龙滩水电站多组态数据分析平台的研究与开发

孔德宁

（龙滩水电开发有限公司，广西 天峨 547300）

0 引言

通常水电站的计算机监控系统重点在于生产控制，它积累了大量的运行历史数据，并能够呈现实时运行数据。由于监控系统在设备管理、可靠性分析、设备状态分析等方面功能不全或不具备这些功能，使这些宝贵的数据在设备状态分析方面未能充分发挥其作用。为不断提高生产运行管理水平，龙滩水力发电厂提出建设以计算机监控系统数据为基础，机组稳定性监测系统、主变在线监测系统、GIS微水及SF6监测系统等状态监测信息为补充的多组态数据分析平台。该平台应能够通过大量模拟信号、模拟信号与开关量信号、操作信息与开关量和模拟量信号综合分析，采用数据挖掘技术，利用完善的分析工具对设备运行信息进行实时监测和定性、定量分析。通过人机交互、电子表格和图形展示分析结果，采用智能化的报警方式帮助运行维护人员对设备健康状态进行判断，提前预知设备劣化趋势，及早发现设备缺陷或隐患，采取防控措施，提高设备健康水平，尽可能杜绝设备劣化给电站带来的严重后果。

1 软件功能

由于水电站设备类型众多，设备管理方法不同、性能分析评价标准不一，系统开发可参照性不大，必须结合电站的具体情况开发适合各装置、各设备不同的分析管理功能，以能满足水电站安全稳定运行的要求，分析方法的组态化是将复杂问题简单化的最好解决方案。同时，为满足设备性能分析的需要还应具备设备管理和分析功能、报表功能。

（1）组态功能

组态功能是本平台的核心。平台应提供基本的数据模型、数学运算模型、报表和图表模型，和模型组态工具。通过模型组态工具将基本模型配置为设备状态分析所需的分析模型，调用数据开展分析工作，实现不同类型设备不同分析方法、不同评价标准，实现设备分析手段的灵活配置，发挥多组态平台的优势。

（2）分析管理功能

在数据分析功能方面初步确定为单点、设备、系统三个数据分析层次，并通过组态功能实现对特定数据的分析。其中单点分析包括以单点数据为对象，辅以其他参考数据进行模拟量的越复限报警、越复限频次分析、越限时间统计、梯度报警和历史变化趋势（变化率过大和变化值过大）、开关量的统计和状变次数等；设备分析指以单个设备为对象进行综合运行数据的分析，以确定该设备的性能、状态，其中独立自成系统辅助、附属系统可纳入设备分析层次；系统分析指以整个发电系统为评价对象的，借助各个子设备、附属设备分析结果以及各在线监测系统分析结果，对设备系统的性能、状态进行分析，其中机组稳定性监测与分析、发电机监测与分析、水轮机监测与分析、变压器监测与分析、调速监测与分析、励磁监测与分析可独立自成系统，也可提供分析结论性数据上传到多组态数据分析平台。

在管理功能方面主要利用监控系统历史数据统计设备运行数据、可靠性数据、必要的技术监督数据，并通过与外部的数据通讯，向生产管理系统（企业MIS）、可靠性系统、技术监控管理系统等传送所需要的数据，尽可能实现数据的自动统计，提高数据统计的智能化水平，降低数据统计分析工作量，提高统计分析效率和准确性。

（3）报表功能

提供可灵活自定义的设备分析日报表、周报表、月报表、年报表等，能够形成历史运行分析档案。

对于以上各基本功能，多组态分析平台拟采用组态的方式实现。将各类数据模型和分析模型进行组合，建立灵活的多组态分析模型，适合现场不断变化的运行条件和丰富的设备类型；可降低设备、系统分析模型开发难度，缩短平台建设时间；可根据工作的需要建立个性化分析模型，适应特殊数据或个例事件的专项分析要求，减少重复建模工作量；将复杂的数据分析工作简化，降低对数据统计、分析人员的要求，提高统计、分析效率。

2 数据集成与数据分析

计算机监控系统和各状态监测装置在建设过程中很难做到数据统筹一致，而多组态数据分析平台需要大量数据作为支撑，必须实现各系统间互联，解决数据源集成的问题。因此，多组态平台还是水电站数据整合平台。在数据整合中，采用通用标准的数据接口方式，对各子系统实时数据进行抽取、传输、加工、统计、存储，形成厂级的“准实时”数据中心，从而为各级生产管理和决策分析提供数据基础。此过程需要满足数据集成的完整性、一致性、准实时性、接口规范性、访问安全性等要求，数据交换技术和数据存储技术是构建数据分析处理平台的关键技术。

数据分析的主要方式是，通过分析同一属性域数据的域内关系和规律得到相关属性域的分析信息，或者通过分析不同属性域之间的关系和数据规律得到属性域之间的数据分析信息。这就要求数据分析方法能有效的分析具有不同数值特性、分布特征的数据序列，明确分析结果的可靠程度。通过对分析方法的数学原理和相关数据分析方法的研究，可以设计一些共性和相对通用的分析监测方法。

（1）散点图分析

“散点图分析”是利用“散点图”的展现形式旨在反映数据序列随时间轴向的值分布规律的分析方法。为实现精确定位，该分析采用引力算法精确定位每个点的数值和时间。

（2）偏差分析

偏差分析是基于数据序列的数字特征和偏差特性进行分析的方法，偏差分析将给出相关数据序列的趋势分析结果、最大值、最小值、平均值、标准差、百分比标准差。

（3）趋势分析

趋势分析是由多种数据分析方法和数字特征分析算法组成的综合分析，如指数平滑法、马尔科夫分析法。数据序列趋势分析中使用移动平均趋势分析，该分析方法应用数据自参照性、抗数据毛刺干扰、趋势分析敏感性好等特征，采用数据窗口移动技术描述数据发展趋势，兼顾整体和局部的趋势。

（4）相关量分析

相关量分析是基于对象概念的集合趋势分析方法，用于比较和参照与主属性测点紧密相关的所有测点的数据分布规律。如可对某测点所在机组范围内的相关测点进行集合分析，也可分析相关领域的不同机组属性测点的数据分布规律，其中突出“同一机组”和“不同机组”两种比较分析来进行特殊预警。

（5）特征值综合分析

以设备定期安全稳定运行做特征统计，并以列表方式统计出设定时间段内所需测点的平均值、最大值、最小值、最大值发生时间、最小值发生时间，使用户得到精确的统计数据。在对设定时段内数量众多的瓦温和槽温进行统计分析，其分析的准确性与高效性尤为明显，可及时发现机组运行数据的异常情况。

（6）报警分析

报警分析是基于越限、报警信息快速定位问题数据的分析方法。该分析方法可以在线监控数据数字特征（包括平均值、最大值、最小值、百分比标准差）的变化，根据预设的运行区间和时间范围进行实时报警分析。

3 数据挖掘

具备数据整合功能的多组态平台，可以实现海量监测数据的采集。由于这些数据不仅反映了现场设备的实时运转情况，还携带了大量值得分析挖掘的信息，尤其是经过合理的综合分析后，可以得到多个监测对象的趋势走向、数据相关性、主成份特征等。这些分析结果对于及时预测或发现设备隐患、分析异常情况具有很重要的价值。

（1）专家库技术

专家库模块是智能挖掘的基础。针对生产运行过程中产生的报警或异常数据，将专家所拥有的关于电站安全运行的电气、机械等各方面的专业知识，包括确定性知识和经验知识，以适当形式表示出来，形成规则库。

（2）智能挖掘

“智能挖掘”包括智能报警和统计分析，支持多种逻辑条件参与挖掘运算，从而得到符合条件的数据。通过创建通用的规则，引入固定测点信息或创建逻辑测点作为条件源，描述条件源与输出的各种约束关系，将规则库中的规则应用到该测点或测点组上，并引入与之相关的逻辑条件源，进行挖掘分析、反向推理和诊断，并将分析数据和诊断结果汇总生成图表。

4 客户端应用

为了方便电站各级专业技术人员及时了解分析采集结果，平台拟建立客户端功能。为了使其具备方便、设置灵活、监控范围较大、搜索速度快、实时性好以及鉴别准确度高的特点，将采用较高安全性的浏览器/服务器模式，可使用户在任何地方都能够通过WEB浏览器方便的进行访问。

（1）系统客户端软件必须支持多用户同时操作，设备分析权限将开放到每个用户，便于不同岗位的生产管理人员和专业技术人员能够就本岗位要求开展统计分析工作。

（2）为保证数据分析的可靠性，客户端软件能够进行所分析数据的预处理，可自动或手动剔除某部分对系统性分析有影响的过渡过程数据和非运行工况数据（如开停机过程、运行状态非稳定状态、设备检修期间等）。

（3）为提高分析效果，在客户端软件应具备必要的数据补充接口，允许人工补录分析必需的关键数据，以便科学全面地展示设备状态或性能。

（4）客户端软件根据不同岗位、不同专业要求，向用户提供简单的曲线图、直方图、散点图、三维饼图、数据分析报表等多种数据展示标准模型，并自动生成报表，减小分析模型组态工作量。同时又能够为不同设备管理岗位提供灵活的分析模型组态平台，便于针对个别设备、特殊事件进行有针对性的分析。

（5）通过客户端优化数据提取，在数据抽取时先根据用户选取的时间段从小时、分钟或天的特征表中抽取信号的特征值（最大、最小或平均），如果特征表中的点数不够，再从原始数据里抽取部分点加以补充，从而使曲线能够准确的反映信号的趋势特征，从而直接提高“诊断分析”分析结果的精确性。

（6）系统客户端能够按权限对智能报警信号的梯度报警配置、限值配置、关联条件配置、报警周期配置等在前台设置，从而方便用户根据需要随时调整各个信号的相关配置，以使报警更加准确。分析数据、智能报警、预警记录将写入历史数据库，并能够通过系统广播等方式通知到特定用户。

（7）对于在客户端分析中发现的异常，经确认可直接进入缺陷管理系统或问题库系统，实现闭环管理。

5 总结

设计中的多组态分析平台作为水电站综合分析系统的核心，将是一个开放的、发展的、统一的基础应用平台。它将整合各个设备在线监测装置和计算机监控系统数据，是数据统一管理、存储平台；具有运行数据统计分析功能，是设备运行报表自动生成平台；具备多组态建模的数据分析功能，是故障预测和状态趋势分析平台；结合专家系统的建设，可作为疑难故障、重大缺陷的智能化专家分析、故障诊断平台。有利于准确地掌握设备状态，及时发现设备劣化倾向，分析设备故障原因，提高设备管理效率，有利于培养生产技术管理人员运用科学的思维，分析问题、处理问题的能力。随着人们对设备认识的深入、对故障机理研究的进展、各种科学技术与理论的发展，新的分析理论与方法工具应该、也可以方便的嵌入到水电站多组态数据分析平台中。