令狐克诚

（贵州乌江水电开发有限责任公司东风发电厂，贵阳 551408）

从20世纪90年代开始，我国整体用电量以及发电量每年都在高速增长，对于促进中国电力工业发展产生了巨大的推动作用。同时，作为电网主要发电环节之一的水电站建设飞速发展，逐步成为我国能源供应的中坚力量，保证其安全稳定运行具有重要意义。

近年来，各大发电企业开始逐步采用计算机、互联网和传感器等先进技术，对水电站水轮机组进行远程监测，可实时监测水轮机组结构振动、轴向位移和主轴摆度等关键运行参数，及时发现机组故障隐患，降低机组故障率，延长维修周期，削减运维成本，提升水电站水轮机组正常运行水平。目前，我国绝大部分水力发电厂均开展了水轮机组远程在线监测。

本文通过对国内外远程监测技术发展现状介绍，及对水电站水轮机组管理存在问题的总结，以水电站水轮机组为基本研究对象，对水电站水轮机组远程监测系统需求分析及系统总体结构设计。

1 远程监测技术现状

1.1 概述

远程监测技术就是基于信息网络，利用计算机、传感器、检测仪表和通信设备等实现对远方设备的实时监视及控制，进而保证重要系统或设备的正常运行。近年来，随着计算机、互联网和传感器等先进技术的快速发展，远程监测技术发展突飞猛进。

1.2 国外发展现状

1997年1月，美国著名的斯坦福大学（Stanford University）和麻省理工学院（MIT）共同召开了世界首届基于Internet的远程监测及诊断会议，这标志着远程监测技术正式进入快速发展阶段[1]。本次会议重点研讨了远程监测相关的开放体系、传输协议和信息规程等关键核心技术问题，并展望了远程监测技术的未来发展及实现路径。此后，远程监测技术在计算机、仪器仪表、工业制造、能源和电力等行业获得高度认可及推广。例如，美国电话电报公司（American Telephone&Telegraph）建立了覆盖全美的电力网络控制中心，可实现对全国电力运行状态的实时远程监测，并进行即时故障预警及分析，以确保全美电网可以正常运行；英国电信公司（British Telecom）建立了国家通信网络管理中心，实现了通信网络规划、建设、业务管理和性能分析等一体化远程监测，有效确保了全英网络通信的正常运行。

进入新世纪以来，伴随着计算机、互联网、5G通信等先进技术的快速进步，远程监测技术研发突飞猛进。MIMOSA等国际组织均制定了各自领域的远程监测信息传输格式及标准，大力拓展远程监测技术在各领域的使用范围，其中，第四代SCADA系统发展速度最快，如图1所示，其以产品为中心，关联人、机、料、法、环、检、研等因素，以生产设备运行过程中产生的数据为基础，具备生产数据实时采集、生产设备过程监控、生产设备异常报警和智能分析等功能，已成为现代工业发展智能化体系核心支柱。

图1 第四代SCADA系统架构示意图

1.3 国内发展现状

近年来，随着我国科技水平的快速发展，国内远程监测技术也取得了积极进展，例如：武汉理工大学开发了“基于Internet的水泥回转窑运行状态远程监测系统设计”等水泥设备状态化监测系统[2]，华中科技大学成功开发了“基于Java的车间远程监测系统”[3]，哈尔滨工程大学成功研发了“综合智能故障诊断专家系统”[4]，武汉大学开发了“基于知识的故障诊断专家系统”[5]，均取得了良好的效益及成果。

2 水电站水轮机组管理存在的问题

2.1 设备日益复杂化

近年来，随着科技的快速发展及进步，社会对水电站发电能力、节能降耗和绿色环保等方面的要求越来越高，水电站水轮机组设备设计理念、生产工艺和原材料等均取得较大进步，水电站水轮机组设备日益复杂化、精密化，对运行维护技术的需求也变得越来越高。

2.2 专业技术人员能力欠缺

随着我国水电能源工业建设的飞速发展，水电站水轮机组数量、容量在不断增加，技术含量日益提升，这就对相关技术人员的综合能力提出了越来越高的要求。但是，由于我国水电站普遍存在建设位置偏远、劳动强度大等问题，对于高素质专业技术人员的吸引力不足，现有专业技术人员也存在流动性大等问题，导致各个水电站水轮机组运行维护相关专业技术人才存在一定程度的缺失，且岗位设置与岗位能力需求之间的矛盾在逐步加大。虽然各个水电站都在积极加大对现有专业技术人员的技能培训力度，但受到某些现实因素的限制，培训效果不佳。因此，如何利用远程监测等现代技术，辅助专业技术人员进行水电站水轮机组运行检修，提高其识别故障、解决故障的能力，成为各水电企业考虑的问题。

2.3 设备故障解决的周期长、效率低

水电站水轮机组设备是一套非常精密、复杂的现代机械系统，且融合了传感器等先进技术，整体技术含量较高，必须配备一定数量具有专业技术能力的运维人员才能确保其安全稳定运行。现阶段，当水电站水轮机组出现故障的时候，均需要一线值班人员快速识别并予以解决。但是，有一些故障的解决难度较大，需要向专家求助，设备故障解决的周期长、效率低。

3 系统需求分析

3.1 系统功能需求分析

3.1.1 远程监测及控制

远程监测及控制是水电站水轮机组远程监测系统的基本核心功能，其可基于系统键相信号实现基础数据采集，实时检测水轮机组运行状态，并采用曲线、图标、数值和语音等多种形式分层次、多角度地显示出机组运行状态信息。

3.1.2 不受时空限制

一般水力发电企业所辖各型水电站较多，分布在流域各地，要求系统登录不能受到时空条件的限制。针对该需求，本文提出了基于B/S（Browser-Serve）、C/S（Client-Server）的综合网络架构，确保系统运维人员可以在任意地点、任何时间实现远程登录，开展运行状态监视、指令控制、数据查询等多种操作。

3.1.3 不受终端设备限制

水轮机组远程监测系统需24 h连续不间断运行，不受终端设备限制，需支持PC、手机、Ipad等终端设备登录，并可基于上述设备开展远程控制、数据查询及智能分析。

3.1.4 数据记录功能

本远程监测系统还需实现对被监测水轮机组全部运行数据的实时记录及存储，具体包括机组运行状态、报警信息、故障信息和操作过程等。

3.1.5 故障智能诊断功能

通过手机、Ipad等便携式终端设备，作业人员可利用专家诊断功能对其所发现的水轮机组故障进行智能诊断，提高故障处置的准确率及效率。

3.2 系统性能需求分析

3.2.1 运行稳定可靠

稳定可靠运行是本远程监测系统的基本性能指标及根本，因此，有必要选择配置较高的物理服务器及具备较好扩展特性的云服务器为基础开发平台。

3.2.2 系统时效性

为确保本远程监测系统在Internet环境下的运行时效性，Client客户端数据传输时间应该小于等于500 ms，确保可以实现系统的实时数据刷新。

3.2.3 系统远程操作

本远程监测系统具备符合日常操作习惯的远程人机互动界面，可以为系统用户呈现水轮机组仿真运行及数据刷新画面。

3.2.4 系统扩展性本远程监测系统可根据发电企业水电业务发展及发电量增减需求，进行系统扩展。

3.2.5 系统存储与追溯

本远程监测系统可实现对发电企业所辖水电站水轮机组各类监测数据的存储与追溯，具体包括机组运行状态、报警信息、故障信息和操作过程等。

4 系统总体架构

目前，通用的远程监测系统主要有B/S（Browser-Serve）、C/S（Client-Server）2种架构模式，其中，C/S模式具备安全性强等优点，但交互性存在一定的不足；B/S模式具备系统扩展容易等优点，但安全性较差、逻辑较为复杂。本系统扬长避短，设计了C/S-B/S混合软件构架，如图2所示。

图2 C/S-B/S混合软件构架示意图

基于C/S结构所具有的信息处理能力强、交互性强等优点，系统可在本地端进行远程监测数据的处理；基于B/S结构所具有的在Internet环境可以不受时空限制登录等优点，系统可快速完成远程监测数据传输及查阅等功能。

5 通讯与硬件实现

5.1 系统硬件选型

综合考虑硬件需求及建设成本，开展水电站水轮机组远程监测系统硬件设备选型，重点包括PLC可编程逻辑控制器、振动感应部件、闸门高度感应部件、温度传感部件、液位计量部件、雷达流速仪、触控一体机、Web网站服务器和工控机等，其中，振动传感器是本系统最为核心的硬件设备，对于水电站水轮机组来说，振动是其最重要的参数。据统计，超过80%的故障都可以通过振动信号表现出来，振动传感器选型直接关系着水轮机远程监测的质量及准确水平，本系统振动传感器采用一体化涡流传感器YTHH808；PLC可编程逻辑控制器采用SIEMENS S71200系列，其具备模块化、结构紧凑和功能全面等诸多优点；Web网站服务器采用最新的阿里云服务器，与一般的物理服务器对比，云服务器有成本低廉、部署快捷和扩展性好等优点；此外，由于水轮机工作环境普遍存在电磁干扰严重、噪声污染较大等特点，这就对硬件传感器的屏蔽特性提出了更高的要求，还需要考虑防水防潮等因素。

5.2 数据通讯技术

5.2.1 本地服务器与PLC通讯

在本系统中，本地服务器为现场服务器，其采用ModbusTCP协议与下位PLC可编程逻辑控制器建立通讯，获得振动传感器、闸门高度传感器等的各类传感器的实时监测数据，如图3所示。

图3 ModbusTCP协议数据读取流程图

5.2.2 云服务器与PLC通讯

采用云服务实现PLC可编程逻辑控制器与数据中心之间的通讯具有显著的优点，如图4所示，既可以避免由于现场物理服务器意外故障而导致的监测中断、数据损毁和数据丢失等问题，又可利用外部优质资源提供更加良好的服务。

由图4可知，当PLC与数据中心进行通信的时候，还需要部署一台独立的现场工控机来充当通讯介质，基于ModbusTCP网络通信协议实现与PLC的通讯，进而完成数据之间的相互传输。媒介工控机经过VPN（Virtual Private Network）系统将其从PLC可编程逻辑控制器那里所获得的数据帧输送给阿里云服务器，阿里云服务器通过解析报文获得所需要的信息。

图4 通讯原理示意图

5.2.3 远程客户端与云服务器间通讯

阿里云服务器通过Web服务接口实现与远程客户端之间的数据通讯，具体过程：Web服务可以为远程客户提供获取云服务器数据信息的接口，通过该接口远程客户即可实现对水电站水轮机组的实时监测。与此同时，远程客户端还可将控制质量输送到阿里云服务器数据库里面，完成更便捷的远程监测与控制，如图5所示。

图5 Web服务流程示意图

6 系统软件开发

6.1 系统功能架构

本文水电站水轮机组远程监测系统的基本功能架构如图6所示。

图6 系统软件架构示意图

6.2 系统管理功能

系统管理模块主要包含系统日志和系统登录2个子模块，主要实现登录人员的信息综合管理功能，并依据岗位功能设置及级别划分登录权限，确保不会发生泄密事件。

6.3 用户管理功能

用户管理模块主要包含用户注册、密码管理2部分，其中，用户注册主要是开展专家、管理人员、员工注册登记；用户密码管理主要实现密码的设置、更换及找回，其中，密码找回采用手机号验证码方式。

6.4 数据管理功能

水电站水轮机组各类数据是本系统的核心支撑资源，主要包括实时监测数据和历史运行数据。数据管理功能主要包括数据记录、历史查询、生成报表3个子模块，其中，数据记录是将系统所采集到的实时运行数据存储在云服务器上，并在系统应用程序界面上进行动态显示；历史数据是指存储在云服务器数据库里的水轮机组历史运行数据，可通过本地、远程等方式进行数据查阅及分析，实现水轮机组各类故障追踪。

6.5 设备管理功能

设备管理功能主要包含参数设置、在线监测2个子模块，其中，通过参数设置可对系统的初始参数进行设置及调整；在线监测子模块可实时监测各类传感器、发电设备等的运行参数。

6.6 专家系统功能

水电站水轮机组远程监测系统的专家系统主要包括诊断、预测两大部分，其中，专家诊断部分基于专业分析软件，实时进行在线监测，并基于专业化的故障数据模型，自动开展数据分析及故障诊断。专家诊断及预测过程可以自动运行，无需人工进行干预，可以帮助机组运行维护人员提前发现机组运行的异常状态和故障。

7 结束语

现阶段，水轮机组远程监测作为水电站状态检修的技术基础，正逐步在越来越多的水电站推广应用，并逐渐成为各大水力发电企业的必然选择。本文简要介绍了国内外远程监测技术发展现状，简单总结了水电站水轮机组管理存在的问题，以水电站水轮机组为基本研究对象，进行了水电站水轮机组远程监测系统需求分析及系统总体结构设计，阐述了系统的主要功能，可为其他在建同类型水电站规划、设计、选型和实施状态监测系统提供有益借鉴。