集控模式下的水电厂区域化设备远程集中运维研究

张雷防，龚相杰

［1.南瑞集团（国网电力科学研究院）有限公司，江苏省南京市 211000；2.河海大学 能源与电气学院，江苏省南京市 211000］

0 引言

随着水电自动化技术和信息技术的发展，我国水电行业已广泛应用集控运行模式[1-2]。国内各大流域水电公司都已建成水电集控中心，负责对所辖水电站的远程集中控制。在集控模式下，水电站设备的日常运行和控制调节由集控中心完成，电站侧运行仅作为应急和事故备用，部分电站已探索实行“运维合一”模式，将原先分别设立的电站运行部门和检修维护部门合并为运维部门，负责电站设备的巡检维护和应急运行[3-4]。

水电站集控和运维合一的模式提高了水电企业集约化管理水平和生产效率，降低了运行成本，提升了整体经济效益。但由于运维人员仍分属各自电站，不能形成合力，有必要研究集控模式下的设备远程运维模式，建设远程集中运维中心，将原本分散在各电站的运维人员集中使用，对各电站实行远程集中运维，进一步提高人员使用效率和工作效率。

1 集控模式下水电厂区域化设备远程集中运维必要性分析

当前水电企业在下属电站均设置检修维护部门或运维部门，负责电站日常设备的维护检修工作。这种模式满足了水电设备运维检修及时性的要求，保障了水电厂生产的顺利开展。近年来，水电站一次设备和二次设备的质量和运行可靠性不断提高，不再需要频繁地进行检修，维护工作量也大幅减少，检修维护人员存在工作量不饱满、人力资源不能充分使用的问题。同时，各电站的检修维护人员单独配置，不便于统筹使用。采用水电站设备远程集中运维模式，可以将原先各电站分散的维护检修力量进行整合加强，实现检修维护人才资源和技术资源的集中，充分发挥检修资源的规模效应、集中效应，实施流域电站多机组、多工况的设备检修运维，积累丰富的检修经验，促进检修人员技能的提升和检修队伍的快速成长。

水电站因其生产特点，一般都位于较为偏远的地区，远离大城市。集控模式实现了水电站运行的集约化，将电站运行人员由电站转移到生活条件较好的城市上班，改善了工作和生活环境[5]。但检修维护人员仍需留在电站上班，不利于电站员工队伍的稳定。设备远程运维模式下，在集控中心建设统一的远程集中运维中心，对所属电站进行统一的设备运维管理，平时运维人员可在工作和生活条件较好的城市上班，通过远程方式对电站二次设备进行维护，分析设备健康状态，进行设备故障预警和诊断，制定设备检修计划和检修方案，必要时赴电站进行现场检修维护[6-8]。

采用设备远程运维模式，可在保障电站设备正常运行的前提下，解放部分检修维护力量用于设备检修维护相关的科研攻关，例如统计建立水电企业设备正常运行样本库、状态评价健康样本库和设备故障诊断样本库，为后续实现设备状态检修提供支撑，也有利于人才的引进、培养和专业的创新发展，提升流域发电企业的设备运维管理水平。

2 集控模式下水电厂区域化设备远程集中运维的必要条件

2.1 设备可靠性和控制自动化水平进一步提高

采用设备远程集中运维模式后，电站不再保留或仅保留少量的常驻检修维护人员，设备故障后检修的及时性会有所下降，这就要求设备本体具有更低的故障率和更长的设备故障间隔时间，具有更高的可靠性。

当前水电站主要设备已完全实现了控制自动化，但电站的部分阀门和开关等辅助设备还未完全实现控制自动化，还需要进行手动操作，需要对这些辅助设备进行改造或替换，实现控制自动化，实现水电站设备控制的全自动化，进一步提高设备的控制自动化水平。

2.2 设备状态全面感知

目前水电行业主要采用传统的模拟量信号输出传感器采集设备运行状态信息。现有的模拟量信号输出传感器存在可靠性不足、抗干扰能力差、故障排查困难等缺点，越来越不能满足水电行业数字化、智能化发展的要求。采用红外、激光、光纤光栅等各种新型数字化智能传感器实时采集水电站设备的振动、摆度、气隙、场强、压力、温度、电压、电流等运行数据，提升信号采集的精确度和全面性，实现水电站设备运行状态的全面感知。利用覆盖水电站全厂异构融合的物联通信网络将设备运行状态数据上送至一体化管控平台，实现数据的融合汇聚和展示。结合BIM三维建模及AR/VR技术，使电厂维护人员在集控远端就可以身临其境般地感知电厂设备实时运行状态，支撑设备故障的远程诊断和维护。

当前电厂二次系统及相应智能电子装置、服务器等设备的运行状态信息还未上送至集控中心，还无法实现这些信息的远方实时监视。根据设备远程运维的要求，上述设备需要具备将负载状态、自诊断信息、网络状态等运行状态信息通过网络上送至集中运维中心的能力，为远程运维人员开展IT设备状态监视和远程运维提供数据支撑。

2.3 高清视频监视

当前水电厂已普遍建设视频监视系统，但受制于技术和投资等因素，现有的视频监视系统普遍存在功能单一、画面清晰度不足、不能实现监视全覆盖、有监视死角等问题。为满足远程集中运维要求，需建设覆盖水电站全厂的具备图像识别、人脸识别、自诊断与防盗、智能行为分析、主设备温度全景监控、异常报警等功能的高清视频监视系统，并通过网络将高清视频监视画面送至远程集中运维中心，运维人员在远程集中运维中心可对全厂无死角地进行视频巡查。对电厂机柜、油水气等机电设备的视频监视摄像头配备高清红外热成像功能，实现设备全天候测温监视。

3 集控模式下水电厂区域化设备远程集中运维的技术要求

3.1 设备运行状态远程监视

基于设备状态全面感知建设，实现电厂设备运行状态的远程监视，使运维人员在远程集中运维中心能够查看电厂设备的全面实时的运行状态。

充分运用水轮机发电机状态监测技术，利用气隙磁通监测装置、局部放电监测装置、定子光纤测温装置和转子集电环碳刷温度及电流监测装置等各类发电机在线监测装置及其配套传感器，全面感知各电站发电机运行和健康状态，将监测数据上送至远程集中运维中心，为运维人员提供电厂实时的运行数据。

各种监测传感器和装置均作为设备远程运维的数据源，数据源通过通信协议转换后形成可供平台应用的数据序列，数据序列通过清洗、整理和编码后成为标准化的数据，存入数据库，通过同步、路由及调用服务实现共享。算法处理可将共享的测量数据抽取、加工形成特征数据，特征数据有明确的功能意义，为设备远程运维提供分析来源。

3.2 二次设备远程维护

在远程集中运维中心设立远程维护工作站，集中展示电站各二次系统的实时运行状态，利用可视化的界面工具实时查询电站二次设备的温度、负载等阈值，自动将其与正常阈值进行比较，当二者不一致时，可进行自动报警，提醒维护人员注意。利用远程运维工具，在保证安全和可控的情况下，实现对电站二次设备告警阈值远方修改、软压板远方投退、服务器和控制器等设备远方重启、自动化系统远方测试等远程集中维护工作，缩短维护时间，提高维护工作效率，降低维护所产生的费用。

汇总梳理水电站各二次设备维护经验，建设水电站二次设备典型故障状态库和处置方法专家库等知识库。将各电站二次设备运行状态与状态库信息进行实时比对，自动分析并筛查出二次设备故障信息并与处置方法专家库关联，自动生成故障处置方案，指导远程运维人员进行故障处置和恢复。

3.3 设备远程智能巡检

在电站和远程集中运维中心建设远程无人巡检系统，借助物联网、移动互联网、机器人、人工智能等技术手段，利用电站内的巡检机器人、高清摄像头、智能传感设备等，实现电站设备的无人化远程智能巡检。利用在电站内安装的各类轮式机器人和轨道机器人按照预先设定的任务时间或根据运维人员的临时性要求自动执行巡检任务，采集并记录发电机层、水轮机层、尾水层等水电厂各设备层的渗漏、声音、图像等信号，对各类异常信号进行自动判别，并自动将采集的信息通过无线通信网络传输至一体化管控平台。部分机器人难以到达的地方，以及经常出现漏油的部位，需要采用安装固定式高清摄像头的方式，利用图像识别等技术，自动判别设备运行异常和漏油故障，有效监测水电厂的“跑冒滴漏”现象。此外，基于智能传感设备，构建主设备状态在线监测系统，全面采集机组等各类主设备的温度、振动、摆度、压力脉动、气隙、磁通量等信号；基于集控中心的一体化管控平台，汇聚巡检信息、状态在线监测信息，实现生产设备现场巡检无人化，实现运维人员对多个厂站、多台机组的集中统一管理。

3.4 设备故障远程诊断

在远程集中运维中心建设和部署基于大数据技术和故障诊断技术相结合的电站设备故障诊断系统，构建水轮发电机组、主变压器、GIS、闸门等设备故障诊断专家系统、故障知识图谱和诊断故障树，实时分析电站设备运行状态和趋势，对设备故障进行分析和诊断，实时推送包含故障信息、故障时间、故障部位、故障原因、处理措施和运行意见等内容的故障诊断报告，为设备远程运维提供支撑。

设备故障诊断专家系统应包括知识库、推理机、解释器、自学习模块、人机交互等模块。知识库模块用于存储各种专家知识及故障信息，具有通用性添加、修改、删除等功能；推理机提供了统一的推理模式，按照各个知识库模块中的规则进行推理，并完成结果融合；解释器主要完成获取知识库中故障信息，根据推理机提供的诊断结果输出用于人机界面显示的各种信息；学习机主要功能为根据用户提交的实际故障结果反馈，对于误诊、漏诊的情况进行规则修改；人机交互模块主要提供结果输出、报表生成、非量化特征获取、诊断结果反馈、知识库管理等功能接口。

针对主机设备和辅机设备，采用自底向上的方式，进行知识建模和故障知识图谱的构建。基于水电行业标准从数据源进行映射，设计实现数据存储模块，选定实体与实体间的关系，进行数据表的搭建，最终设计实现知识图谱的可视化模块，进行知识重构并展示。

诊断故障树利用专门的树状结构，采用正向搜索、阈值比较和模糊识别的方法，沿自顶向下的方向对设备故障进行深度和广度的搜索，结合故障事件关键重要度，得到最终故障发生的概率，完成故障推理，并将诊断结果从大到小排序，提交给人机交互模块。

4 结束语

水电站区域化远程集中运维模式可有效提升电站设备运维工作效率，降低运维成本，是水电设备运维管理的主要发展趋势。本文从水电站远程运维的需求出发，提出了以建设远程集中运维中心为核心的远程集中运维模式，并对远程运维的必要性、必要条件和技术要求进行了探讨。随着新技术和新设备的发展，远程运维也需要不断开展深入的研究和探索，以促进水电站远程运维工作的顺利开展。