电厂实时动态3d水平衡监测系统及其工作方法

电厂实时动态3d水平衡监测系统及其工作方法
【技术领域】：
[0001] 本发明涉及一种基于实时监控、可视化表达、数据分析和数据挖掘的电厂水平衡 监测系统，尤其是能动态地追溯水平衡变化的过程，分析内在变化规律，用以优化工艺流 程，为电厂节水措施的制定提供依据，尤其是一种电厂实时动态3D水平衡监测系统。 (二)
【背景技术】：
[0002] 目前，公知的电厂水平衡试验，是以DL/T.606.5-2009《火力发电厂能量平衡导则 第5部分:水平衡试验》以及其他相关的规范为技术依据，对电厂各种取水、用水、排水和耗 水水量进行阶段性测定，用以查明电厂用水情况，正确评价发电厂用水水平，为制定合理的 单位发电量取水量、耗水量等定额指标提供依据。监控系统方面，目前电厂普遍使用的PI系 统是一个可扩展的标准接口库，能够连接多种不同运行模式的过程监控系统或自动操作系 统等，用以采集和存储现场生产数据，执行后台计算。
[0003] 但是，水平衡试验不论是否停水进行，都仅能准确反馈测试期间的平衡情况，而非 实时的、动态的平衡结果。且一般情况下火电厂的水平衡试验均为3~5年一次，空白期间的 用水情况在一定程度上缺乏监管，若在此期间出现问题则难以及时发现解决，容易导致单 位发电量水耗超标等水资源利用不充分或浪费的现象。同时目前普遍使用的监控系统，所 得数据仅能作出基础的分析，例如数据超限、数据分布情况等，在针对决策的辅助功能上存 在缺失，难以满足日益增长数据分析和应用需求。 (三)

【发明内容】

[0004] 本发明的目的是为了克服现有水平衡试验的阶段性和传统数据应用缺乏适应性 和决策辅助性的不足，本发明提供一种基于实时监控、可视化表达、数据分析和数据挖掘的 电厂实时动态3D水平衡监测系统，该监测系统不仅能实时动态的反映水平衡的变化情况， 而且能对数据进行深入挖掘，根据气候变化、水温变化因素对工艺运行参数的优化提出有 针对性的辅助建议。
[0005] 本发明的技术方案：电厂实时动态3D水平衡监测系统，其特征在于它包括：
[0006] 数据采集模块:用于采集流量数据；
[0007] 数据传输模块:实时回传数据采集模块采集的数据；
[0008] 数据存储模块:监控中心；
[0009]数据分析应用模块；
[0010]所述数据采集模块在各采集点采集水量数据，通过数据传输模块将数据传输至数 据存储模块，数据存储模块将数据传输至数据分析应用模块。
[0011] 所述数据采集模块包括具有记录瞬时流量和累积流量的功能的表计和辅助测量 仪表;所述数据采集模块设置在需要采集数据的管道上。
[0012] 所述表计采用插入式电磁或超声波流量计用于不允许断管安装表计的生产区部 分，采用旋翼式水表用于生活区部分及冲洗部分。
[0013] 所述数据传输模块采用无线方式进行，同时采用保证数据传输不被磁场干扰的通 讯网络。
[0014] 所述数据传输模块采用物联网无线通讯技术。
[0015] 所述数据传输模块采用GPRS、ZigBee、卫星通讯或射频相结合的通讯方式;一个移 动基站理论上可覆盖半径约30公里左右的范围，且考虑到大部分的电厂设置在远离城市中 心的位置，干扰较少，所以工业水源地与离厂区距离在30公里之内的采用GPRS通讯方式;水 源地距离超过30公里的，需要监控范围较大的情况下，宜采用卫星通讯保证数据的有效及 时传输;厂区内水表数据采集通讯网络采用ZigBee网络；生活区表计通讯采用射频数据通 信方式。
[0016] 所述数据采集模块通过远程I/O采集装置采集辅助参数;所述辅助参数包括必要 参数和电厂DCS可共享数据;所述必要参数包括压力、温度、液位;所述电厂DCS可共享数据 包括水质，湿度、烟气含量特殊工艺参数。
[0017] 所述数据存储模块内存储有计算数据及分析用软件，计算数据包括全厂总取水 量、总用水量、复用水量、循环水量、消耗水量、总排水量、回用水量、损失水率和循环水浓缩 倍率以及全厂发电取水量、单位发电量取水量;所述分析用软件包括数据采集处理层软件、 工艺表现层软件、分析应用层软件，所述数据采集处理层软件包括Microsoft WinServer、 Sql Sever数据库、GPRS数据采集软件、Modbus数据采集软件及数据处理平台软件;所述工艺 表现层软件包括Win764位、0PC通讯软件、iConics SCADA Server软件及iConics C/S客户 端软件;所述分析应用层软件包括iconics实时历史数据库、iconics EMS应用服务器软件、 iConics EMS能源资产软件、iConics FDD资产软件、iConics AnalytiX客户端软件、 iConics报表服务器软件。
[0018] 所述数据存储模块包括数据服务器、3D图形计算机、网络设备;所述数据服务器采 用DELL PowerEdge机架式服务器;所述3D图形计算机采用DELL高端3D计算机和NIVIDIA顶 级显卡;所述网络设备采用思科品牌设备。
[0019] 所述数据分析应用模块采用用于附属建筑物建模的3DMax软件、用于设备建模的 SoildWorks软件、用于管线建模的BM-Revit软件、数据采集处理层软件、工艺表现层软件 以及分析应用层软件;所建模型均导入工艺表现层软件，通过分析应用层软件进行分析;所 述工艺表现层软件包括Win764位、0PC通讯软件、iConics SCADA Server软件及iConics C/ S客户端软件;所述分析应用层软件包括iConics实时历史数据库、iConics EMS应用服务器 软件、iConics EMS能源资产软件、iConics FDD资产软件、iConics AnalytiX客户端软件、 iConics报表服务器软件、ReportWox〇
[0020]所述所建模型首先由3〇11^1、3〇;[1(^048、1^￥；[1:制作及精细化，再转换格式导入 iConics组态软件，iConics进行3D模型的上色、状态和数据链接、动画制作、运行轨迹、3D组 态的工作。
[0021 ] -种电厂实时动态3D水平衡监测系统的工作方法，其特征在于它包括以下步骤：
[0022] (1)数据采集模块采集全厂表计实时数据，通过数据传输模块传送至数据存储模 块，并储存入数据服务器；
[0023] (2)数据存储模块获取数据后，将数据输入至数据分析应用模块；
[0024] (3)数据分析应用模块对实时数据进行分析，通过2D、3D、曲线、报警多重形式，直 观展现实时数据，反映工艺实际运行状态。
[0025] 所述步骤（1)中数据采集模块采集全厂表计实时数据后，GPRS数据采集软件通过 GPRS网络采集水库来水水表的数据;Modbus数据采集软件通过ZigBee网络采集厂内水表数 据;数据处理平台软件将采集软件获取的数据存入SQL数据库。
[0026] 所述步骤(3)中数据分析应用模块的工作过程为:0PC通讯软件从数据服务器中挖 掘数据，传递给iconics平面、报警、趋势、实时历史数据库、统计分析组件；采用iconics Genesis643D组态系列软件作为系统组态平台，其中采用iconics SCADA Server软件建立 人机界面展示平台服务器，在该平台上进行2D、3D组态界面的编辑开发，并将测试完毕的组 态页面发布到Web系统内，由iconics C/S客户端通过网络访问浏览;iconics C/S客户端按 照个数授权，通过软件客户端或IE浏览器访问发布页面;分析应用层软件通过历史数据库 记录从0PC获取的实时数据，然后以历史数据为基础，用于趋势分析、报警频率统计分析、能 源统计分析、运行报表生成；
[0027] iconics实时历史数据库用于海量数据的存储和监视，在线存储每个工艺过程点 的多年数据，提供清晰、精确的操作情况画面；
[0028] iconics EMS应用服务器、iconics EMS能源资产实现对系统水耗的统计、分析、预 警；
[0029] iconics FDD资产软件以ICONICS先进的故障检测和诊断(FDD)引擎作为核心，内 部算法会权衡各种故障可能性，并据此提醒管理者，操作人员和维修人员，采取措施以防设 备故障发生或者产生能源浪费；当设备发生故障时，自动提供可能故障原因的分类列表； [0030] iconics AnalytiX客户端软件整合展示EMS和FDD分析结果，能够嵌入SCADA Server用于Web发布；
[0031 ] iConics报表服务器软件通过MicrosoftExcel .NET"插件"创建并管理可订制的报 表。
[0032]本发明的工作原理:采用工业组态软件显示现场工艺流程，将水系统以平面和三 维相结合的方式直接展现在监控界面，各个用水区域供、回水及其流量或累计值明确显示 简洁直观，便于操作人员了解和管理厂区用水动态。
[0033] 实时数据采集和统计应用方案：将各点数据通过前端表计或读取现有系统的方 式，利用无线网络采集起来，录入数据库系统，监控系统内不但包含了各用水点的取水排水 数据，还有计算数据，如全厂总取水量、总用水量、复用水量、循环水量、消耗水量、总排水 量、回用水量、损失水率和循环水浓缩倍率以及全厂发电取水量、单位发电量取水量等，为 数据积累和分析奠定基础，并根据电厂实际情况进行具有针对性和实用性的数据应用，辅 助于电厂节水措施的制定。
[0034] 可视化趋势图和分析图方面:将用水趋势图和生产情况结合起来，直观的进行观 察和判断，保证技术和管理人员在生产运行中有效的对各系统水量进行监测和管理，做到 水系统严密无泄漏，启动过程中水量损失少，正常运行后处于最佳工况。
[0035] 前瞻性预判方面:在传统的数据超限报警基础上，增加数据变化趋势异常预警和 报警频次异常预警。在运行过程中，如发现某系统用水超出同工况历史水平，或某单元用水 供、回不平衡时，系统会启动报警功能，提示相关人员现场检查，查找原因，及时调整回正常 状态。
[0036] 数据应用功能方面:通过数据发掘和处理建立弹性数学模型，在一个周期(6个月） 以上的运行后，通过数学运算提供有针对性的运行优化参数，为管理人员提供不同季节、不 同发电负荷下的用水量、单位发电取水量等，方便制定下一周期的用水计划，为下一周期节 水方案制定提供依据。
[0037] 本发明的技术效果：1.通过数据分析找出用水量变化与发电负荷之间的关系，计 算不平衡率，以此为电厂节水措施的制定提供科学依据;2.建立气象、蒸发量、降雨量等需 要估算的水量估算模型；3.依托现有工艺流程，加大对厂区废水排放及设备反洗水的监控 力度。通过对排水水质的监测，统计出各系统排水的水质情况(从电厂获取水质数据），为电 厂选择废水回用系统做数据支撑;4.借助于快速及时的数据采集和回传，提升水管网监控 密度和频率，提高监控的精确度。用实时数据反映过程的真实变化，而非某一特定时间段内 的阶段性情况;5.通过一段时间的数据采集和积累，分析并找出导致水系统不平衡的因素， 其中包括:人为操作的惯性、设备运行使用情况、发电供电时段，发电负荷、水质、气候季节 等动态的变化因素，最终归纳计算出分别对应各类情况的变化系数，用以科学的修正运行 参数，以维持水系统的动态平衡关系；6.在使用循环冷却系统的电厂中，通过数据采集分 析，得到气象因素、蒸发量与现有冷却塔运行数据之间的数学关系，通过论证后，考虑在冷 却塔的改造中进行尝试性试验，作为不同运行情况对比的依据;7.建立不同情况下的弹性 关系数学模型，为工艺参数的调整和修正做数据基础。以此加强对水系统用水、排水、耗水 水量的控制，并在当前运行环境改变时做出预警，提醒工作人员及时调整运行参数，从而达 到减少取水量的目的；8.对同系统不同时间段用水量的变化做趋势监测，并与发电负荷的 趋势曲线拟合，预判系统用水异常;对不同系统单位用水量作常态监测，并划定平衡线，当 某系统单位发电负荷用水量超过自身常态时可触发预警；
[0038] 本发明的优越性：1.通过数据统计分析，找出用水量与发电负荷的不平衡因素，计 算不平衡率；
[0039] 2.利用数据分析的结果，依托现有工艺及设备，最大限度减少水资源用量，为制定 切实可行的节水方案提供数字依据；
[0040] 3.利用采集到的数据，建立发电负荷与用水量、气候、人为操作、外部环境等影响 因素之间的数学模型，并基于数学模型，对全厂水平衡以及各系统水量的平衡状态和变化 趋势做出针对性预测；
[0041 ] 4.针对水耗量较大的关键环节，例如循环冷却系统，做重点数据采集和分析，建立 具有针对性的数学模型；
[0042] 5.建立不同系统单位用水量的常态监测及异常监测，在保证常态监测的前提下， 能够及时对异常数据作出预警反应，降低损失概率；
[0043] 6.创建全厂水系统3D监控，借助于实时数据和3D表达的优势，准确反映水系统管 网的空间位置关系、各类不易检查和维护的埋地管线也能够通过3D监控真是的反映给管理 人员，减少由于传统平面监控难以全方位关注造成的管网"跑冒滴漏"问题，及时反映管网 真实运行情况，将水系统监控上升到动态实时监测、数据可视化表达的新高度；
[0044] 7.建立覆盖全厂的无线通讯网络，保证数据采集的实际有效性和数据上传的及时 性；
[0045] 8.通过采集实时数据反映用水量变化情况，保证监控精度和数据更新频率；
[0046] 9.本发明的应用，能够在3D环境下进行实时可视化数据挖掘，提高传统监控系统 的监控性能。解决传统水平衡试验只针对阶段性情况的问题，动态实时监控提高了监控的 及时性，真正意义上做到全方位、全过程的监控;且全面的动态监控以及数据应用有效降低 了对人员的依赖性，电子资料库的建立大大降低了资料查找的时间，全面提高了监控效率 和人员工作效率;各类可视化数据报表保证信息和诉求的准确传达，满足操作与使用要求； 同时通过3D实时动态监控，可以及时发现解决管线老化失修造成的问题，有效延长管道使 用寿命；
[0047] 10.本发明采用物联网无线通讯技术进行数据采集和传输，避免了大量土方工作， 节约成本，且不存在信息安全问题;硬件设备也具有可扩展余量，监控组态的设计操作符合 工业标准，人机交互清晰准确，信息表达全面。 (四）
【附图说明】：
[0048] 图1为本发明所涉电厂实时动态3D水平衡监测系统的结构框图。 (五)
【具体实施方式】：
[0049] 实施例1:电厂实时动态3D水平衡监测系统(见图1)，其特征在于它包括：
[0050] 数据采集模块:用于采集流量数据；
[0051 ]数据传输模块:实时回传数据采集模块采集的数据；
[0052]数据存储分析模块:监控中心；
[0053]数据应用模块；
[0054] 所述数据采集模块在各采集点采集水量数据，通过数据传输模块将数据传输至数 据存储分析模块，数据存储分析模块根据数据分析的结果控制数据应用模块。
[0055] 数据采集、表计安装与监控中心建设：
[0056] 数据采集
[0057]本系统设计系统采用GPRS(卫星通讯）、ZigBee、射频相结合的通讯方式。
[0058] 卫星通讯和GPRS通讯均适用于远距离信号的传输，同等情况下卫星通讯的信号传 输速度更快。
[0059] 具体选择时应结合实际情况，主要工业水源地距离厂区较近的采用GPRS通讯方式 即可满足，GPRS网络依托中国移动GSM通讯网络，覆盖范围广、传输速率高，具有良好的实时 在线响应与处理能力，能够同时实时收取、处理多个测点的数据，适用于频繁的数据传输， 且使用费用相对较低，并可以很好的规避ZigBee长距离通讯的弱点。安全方面需要将通讯 服务器的一个通讯端口映射至公网。因为该端口进出的所有数据必须经过GPRS通讯软件的 校验，所以不存在安全问题。
[0060] 水源地距离较远，需要监控范围较大的情况下，宜采用卫星通讯保证数据的有效 及时传输（目前我国自主研发的北斗卫星通讯系统也逐步在向非军用领域扩展）。在确定通 讯方法的同时需兼顾考虑施工协调以及未来的维护便利，充分考虑通讯质量。
[0061] 2.根据电厂的实际情况，综合考虑WiFi、ZigBee、数传电台等多种方式。比较后，选 取ZigBee网络作为厂区内水表数据采集通讯网络，并且ZigBee通讯在类似项目中已取得成 功经验。
[0062] ZigBee通讯系统具有短距离信号稳定、单通讯点传输多组信号、传输频率快、使用 寿命长、免维护、无使用费用等多个优点，可以较为解决水表信号在复杂环境下的通信远 传。在组网方面，ZigBee通信网络支持多达65535个节点，并且十分易于无线信号的中继和 路由，组建多节点远距离的网络非常容易。
[0063] ZigBee通信网络在中心节点的协调下自动组网，中继路由节点自动选择最佳的路 由路径。如果网络路由路径遭到破坏(如某个中继路由节点(R)损坏或断电时），网络能根据 算法自动寻找新的路由路径并重新链接附近的其它中继路由节点，达到自动修复路由路径 的目的，保证网络畅通，提高通讯网络的可靠性。
[0064] 3.生活区表计通讯方面，考虑到生活区建筑物较为密集，且不存在大型的机器设 备和强烈电磁波的干扰，故选择适