一种抽水蓄能机组过渡过程智能监测、反演和预测系统的制作方法

本发明属于抽水蓄能电站运维领域，特别涉及一种抽水蓄能机组过渡过程智能监测、反演和预测系统。

背景技术：

1、在机组性能评估和健康评价方面，许多成熟的智能系统在水电厂状态监测技术中得到了应用，如德国申克公司的vibrocontrol4000系统和瑞士vibro-meter公司vm600系统，以及美国与加拿大两国的研究机构协作开发的水轮机汽蚀监测系统等。国内针对水电机组状态监测系统的研究起步较晚，自20世纪90年代开始，水电部机电研究所、南京工学院和南京无线仪器厂协作研发的nw6231型水电机组监测分析系统，用于机组振动在线监测；以华中科技大学为代表的国内一批高等院校也针对水电机组的状态监测进行了一系列的研究。但系统存在功能分散、系统冗余、评价方法单一等缺点。

2、在故障预警及反演预测方面，基于故障树理论、专家系统的故障诊断方法得到大量研究，神经网络、群智能优化、人工智能、机器学习等新兴的信息技术也逐渐引入到水电机组的故障预警中，这对提高机组运维水平具有积极意义。然而上述技术中采用的模型均为数据驱动模型，缺乏抽蓄机组运行机理支持，难以适应机组全生命周期的故障预警及反演分析。

3、结合国内外研究概况，现有研究存在以下局限性：1）目前尚未见数字孪生在抽水蓄能运维领域的应用，孪生模型中仿真精度与计算实时性之间的矛盾协调是亟待突破的技术瓶颈；2）由于存在功能分散问题，所以现有的孤立系统较多，并且很难结合到整个水电厂监控系统中，信息共享性差，资源利用率低，不仅造成后期系统维护工作量大，而且会有许多重复性、冗余性的工作，降低整个系统运行的经济性；3）对抽蓄机组过渡过程研究多集中在设计及调试阶段，在运维阶段往往低估了过渡过程的重要性，机组过渡过程工况数据通常难以完整保存，且不具备反演预测功能；4）抽蓄电站的运行事故通常发生在过渡过程中，但目前电站却缺乏相应的监测或预测系统，一些关键的故障运行数据往往缺失，不利于事故的反演分析。而且抽蓄电站生命周期的演变是一个状态劣化的过程，事后维修、定期检修的传统运维模式不利于机组的安全高效运行。

技术实现思路

1、鉴于背景技术所存在的技术问题，本发明所提供的一种抽水蓄能机组过渡过程智能监测、反演和预测系统，采用模型驱动和数据驱动双驱动模式，实现孪生抽蓄机组的虚实交互、全天候过渡过程预测及孪生模型自学习功能。

2、为了解决上述技术问题，本发明采取了如下技术方案来实现：

3、一种抽水蓄能机组过渡过程智能监测、反演和预测系统，包括设备层、数据层、孪生层和服务层；设备层包括用于实时获取抽水蓄能机组的水力、机械和电气运行数据的传感器，传感器通过硬接线方式与真实水电控制设备互联构成闭环控制实现虚实交互功能；数据层主要由实时数据库、关系数据库、专家知识库和文件系统组成，数据层用于将设备层采集到的水力、机械、电气运行参数被分级分层分类存储；孪生层包括数字孪生模型的建模与应用，孪生层采用模型驱动与数据驱动双驱动模式，孪生层以数字孪生模型为核心的孪生机组具备与真实机组虚实交互的功能并具备模型参数的校正更新能力；服务层用于采用bim技术进行抽水蓄能系统的三维建模与关键信息直观展示，服务层基于数字孪生模型的过渡过程预测与实测运行数据进行一维的时域参数展示，并针对调试运行、在线监测、实时仿真、反演预测、故障预警和事故分析六个功能分别开展前端界面设计并可视化。

4、优选地，设备层还包括数据采集仪、数据交换机、指令台、智能系统终端和数据服务器；数据采集仪包括机组数据采集仪、电气系统数据采集仪和水道数据采集仪；智能系统终端通过数据交换机与机组数据采集仪、电气系统数据采集仪和水道数据采集仪电连接；智能系统终端通过指令台与指令台远程端电连接；智能系统终端与采集仪远程端电连接；智能系统终端与数据服务器电连接；数据服务器与监控系统电连接；监控系统分别与指令台和监控远程端电连接。

5、优选地，传感器包括水击压力传感器、压力脉动传感器、差压传感器、电磁流量计、主接力器行程传感器、球阀接力器行程传感器、水轮机轴力矩传感器、机组转速传感器、机组振动传感器、主轴摆度传感器、球阀振动传感器和压力钢管振动传感器；

6、优选地，指令台具备调试运行工况指令和正常运行工况指令两类功能，指令台与监控系统是双向通信。

7、优选地，监控系统触发指令台向数据采集仪发出采集指令，对每一次的过渡过程形成独立数据包，以供过渡过程实测反演分析和预警；监控系统在下达操作相关控制设备指令的同时，触发指令台向数据采集系统发出采集指令。

8、优选地，数据采集系统停止采集的指令由指令台根据过渡过程工况性质在下达启动指令的同时下达停止采集指令，或者由数据采集仪自动判别各种物理量波动情况，设定相应的带宽，自动停止采集。

9、优选地，数据服务器由数据接收服务器、数据处理服务器及web服务器构成，数据接收服务器用于接收采集系统数据，数据处理服务器用于存储并处理数据，web服务器用于运行网上信息发布服务；数据服务器用于与指令台连接向各台数据采集仪下达指令的功能，汇总采集数据形成工况数据包的功能，数据服务器具备前处理功能、数据显示功能和数据处理功能，同时将工况数据包存储在数据服务器内。

10、优选地，孪生层包括处理与挖掘模块，处理与挖掘模块用于进行数据清洗、数据分析和数据挖掘。

11、优选地，孪生层包括数字孪生模块，数字孪生模块用于进行抽水蓄能机组数字孪生模型构建和数字孪生功能开发；

12、优选地，服务层包括健康评估模块、故障预警模块和前端可视化模块；健康评估模块基于实时运行数据，采用模糊层次分析法对机组状态进行健康评估；并基于过渡过程预测数据，对机组潜在的事故工况过程进行评估，分析过渡过程优劣，在调试和检修时，对虚实交互过渡过程数据进行评估，用于不同控制策略进行优化比选；故障预警模块采用故障树理论或专家语义网络，建立一套有针对性的故障诊断知识库，根据运行数据定位故障类型和原因，故障预警模块用于在极端工况下，当系统的过渡过程预测中调节保证值超标后，发生预警；在正常运行工况下，当健康评价值低于控制值，则发出预警信号；前端可视化模块基于bim的三维可视化技术，直观呈现电站系统各设备，标注各传感器测点位置，并实时显示运行数据。

13、本发明可达到以下有益效果：

14、1）本发明提出的基于抽水蓄能机组全生命周期的数字孪生模型，采用模型驱动和数据驱动双驱动模式，实现孪生抽蓄机组的虚实交互、全天候过渡过程预测及孪生模型自学习功能；

15、2）本发明提出的基于抽水蓄能过渡过程健康评估和故障预警新技术，助力抽水蓄能机组由人工经验运维到智慧运维的模式升级；

16、3）本发明涉及的水-机-电耦合系统多源异构状态量监测及海量运行数据挖掘关键技术，为抽水蓄能电站分布式数据采集、数据分析、数据挖掘提供了技术支持；

17、4）本发明应用于抽水蓄能电站可以提高机组安全性，全天候预测电站极端工况过渡过程，实现安全预警；提高设备利用率，进行状态监测与健康评价，避免非计划停运；延长机组运行寿命，进行劣化趋势分析与故障预警，减少机组早期故障运行；优化机组运行策略，用于整定控制参数、优化启闭规律，指导抽蓄机组运行。