CN110879151B - 基于运行大数据的燃气轮机远程监测和诊断系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于运行大数据的燃气轮机远程监测和诊断系统及方法。其特征在于，包括用于采集燃机运行过程实时数据的数据采集单元，用于实现数据远距离传送、储存以及海量数据管理的实时数据库管理单元，用于分析预测燃气轮机性能、效率、可靠性和安全性衰退等情况的燃气轮机状态预测诊断单元，用于针对设备劣化情况合理安排检修的检修指导单元，以及用于多平台查看分析诊断结果的诊断分析报告单元。本发明可以用来进行燃气轮机远程监测、数据分析和诊断，实现了基于状态的燃气轮机运行维护，提高了燃气轮机的运行安全水平，并最大限度地降低了运维成本，有效提升了燃气轮机电厂的数字化和智能化运行维护水平。

Description

基于运行大数据的燃气轮机远程监测和诊断系统及方法

技术领域

本发明涉及一种基于运行大数据的燃气轮机远程监测和诊断系统及方法，属于燃气轮机技术领域。

背景技术

燃气轮机作为一种应用广泛的能量转化装置，起停迅速，运行灵活，具有节能减排、提高供电安全性、有助于电力与燃气供应削峰填谷以及促进循环经济发展等诸多优势。在发电领域，燃气轮机发挥着越来越重要的作用，其可靠、平稳、经济运行对于生产生活具有十分重要的意义。

在实际生产过程中，燃气轮机运行条件要求比较苛刻，一旦发生故障将产生比较严重的后果。虽然燃气轮机控制系统具有故障报警和一定的容错控制功能，但报警功能仅能判别当前运行工况未超过运行的限值，不具备预测和诊断能力。燃气轮机控制系统未报警的工况下，燃气轮机可能已处于危险的运行区域，此种运行状态轻则引起性能下降，影响可靠性和安全性，重则引发安全事故，对电厂造成严重损失。

在燃气轮机运行维护领域，通常采用按预先规定周期实施的“计划维修”方法。计划维修虽然是一种预防性维修方式，但很难预防燃气轮机的灾难性故障，经常会造成不足维修和过剩维修。因此，对于燃气轮机来说，如果能够基于运行大数据较准确地预测燃气轮机系统的健康状态，依据其健康状态预知系统发生故障概率，并能够对故障的传播和发展趋势做出早期预测，由“计划维修”逐步过渡到“状态检修”，就能预防并且大大减少灾难性故障所造成的损失，提高燃气轮机的运行安全，并最大限度地降低运维成本。

发明内容

本发明目的是：提供一种基于运行大数据的燃气轮机远程监测和诊断系统，以满足国内燃气轮机发电领域的实际生产运行需求。本发明的另一个目的是提供一种基于上述系统的方法。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种基于运行大数据的燃气轮机远程监测和诊断系统，其特征在于，包括：

数据采集单元，用于采集被监视的燃气轮机设备的实时运行数据，将采集到的实时运行数据存储于实时数据库管理单元中；

实时数据库管理单元，用于接收并存储数据采集单元发送的数据，实现对海量数据的管理，并将存储的数据发送给燃气轮机状态预测诊断单元；

燃气轮机状态预测诊断单元，维护有针对特定燃气轮机创建的个性化的动态模型，燃气轮机状态预测诊断单元结合通过数据采集单元获得的数据和应有数值偏差分析各物理参数的关联性解耦分析对动态模型加以调整，并利用调整后的动态模型基于通过数据采集单元获得的实时运行数据对被监视的燃气轮机设备进行状态监测和诊断，并输出状态监测和诊断结果；

检修指导单元，依据燃气轮机状态预测诊断单元输出的状态监测和诊断结果合理安排对被监视的燃气轮机设备进行检修；

诊断分析报告单元，通过诊断分析报告单元在多个平台上查看燃气轮机状态预测诊断单元输出的状态监测和诊断结果。

优选地，所述燃气轮机状态预测诊断单元采用高性能服务器实现数据的计算分析；所述实时数据库管理单元采用光纤存储设备实现数据存储，并利用交换机实现与燃气轮机状态预测诊断单元的数据交换；

还包括大屏控制显示系统，大屏控制显示系统包括图形显示工作站、大型液晶显示屏及拼接控制处理器，由大屏控制显示系统对所述燃气轮机状态预测诊断单元输出的状态监测和诊断结果。

优选地，所述燃气轮机状态预测诊断单元利用已知信号的样值对未知信号样值进行预测，通过外推方法精确分析性能指标的变化趋势；支持线性外插和在线机器学习的外推算法。

优选地，所述数据采集单元利用电厂已有测量仪器仪表，通过电厂集散控制系统或厂级监控信息系统采集实时数据，支持实时数据采集方式和历史数据采集方式。

优选地，通过部署双机热备提高所述实时数据库管理单元的可靠性，所述实时数据库管理单元支持千万测点以上的标签存储和每秒百万级的数据存取，允许动态配置存储位置，支持线性扩充存储。

优选地，所述动态模型包括燃气轮机基础离线模型和代理基准模型，基础离线模型用于反映燃气轮机特有的基础运行状态，代理基准模型用于表征燃气轮机系统或部件健康状况，以监控可能发生的不同类型燃气轮机部件退化和燃气轮机性能劣化。

优选地，所述燃气轮机状态预测诊断单元依据状态监测和诊断结果生成预警信息，所述检修指导单元和所述诊断分析报告单元通过燃气轮机专家系统对预警信息进行分析判断，依据系统内置的运维检修规则集，系统自动建议维护动作，自动更新维护日历，针对燃气轮机部件和设备的各类型劣化情况安排提前检修；具备报告自动生成功能，允许用户个性化报告定制，并支持用户的多平台分析诊断结果查看。

优选地，所述实时数据库管理单元采用基于用户界面的控制台和命令管理对象和数据，所述实时数据库管理单元提供组态画面，灵活定制各种画面，发布后访问实时数据和历史趋势曲线；所述数据采集单元、所述实时数据库管理单元、所述燃气轮机状态预测诊断单元、所述检修指导单元及所述诊断分析报告单元之间的数据传输采用虚拟专用网络VPN加超文本传输协议HTTPS的双层防护保证数据安全。

本发明的另一个技术方案是提供了一种基于运行大数据的燃气轮机远程监测和诊断方法，采用上述的系统，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、根据燃气轮机发电厂运行维护需要，选择被监视的燃气轮机设备，确定远程监测和诊断的对象；

步骤2、利用实时数据采集单元，从被监测对象采集燃气轮机实时运行数据；

步骤3、针对特定燃气轮机创建个性化的动态模型，并结合测量数据和应有数值偏差分析各物理参数的关联性解耦分析加以调整，用来反映燃气轮机基准运行状态；

步骤4、利用实时数据库管理单元进行数据的传送、储存以及海量数据管理，通过优化的可视化界面实现对燃气轮机运行数据的处理；

步骤5、利用燃气轮机状态预测诊断单元，开展燃气轮机运行状态监测和诊断，由专业人员对生成的预警信息进行分析判断；

步骤6、通知燃气轮机负责人查找燃气轮机劣化具体原因，依据系统内置的运维检修规则集，建议维护动作；

步骤7、更新维护日历，针对燃气轮机部件和设备的各类型劣化情况安排提前检修。

优选地，步骤4中，数据存储时通过历史表在时间维度分割，实现快速对历史进行检索。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供了一种基于运行大数据的燃气轮机远程监测和诊断系统及方法，符合燃气轮机“计划维修”向“状态检修”过渡的要求，能够预防并且大大减少燃气轮机灾难性故障所造成的损失，提高了燃气轮机的运行安全，并最大限度地降低了运维成本。

本发明综合利用了传感器物联网、大数据挖掘以及诊断分析技术，进行燃气轮机远程监测、数据分析和诊断，实现基于状态的燃气轮机运行维护，有效提升了燃气轮机电厂的数字化和智能化运行维护水平。

附图说明

图1为本发明的一个较佳实施例的硬件系统整体架构图；

图2为本发明的一个较佳实施例的监测和诊断流程图；

图3为本发明的一个较佳实施例的远程系统数据传输基本架构图；

图4为本发明的从离线模型到维修决定的流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

如图1所示，本发明提供基于运行大数据的燃气轮机远程监测和诊断系统硬件包括：高性能服务器、光纤存储设备、大屏控制显示系统、交换机及相关设备等，其中高性能服务器用于承载来自燃气轮机电厂数据的计算分析；光纤存储设备用于数据存储；图形显示工作站、大型液晶显示屏、拼接控制处理器等用于构建大屏控制显示系统；交换机及相关设备用于进行数据交换。

基于上述硬件，本发明提供的一种基于运行大数据的燃气轮机远程监测和诊断系统包括用于采集燃机运行过程实时数据的数据采集单元，用于实现数据远距离传送、储存以及海量数据管理的实时数据库管理单元，用于分析预测燃气轮机性能、效率、可靠性和安全性衰退等情况的燃气轮机状态预测诊断单元，用于针对设备劣化情况合理安排检修的检修指导单元，以及用于多平台查看分析诊断结果的诊断分析报告单元。

数据采集单元，利用电厂已有测量仪器仪表，不需要新增测量仪器仪表设备；在电厂没有实时库时，首先在控制网络内部署接口机或在电厂操作员站上部署采集网关，通过DCS的OPC(OLE for Process Control)采集实时数据，再经由隔离器转发到部署在管理网的实时库；在电厂有实时库时，利用开发的专用采集驱动，通过实时库的标准接口OPC或Modbus接口进行直接配置；数据采集单元支持实时数据采集方式和历史数据采集方式。

实时数据库管理单元，用于燃气轮机运行数据的传送、储存以及海量数据管理，其数据采集网关支持主流设备的通信协议，并提供二次开发接口，允许以插件的形式部署到采集网关中，同时增加了量程变换和计算公式等功能，用来对数据进行加工变换；必要时，管理单元可以缓存一段时间历史数据，并支持数据的断点续传。

通过部署双机热备提高系统存储的可靠性，在后端的实时数据库系统中，支持千万测点以上的标签存储和每秒百万级的数据存取，允许动态配置存储位置，支持线性扩充存储。数据存储通过历史表在时间维度分割，物理表内部通过标签点的历史数据块进行组织，结合B+树和哈希索引，利用一级缓存，二级缓存策略，可以实现快速对历史进行检索。

实时数据库管理单元采用基于UI的控制台和命令管理对象和数据，包括管理用户、角色、权限、还原点、历史表、在线用户等信息，数据库严格按照用户、角色、权限进行组织鉴权；通过定义数据和历史的还原点管理灵活的实现备份和恢复功能；数据库提供基于浏览器/服务器模式(Browser/Server)的组态画面，可以灵活定制各种画面，发布后可以访问实时数据和历史趋势曲线。

燃气轮机状态预测诊断单元，包括燃气轮机基础离线模型，基础离线模型根据燃气轮机原始性能数据建立，根据可测量的燃气轮机运行参数(如燃料量、温度、压力、出力等)与燃气轮机性能参数间的约束关系，结合测量数据和应有数值偏差分析各物理参数的关联性解耦分析加以调整，用来反映燃气轮机特有的基础运行状态。

燃气轮机状态预测诊断单元包括详细离线模型生成的代理基准模型，代理基准模型修正了不同操作条件或环境条件对燃气轮机性能的影响，通过引入无量纲性能指标，表征燃气轮机系统或部件健康状况，用以直接反映燃气轮机性能降低的量，并允许根据需要定义不同的无量纲性能指标，以监控可能发生的不同类型燃气轮机部件退化和燃气轮机性能劣化。

燃气轮机状态预测诊断单元具备燃气轮机运行状态监测功能，并支持利用已知信号的样值对未知信号样值进行预测；常规状态预测采用线性外插，即基于卡尔曼滤波器拟合趋势函数，利用时序参数最后的一定数量的点做趋势回归，通过外推方法精确分析性能指标的变化趋势，用以预测机组的未来行为和性能衰退，预估需要采取行动前所剩余的时间，评定可行的补救措施；支持在线机器学习的外推算法。

检修指导单元，通过燃气轮机专家系统对预警信息进行分析判断，依据系统内置的运维检修规则集，系统自动建议维护动作，自动更新维护日历，针对燃气轮机部件和设备的各类型劣化情况安排提前检修。

诊断分析报告单元，具备报告自动生成功能，允许用户个性化报告定制，支持PDF、DOC、Excel、JPG、HTML等多种输出格式，并支持用户的多平台分析诊断结果查看。

本发明的系统数据传输采用双层防护保证数据安全，首先数据传输网络是VPN，其次传输数据网络是HTTPS。VPN与底层承载网络之间保持资源独立，即VPN资源不被网络中非该VPN的用户所使用，确保VPN内部信息不受外部侵扰；HTTPS方式通过安全套接层协议(SSL协议)和传输控制协议(TCP协议)进行通信，此方式具备加密、证书、完整性保护三大功能。

如图2所示，为本发明的一个较佳实施例的监测和诊断流程图。在该流程图中，本发明提供的基于运行大数据的燃气轮机远程监测和诊断方法，包括以下步骤：

步骤1、根据燃气轮机发电厂运行维护需要，选择被监视的燃气轮机设备，确定远程监测和诊断的对象；

步骤2、利用实时数据采集单元，从被监测对象采集燃气轮机实时运行数据。

步骤3、针对特定燃气轮机创建个性化的动态模型，并结合测量数据和应有数值偏差分析各物理参数的关联性解耦分析加以调整，用来反映燃气轮机基准运行状态。

步骤4、利用实时数据库管理单元进行数据的传送、储存以及海量数据管理，通过优化的可视化界面实现对燃气轮机运行数据的处理。

步骤5、利用气轮机状态预测诊断单元，开展燃气轮机运行状态监测和诊断，由专业人员对预警信息进行分析判断，

步骤6、通知燃气轮机负责人查找燃气轮机劣化具体原因，依据系统内置的运维检修规则集，建议维护动作。

步骤7、更新维护日历，针对燃气轮机部件和设备的各类型劣化情况安排提前检修。

如图3所示，为本发明的一个较佳实施例的远程系统数据传输基本架构图，燃气轮机运行数据采集自电厂控制网络，经由数据采集网关，传输至管理网建立电厂实时数据库，并经VPN设备和接收服务器，将数据引入监测和诊断系统内网，并最终用于诊断实时数据库和预测系统。

如图4所示，为本发明的从离线模型到维修决定的流程图，一方面，针对离线模型，引入了无量纲性能指标，修正不同操作条件或环境条件对燃气轮机性能的影响更进一步地，获取代理基准模型性能指标；另一方面，对燃气轮机测量数据进行修正，获取能反映燃气轮机实时运行状态的性能指标；比较性能指标，得到燃气轮机指标偏差，通过状态预测诊断单元偏的差模式分析进行诊断分析，结合基础离线模型和维护信息构建的运维规则集，得出维修决定。

以上所述，仅是根据本发明技术方案给出的某型燃气轮机远程监测和诊断系统实施例，并非对本发明作参数上限制，依据本发明提供的技术方案开展不同功率等级的燃气轮机远程监测和诊断系统，仍属于本发明权利要求书的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于运行大数据的燃气轮机远程监测和诊断系统，其特征在于，综合利用了传感器物联网、大数据挖掘以及诊断分析技术，包括：

数据采集单元，用于采集被监视的燃气轮机设备的实时运行数据，将采集到的实时运行数据存储于实时数据库管理单元中；

实时数据库管理单元，用于接收并存储数据采集单元发送的数据，实现对海量数据的管理，并将存储的数据发送给燃气轮机状态预测诊断单元，数据存储时通过历史表在时间维度分割，实现快速对历史数据进行检索；

燃气轮机状态预测诊断单元，维护有针对特定燃气轮机创建的个性化的动态模型，燃气轮机状态预测诊断单元结合通过数据采集单元获得的数据和应有数值偏差分析各物理参数的关联性解耦分析对动态模型加以调整，并利用调整后的动态模型基于通过数据采集单元获得的实时运行数据对被监视的燃气轮机设备进行状态监测和诊断，并输出状态监测和诊断结果；

检修指导单元，依据燃气轮机状态预测诊断单元输出的状态监测和诊断结果合理安排对被监视的燃气轮机设备进行检修；

诊断分析报告单元，通过诊断分析报告单元在多个平台上查看燃气轮机状态预测诊断单元输出的状态监测和诊断结果；

通过部署双机热备提高所述实时数据库管理单元的可靠性，所述实时数据库管理单元支持千万测点以上的标签存储和每秒百万级的数据存取，允许动态配置存储位置，支持线性扩充存储；

所述燃气轮机状态预测诊断单元依据状态监测和诊断结果生成预警信息，所述检修指导单元和所述诊断分析报告单元通过燃气轮机专家系统对预警信息进行分析判断，依据专家系统内置的运维检修规则集，专家系统自动建议维护动作，自动更新维护日历，针对燃气轮机部件和设备的各类型劣化情况安排提前检修；具备报告自动生成功能，允许用户个性化报告定制，并支持用户的多平台分析诊断结果查看；

所述实时数据库管理单元采用基于用户界面的控制台和命令管理对象和数据，所述实时数据库管理单元提供组态画面，灵活定制各种画面，发布后可以访问实时数据和历史趋势曲线；所述数据采集单元、所述实时数据库管理单元、所述燃气轮机状态预测诊断单元、所述检修指导单元及所述诊断分析报告单元之间的数据传输采用虚拟专用网络VPN加超文本传输协议HTTPS的双层防护保证数据安全。

2.如权利要求1所述的一种基于运行大数据的燃气轮机远程监测和诊断系统，其特征在于，所述燃气轮机状态预测诊断单元采用高性能服务器实现数据的计算分析；所述实时数据库管理单元采用光纤存储设备实现数据存储，并利用交换机实现与燃气轮机状态预测诊断单元的数据交换；

还包括大屏控制显示系统，大屏控制显示系统包括图形显示工作站、大型液晶显示屏及拼接控制处理器，由大屏控制显示系统显示所述燃气轮机状态预测诊断单元输出的状态监测和诊断结果。

3.如权利要求1所述的一种基于运行大数据的燃气轮机远程监测和诊断系统，其特征在于，所述燃气轮机状态预测诊断单元利用已知信号的样值对未知信号样值进行预测，通过外推方法精确分析性能指标的变化趋势；支持线性外插和在线机器学习的外推算法。

4.如权利要求1所述的一种基于运行大数据的燃气轮机远程监测和诊断系统，其特征在于，所述数据采集单元利用电厂已有测量仪器仪表，通过电厂集散控制系统或厂级监控信息系统采集实时数据，支持实时数据采集方式和历史数据采集方式。

5.如权利要求1所述的一种基于运行大数据的燃气轮机远程监测和诊断系统，其特征在于，所述动态模型包括燃气轮机基础离线模型和代理基准模型，基础离线模型用于反映燃气轮机特有的基础运行状态，代理基准模型用于表征燃气轮机系统或部件健康状况，以监控可能发生的不同类型燃气轮机部件退化和燃气轮机性能劣化。

6.一种基于运行大数据的燃气轮机远程监测和诊断方法，采用权利要求1所述的系统，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、根据燃气轮机发电厂运行维护需要，选择被监视的燃气轮机设备，确定远程监测和诊断的对象；

步骤2、利用实时数据采集单元，从被监测对象采集燃气轮机实时运行数据；

步骤3、针对特定燃气轮机创建个性化的动态模型，并结合测量数据和应有数值偏差分析各物理参数的关联性解耦分析加以调整，用来反映燃气轮机基准运行状态；

步骤4、利用实时数据库管理单元进行数据的传送、储存以及海量数据管理，通过优化的可视化界面实现对燃气轮机运行数据的处理；

步骤5、利用燃气轮机状态预测诊断单元，开展燃气轮机运行状态监测和诊断，由专家系统对生成的预警信息进行分析判断；

步骤6、通知燃气轮机负责人查找燃气轮机劣化具体原因，依据专家系统内置的运维检修规则集，建议维护动作；

步骤7、更新维护日历，针对燃气轮机部件和设备的各类型劣化情况安排提前检修。

7.如权利要求6所述的一种基于运行大数据的燃气轮机远程监测和诊断方法，其特征在于，步骤4中，数据存储时通过历史表在时间维度分割，实现快速对历史数据进行检索。

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