CGI(common gateway interface)、JSP(java serverpages)、动态服务器主页ASP(active server pages)等脚本语言，根据具体应用自主实现所需的Web服务，也可通过Internet对现场设备进行参数设置、远程监控和管理[9]。

图2 嵌入式数据采集与监测平台设计Fig.2 Design of the embedded data acquisition and monitoring platform

3 发电机组远程状态监测与诊断分析系统设计与实现

3.1 系统设计

针对大型发电机组，通过现有 DCS、SIS、DEH、TSI等系统中，在实时数据库平台上实现大型发电机组远程状态监测与诊断分析系统。主要功能包括机组生产过程实时监测、过程信息统计分析、机组运行优化与操作指导、机组性能计算与优化、设备状态监测与故障诊断、设备寿命评价与管理和远程监测与诊断服务等内容。系统架构如图3所示。

实时数据库是数据库系统发展的一个分支，它适用于处理不断更新的快速变化的数据及具有时间限制的事务处理。目前市场上实时数据库产品国外主要有美国OSIsoft公司的PI、美国InStep公司的eDNA、美国GE Intellution公司iHistorian、美国Wonderware公司的InSQL、美国 Honeywell公司的PHD、美国AspenTech公司的InfoPlus等，国内主要有上海麦杰公司的openPlant、北京三维力控公司的 pSpace、浙江中控软件公司的ESP-iSYS、中科院软件所的Agilor、紫金桥实时数据库等。

图3 系统功能架构Fig.3 Functional structure of the system

系统采用C/S和B/S结构，机组生产过程实时监测、实时趋势、数据报表、报警等基础功能都可以由实时数据库的功能模块实现，高级应用功能如机组运行优化与操作指导、机组性能计算与优化、设备状态监测与故障诊断、设备寿命评价与管理、远程监测与诊断服务等需要由实时数据库提供的二次开发接口进行设计开发，支持VS.Net，采用C#作为开发语言进行功能模块的设计与开发。

3.2 系统实现

以某电厂300 MW机组为例来说明本文基于实时数据库的发电机组远程状态监测与诊断分析系统。系统实时数据库采用北京三维力控公司的pSpace企业级实时历史数据库，pSpace提供了一套访问pSpace Server的编程接口开发包Server-SDK。Server-SDK 基于 Microsoft的 COM技术开发，支持绝大多数的32位Window s平台编程环境，提供面向对象的编程方式和ActiveX控件，通过Server-SDK可以访问本地或远程pSpace Server，对pSpace Server的实时数据进行读写，并对历史数据进行查询。当pSpace Server数据发生变化时，通过事件主动通知Server-SDK应用程序。Server-SDK采用快速数据访问机制，适用于编写高速、大数据量的应用。本系统在Visual Studio 2005环境下用C#语言进行系统高级应用功能的二次开发。系统采用B/S结构，用户和诊断专家可以通过Internet网络由IE浏览器进行实时远程监测和分析机组的运行状况，为机组的运行和实施状态检修计划提供指导性意见。

此外，为将机组运行数据从本地监测与诊断中心传输到远程监测与诊断中心，采用VS.Net设计开发了实时数据在线监视与远程传输系统，该系统包括客户端和服务器端两部分，系统结构如图4所示。在电厂侧客户端，实现对电厂DCS或SIS的实时数据库进行连接，读取实时数据库中的实时数据，并在系统主界面上显示，显示内容包括实时数据、测点名、测点描述、单位等测点信息，通过TCP/TP协议，客户端的数据测点可实时发送到远程监测与诊断中心的服务器端。在远程服务器端，系统将接收到从电厂侧客户端传输过来的实时数据并在主界面上显示，同时，将接收到的实时数据写入到远程监测与诊断中心服务器端的实时数据库。

图4 实时数据远程传输系统结构Fig.4 Structure of real-time data remote transfer system

图5所示为大型发电机组远程状态监测与诊断分析系统首页，点击“进入系统”按钮，即可进入本系统进行机组运行状态的监测与诊断分析。

图5 系统首页Fig.5 Main monitoring page of the system

本系统主要功能包括状态监测、实时趋势监视、历史数据报表、性能监测与耗差分析、寿命评估与故障预测等五大部分模块。以下通过几个典型实例加以介绍。

图6所示为发电机组生产过程实时状态监测系统之汽水系统监测画面，实现汽水系统工艺过程及相关参数的在线监测。

在发电机组在线性能监测与耗差分析子系统中，主要实现机组的可控耗差及不可控耗差进行分析计算与显示，对机炉单项指标、辅机电耗、汽机小指标、锅炉小指标、机组运行指标等各性能参数进行分析与显示，使运行人员及时了解机组运行情况，并对异常情况进行正确、及时的处理。

图6 机组汽水系统监测画面Fig.6 Monitoring page of the steam-water system

图7所示为机组性能参数一览表监测画面，主要功能为计算并显示汽轮机组运行的重要性能参数，包括:发电机功率、主汽压力、主汽温度、再热汽压力、再热汽温度、主蒸汽流量、给水流量、热耗率。高压缸效率、中压缸效率、汽机效率、锅炉效率、厂用电率、发电机煤耗、供电煤耗、再热蒸汽流量、再热蒸汽压损、机组补水率、烟气含氧量、飞灰含碳量等，同时，可对每个参数采用曲线方式进行趋势分析。

图7 机组性能参数一览表监测画面Fig.7 Monitoring page of the unit performance parameters

图8所示为机组可控耗差分析监测画面，主要功能为对主蒸汽温度、主蒸汽压力、再热主蒸汽温度、烟气含氧量、排温度等机组性能参数运行值及煤耗差量进行监测和计算分析。

图8 机组可控耗差分析监测画面Fig.8 Monitoring page of the unit energy-loss analysis

4 结语

随着计算机、嵌入式、网络和通信等技术的飞速发展，使得基于网络的发电机组远程状态监测与诊断分析系统的实现成为可能，从许多方面提高了监测与诊断水平，节约了成本。本文围绕研究和开发基于嵌入式平台的大型发电机组远程状态监测与诊断分析系统，对国内外机组状态监测与诊断系统的应用作了大量的调查和研究工作，提出了系统的总体设计方案，着重研究了远程监测与诊断系统中的嵌入式数据采集与监测平台、多种网络通信方式、远程数据传输、实时数据库、机组性能监测与诊断分析等关键技术，以及系统主要功能模块的软件设计与实现过程。

[1] 彭道刚，张浩，李辉(Peng Daogang，Zhang Hao，Li Hui).大型发电机组嵌入式远程状态监测与故障诊断系统研究(Embedded remote condition monitoring and fault diagnosis systems for large generating units)[J].华东电力(East China Electric Power)，2008，36(2):127-130.

[2] 邓宏贵，罗安，刘雁群，等(Deng Honggui，Luo An，Liu Yanqun，et al).电力关键设备远程监测与故障诊断系统的研究(Research on remote monitoring and fault diagnosis system for key equipments in power system)[J].电网技术(Power System Technology)，2003，27(5):51-54.

[3] 杨涛，黄树红，高伟，等(Yang Tao，Huang Shuhong，Gao Wei，et al).网络化汽轮机组远程监测及故障诊断系统的研究(Research on remote networking monitoring and fault diagnosis system of steam turbine sets)[J].动力工程(Power Engineering)，2004，24(6):840-844.

[4] 姚建刚，肖辉耀，章建，等(Yao Jiangang，Xiao Huiyao，Zhang Jian，et al).电力设备运行安全状态评估系统的方案设计(Design of electric equipment operation security condition assessment system)[J].电力系统及其自动化学报(Proceedings of the CSUEPSA)，2009，21(1):52-58.

[5] Li Dan，Zhong Chongquan，Yuan Xiaofeng.et al.Study on embedded equipment web monitoring and control based on industrial ethernet[C]∥Proceedings of the 6th World Congress on Control and Automation.Dalian，China，2006:4600-4603.

[6] 王建锋，张浩，彭道刚(Wang Jianfeng，Zhang Hao，Peng Daogang).基于ARM的嵌入式远程监测系统研究与设计(Design of ARM-based embedded remote monitoring systems)[J].华东电力(East China Electric Power)，2008，36(2):139-142.

[7] Peng Daogang，Zhang Hao，Yang Li，et al.Design and realization of Modbus protocol based on embedded Linux system[C]∥International Conference on Embedded Software and Systems Symposia，Chengdu，China:2008:275-280.

[8] 周凯，张浩，王晓平，等(Zhou Kai，Zhang Hao，Wang Xiaoping，et al).基于 PowerPC的嵌入式远程数据采集与监测系统设计(A design of embedded-system in data acquisition and data monitoring based on PowerPC)[J].机电一体化(Mechatronics)，2007，13(3):30-33.

[9] 闵华松，刘光临(Min Huasong，Liu Guanglin).高速旋转机械嵌入式状态监测与故障诊断系统研究(Embedded state monitoring and fault diagnosing system of high speed rotating machinery)[J].信息与控制(Information and Control)，2006 ，35(3):309-313.