关于水电机组控制设备远程运营维护系统研究与实践
1研究现状
水电机组是一个水力、机械、电气三者耦合的高度复杂的非线性旋转机械设备系统，受诸多因素的影响，其产生的故障往往具有复杂性、相关性、延时性以及不确定性等;复杂的结构及组成部件高度的集成化使得水电机组运行过程中的故障率本能地高，故障类型也复杂;实际生产中发生的故障也是多种多样的，故障的表现形式不尽相同，其故障诊断中的每一环，包括信号采集、降噪处理、特征提取以及故障模式识别，任何一个环节都对其状态监测和故障诊断结果产生至关重要的影响。所以，有效判别机组的故障类型，及时处理故障是当今水电领域关注的重点，水电机组状态监视与故障诊断也一直是电力行业关注的热点。当下，我国的水电机组远程监视与诊断技术研究开发和实施正在快速发展中。近几十年来，有许多专家学者在这方面进行了广泛的探索和深入的研究，取得了不少成果，但要对水电机组构建一套非常完善实用的远程监视与诊断系统还有很长的路要走，尚需大家共同努力。
随着水电技术的进步和水电资源开发力度的不断加大，水电厂正朝着自动化、信息化、智能化的方向发展，水电机组作为水电厂的核心设备也在朝着大型化、精密化、自动化、集成化、复杂化等方向发展。由于水电在电网中占的比重越来越大，水电机组的安全运行不仅关系到水电厂自身的安全，而且影响到电网的安全，因此，水电机组的安全性问题受到极大的关注。为确保水电机组和电网的安全稳定运行、保障人员的安全、增加发电效益，必须对水电机组进行合理的维护和检修，从长远来看，对水电机组设备特别是机电控制设备进行远程在线运营维护是掌控水电机组安全的必由之路。
2机组设备状况与发展方向
目前水电机组设备所处的普遍状况是:
(1)设备安装的地域分布分散不集中，技术服务与维护的实时性不能得到很好的保证。
(2)设备后期维护成本过高，且服务质量受现场人员技术水平的制约，服务质量得不到保障。
(3)机组设备运行状况不能有效而充分地利用人们日益广泛应用的互联网工具进行远程专家会诊。
(4)设备制造商没有建立完善的设备运行数据库来利用大数据分析做技术和质量跟踪，从而推迟了设备改进时间。也就是说，形成不了水电设备生产业的新产业形态，做不到互联网+转型。
当今，对于大多数设备制造商而言，生产成本提高、技术门槛降低、市场竞争激烈，以及售后服务响应的及时性与高效性已成为赢得市场的重要手段。然而，传统售后服务的技术手段造成一旦设备或系统出现故障，专业工程师必须抵达客户现场进行设备维护，势必花费大量的人力成本与时间成本，间接造成设备或系统成本的增加。因此，为客户提供更为快捷的服务，减少客户的损失，同时最小化运行维护成本，使得远程诊断与维护手段成为客户和服务者都迫切需要解决的问题。此时，水电机组远程运营维护系统的研究一触即发。由于水电站计算机监控系统一般只有机组近端的单电站监视和控制功能，大多数不具备对多电站跨地域设备同时进行远程监视和控制的功能。随着智能制造、云计算、大数据、物联网、互联网+等革命性技术的发展，以及《国务院关于积极推进互联网+联行动的指导意见》和《国家发改委、国家能源局关于促进智能电网发电的指导意见》等文件的出台，未来水电站普遍将按远程集控、少人维护的原则设计并统一，此时，面对水电机组特别是控制设备的远程运营维护系统将应运而生。
3远程运营维护系统实施意义
(1)传统的设备运营维护方式运维成本高、时效低，水电机组控制设备远程运营维护系统(以下简称本系统)的建立既能满足电站控制设备的远程监视、远程排除故障、远程运营和控制的要求，又能提高机组设备制造商和电站现场的设备调试效率与管理水平，双方再投资少，间接地降低了设备制造商和电站双方的运营维护成本。
(2)通过建立设备远端(如武汉长控公司)与最终客户端的互动平台，机组控制设备调试、维护乃至培训都可在平台上进行，减轻了设备现场调试的繁重工作，服务的实时性和高效性也能得到充分保证。
(3)通过本系统，能实现多种设备、多个地域、多个专家互联互通。
(4)本系统不存在生态环境污染等相关问题，当水电机组设备发生故障时，可远方实时督导设备进行现场维护，有效地利用互联网工具进行远程专家会诊，节约了时间，提高了效率，使发电机组的利用率、水资源利用率也得到提高。因此，具有良好的经济效益、社会效益和生态效益。
(5)本系统将促进水电厂提高运行管理水平，逐步完成智能化电厂的建设目标。本系统代表着水电机组运营维护的发展方向。
(6)目前国内外还没有与水电机组控制设备远程运营维护系统相关的产品，是水电设备制造业的新产业形态，其应用将开辟水电机组运行维护新模式，是顺应国家政策、加速设备制造向技术服务转型和互联网+转型的典型范例。
4工业4.0时代所带来的契机
进入新世纪以来，特别是最近几年，信息化不断与工业化融合，通过物联网、云计算与大数据等IT技术应用，从而产生了一波新的工业革命。党的十八大提出:坚持走中国特色新型工业化、信息化、城镇化、农业现代化道路，推动信息化和工业化深度融合。工业4.0与我国力推的两化融合战略具有很高的共通性，两化融合是工业4.0实现的基础，中国版的工业4.0某种程度上即等同于两化深度融合。
通俗来说，互联网+就是互联网+各个传统行业，但它并不是简单的两者相加，而是利用信息通信技术及互联网平台，让互联网与传统行业进行深度融合，创造新的发展生态，让传统产业焕发新生。互联网+就是要在传统行业与互联网新技术之间建立连接，利用互联网信息技术对传统行业进行升级改造，使传统生产方式互联网化。因此，制定互联网+行动计划，积极开展工业4.0技术实践，将工业4.0引入水电机组控制设备制造行业，借力互联网+设备厂家，搞好电站机组控制设备远程监视、诊断、运行维护和技术服务等多方面的推广应用有非常重要的现实意义。
水电设备制造行业利润微薄，依靠技术进步降低成本、开拓市场、增加效益，正成为越来越多传统水电设备制造企业的自发选择。也正是在如此历史条件下，我们开发了水电机组控制设备远程运营维护系统。应该说，远程运营维护系统是随着互联网+、工业4.0等革命性技术的发展而产生的新概念、新技术;它以通信平台为支撑，以数据和信息精准实时、运营与维护远程支持、信息化和工业化深度融合为主要特征。
5水电机组控制设备远程运营维护系统
我们研究的水电机组控制设备远程运营维护系统主要包括机组控制设备的远程监视、远程控制、远程运行、远程诊断、远程维护、远程技术服务、远程培训等内容。
5.1机组控制设备现状
随着水电站自动化程度的逐步提高以及管理体制改革的逐步到位，对机组的检修、维护、运行、管理提出了更高的要求。作为水电机组的主要控制设备，如水轮机调速器、发电机励磁等，很有必要实施远程运营维护的功能。这个观点，在大型水电工程很容易达到共识，然而，在中小型水电站，特别是农村水电，往往不被重视。
据统计，1995年前建成5700多座近800万kW全国农村水电站。受当时技术水平和经济条件的制约，早期建设的农村水电站设备设施老化，能效逐年衰减，不仅大量浪费水能资源，影响河流生态环境，还带来不少安全隐患。十二五和十三五的绿色发展水电国家政策，通过国家资金扶持，推进老旧水电站增效扩容改造，不仅提高了水能资源利用效率，促进节能减排，保护河流生态环境，还能消除公共的安全隐患，并让当地农民群众受益。因此，中小型水电站机组控制设备的掌握和诊断非常值得关注。
中小型水电站装机容量小、基层组织人员少、技术与管理较为薄弱，这对综合自动化提出了更高的要求。中小型水电站基层组织人员少、技术力量相对薄弱，且工作任务繁重，一旦机组控制设备发生故障，很难准确地发现故障源，甚至对故障的描述也不一定全面准确。当机组控制设备运行出现故障时，往往自身难以解决，而小型水电站普遍位于边远地区，交通不便，更换故障自动化设备和元件或生产厂家提供售后服务的周期都比较长，这势必给电站带来较大的经济损失。因此，作为电站自动化核心构成的机组控制设备(如水轮机调速器、发电机励磁装置等)更加迫切需要获得远程技术上的支持。
5.2远程运营维护系统实现的功能与项目
在设备远端(如武汉长控总部)建立了水轮机调速器和发电机励磁装置远程运营维护中心，通过图像、声音、数据等多种信息将现场设备状态、现场图景发回远程运营维护中心;也可通过声音、图像同步等方式指挥现场人员动作，实现武汉长控水轮机调速器和发电机励磁装置专家团队对在线运行的调速器和(或)励磁装置进行远程运营维护服务(用户可以现场开通/关断远程运营维护服务功能)。其服务内容主要包括9项远程运营标配服务项目和5项辅助与支持项目。
5.2.1远程运营标配服务项目
(1)远程日常维护:每3个月自动对设备体检1次，出具体检报告，分析变化趋势、制定预防方案。其意义在于消除设备病灶，预防事故发生。
(2)远程指导试验:专家应约通过图像、声音、数据等提供远程同步指导现场试验，出具电子签批的试验报告发送用户，可有效节约厂家或试验院差旅和试验费用。
(3)远程诊断故障:一旦发生故障，关键数据自动传送到远程维护中心，中心立即组织专家会诊并出具电子签批诊断报告发送用户。若为了深度诊断，现场可用手持式远程监视装置，将相关设备状态抓拍或录像传回中心进一步分析。
(4)远程指导维修:专家远程出具电子签字建议维修工作票发送现场，并远程通过图像、声音等同步交流指导现场设备维修，犹如专家亲临现场维修。远程诊断故障和远程指导维修的意义在于提高处理效率40倍，减少停机发电损失(假设派员到现场需要48h，远程诊断及指导维修处理仅仅需要1h，可大大节约派员现场费用)。
(5)远程指导调试:在调试阶段，专家远程指导现场人员简单动作，远程调试设备、简单试验、调整参数等。专家通过远程观察图像、数据、声音等随时提醒、纠正、确认现场人员动作，以确保安全、准确，犹如专家亲临现场指导试验。其意义在于节约人力成本和设备调试费。
(6)技术咨询服务:随时留言或应约在线技术咨询服务，专家解答技术问题。其意义在于节约来厂学习时间及费用;随时解答技术人员问题。
(7)远程技术培训:远程教学或远程演示设备安装、调试、维修、保养等过程。通过图像、声音等交流、提问、解答等，完全与现场临摹学习效果一样。其意义在于节约来厂学习时间及费用，不断培养用户管理、使用、维护、维修设备等能力。
(8)远程设备验收:设备制造过程中，可按用户、设计院、厂家等共同商定的验收项目、时间及流程等远程验收。通过图像、声音、数据等取证、存档、电子签字等出具验收报告，达到来厂验收效果。其意义在于节约来厂验收费用。
(9)设备档案管理:全生命周期设备档案管理，供用户实时申请查阅。
5.2.2辅助与支持项目
(1)用户技术培训:每年2人次来厂技术培训。
(2)监视设备安装:现场指导监视设备安装并调试。
(3)定期现场巡检设备:每年提供我方专家免费到现场巡查或售后服务1次。
(4)网络通信设备1套:用于设备数据无线传输上网。
(5)远程监视设备1套:标准版。
6远程运营维护系统实施方案
远程运营与维护和远程诊断及维护都并非是全新的概念，过去就有借用PSTN网进行数据传输，这是一种电路交换方式，通俗地说就是通过电话交换网和MODEM建立的数据传输，因此线路和硬件成本低，曾经是一种切实可行的解决办法，但其数据传输率极低，已不适合现在的工业环境，并且要求客户端也要购买与服务端相同的组态软件，使用运行维护成本未见降低多少，所以现在已被逐渐淘汰。现阶段使用VPN，这是一种借助Internet网的远程访问方式，它解决了数据传输率的问题，但由于需要建立专用虚拟子网，使得服务商的投资和运维成本大幅提高，这些势必转嫁给客户，提高客户使用成本，同时这种方案要求客户有能力维护2套网络系统，因此，客户认为这种远程诊断方式得不偿失而不愿支持。当然，也可以借用现有的远程协助工具，这种方式看似没什么成本，但它们要求有1台接入Internet的现地PC机，而这些工具软件是民用化的设计，客户网络内的数据将暴露在Internet上，达不到工业级的安全性，且远程用户是得不到实时数据的，也不能准确地操控远方控制计算机(如PLC)，并不能进行远程维护;并且这种方式要求客户端也要购买与服务端相同的组态软件，成本也不见得低。
在这里，提出一种利用P2P方式穿透NAT(网
络地址转换)来解决VPN的高成本问题，利用分布存储形成的云数据库进行大数据回溯分析诊断低成本高效率方案。这个方案仅将1台中/低端服务器暴露在internet上进行网络路由分析(原理见图2，服务/客户端程序均为我们自主研发)，当虚拟链接建立后即可像内网一样通讯，同时这个过程对客户来说是透明的，不需要任何的专业知识。对于一些新型号的PLC(如M258、X20等)来说，此时已具备远程诊断条件。对于较早安装的PLC，它们不具备网络通讯能力，只要安装我们自主开发的串口转以太网的接口(市面上的类似接口均不具备NAT穿透能力)，就可以进行远程诊断和维护了。在这个方案中，客户端不需要安装PLC的组态软件，甚至不需要现场PC机，仅需接上我们开发的NAT接口就行，不需要更多的硬件和专业人员的投入。
本系统的技术设计思想如下:
(1)针对目前水电设备行业和互联网现状，利用现有的互联网资源，采用物联网模型，建立P2P链接，进行非对称大数据流传送，保障众多设备的实时采样数据畅通传送并通过语音、视频、数据的多播传送，进行远程督导维护和专家异地会诊。
(2)我们采用Nat穿洞方式，只需1台暴露在公网上的服务器就可实现远程设备与本地监控电脑穿越各自的子网建立直接连接(P2P连接)。开发具有Nat穿透能力的串口转以太网接口板，以及网关接口板，使现场设备可以直接透明地连接到服务端，减少客户的再投资。利用Nat穿透技术，建立P2P的数据交换(物联网模式)，节省网络建设和运营维护成本，大大降低投资和节约人力资源。
(3)建立分布式数据库作为对设备特征进行大数据分析基础;通过各种相关回溯算法建立设备运行特征曲线，方便日后使用方运行决策的制定，并可加快设备生产方技术革新速度。使用分布数据库，建立历史数据库，为远期规划中的基于大数据的设备运行分析系统创建基础。
(4)实现分布式数据库的安全共享管理，利用这种数据库进行大数据分析。目前行业内没有提出利用大数据进行技术革新的概念，原因在于设备数据库是集中式建立的，数据基本是采样数据，不具备大数据的特征。所以我们利用P2P的对等联接，在全网范围内实现数据相互共享。
(5)用P2P方式连接远程设备进行监控及设备诊断，这也是目前行业内暂时没有的远程服务系统，究其原因主要是P2P是进入21世纪后的新概念，而且P2P本身存在安全漏洞。因此，该方式的技术难点之一就是P2P数据传送的安全问题。当下，着力解决好UDP协议下大数据流的分解/组装和加密问题，才能确保海量数据的安全和实时性。
(6)安全加密工作处理:相对于传统客户/服务器模式的服务器可以做主动和被动的防御，P2P节点的安全防护手段匮乏，且P2P协议有缺乏必要认证机制的固有安全漏洞，没办法对黑客攻击进行可靠防御，所以针对P2P方式传输，我们采用消息摘要算法(MD)对每段Message(字节串)产生fingerprint(指纹)，并加入数字指纹认证技术(如MD5)防止监控数据被篡改并保证数据存储安全，同时使用主要应用于金融业的快速DES算法加密算法进行数据加密，防止数据在传输过程中被窃视[5]。
本系统对客户的网络要求极低，无论是内网、2G、3G，能用QQ的网络均可接入本平台，而且没有繁复的网络设置，不要网络专用知识，不必设置路由器等设备，完全地即插即用。它必须由客户发起请求，才能建立虚连接，所以不须担心诊断服务端会误发指令动作客户设备，同时虚连接建立后的数据对话均使用DES加密算法，有可靠的数据安全性。基本功能实现如下:
(1)远程监视，将运行数据存入云存储器。该系统可以实时监视并记录接入调速器设备所有运行参数及数据，并自动存入云存储器。远程服务人员可以随时登陆并监视设备运行状态，并根据需要，打开历史数据库，分析前期设备运行状况。
(2)远程调试与实验指导。现场运行维护人员技术能力薄弱，可以通过远程进行调试和实验指导。现场人员只需要根据提示进行简单的操作，远程服务人员就可以完成控制系统的各项实验，确保无水情况下的各项调速系统的实验正常。
(3)优化参数，促进设备稳定运行。设备在大修或小修后，设备特性肯定有所变化，前期参数不一定合适，需要进行参数优化。该系统根据监视现场实时数据，远程服务人员根据相关数据及记录波形，进行相关参数整定，保证控制系统的各项功能最优。
(4)专家故障诊断系统。远程服务人员通过网络为远程用户提供维护服务和故障诊断服务。实时监测和诊断并能及时地发现问题、解决问题，大大提高了工作效率。
(5)远程视频培训互动系统。针对用户的远程培训需求，可以进行远程视频培训，并可以与现场用户一对一互动。远程培训打破了传统的培训模式，降低了运营成本，培训时不受时间、地点等因素的影响，给培训工作带来了一次新的变革。增加与现场用户互动，培训更加有针对性，效果更好。
目前，我们已经通过武汉长控平台对客户端进行了水电机组控制设备远程运营维护的部分服务，得到了客户的充分认可。经过我们前期的大力宣传和客户调研，很多设备使用方非常乐意以包年或单次收费的方式购买水电机组控制设备远程运营维护系统或部分服务功能。特别值得一提的是，云贵地区一些客户已订购或有意向订购了本系统提供的服务。
7结语
随着水电资源利用和水电开发技术的进展，水电机组的容量越来越大，结构越来越复杂，且水电电能在电网中所占的比例也越来越大，水电机组的安全运行对水电厂及电网的安全都至关重要。因此，水电机组的安全性问题倍受关注，实施水电机组控制设备远程运营维护系统是掌控机组安全性的必由之路。
目前，水电机组状态监测与故障诊断的相关技术发展得如火如荼，而水电机组控制设备远程运营维护系统只有概念上的提及，国内外还没有相关的成熟产品。可以预言，水电机组控制设备远程运营维护系统将成为未来水力发电企业发展的必然选择。一旦它在水利水电工程中推广应用，将提高水能的综合利用率，并保障水利水电工程的运行安全与设备安全。
工业4.0时代已经来临，积极参与并引领工业4.0是信息化强国、中国崛起、企业超常发展进步的必由之路，我们应该努力成为工业4.0的开拓者、引领者与实践者。工业4.0也是中国企业进行转型升级、提升核心竞争力与创新商业模式的最大转机，水利水电行业企业理应抓住这一历史机遇，积极开展有关应用实践，把握好我国工业4.0的发展方向，积极发展物联网，实现生产型制造向服务型制造转变。我们开发的水电机组控制设备远程运营维护系统就是紧跟国家政策适应新形势的充分体现。水电机组控制设备远程运营维护系统研究成果的用户调研和试用情况表明:用户对该系统有强烈和浓厚的兴趣，反应非常积极。这代表着未来运营维护模式发展方向的水电机组控制设备远程运营维护系统深得到用户、同行和市场的一致认可与好评，值得我们水电人去推广。本系统将引领水电机组其它设备逐步实现远程运营和维护。