基于信息新技術的燃機機群監(jiān)測診斷私有云平臺
中國大唐集團有限公司
網(wǎng)絡行業(yè)應用篇/設備監(jiān)控與維護
1 概述
1.1 背景
當前信息通信技術對中國發(fā)電行業(yè)的貢獻價值正處于量變到質(zhì)變的關鍵節(jié)點。在全球新一輪電力科技革命和產(chǎn)業(yè)變革中，互聯(lián)網(wǎng)與發(fā)電行業(yè)融合發(fā)展具有廣闊前景和無限潛力。推動供給側結構性改革，深入推進“互聯(lián)網(wǎng)+先進制造業(yè)”，加快建設和發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，推動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能和實體經(jīng)濟深度融合，已成為不可阻擋的時代潮流。
我國發(fā)電行業(yè)不斷推進信息化升級改造工作，每天產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)，但現(xiàn)有技術和管理模式對于電力數(shù)據(jù)的集成、分析和管理技術相對落后，主要表現(xiàn)為：一是、各個電廠之間數(shù)據(jù)共享不暢，信息孤島效應較強。各電廠存在嚴重的數(shù)據(jù)壁壘，單一業(yè)務、類型的數(shù)據(jù)即使體量再大，缺乏互聯(lián)共享，其價值大打折扣。二是、數(shù)據(jù)管控能力不強，缺乏對機組群的統(tǒng)一集中管理。大數(shù)據(jù)時代中，數(shù)據(jù)集成度的高低、數(shù)據(jù)管控能力的強弱直接影響了數(shù)據(jù)分析的準確性和實時性。三是、信息未能有效利用，缺乏對數(shù)據(jù)的深入挖掘利用。目前數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)無法發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中存在的關系，預測機組性能未來變化趨勢，尤其是缺乏挖掘數(shù)據(jù)背后隱藏知識的手段。四是、信息安全風險抵御能力需要進一步提升。電力行業(yè)關系國家戰(zhàn)略安全、是涉及國民經(jīng)濟關鍵領域。網(wǎng)絡安全防護手段需要進一步加強，從目前的被動防御向多層次、主動防御轉(zhuǎn)變。
本項目方案側重于解決生產(chǎn)過程中的實際問題，構建企業(yè)內(nèi)網(wǎng)絡改造解決方案，采用工業(yè)以太網(wǎng)、邊緣-中心計算等方法，實現(xiàn)生產(chǎn)裝備遠程診斷、傳感器監(jiān)控、管理系統(tǒng)等要素的互聯(lián)互通。同時構建基于企業(yè)專線網(wǎng)絡的私有云平臺實現(xiàn)多個廠區(qū)的信息共享；在應用層面專注于燃機機群的人工智能監(jiān)測診斷技術。
1.2 實施目標
集團公司深入分析電力信息技術和企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營中的問題，建立燃機機群監(jiān)測診斷私有云平臺。通過企業(yè)內(nèi)網(wǎng)絡改造，利用工業(yè)以太網(wǎng)、邊緣-中心計算等信息新技術，構建基于企業(yè)專線網(wǎng)絡的私有云平臺。推動物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能與傳統(tǒng)發(fā)電行業(yè)的深度融合，努力實現(xiàn)對燃氣發(fā)電機組集群運行數(shù)據(jù)的采集、監(jiān)測、分析與診斷，促進“互聯(lián)網(wǎng)+”、云計算、大數(shù)據(jù)的混合運用。從而實現(xiàn)集團級燃機全生命周期管理，消除區(qū)域、行業(yè)及企業(yè)間的壁壘，為國家能源行業(yè)生產(chǎn)運營提供新探索與借鑒。
1.3 適用范圍
本方案適用于大型能源集團對其生產(chǎn)過程的全集團、全過程、全要素的集中統(tǒng)一管理。對于電廠分布范圍廣，數(shù)量多，信息化基礎較強的企業(yè)具有很好的適用性。實現(xiàn)大型發(fā)電集團對集團級生產(chǎn)單位機組實時進行監(jiān)測預警、智能診斷、知識共享提供范例。同時為傳統(tǒng)發(fā)電工業(yè)向數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化轉(zhuǎn)型升級，進一步深化兩化融合提供先進的技術保障。
1.4 在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡體系架構中的位置
該項目在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的位置為：
1.工廠控制系統(tǒng)及云平臺（及管理軟件），設備監(jiān)視診斷系統(tǒng)可以有效的對設備運行的狀態(tài)進行預警、報警和性能劣化分析。其本身屬于智慧電廠的管理平臺。
2.工廠云平臺與協(xié)作平臺，云平臺通過將各家電廠的與運行工況、設備故障庫和知識庫有機融合實現(xiàn)各電廠之間的網(wǎng)絡化協(xié)同，診斷云平臺的服務化轉(zhuǎn)型和集團公司的數(shù)字化戰(zhàn)略。
圖1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)示意圖
2 需求分析
當前，電力行業(yè)對信息新技術與發(fā)電技術的融合認識不清晰、探索不系統(tǒng)，電廠大量數(shù)據(jù)未被深度挖掘、有效的利用，存在較為嚴重的數(shù)據(jù)壁壘；工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)方面，公有云由于與外部internet直接相連，受到攻擊可能性較高，網(wǎng)絡安全性較低，因此采用相對安全性較高的私有云平臺。當前結合互聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)技術提升發(fā)電設備狀態(tài)評價的廣度和深度，并解決實際應用問題成為目前電力行業(yè)新的挑戰(zhàn)。各國政府和大型企業(yè)正在逐步開展集大數(shù)據(jù)、云計算等為網(wǎng)絡信息一體的綜合數(shù)據(jù)平臺的研究和建設。
2014年德國政府推出了工業(yè)推進計劃“工業(yè)4.0”，美國也推出工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)企業(yè)等類似概念。我國在2015年首次明確提出制定“互聯(lián)網(wǎng)+”行動計劃，推動移動互聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等與現(xiàn)代制造業(yè)結合。通用電氣能源集團的Bently Nevada診斷服務可以及時檢測出設備的性能下降或即將發(fā)生的故障，防止發(fā)展成費用更加昂貴的災難性事故，減少維護成本，限制非計劃停機維修，從而使生產(chǎn)效率提高。國際跨國公司對該領域的研究時間較長，監(jiān)測設備數(shù)量范圍廣，網(wǎng)絡信息技術和工業(yè)技術結合較高且相對成熟。
西門子故障診斷系統(tǒng)（D3000）融合了西門子二十多年的診斷計算經(jīng)驗，具備了非常優(yōu)秀的早期預警與故障診斷功能。該系統(tǒng)不僅僅能夠?qū)Φ湫驮O備進行建模，還能夠?qū)ο到y(tǒng)甚至工藝過程進行建模和監(jiān)視。加拿大TransAlta電力公司委托西門子建設了運行診斷中心，該中心于2009年3月投入使用，監(jiān)視4個電廠的11臺機組。
美國德克薩斯州TXU電力公司委托西門子建設了電力優(yōu)化中心，對所屬的共24個電廠18300MW機組，包括核電站、燃煤機組、燃氣/燃油機組、風力發(fā)電機組進行監(jiān)控，監(jiān)控22臺機組，監(jiān)測點數(shù)量達5萬個。
浙江能源集團于2009年開始引進并開發(fā)設備故障預警系統(tǒng)，較多電廠建設了發(fā)電機組在線診斷預警系統(tǒng)，在分析設備參數(shù)異常原因、設備異常發(fā)生的范圍、各個設備異常之間的關聯(lián)方面具有明顯的優(yōu)點，已成為發(fā)電廠設備管理專業(yè)人員、運行監(jiān)控人員的一個掌握設備狀況的重要工具。設備故障預警系統(tǒng)對解決發(fā)電機組設備問題具有很好的指導意義，為優(yōu)化的狀態(tài)檢修提供有力的支持。專業(yè)技術人員通過借助預警系統(tǒng)，能夠全面、系統(tǒng)地掌握設備運行情況，并及時發(fā)現(xiàn)設備問題，能最大限度地提高點檢及巡檢人員的工作效率。
針對上述生產(chǎn)過程中的實際問題，充分分析國內(nèi)已有網(wǎng)信技術和工業(yè)技術的融合應用中的不足，集團公司開展本項目研究與實施。
3 解決方案
3.1 方案介紹
本方案主要側重于在企業(yè)已有內(nèi)網(wǎng)基礎上進行改造解決，通過改造后的企業(yè)網(wǎng)絡專線構建私有云平臺，實現(xiàn)燃機機群的智能監(jiān)測診斷。企業(yè)內(nèi)網(wǎng)絡改造解決方案，通過物理網(wǎng)閘和VLAN劃分實現(xiàn)內(nèi)外網(wǎng)分離，同時采用堡壘機、系統(tǒng)準入、日志審查等網(wǎng)絡安全硬件技術建立企業(yè)專線網(wǎng)絡的私有云平臺。
燃機設備的智能監(jiān)測診斷方案中，集團公司研發(fā)人員對集團燃氣機組設備故障缺陷典型數(shù)據(jù)的取值、分析，形成了幾百種計算方法，這些計算方法運用到發(fā)電企業(yè)的生產(chǎn)過程中，通過大數(shù)據(jù)計算，一旦運行數(shù)據(jù)與典型數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差而且符合預設的失效模式，系統(tǒng)便會報警，專業(yè)分析人員通過分析數(shù)據(jù)，制定相應解決方案，消除缺陷，從而降低機組設備故障率，提高安全性。
項目的目的是通過發(fā)電監(jiān)測、分析與診斷中心的建設，幫助集團系統(tǒng)內(nèi)燃機避免事故停機并盡快恢復生產(chǎn)。設計用于提高設備可靠性、避免意外事件，快速響應各發(fā)電機組運行與維護需求，協(xié)助各發(fā)電企業(yè)做出決策，降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟效益。
3.2 系統(tǒng)架構
系統(tǒng)結構采用四層網(wǎng)絡架構，分別是感知層、網(wǎng)絡層、應用層和用戶層，詳見圖2。感知層有各種傳感器和傳感器網(wǎng)關構成，其中包括：流量、震動、溫度和壓力傳感器；SO2、NO2、CO、O2等氣體濃度傳感器。軸承溫度、震動傳感器等。監(jiān)視設備包括電廠6KV以上的主要設備，主要包括，燃機、冷凝器、余熱鍋爐、輔機、汽輪機、發(fā)電機、冷卻塔和關鍵電氣設備。這些設備的實時工況狀態(tài)將通過傳感器以開關量、模擬量或脈沖量的形式傳輸?shù)骄W(wǎng)路層。
網(wǎng)絡層是為感知層信息的匯聚、集成、傳遞和控制提供支持，同時為數(shù)據(jù)中心物聯(lián)網(wǎng)人機通訊交流提供信息平臺。為了提高網(wǎng)絡安全等級，監(jiān)測診斷中心網(wǎng)絡數(shù)據(jù)抽取采用單向光閘，使得數(shù)據(jù)只能從生產(chǎn)現(xiàn)場傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心，外部網(wǎng)絡無法傳輸信息到生產(chǎn)區(qū)域。同時部署堡壘機、安全準入系統(tǒng)，提高網(wǎng)絡系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
應用層是物聯(lián)網(wǎng)和用戶層的結構，它與電力數(shù)據(jù)監(jiān)測診斷的需求結合，可實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)智能應用。主要功能是：1.數(shù)據(jù)采集與集成；2.設備性能劣化和故障預測預警；3.設備熱效率分析；4.電廠關鍵績效指標（KPI）分析。5.機組控制優(yōu)化決策建議。6.設備狀態(tài)檢修排序。
用戶層主要是數(shù)據(jù)中心面向的信息輸出對象，主要包括各個電廠和集團公司。對于各個電廠，數(shù)據(jù)中心輸出信息主要側重于設備故障、性能劣化和熱效率分析等信息。對于集團公司的服務更加側重于信息的集合和關鍵績效指標的匯報。
圖2 基于信息新技術的燃機機群監(jiān)測診斷私有云平臺
3.3 功能設計
3.3.1 云加端的數(shù)據(jù)調(diào)度模式
提出了一種基于數(shù)據(jù)指令和云+端的數(shù)據(jù)調(diào)度模式（包括數(shù)據(jù)配置指令和數(shù)據(jù)調(diào)用指令），結合數(shù)據(jù)配置工具，通過數(shù)據(jù)目錄服務，實現(xiàn)燃機監(jiān)測與診斷中心對各電廠分布存儲的生產(chǎn)實時/歷史數(shù)據(jù)、以及集中存儲的預測診斷中間計算數(shù)據(jù)，進行靈活調(diào)用，實現(xiàn)對數(shù)萬點的海量實時數(shù)據(jù)及中間計算數(shù)據(jù)進行秒級的快速讀取、存儲和計算。項目研發(fā)了分布-集中存儲，各電廠的生產(chǎn)實時/歷史數(shù)據(jù)，存儲在各電廠的燃機SIS和輔機SIS系統(tǒng)里的實時/歷史數(shù)據(jù)庫里，實現(xiàn)對海量生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)秒級間隔的分布存儲；各電廠的預測診斷中間實時/歷史計算數(shù)據(jù)，則集中存儲在燃機監(jiān)測與診斷中心系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫里，實現(xiàn)高效的集中存儲。項目研發(fā)了邊緣-中心計算，在各電廠的就地服務器中，對實時/歷史數(shù)據(jù)進行過程中間計算，并將中間計算結果存儲回就地服務器，利用其高效的壓縮性能和壓縮時間，快速響應高速數(shù)據(jù)，實現(xiàn)邊緣計算；在燃機監(jiān)測與診斷中心，通過數(shù)據(jù)指令調(diào)取各電廠分布存儲的生產(chǎn)實時/歷史數(shù)據(jù)，根據(jù)建立的診斷預測數(shù)據(jù)模型完成診斷分析和預測計算，實現(xiàn)中心計算。
圖3 基于數(shù)據(jù)指令和云加端的數(shù)據(jù)調(diào)度模式
項目構建了燃機機群預測診斷云平臺，通過建立集成管理系統(tǒng)，實現(xiàn)全系統(tǒng)、全流程的知識創(chuàng)新管理。已成功對接11臺燃機機組，200余臺設備，實現(xiàn)了集團級的數(shù)據(jù)集成與共享。與電廠級信息化系統(tǒng)相比，平臺融合了大數(shù)據(jù)、人工智能以及互聯(lián)網(wǎng)+等領域的新技術與新思路，設計并構建一個覆蓋生產(chǎn)運營、性能及故障預警等各階段的數(shù)字化、信息化、智能化運營管控系統(tǒng)，實現(xiàn)燃機設備的安全、經(jīng)濟運行。項目形成了一系列燃機機組預測診斷關鍵技術,實現(xiàn)了集團公司燃機機群關鍵資源與核心要素的管控，推進了互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能和實體經(jīng)濟深度融合,將為我國智能預測診斷的建設提供技術標準與工程示范。
3.3.2 多模型耦合監(jiān)測診斷技術
開發(fā)了同步采用數(shù)學模型和物理模型的監(jiān)測診斷技術，基于熱力學原理和設備靜態(tài)參數(shù)建模分析機組性能，實現(xiàn)了設備故障預警與廠級性能優(yōu)化的有機融合。
開發(fā)了同步采用數(shù)學模型和物理模型的監(jiān)測診斷技術，基于熱力學原理和設備靜態(tài)參數(shù)建模分析機組性能，實現(xiàn)了設備故障預警與廠級性能優(yōu)化的有機融合。開發(fā)了基于數(shù)學模型的監(jiān)測診斷技術，針對燃機系統(tǒng)參數(shù)間的高耦合性，提出一種包含多傳感器參數(shù)比較的動態(tài)狀態(tài)空間模型，以解決復雜系統(tǒng)狀態(tài)和故障監(jiān)測結果穩(wěn)定性較低的難題。該模型的建立基于相似性原理，假定設備在正常運行下工況表征參量相對穩(wěn)定，相似工況下的工況表征參量具有一定相似性。把清洗后的正常工況下的運行數(shù)據(jù)輸入模型并形成狀態(tài)矩陣，將實時的測量數(shù)據(jù)與狀態(tài)矩陣中的狀態(tài)進行相似度比較，并推算出預測值，根據(jù)實測值與預測值間的殘差變化，結合預定的閾值給出故障預警。開發(fā)了基于物理模型的預測診斷技術，通過集團燃機運行歷史數(shù)據(jù)搭建典型故障失效模式庫，當設備出現(xiàn)故障通過物理模型觸發(fā)報警。該技術可以在設備故障初期階段，根據(jù)設備潛在問題識別故障。故障失效庫將根據(jù)故障數(shù)據(jù)和外部故障庫不斷拓展完善。對于安全性要求較高的重要設備采用物理建模方法，對于種類繁多系統(tǒng)復雜的設備采用數(shù)學建模方法，綜合運用兩種互補的監(jiān)測診斷技術原理，提高監(jiān)測診斷的針對性、普適性和穩(wěn)定性。
3.4 網(wǎng)絡功能結構
圖4 燃機機群監(jiān)測診斷私有云平臺網(wǎng)絡功能結構
3.5 安全及可靠性
基于設計方案與現(xiàn)有網(wǎng)絡結構，原則上盡量減少對現(xiàn)有網(wǎng)絡結構的改動和影響，方案規(guī)劃在燃機數(shù)據(jù)中心部署兩臺防火墻，采用透明方式部署在現(xiàn)有路由器與核心交換機之間，對燃機數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡提供應對網(wǎng)絡攻擊的防護；
燃機數(shù)據(jù)中心服務器需要從下級單位采集數(shù)據(jù)，由下級單位服務器通過集團廣域網(wǎng)傳輸?shù)饺紮C數(shù)據(jù)中心，為了保證傳輸過程中的安全性和保密性，在燃機數(shù)據(jù)中心側出口路由器之前部署縱向加密裝置（中心端），在相關下級單位側部署縱向加密裝置（電廠端），實現(xiàn)端到端的通信加密；
在燃機數(shù)據(jù)中心內(nèi)部設立安全管控區(qū)，部署安全準入系統(tǒng)、入侵檢測系統(tǒng)、日志審計系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫審計系統(tǒng)等，實現(xiàn)對燃機數(shù)據(jù)中心內(nèi)部設備的安全管理，安全準入系統(tǒng)驗證網(wǎng)絡使用者的合法身份，只有通過認證的用戶才可以使用燃機數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡，入侵檢測系統(tǒng)采用旁路部署，通過核心交換機將主干接口的數(shù)據(jù)流量鏡像到入侵檢測系統(tǒng)，用入侵檢測系統(tǒng)對網(wǎng)絡傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行安全檢查，對存在的安全威脅進行報警；日志審計系統(tǒng)及數(shù)據(jù)庫審計系統(tǒng)是對相應的設備的系統(tǒng)日志和操作日志進行詳細的記錄。
本項目的主要目標就是按《電力監(jiān)控系統(tǒng)安全防護規(guī)定》以及GB/T 22239-2008《信息安全技術 信息系統(tǒng)安全等級保護基本要求》的要求，為燃機數(shù)據(jù)中心建設部署專用的網(wǎng)絡安全設備，提高燃機數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)安全防護水平，保障燃機數(shù)據(jù)中心相關業(yè)務的安全穩(wěn)定運行。
4 成功案例
有效防止機組非計劃性停運
1) 報警概況：
12月1日早上5點14分，中心報告設備異常，1號發(fā)電機1號軸Y軸位移增大，軸震增加快速升高，同時兩項參數(shù)上升幅度快速升高。5時19分數(shù)據(jù)中心發(fā)出報警(DCS未達到報警值)，1號發(fā)電機1瓦軸承金屬溫度由86.3℃快速升高至98℃，回油溫度由66.89℃升高至74℃，潤滑油壓由1.87bar升至2.21bar。
2) 分析判斷：
數(shù)據(jù)中心分析報警，利用智慧信號和監(jiān)視診斷系統(tǒng)分析多測點（溫度、震動、油壓等）變化趨勢和殘差變化判斷：1.潤滑油供油管路堵塞導致軸承供油短缺；2.供油管路供油短缺導致軸承震動突升；3.潤滑油供油管路堵塞導致軸承溫度升高；4.供油系統(tǒng)出現(xiàn)故障。
3) 建議措施：
? 通知電廠值班人員，注意加強供油系統(tǒng)監(jiān)視；
? 請電廠考慮停機檢查；
? 建議組織有關專家召開現(xiàn)場分析會；
? 經(jīng)專家組會議討論最終決定立即申請停機處理。
4) 檢查結果：
1號潤滑油過濾器出口第1個出口逆止閥，發(fā)現(xiàn)逆止閥半邊密封條脫落，造成供油管堵塞。
