（水利水电工程专业论文）面向运行人员的机组状态可视化监测与分析.pdf

华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 i 摘 要 为了响应国家“ 无人值班，少人值守” 的口号，越来越多的水电厂安装了实时状态 监控系统，实现对水电机组特征参量的在线监控，大大提高了电厂自动化水平。然而 现有的监控系统存在一定的局限性，如监测信息不够全面，表现手段不够丰富，设备 性能评价不够直观等给运行人员的工作带来诸多不便。 本论文正是针对这样一种实际需要，结合中国长江电力股份有限公司葛洲坝电厂 “ 最优维护信息系统” 项目，进行面向运行人员的机组运行状态可视化监测与分析的研 究工作。本文主要完成了以下几个方面的工作： 1通过对运行人员的职责和对机组状态表现手段的需求、设备性能评价的需求、 监测软件的需求进行分析，阐述本课题研究的出发点及其意义。 2介绍了可视化技术以及 flash技术，阐述运用 flash技术对机组状态进行监测 的理由，同时介绍了 flash技术用于机组状态可视化监测的实现原理和实现过程。 3阐述了机组运行状态分析和设备性能评价的思路及意义，详细介绍了顶盖排 水系统和技术供水系统状态量指标量的计算方法以及系统故障分析方法。 4介绍了最优维护信息系统中控室终端的设计思路、设计并开发了软件的结构 模块和功能模块，同时对软件的各项功能进行具体说明。 关键词：面向运行人员 水电机组 可视化监测 状态分析 中控室工作站 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 ii abstract in order to respond the national slogan of unattended, fewer people on duty, more and more hydropower plants had installed real- time status monitoring systems to monitor the characteristic parameters of hydraulic generating units on- line , greatly increased the level of automation in the plants. however, there are a few shortcomings in the existing monitoring systems, such as information monitored is not general,monitoring means are not abundant, analysis of the units status and evaluation of the equipments performance is not intuitionistic, those take lots of inconvenience to the operation personnel. this paper is dealing with the practical demand and combining the practical project of china yangtze power co. gezhouba power plant optimal maintenance of the information system , starts the study of visualized monitoring and analysis on the status of hydraulic generating unit oriented operation personnel in power plants, this paper completes the study of the following aspects: 1. through analyses the operation personnels duty，their needs in more useful and applied monitoring means, needs in analysis of the units status and evaluation of the equipments performance ， needs in monitoring software which can remedy the shortcomings of existing monitoring systems ,explained the starting points and significance of the subject . 2. introduced visualization technology and the flash technology, expounded the reasons on using flash technology to monitor the status of hydraulic generating unit, then introduced the theory and the process of it. 3. expound the way and meaning of the analysis of the units status and evaluation of the equipments performance. introduced the calculation methods of upper cover pump system and water supply system in status analysis and performance evaluation detailedly, it also introduced the way of the malfunction analysis. 4. introduced the design idea, framework, the process of exploitation of the monitoring software in center control room, meanwhile introduced the functions of this software detailedly. keywords : oriented operation personnel condition monitoring hydro power generating unit visualized monitoring workstation in center control room 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承 担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和 借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密 ，在_年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪 论 11 课题的研究背景 近年来，随着大中型水电厂和抽水蓄能电厂的大量建设，水轮发电设备的状态监 测与检修工作已越来越受到重视。国家电力公司在 1999 年科技发展规划中，已明确 提到有关水轮机组的状态检修技术的发展计划，同时开展试点和攻关课题的筹备工 作。1998 年 10 月，在甘肃省刘家峡水电厂，由中国电力企业协会组织召开了“ 水电机 组检修改革工作会议” ，通过了我国应逐步废除计划检修，尽快实行状态检修的倡议。 并提出为实现状态检修，应大力发展状态监测技术，广泛实行状态监测2。 水电机组的状态监测与故障诊断是保证水电厂设备安全运行的基本措施之一，对 提高水电厂生产效益和国民经济的发展具有重要的意义1。对机组的运行状态进行监 测可以及时的发现机组运行的异常情况，提供故障诊断的依据，判断故障的原因，为 生产和维修提供决策依据。同时，对关键设备进行实时在线状态监测可以产生巨大的 经济效益，主要表现在以下三个方面： （1）可以避免严重的突然事故，从而提高设备的安全运行率，增加产值。 （2）即使机组发生故障，也可以从系统提供的数据中找出故障的原因。在检修 中做到心中有数，延长检修周期，缩短检修时间，提高检修质量。 （3）在机组日常运行时，如果在机组严重损坏的前期发现故障的前兆，可以进 行预防性维修。将设备从定期性维修发展到预防性维修，可以使备件的储备量减到最 小4。 实践证明有效的状态监测与故障诊断，可以随时掌握设备的技术状况和劣化规 律，避免突发故障和控制渐发故障的发生，降低设备的维护成本，增加设备的利用时 间，从而提高设备的运行效益。因此，大中型水轮发电设备在现有机组运行设备的基 础上，研究实施设备的实时监测及故障诊断系统，建立预测维护理论系统与维护实施 系统，实现水轮发电设备监控、维护，高效管理，是十分迫切而又极为重要的任务， 有着十分重要的意义2- 3。 12 机组状态监测的内容及意义 1机组状态监测的内容 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 水轮发电机组的运行状态就是表征水轮发电机组运行状况的设计参数在水轮发 电机组运行过程中的反应状况，而水电机组状态监测便是对这些设计参数的状态监 测。所有的参数按其数学性质可分为模拟量和开关量；对于模拟量按其物理性质又可 分为电量和非电量。 水轮发电机组作为一种大型旋转机械，表征其运行状态的设计参数数目繁多，按 其物理性质可分为：电源、电压、电抗、功率、电能、绝缘老化、温度、压力、液位、 流量、位移、振动、摆度、脉压、噪声等。所选择的监测参数必须有助于了解机组的 运行状态，并有相应的监测技术来实现。根据国内外水轮发电机组的运行经验，其状 态监测的重点是非电量参数。主要监测内容有：机组振动监测、水轮发电机气隙监测、 发电机定子绝缘监测、水轮机汽蚀监测、水轮机水压脉动监测、水轮机流量监测、机 组温度监测等5- 8。 2机组状态监测的意义 机组状态监测是故障诊断和状态检修的第一步，也是至关重要的一步。通过对设 备的运行状态进行监测，可及时准确地将信息反映给运行人员。通过对这些信息的统 计分析和数据处理，运行人员可以判断出设备的劣化程度，并在故障发生前有计划地 进行适当的维修9- 12。由于科学的提高了机组的可用率和明确了检修目标，这种监测 检修手段为设备安全、稳定、长周期、全性能优质运行提供了可靠的技术和管理保障 13- 14。 13 相关课题国内外发展及现状 状态监测系统的研究涉及许多学科，特别是水电设备种类繁多、结构各异、运行 工况多变，影响机组运行状态的因素较为复杂，因此其研究和应用还处于起步阶段， 但发展较快且面向应用。 将状态监测技术用于水电厂设备是近些年开始的课题，目前国内外己做了一些成 功尝试， 研制开发出了一批实用的产品。 如前苏联开发 bh- 3 的型测振仪、 瑞士的 pld 系列监测仪及美国的 bnc 公司生产的 bnc7200 系列 rvxr- 11 监测仪等，德国申克 公司的 vihrocontrol 4000 振动监测系统， 加拿大 vibrosystem 公司的 agm 气隙监 测系统， 加拿大 fes 公司的 pda 绝缘监测系统， 美国 ore 公司研制出一套声学 7910 型空蚀监测系统等。国外在水轮发电机组状态监测方面已经发展得相当完善并已趋于 规范化。虽然国外的系统技术相对比较先进，特别是传感器技术和数据采集处理技术 已经相当成熟，但是状态监测与故障分析系统的价格昂贵，而且机组运行环境不一定 相同，有的并不适用国内的机组15。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 我国对设备状态监测和诊断技术的研究是从八十年代中期开始的。由于水电站计 算机监控系统的推广，机组状态监测技术越来越受重视，先后在三门峡、潘家口、隔 河岩等电站得以实施，并取得了一定的经验，为今后的综合状态监测和故障诊断系统 的开发奠定基础。 目前国内的状态监测系统的特点是：以微机为基础，以软件开发为中心，功能多、 灵活性大、适用面广、系统价格低，能较好的完成水电机组状态监测的目的。但仍存 在着一些问题如硬件功能较弱，以巡回监测为主，实时性较差；系统集成化程度和软 件商品化程度较低；系统传感器、二次仪表、计算机系统及软件的可靠性较低；现场 布线工作量大，信号的抗干扰问题需要仔细考虑，难以适应工业现场的恶劣环境，而 且由于各个厂家各自使用不同的技术，相互之间难以实现互换和互操作，兼容性不好 等一些问题。如何解决这些问题，进一步改进和完善状态监测系统的性能己经成为系 统设计人员急需解决的问题16- 19。 14 本文的主要研究工作及意义 事实证明，以机组状态监测与故障诊断为手段的状态检修机制比事后维修机制有 着不可比拟的优越性，因此越来越多的电厂开始重视设备状态检修。而机组运行状态 监测是设备故障诊断及状态检修的第一步，同时也是不可或缺的一步。 在设备状态检修领域，长江电力股份有限公司一直处于国内领先地位。本文研究 的课题正是来自于华中科技大学水电学院发电厂控制与信息技术实验室和长江电力 股份有限公司合作开发的“ 最优维护信息系统” 。本系统的作用在于通过分析系统获取 的监测数据，有效的提供故障征兆，结合专家知识系统，自动进行状态维护和故障识 别。 机组状态可视化监测与分析以及最优维护信息系统中控室终端为“ 最优维护信息 系统” 课题的一个子课题。主要完成对调速单元、励磁单元、水轮机单元、发电机单 元、稳定性单元及其辅助系统六个部分的重要量进行可视化监测，对顶盖排水系统和 技术供水系统的状态进行分析并对性能进行评价，同时对现有监控软件进行补充，设 计开发最优维护信息系统中控室终端，为设备状态检修提供有效的数据支持。 全文共分为六章，各章的主要研究工作如下： 第一章：首先概述了课题研究的背景，介绍了机组状态监测技术及该技术国内外 的发展现状，指出本论文的主要研究工作和意义。 第二章：介绍了运行人员的职责，分析现有监控系统在电厂设备安全可靠运行方 面的局限性，接着对运行人员在机组运行状态表现手段、分析评价以及监测软件方面 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 4 的的需求进行分析，阐述本课题研究出发点和意义。 第三章：介绍了课题在机组运行状态显示手段方面进行的研究工作。重点介绍了 可视化技术、 flash技术以及运用 flash和网络交互技术对机组运行状态进行可视化监 测的实现方法和实现过程。 第四章：阐述了机组状态分析和设备性能评价的思路和意义。详细介绍了顶盖排 水系统和技术供水系统在状态分析和性能评价研究过程中的状态量、指标量的选择理 由、计算方法以及系统故障分析方法。 第五章：介绍了最优维护信息系统中控室终端的开发工具、数据库访问技术，设 计并开发了该软件，并具体介绍该软件的功能应用情况。 第六章：总结全文，并展望需要进一步进行的工作。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 5 2 运行人员职责及需求分析 21 运行人员职责分析 实现电厂安全运行是运行人员的主要职责。一直以来，运行人员肩负着发电机组 状态监测与控制任务，在电厂的安全可靠运行中扮演着十分重要的角色。其主要职责 归纳为以下两点： （1）对机组运行进行操作，完成电厂发电计划。 （2）保证电厂设备安全可靠运行。 在日常工作中，运行人员必须做到对电厂的设备构造、性能、系统布置、运行方 式以及各种运行操作技术及事故处理方法了如指掌。值班时要做好事故预想，如实记 录运行变化，准确准时记录运行日志；发现设备缺陷及异常情况时，能根据情况设法 消除，对于自己无法消除的应立即汇报上一级领导，并做好记录；发生事故时，应沉 着冷静进行正确分析判断及处理，并迅速汇报班长和做好记录。 监控系统是运行人员保证电厂设备安全可靠运行的一个重要手段，在运行人员的 工作中扮演着十分重要的角色。然而现有监控系统有一定的局限性，如监测信息不够 全面， 表现手段不够丰富， 设备性能评价不够直观等给运行人员的工作带来诸多不便。 因此，运行人员对监控系统提出了更高的要求。 22 运行人员需求分析 221 对机组运行状态表现手段的需求 开展机组运行状态监测和检修需要大量的数据，包括机组的运行参数和性能指 标。而仅仅得到机组运行状态的数据只完成了状态监测的基本环节。如何将这些数据 更好的反应给运行人员和检修人员也是状态监测过程中的一个十分重要的环节。传统 的数据显示方式包括以下几种： （1）数据显示。数据显示是监测量直接以数值的方式显示出来。这种显示方式 最大的特点是简洁直观。不足之处在于不能反应监测量的变化过程和变化趋势，而且 也不能直观的判断监测量是否处于亚异常状态。 （2）曲线显示。根据数据显示精度需要，以某段时间为间隔，在曲线显示控件 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 6 上对监测量进行描点， 并以平滑曲线连接， 这样就可以将监测量以曲线形式显示出来。 曲线显示的优势在于能将监测量的变化过程和变化趋势直接反应出来，有利于监测人 员对机组的长期运行状态进行分析。而这种显示方式的不足之处在于显示数据不直 观，而且也不利于判断监测量是否处于亚健康状态。 （3）棒图显示。以容器装载有色液体为借鉴，将监测量的变化情况以棒图的形 式显示出来即为棒图显示。这种显示的优势在于能直观的反应监测量在正常范围内的 比重，而且也能较直观的反应该监测量的值，不足之处在于不能反映监测量的变化过 程和变化趋势。 这些数据显示方式在特定的情况下能满足数据显示的需要，在现有的监控系统中 应用广泛。但是这些传统的数字、曲线等描述方法比较抽象，对设备对象模型表达不 够明确，不能十分清晰直观地反映设备的运行状态和变化情况。如果能在显示监测量 的同时将监测部位的运行过程、动作过程、需要进行的操作等通过图形图像或其它易 于理解的方式反映给运行人员。在发生故障时，能够以图形图像等方式对故障进行定 位、描述故障原因、演示故障过程、指导维修过程，这样就可以将状态监测与故障诊 断技术上升到另一个高度。这就是本课题的研究内容之一：机组状态监测与可视化技 术的结合。 可视化显示技术有很多，有声音显示、图像显示、动画显示等。那么，哪种显示 方式最能满足状态检修的要求呢。这种方式既要能很好的反应监测量的数据，又要能 将监测部位的运行过程、动作过程以及内部构件详细的显示给运行人员。在设备故障 的时候对故障进行定位、描述故障原因、演示故障过程、指导维修。综合比较，采用 flash交互技术可以满足以上要求。 222 对机组运行状态分析评价的需求 现有的监控系统完成的主要功能是对机组的运行状态进行监测和控制。运行人员 在监控机组运行状态时， 需要以自己的知识和经验为背景， 对机组运行状况进行分析， 对设备的性能进行评价，以此获得设备的运行状态、性能以及健康情况，防范事故于 未然。然而不同的运行人员知识水平和经验积累不一样，获得的机组运行状态信息也 可能不一样，这样就会给机组运行维护带来许多的不便。因此，运行人员希望能将监 测数据、分析数据、运行人员经验积累、知识积累综合起来组成专家知识系统，以此 专家知识系统为依托对机组状态进行分析以及对设备性能进行评价，将设备的性能和 健康状况直观的反映给运行人员。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 7 223 对机组运行状态监测软件的需求 水电厂现有的监控系统较好地完成了机组状态监测与控制的任务，大大降低了运 行人员的工作难度，减轻了运行人员的工作负担。然而随着机组状态监测与故障诊断 技术的发展，运行人员的需求也不断上升，原有的监控系统的不足之处慢慢的显露出 来。例如监测信息不够全面，对局放、振动量、摆动量、水轮机空化以及超声波噪声 等量的重视程度不够、没有将设备运行状态和性能评价联系起来，设备性能和健康状 况反映不够直观等给运行人员带来了许多不便。因此运行人员迫切的需要一个能对现 有监控系统进行补充的软件，这便是本课题的研究内容之一：最优维护信息系统中控 室终端。通过和运行人员深入交流讨论，总结得到运行人员对此软件的需求如下： 数据需求 （1）水轮机单元：水车室噪声、尾水门噪声、水轮机空化、定子局放。 （2）发电机单元：定转子气隙、转子电流、水轮机推力冷却水水压（正反向） （3）励磁单元：无功功率、定子电流。 （4）调速单元：导叶开度、轮叶转角、工作水头、机坑漏油泵油位、技供漏油 泵油位、压油罐油位、集油槽油位、有功功率。 （5）稳定性单元：上导水导摆动、上机架支持盖振动、抬机量、蜗壳水压力、 密封水压。 （6）辅助单元：顶盖水位。 性能需求 （1）数据精度需求。为了满足机组状态监测的需要，监测系统显示的数据量需 要精确到小数点后的第二位。而在数据库中储存的数据要尽可能的精确。 （2）时间特性需求。为了保证数据的实时性，实时量的数据传输速度为每秒钟 一次，数据从采集到用户界面显示的延迟少于 1 秒钟。历史查询事故查询功能的数据 每 500 毫秒一个数据点，一次可以查询 8 小时以内的 6 个状态数据，等待时间少于 2 分钟。 （3）灵活性需求。整个软件要有较好的移植性。由于现在大江和二江不在一个 网段内，无法跨网段同时监测大江、二江的信息。运行人员要求大江（二江）监测软 件能较容易的移植到二江（大江）中控室。如果大江二江两个厂房合并，监测软件也 需要较为容易的合并。 （4）可维护性、可补充性需求。随着电厂自动化程度的提高，对监测系统自动 化的需求也不断增加，希望系统有很强的维护性和补充性。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 8 （5）可靠性需求。因为监测系统在机组安全运行中扮演着非常重要的角色，因 此软件的运行需要有高可靠性。 其它需求 （1）保密需求。希望开发人员对电厂数据、参数以及模型进行严格保密。 （2）界面要求。与现有的最优维护信息系统风格保持一致。要求界面清晰、简 洁、美观。清晰明了，操作方便。 （3）故障处理与升级需求。如果系统在运行过程中出现故障，希望开发人员能 够及时高效的进行售后服务。 如果系统有待升级， 希望开发人员能及时提供升级版本。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 9 3 面向运行人员的机组状态可视化监测 31 可视化技术使用的必要性及研究内容 在席卷全球的新技术革命浪潮中，人类迎来了信息爆炸的时代，人们常常在茫茫 的数据海洋面前显得不知所措，一时难以抓住隐藏在数据中的本质、结构和规律。可 视化(visualization)就是在这种背景下发展起来的， 其含义为将复杂的数据以图形/图像 的形式在高度沉浸感的显示环境中实时展现出来，使人对数据有直观、准确的了解， 并为其提供与数据交互的手段。可视化的前身是计算机图形学，今天它己经发展成为 研究用户界面、数据表示、处理算法、显示方式等一系列问题的一个综合性学科，并 成为人们分析自然现象、社会经济发展趋势，认识客观事物本质和变化规律的得力助 手。 可视化就是研究如何将信号数据和符号、结构数据变换成可视的图形（图像） ， 也就是运用可视化的工具实现并完成将不可见的对象变换成可见图像的过程。可视化 的研究包括两方面的内容：一方面研究如何把数据（数值）与图像转化成可视的图形 （图像）等易于理解的信息。另一方面研究把可视化技术应用于科学和工程的各个学 科。可视化中的一个重要环节“ 图像与信号数据” 可以通过摄像机或传感器获取，应用 图像处理技术对其处理成可视的图形（图像）信息后显示在监视器上或记录在图像输 出设备上21- 25。 32 flash 用于机组状态监测的技术研究 321 flash技术介绍 flash 是目前最为流行的网络动画制作工具。它集矢量编辑和动画创作功能为一 体，并具有灵活的交互功能，能将图形、图像、音频、动画和深层次的交互动作有机 的结合在一起。flash的动画文件格式 swf 已经成为当前网络动画的一种事实上的标 准。由于 flash 广泛使用矢量图形，文件容量小，特别适合于创建网络传输的内容， 因此它被广泛应用于影视、动漫、游戏、多媒体演示等众多领域。 flash 具有强大的功能和简单易用的特点，为设计者提供了创建并生成丰富的网 页内容和强大的应用程序所需的各种资源。无论设计者是要设计动画图形，还是要构 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 10 建数据驱动的应用程序，flash 都可以提供在各种平台和设备上制作出最佳效果并获 得完美的用户体验26。 flash功能强大。其基本功能包括以下几点： （1）具有较强的矢量绘画和动画制作功能，所制作的图像质量高而动画和网页 数据量小。 （2）具有较强的导入和发布功能，不但可以导入点阵图、quicktime 格式电影文 件和 mp3 格式音乐文件等，还可以发布 mp3 文件等。 （3）采用插件的工作方式，只要电脑中的浏览器安装了 shockwave flash插件， 就可以观看 flash动画。 （4）可充分调用 flash文件内部库中的符号，重复利用资源。 （5）包含许多功能更强大的 actionscript 函数、属性和目标对象，兼容并支持 flash以前的版本。 （6）采用与 javascript 类似的语法结构，以及新的文本编辑区和调试区，可进一 步提高程序的开发能力，开发更多的可扩展的工具，以便开发 web 应用程序。 （7）支持 xml。 flash具有简单易用、高效多能的特点。概括来说，flash有以下一些优点。 （1）作品的播放灵活。 （2）作品的文件小，网络传输速度快。 （3）flash图像可自由缩放的。 （4）单个元素清晰和专业，文字和图像效果质量高。 （5）易于被高档图形软件接受。 （6）开发使用过程简单。 （7）flash作品浏览容易。 322 网络通讯方式介绍 网络通讯包含了非常广泛的内容，并且有不同的网络结构和协议，目前面向终端 用户使用的最多的传输协议有两种： tcp(transmission control protocol传输控制协议) 与 udp(user datagram protocol用户数据包协议)。这两种协议是在网络传输层提供的 最常用的两种协议。 tcp 协议 传输控制协议， 也即 tcp ip 协议。 该协议主要用于在主机间建立一个虚拟连接， 以实现高可靠性的数据包交换。ip 协议可以进行 ip 数据包的分割和组装，但是通过 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 11 ip 协议并不能清楚地了解到数据包是否顺利地发送给目标计算机。而使用 tcp 协议 传输模式时，在将数据包成功发送给目标计算机后，tcp 会要求发送一个确认；如果 在某个时限内没有收到确认，那么 tcp 将重新发送数据包。另外，在传输的过程中， 如果接收到无序、丢失以及被破坏的数据包，tcp 还可以负责恢复。 udp 协议 用户数据报协议，也即 udp 协议是定义用来在互连网络环境中提供包交换的计 算机通信的协议。此协议默认认为网路协议（ip）是其下层协议。此协议提供了向另 一用户程序发送信息的最简便的协议机制。此协议是面向操作的，未提供提交和复制 保护。 受 flash 技术本身的局限性影响（只能采用 tcp 协议） ，本课题的通讯方式采用 的是 tcp 协议。 323 用于可视化监测的 flash 与网络交互技术 要通过互联网进行通信, 至少需要一对长期的、 持续的连接， 即 socket 套接字13， 其中一个运行于客户机端，称之为 clientsocket, 另一个运行于服务器端，称之为 serversocket27。套接字之间的连接过程可以分为三个步骤：服务器监听，客户端请 求，连接确认。如图 3- 1 所示。 服务器监听 连接确认 服务器端 客户端请求 客户端 图 3- 1 套接字连接的三个步骤 所谓服务器监听，是处于等待连接的状态，实时监控网络状态。 所谓客户端请求，是指由客户端的套接字提出连接请求，要连接的目标是服务器 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 12 端的套接字。为此，客户端的套接字必须首先描述它要连接的服务器的套接字，指出 服务器端套接字的地址和端口号，然后就向服务器端套接字提出连接请求。 所谓连接确认，是指当服务器端套接字监听到或者接收到客户端套接字的连接请 求，它就响应客户端套接字的请求，建立一个新的线程，把服务器端套接字的描述发 给客户端，一旦客户端确认了此描述，连接就建立好了。而服务器端套接字继续处于 监听状态，继续接收其他客户端套接字的连接请求28- 29。 flash 是通过 xmlsocket 对象和 tcp 服务器建立套接字通信的30。xmlsocket 是 socket 套接字中的一种，因此其连接过程是基本一致的。xmlsocket 类用于实现 客户端套接字31。利用客户端套接字，运行 flash player 的计算机可以与由 ip 地址或 域名标识的服务器计算机进行通讯。 本课题中，用 xmlsocket 类实现 flash与服务器之间的通信用到了以下协议： （1）xml消息通过 tcp/ip 流套接字连接发送。 （2）每个 xml消息都是一个完整的 xml 文档，以零字节结束。 （3）通过一个 xmlsocket 连接发送和接收的 xml消息数没有限制。 在研究过程中， 使用 xmlsocket 对象连接到服务器时遇到了以下三种需要解决的问 题： （4）xmlsocket.connect（）方法只能连接到端口号大于或等于 1024 的 tcp 端口。 （5）xmlsocket.connect（）方法只能连接到 swf 文件所在域中的计算机。 （6） xmlsocket对象在与 tcp 服务器进行套接字通信时只有在接收到从 tcp 服务 器返回的一个长度为 0 字节的数据时才认为此次数据传输完成。 否则 tcp 客户机中的 xmlsocket 对象就会始终处于等待数据装载的状态，无法获得数据。 针对以上三种情况，分别制定解决方案如下： （7） 给xmlsocket对象通讯的服务器守护程序分配端口号大于或等于1024的端口。 （8）对连接到在 swf 所在域之外的其它域中运行的服务器守护程序，在该服务器 上创建一个允许从特定域进行访问的安全策略文件。 （9）tcp 服务器在每次向套接字发送完数据后再单独发送一个长度为 0 字节的数 据以示此次数据传输完成。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 13 33 flash 技术用于机组状态监测的实现过程 331 通讯健壮性机制 通讯健壮机制，即使通讯更方便、更高效、更可靠的机制。在机组状态可视化监 测研究过程中考虑到 flash与应用程序交互的特点， 为了最大限度的发挥 flash的网络 通信以及客户交互功能，采取“ 推” “ 拉” 结合的方式。 “ 推” 方式是与以服务器为出发点的，在数据通讯过程中服务器始终处于主动地 位。即使客户端出现故障也不会影响服务器端发送数据。同时服务器端有通讯异常判 断机制，可以判断网络通讯中是否出现异常情况，是否需要停止数据传送。一旦服务 器端判断通讯出现异常情况就会主动停止数据传递以保证数据传送的安全性。 “ 拉” 方式是以客户端为出发点的，在数据通讯过程中客户端处于主动地位。即使 服务器端出现故障也只会影响数据传输，而不会影响客户端其他部分的正常运行。在 客户端同样也有故障判断机制，当客户端判断网络通讯出现异常情况时，客户端可以 主动停止数据接收，数据通讯停止，保证数据传输的安全。 通过这种“ 推” “ 拉” 结合的方式，flash与页面交互获得相应信息，与 web 服务器 应用程序进行网络通信。通过这种方式不但可以达到网络通信的效果，也可以减轻 web服务器的负担，同时保证了数据传输的安全高效，使 flash的交互功能发挥到最 大。 332 安全可靠性机制 电厂设备的运行状态包含很多机密数据，这些数据在传输过程中可能被其他人读 取或篡改，因此保证数据传输安全是机组状态监测过程中的一个十分重要的环节。为 了保证数据安全，机组状态可视化监测研究过程中采用了数据加密机制来防止用户的 标识或数据被读取和更改。 其具体实现方法为在建立通讯协议的时候服务器端和客户端就协议好密钥。在 web 服务器向客户端发送数据之前将数据加密，然后将数据发送给客户端。客户端接 收数据后根据协议好的密钥将数据解密。由于密钥处于保密状态，即使数据在传送过 程中被人截获也无法获得传送的具体数据。通过这种加密解密方法解决了数据传送的 安全性问题。 数据的可靠性和准确性也是机组状态监测过程中的一个十分重要的环节，机组状 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 14 态可视化监测研究过程中采用了身份验证机制和提示重连机制来保证数据传输的可 靠性。 身份验证机制 由于整个最优维护信息系统包含有多个 flash文件， 每个 flash显示的内容不一样， 对应的监测单元也可能不同。因此不同的 flash 需要接收显示的数据就不一样，如何 保证 flash显示的内容为当前监测量呢？通过身份验证机制能很好的解决这个问题。 本机制的实现方法是在 flash与 web 服务器之间的通讯协议中添加两项内容，一 项是专门为 flash设置的序号，以确定该 flash显示的内容。另一项是该 flash对应的机 组号，以确定显示的机组，web 服务器就通过 flash的序号和机组号来判断 flash需要 显示的内容，从而保证当前 flash显示数据的准确性。 具体实现过程如图 3- 2 所示： 运行flash 连接服务器， 发送连接请求 标志 发送收到机组 号和flash的字 符串流 第一次握 手？ 收到确认， 允许连接 收到连接请求 发送确认指 令，同意连接 收到包含机组 号和flash号的 字符串流 允许连接 根据机组号和 flash号发送数 据 no yes yes 挂起 no 客户端 服务器端 监听端口 yes no 开始 图 3- 2 身份验证机制实现流程图 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 15 提示重连机制 由于 flash和 web 服务器之间是基于 tcp/ip 通讯的，当任何一方出现异常操作或 者网络堵塞都有可能导致数据传输失败。这时，flash端显示的数据就是通讯中断前一 秒钟 flash接收到的数据并一直显示该数据，这就会导致 flash显示的数据失真。如果 在通讯中断时在客户端提示用户与服务器连接失败并提示是否重新连接就能很好的 解决通讯失败导致的数据失真问题。 提示重连机制的实现方法是在在 flash程序使用 xmlsocket 类的 onclose（）方 法，该方法的主要功能是监视远程通讯状态，当远程通讯失败就会触发 onclose（） 函数，弹出对话框提示重连，若十秒钟内连接仍未成功则重新弹出对话框。 具体实现过程如图 3- 3 所示： 发送包含flash号和 机组号的字符串 通讯正常与否 监测网络通讯状态 弹出对话框提示重连 重新连接服务器 是否重连 no yes yes 停止flash监测 no 开始 图 3- 3 提示重连机制实现流程图 实现效果如图 3- 4 所示： 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 16 图 3- 4 提示重连机制示意图 333 实时性机制 实时数据不但给运行人员提供当前机组的运行状态，而且是检修人员对设备运行 状态进行分析的数据基础，在状态监测和故障诊断技术中起着非常重要的作用。如何 保证数据的实时性也是可视化监测过程要考虑的一个重要问题。 机组状态可视化监测过程中，flash显示的数据即为实时数据，为了保证数据的实 时性，数据转发的时间间隔越短越好，在综合考虑了数据接收、解包、转发等一系列 操作耗时以及 web 服务器的工作负荷等方面的因素之后， 最终确定数据转发时间间隔 设为 1s。也即 flash显示数据每秒钟刷新一次。 当网络通讯出现异常而导致数据中断时，为了保证数据的实时性，在客户端会立 即提示用户重新连接服务器。与此同时，web 服务器端的数据包的接收和解包过程不 受影响，数据一直处于更新状态，当 flash与 web 服务器重新连接后，flash接收显示 的数据为 web 服务器获得的最新数据。 通过以上两种方法的实现保证了 flash显示数据的实时性。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 17 334 仿真性机制 flash 的一个重要的特点能某个具体事物以动画的形式展现出来。同样在可视化 监测过程中也用到了 flash的这一特点。 机组的运行工况包括开机工况和停机工况。运行人员可以通过机组频率来判断其 运行工况，通常情况下，当机组处于停机工况时机组频率小于某一特定值，此时水轮 机等转轮体处于静止状态。否则机组频率会大于此特定值，水轮机等转轮体处于旋转 状态。在可视化监测过程中，flash 会通过接收到 web 服务器转发的实时数据综合判 断出机组的运行工况，以此控制 flash 中的水轮机等转轮体的运动状态。这样运行人 员或检修人员可以通过转轮体状态获得机组的运行工况。 flash 这种特点在导叶开度和轮叶转角的模拟、水流过程的模拟、水系统油系统 的工作原理和过程的模拟等方面都得到了充分的展现。 335 实现流程 整个 flash与 web 服务器的通讯的流程如图 3- 5 所示： 运行flash 连接服务器，发 送连接请求标志 发送收到机组号和 flash的字符串流 第一次握手？ 收到确认， 允许连接 收到连接请求 发送确认指令，同 意连接 收到包含机组号和 flash号的字符串流 允许连接 根据机组号和 flash号发送数据 no yes yes 挂起 no 客户端服务器端 监听端口 yes no 显示数据 通讯正常与否 监测网络通讯 状态 弹出对话框提示 重连 重新连接服务 器 是否重连 no no yes yes 停止flash监 测 开始 图 3- 5 flash 与 web 服务器的通讯流程图 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 18 当用户打开 flash进行监测时，flash首先判断是否是第一次与 web 服务器连接， 如果是第一次连接则向服务器发送请求标志。与此同时，机组服务器处于端口监听状 态，当服务器收到连接请求后进行处理，返回是否允许连接标志。flash分析此标志， 如果服务器允许连接，则 flash向服务器发送包含机组号和 flash号的字符串流， 服务 器通过解析此字符串流后向 flash 发送对应的显示数据，完成一次通讯。如果服务器 不允许连接，则 flash每隔一秒向服务器发送连接请求，直至允许连接或 flash关闭。 在 flash 运行的过程中，flash 一直监测网络通讯状态。如果通讯中断，flash 弹 出对话框提示用户重连。 flash用于机组状态监测效果如图 3- 6、3- 7 所示。 图 3- 6 flash 用于机组状态监测效果图 1 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 19 图 3- 7 flash 用于机组状态监测效果图 2 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 20 4 面向运行人员的机组状态分析方法研究 41 机组运行状态分析思路及意义 运行人员最主要的职责在于保证电厂设备安全可靠的运行，而仅仅通过机组运行 状态的监测数据，运行人员无法直观的了解设备的性能情况和健康状况。因此仅仅对 机组运行状态进行监测还不能满足需要， 而要对其运行状态进行分析。 其实现过程为： 首先对设备运行状况进行监测，然后对监测量进行分析以此获得系统的运行状态，进 而对设备的性能进行评价。 设备状态监测、分析以及性能评价关系模型如图 4- 1 所示： 功能性能 性能良好 性能下降 功能崩溃 系统状态 状态正常 状态异常 设备状况 状况良好 状况变差 设备故障 存在缺陷 有错误 基本关系描述评价 图 4- 1 设备状态监测、分析以及性能评价关系模型 由图 4.1 可知，对设备性能评价是最终目的。设备运行状态分析和性能评价是运 行值班人员掌握设备性能、薄弱环节及事故发生的变化规律，确保安全生产、提高安 全意识和岗位运行技术素质的重要措施。通过运行状态分析和性能评价，运行人员可 以了解异常发生的前因后果，做好事故预想，防范可能发生的事故。 鉴于此，homis 工作组一直致力于水电机组运行状态的分析和设备性能的评价 研究工作，现已经完成的工作包括对调速油系统运行状态分析、顶盖排水系统运行状 态分析、技术供水系统运行状态分析、水轮机超声波噪声性能评价等等。本课题包括 了对顶盖排水系统运行状态分析和技术供水系统运行状态分析的研究工作。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 21 42 顶盖排水系统运行状态分析 421 顶盖排水系统工作原理及意义 整个水轮机是由许多部分组合起来的，各个衔接部分肯定是未完全密封的，而且 大轴是个旋转体，旋转过程中也会存在间隙，这些方面都导致水车室与外界处于非完 全密封状态。因此外界的水必然会渗入到水车室内，导致顶盖水位不断的上升。当顶 盖水位上升到一定的限度（最高限）时，顶盖水位监测装置发出信号引起顶盖排水控 制装置动作，潜水泵启动，将水车室中的水排出（排水效率不够的话，开启多台潜水 泵） 。