某流域电站集控中心在线监测系统架构与数据库设计

瞿佳，石林

某流域电站集控中心在线监测系统架构与数据库设计

瞿佳，石林

（华能西藏发电有限公司藏木水电厂，西藏 山南 856417）

介绍了某流域集控中心在线监测与故障诊断系统平台的系统架构与数据库设计，重点对构建方案、系统架构及数据库设计进行了介绍，提出了流域集控下远程在线监测系统建设的一种方案，以供相关人员参考。

在线监测；流域集控；系统架构；数据库

1　引言

某流域公司正在该流域大力开发梯级电站，这些已建、在建或未来将建设的水电站的装机容量巨大，这些机组容量大、分布广，一旦发生故障，将对电站、电网造成巨大的经济损失。在该流域集控中心建设状态监测及故障诊断平台系统，可以提高下属各电站设备状态监测和故障诊断专业化水平，促进设备故障诊断分析的规范化、标准化；提高流域各电站主设备运行安全性、可靠性和利用率，提升各电站设备检修管理及综合生产管理集约化水平，提高设备状态监测管理的效率和效益，通过落实基于综合诊断的检修策略，减少非计划停运检修频次，避免突发设备事故发生，防止设备出现过修、失修，为设备定修向状态检修过渡奠定技术基础。因此，系统化地对该流域水电机组进行监测、诊断与状态评估，建立远程水电机组状态监测与故障诊断系统是对流域电站进行集中控制管理模式下的必然选择。

2　流域集控在线监测系统建设总体方案

流域集控中心设备状态监测与故障诊断系统的建设，将以该流域公司现在已经建设完成的XX电站为具体实施对象，建立水电设备状态监测与故障诊断系统，它的服务功能以后将扩大至将来投入运行的该流域公司所属的其它电站。其具体的建设规划为：在流域集控中心构建完整的水电站群远程设备状态监测与故障诊断系统平台（以下简称“集控中心平台”），在流域所属电厂部署相关设备完成所需信号的接入以及数据存储。项目包括集控中心平台和电站接入所需的软件、硬件及工程实施。

为保证未建电站接入集控中心平台，必须对未来各电站形成统一的监测对象配置、软硬件配置、系统功能及数据接口技术规范，实现各电站发电机、水轮机、主变压器等主设备状态监测传感器的安装配置、信号的实时采集及预处理、现地在线监视及向公司集控中心状态监测平台的远程传输，满足流域集控中心平台建设的需要。本系统不直接采集现地数据，全部数据来源于外部的系统，这些外部系统包括厂站状态监测系统、集控中心生产实时信息系统、集控中心生产管理信息系统等。因此，本系统需与这些外部系统进行数据交互。

在集控中心设备状态监测与故障诊断系统建成后，各电站管理信息区将不需要再建设独立的设备状态监测Web发布系统，所有运行管理功能都应在公司设备状态监测与故障诊断系统中作为一个功能模块进行集中嵌入和统一管理，所有基础数据存储在集控中心设备状态监测与故障诊断系统内，所有面向外部的数据都由集控中心设备状态监测与故障诊断系统进行对外发布。

3　流域集控下的在线监测系统架构

流域集控中心在线监测及故障诊断系统的建设应充分利用网络信息技术的优势，建立起分布式的状态监测与故障诊断系统，实施集控中心与各厂站之间的连接，实现多个厂站设备状态的集中监测与诊断。

按照系统构建的设计思路，状态监测与故障诊断系统总共分为3个层级：集控中心分析诊断评价中心、厂站级通讯及数据服务、电站各设备监测子系统。

在电站侧配置数据服务器和接入服务器，数据服务器负责本电站相关数据的全面存储和本电站的状态评价，接入服务器负责从本电站其它系统获取所需数据，当电站和集控中心通道断开时，电站侧设备可独立运行，并具备本电站状态评价及诊断的功能。

集控中心诊断评价中心与电站侧中心通过网络通道进行广域网连接，通过与厂站状态监测设备、生产实时信息系统等外围系统的通信，获取系统需要的数据，实现状态评价与故障诊断的功能。

系统总体结构如图1所示：

图1　系统结构图

厂站接入服务器（状态监测专用或生产实时系统接入服务器兼用）通过以太网专线接入集控中心，与集控中心接入服务器连接。系统网络示意图如图2所示。

同时，部分非状态监测数据也需要集成在状态监测诊断评价平台中，例如机组工况等电气参数。

考虑到各厂站的监测数据传输流量，与分析诊断评估中心的连接应尽量采用数字专线或光纤通道，如不具备自己的通信线路，数据传输可以租赁公用网络专用通道。

为保证集控中心实现状态监测在线预警功能，各站状态监测设备应优先保证状态监测实时特征值数据的同步传输，在网络利用率较少的时段再进行状态监测样本波形数据的异步传输。

图2　设备状态监测与故障诊断网络结构示意图

4　数据传输带宽分析

未来各厂站监测子系统包括：机组稳定性监测系统、水轮机效率监测系统、发电机气隙监测系统、环境噪声监测系统、局部放电监测系统、主变油色谱监测系统和GISSF6气体泄漏监测系统等。

对这些系统的监测数据进行了解和统计之后得出，单台机组监测实时数据传输所需带宽约为2.4Mb/s（300kB/s），上限为4.8Mb/s（600kB/s）。如果按照所有监测数据均实时传输则数据量过大，导致网络配置庞大。考虑到这些数据突变量不大，可只取设备的状态分析特征数据。对于监测和诊断较为独立的GIS局放和变压器油气监测子系统，数据量极少，可考虑不转换数据格式，采用原数据格式传输的方式在集控中心监测诊断评价中心进行集成。这样，每台机组大约有100个通道×5个特征数据/通道=500个特征数据浮点数需要实时传输，采取这种方式后，实时数据传输所需带宽500×4B/s=16kb/s （2kB/s）。

系统除传输实时数据外，还需传输波形数据，考虑到各电站接入集控中心的总带宽的限制及不稳定性，只传输波形样本数据，每次样本20min。同时状态监测波形数据应具备压缩解压传输机制，电站数据服务器应具备状态监测分析诊断样本数据断点续传的功能。

经测试，考虑每台机组40个通道，20min的波形数据共计200M，经压缩后约为60M，所需带宽60M/86400s=0.69kB/s=5kb/s。

因此每台机组共需带宽为16kb/s（实时数据）+5kb/s（波形数据）=21kb/s。

以该流域已投产电厂6台机组距离，那么共需带宽21kb/s×6=126kb/s。

即，一个安装了6台机组的水电站要接入集控中心设备状态监测与故障诊断系统，所需带宽约为126kb/s。

5　时钟同步

时钟同步是把分布在各地的时钟对准（同步起来），对于分析诊断评估的平台建设，统一时标显得更加重要，对整个系统统一时钟的要求愈来愈迫切，有了统一时钟，既可实现各系统在统一时间基准下的运行监测分析，也可以通过各开关动作的先后顺序来分析事故的原因及发展过程。

在一个大系统中，只有具备了统一的高精度时间，才可以实现分布式采集数据的准确匹配，才可以使得后续的统计、分析、计算建立在一个正确的数据集上，才能作出合理正确的分析、判断和预测。

在时钟同步系统建设中需考虑集控中心和各厂站已有的时钟同步方式。还应考虑集控中心生产实时信息系统、厂站状态监测子系统的时钟同步方式。

6　数据库设计

6.1实时数据存取

实时数据为当前时刻采集的原始监测数据。根据监测测点配置统计，集控中心分析诊断中心的实时数据规模较大，存取频率较快，为了满足数据存取的实时性、准确性和完整性，实时数据包含两种方式：共享内存库和商用实时库。

系统需要存储的设备状态监测数据种类如下：

1）模型数据（数据模型）

系统和测点配置信息、设备索引、案例库、故障树、设备状态信息等数据可统称为模型数据。

系统和测点配置信息为需要在系统建立初期入库保存，当配置有更改的时候，能方便的对这些信息进行修改。配置信息一般为程序初始化、Web页面展示等，一般存储在关系型数据库中，也可以存储为文件形式以利于数据冗余。

系统中需要对设备信息进行有效的管理，故需要对设备进行编码存储，建立设备索引，形成设备树。设备管理信息整体数据量不大，但各设备及其部件之间的相关性较大，联系紧密，可采用关系数据库来实现。

案例库和故障树在对设备进行状态分析和诊断过程中使用，系统对设备状态信息、状态评价等数据进行综合后，形成决策建议，供决策者使用。这些数据均为静态数据，可采用关系数据库来实现。

2）断面数据（当前库）

当前库保存最近一段时间机组运行监测数据，通常以周或月为时间周期。数据来源于监测实时数据，其入库密度仅次于实时库，采用覆盖方式来追加数据，主要用于职能部门和一些诊断专家方面查看机组最近时刻运行记录，为机组性能评价提供参考。

当前库数据密度不大，时间间隔较长，可采用关系数据库来实现。

3）运行特征数据（数据整编后）

定时对一定时间段（通常设定为1min以上，时间间隔可配置）内的数据进行分析，提取特征值（如主频、次频、峰值、熵、轴心轨迹等），然后将这些特征值以及必要的波形数据写入数据库，它们保存时间比较长，到期后转存到备份设备。特征值入库时间间隔默认为1min，波形数据入库时间间隔电站默认为0.5h，集控中心默认为1d。

波形数据可采取文件存储方式，关系数据库中存储该文件的指针。

运行特征数据的入库密度次于实时库数据，可采用关系数据库来实现。

4）整编数据（特殊数据整编后）

数据来源于实时数据和设备运行特征数据，将一些对设备性能评价和趋势分析有价值的数据入库。主要保存下列情况下设备数据：工况发生改变、定时保存或者操作人员指定保存时刻、工况运行不稳定、该工况保存记录没有达到要求记录数等。整编数据主要用于评价设备性能和对设备运行情况做中长期趋势分析。

整编库入库的密度最小，目前是选择定期入库策略，今后可选择拉大入库时间间隔，可采用关系数据库来实现。

6.2数据库构建策略

考虑到各电站状态监测数据接入规模，解决高密度及海量状态监测数据所带来的传输和存储问题，数据库按照统一标准优化设计状态监测数据库及其存储格式，电站数据服务器应具备前端完整数据分布存储的功能。

考虑到各电站接入集控中心的总带宽的限制及不稳定性，状态监测波形数据应具备压缩解压传输机制，电站数据服务器应具备状态监测分析诊断样本数据断点续传的功能。

为保证集控中心实现状态监测在线预警功能，各站状态监测设备应优先保证状态监测实时特征值数据的同步传输，在网络利用率较少的时段再进行状态监测样本波形数据的异步传输。

系统数据库体系采用分层保存策略，主要是考虑到不同层次的数据用途不一样，保存周期和频率也不同，而且采用数据库技术也不一样。内存库和实时库采用内存、文件、商用实时库来构建，而其它几种考虑到实时性能要求相对低些，采用关系数据库构建。数据分级保存，主要根据数据时间效应不同而定；远期时应考虑选择性入库策略。

综合考虑，目前数据库构建策略选用采用分布式数据库模式。集控中心部署所有电站的特征值数据和波形数据的数据库，各电站部署本电站的特征值数据和波形数据的数据库。

7　结语

根据该流域公司现有电站、正在建设电站以及规划中电站的具体情况、水电设备参数、设备特点及在电网中的地位等因素，以及国内外水电设备状态监测分析诊断技术水平，确定了流域集控在线监测系统构建的网络结构体系以及监测对象、监测手段，利用已有的广域网络，采用统一规划、统一设计的一体化思路，建立起集成化的设备状态信息在线监测及分析诊断系统，实现对流域水电设备运行状态的远程实时在线监测与分析。

TV736

A

1672-5387（2016）08-0027-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.08.008

2016-06-29

瞿佳（1983-），男，工程师，从事电气主管工作。