水電站綜合信息平臺(tái)技術(shù)與應(yīng)用

殷繼明，沈才山，熊韜

(廣西長洲水電開發(fā)有限責(zé)任公司，廣西梧州543002)

隨著水電站成功投運(yùn)微機(jī)調(diào)速器、微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器、微機(jī)繼電保護(hù)、直流電源系統(tǒng)微機(jī)控制器、水機(jī)可編程自動(dòng)化控制等，水電站生產(chǎn)管理系統(tǒng)也逐漸應(yīng)用計(jì)算機(jī)開展自動(dòng)化和信息化建設(shè)，除水電站自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)正在實(shí)施外，相關(guān)的大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)、水情測報(bào)系統(tǒng)等已投入運(yùn)用。它們?cè)谔岣咝袠I(yè)管理水平，確保水電站安全、經(jīng)濟(jì)、優(yōu)質(zhì)運(yùn)行，提高企業(yè)效益方面起到了很大的作用。但是目前大多還停留在單個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，各系統(tǒng)相互獨(dú)立，還沒有形成資源信息共享，不能最大限度發(fā)揮各系統(tǒng)的作用。因此建立一個(gè)綜合信息平臺(tái)，整合信息資源，利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，把各監(jiān)測子系統(tǒng)組成局域網(wǎng)絡(luò)，采用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，把各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)集中管理，應(yīng)用Web技術(shù)搭建綜合信息發(fā)布系統(tǒng)。

1 數(shù)字化水電站建設(shè)的內(nèi)涵

數(shù)字化水電站是以網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)、水力聯(lián)系和電力聯(lián)系為紐帶、能源轉(zhuǎn)換控制設(shè)備為載體、安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行為目標(biāo)，融合仿真、控制和信息三位一體技術(shù)實(shí)現(xiàn)水電站的運(yùn)行控制和管理的系統(tǒng)平臺(tái)。一般要求具有五大核心功能:過程監(jiān)控、優(yōu)化分析、操作指導(dǎo)、事故診斷、負(fù)荷分配。數(shù)字化水電站采用流程工業(yè)的CIMS理論來設(shè)計(jì)數(shù)字化水電站的體系結(jié)構(gòu)，在水電站先進(jìn)控制系統(tǒng)和安全高效的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)、數(shù)據(jù)庫平臺(tái)基礎(chǔ)上，基于國際最新的理論和研究成果整合電廠管控一體化系統(tǒng)，用先進(jìn)的管理思想和信息技術(shù)對(duì)電廠的經(jīng)營和生產(chǎn)管理系統(tǒng)進(jìn)行全面設(shè)計(jì)，使信息技術(shù)與工業(yè)技術(shù)、管理技術(shù)全面融合，全面提升水電站的生產(chǎn)和管理水平，增強(qiáng)企業(yè)競爭力。

1.1 數(shù)字化水電站設(shè)計(jì)思想和層次結(jié)構(gòu)

通過對(duì)CIMS企業(yè)通用模型的研究并結(jié)合水電站的實(shí)際情況，架構(gòu)了一個(gè)具有4個(gè)層次，兩個(gè)支持系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)模型，四個(gè)層次分別是直接控制層、管控一體化層、生產(chǎn)管理層、經(jīng)營決策層；兩個(gè)支持系統(tǒng)是數(shù)據(jù)庫支持系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)支持系統(tǒng)。見下圖1。

(1)直接控制層:

該層是指生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)采集和直接控制(SCADA-DCS)，包括單元機(jī)組、單元主變、單元線路以及油、氣、水等輔助控制系統(tǒng)LCU構(gòu)成的DCS。目前技術(shù)的發(fā)展是以現(xiàn)場總線為代表的先進(jìn)控制系統(tǒng)?；诟咝阅蹹SP和嵌入式系統(tǒng)的前端控制裝置通過現(xiàn)場過程總線形成分布SCADA-DCS系統(tǒng)。

圖1 數(shù)字化水電站設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

(2)管控一體化層:

該層為廠級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)(SIS)，它完成廠級(jí)生產(chǎn)過程的監(jiān)控，結(jié)合管理層的信息，對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行整體優(yōu)化和分析，為過程控制層提供操作指導(dǎo)，該層是管理和控制之間聯(lián)系的橋梁，是對(duì)傳統(tǒng)控制系統(tǒng)概念的延伸，是目前學(xué)術(shù)和工程界研究的熱點(diǎn)。

(3)生產(chǎn)管理層:

生產(chǎn)管理層主要為全廠生產(chǎn)調(diào)度提供服務(wù)，以狀態(tài)檢修為中心，以設(shè)備為基礎(chǔ)，以完成發(fā)電量為目標(biāo)，優(yōu)化水電站各機(jī)組的生產(chǎn)計(jì)劃和策略，實(shí)現(xiàn)全廠的安全高效經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)，該層是數(shù)字化水電站管理信息的基石。

(4)經(jīng)營決策層:

根據(jù)區(qū)域內(nèi)電力市場信息，綜合考慮防洪、航運(yùn)等約束條件下的收益最大目標(biāo)，以水庫為對(duì)象，尋求整體最優(yōu),對(duì)水電站的經(jīng)營、生產(chǎn)、目標(biāo)和發(fā)展規(guī)劃提出決策支持。該層是數(shù)字化電廠的系統(tǒng)入口和決策樞紐。

(5)數(shù)據(jù)庫支持系統(tǒng):

以關(guān)系數(shù)據(jù)庫和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)的面向數(shù)據(jù)主題的水電站數(shù)據(jù)倉庫構(gòu)成了數(shù)字化水電站的數(shù)據(jù)庫支持系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化水電站信息的分析、提煉、集成和應(yīng)用，為水電站的高級(jí)分析決策提供支持。

(6)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)支持系統(tǒng):

以ATM和千兆以太網(wǎng)為代表的先進(jìn)組網(wǎng)技術(shù)為核心，結(jié)合Qos保障、系統(tǒng)-網(wǎng)絡(luò)-終端三級(jí)安全策略、目錄管理統(tǒng)一認(rèn)證等先進(jìn)技術(shù)，構(gòu)成數(shù)字化水電站的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)支持系統(tǒng)。

1.2 數(shù)字化水電站的功能結(jié)構(gòu)

數(shù)字化水電站應(yīng)是在數(shù)據(jù)倉庫基礎(chǔ)上的對(duì)電廠物流、資金流、信息流進(jìn)行綜合分析的集成系統(tǒng)，其功能體系應(yīng)涵蓋電廠生產(chǎn)經(jīng)營和決策等各個(gè)方面，追蹤國際最新的研究和技術(shù)進(jìn)展，數(shù)字化水電站應(yīng)包括廠級(jí)監(jiān)控信息系統(tǒng)(SIS)即管控一體化系統(tǒng)、電廠企業(yè)資源規(guī)劃系統(tǒng)/資產(chǎn)管理系統(tǒng)(ERP/EAM)、發(fā)電報(bào)價(jià)決策系統(tǒng)。前者融合了多種管控?cái)?shù)據(jù)對(duì)水電站的控制系統(tǒng)進(jìn)行最優(yōu)決策，解決水電站傳統(tǒng)控制系統(tǒng)和管理系統(tǒng)的數(shù)字鴻溝；后者以計(jì)劃預(yù)算為入口，以設(shè)備狀態(tài)檢修為中心，對(duì)水電站的資產(chǎn)進(jìn)行全面管理；而發(fā)電報(bào)價(jià)決策系統(tǒng)以最優(yōu)上網(wǎng)電價(jià)為目標(biāo)，對(duì)全廠的經(jīng)營活動(dòng)進(jìn)行最優(yōu)經(jīng)濟(jì)決策。

圖2 功能結(jié)構(gòu)圖

1.3 系統(tǒng)特點(diǎn)

通過對(duì)水電站的需求分析，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及運(yùn)行機(jī)制上仿人類社會(huì)的組織和行為機(jī)理，采用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等先進(jìn)技術(shù)，并與電廠監(jiān)控、狀態(tài)監(jiān)測、診斷維修、水情測報(bào)等自動(dòng)化系統(tǒng)相集成，進(jìn)而使數(shù)字化水電站具備如下特點(diǎn):

(1)秉承CIMS/ERP的哲理，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想和層次結(jié)構(gòu)具有理論的嚴(yán)密性和實(shí)際可操作性。

(2)采用動(dòng)態(tài)企業(yè)建模技術(shù)、軟件重構(gòu)技術(shù)、面向?qū)ο蠹夹g(shù)設(shè)計(jì)，保證水電站運(yùn)作流程變化后的系統(tǒng)適應(yīng)。

(3)通過系統(tǒng)配置工具(包括系統(tǒng)建模工具、模型仿真工具、實(shí)施工具)使系統(tǒng)快速實(shí)施，并保證系統(tǒng)有良好的擴(kuò)展性和軟件模塊的可重用性。

(4)可行的優(yōu)化算法可使水電站的各個(gè)系統(tǒng)在仿真優(yōu)化的前提下按最佳方案運(yùn)行，從而保證了系統(tǒng)的先進(jìn)性和可靠性。

(5)先進(jìn)的組網(wǎng)技術(shù)和信息平臺(tái)為系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行提供可靠支撐。

(6)先進(jìn)的數(shù)據(jù)倉庫和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)能自動(dòng)地進(jìn)行挖掘分析工作，剖析任意層面數(shù)據(jù)的內(nèi)在聯(lián)系，最終確定企業(yè)業(yè)務(wù)的發(fā)展趨勢和規(guī)律。

數(shù)字化水電站所具有的仿真功能不僅能對(duì)水電站現(xiàn)狀進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)與量化分析，而且還可以對(duì)水電站未來發(fā)展進(jìn)行動(dòng)態(tài)三維空間描述、預(yù)測、并進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)的前瞻性分析。以水電站運(yùn)行系統(tǒng)為對(duì)象，建立對(duì)象的物質(zhì)、能量、信息的映射關(guān)系及其邏輯鏈路描述，是本研究數(shù)字化水電站的技術(shù)創(chuàng)新和技術(shù)突破的關(guān)鍵所在。因此，以復(fù)雜系統(tǒng)理論、系統(tǒng)工程思想、信息技術(shù)原理、現(xiàn)代仿真技術(shù)和綜合集成方法指導(dǎo)研究工作的分析和實(shí)施，以達(dá)到數(shù)字化水電站設(shè)計(jì)的目標(biāo)要求。

2 數(shù)字化水電站的建設(shè)策略

隨著我國電力行業(yè)“廠網(wǎng)分開，競價(jià)上網(wǎng)”電力市場的起步和發(fā)展，作為一個(gè)發(fā)電企業(yè)，在安全性、可靠性約束條件下，追求利潤的最大化是它的主要目標(biāo)。因此水電站的管理重點(diǎn)從傳統(tǒng)的計(jì)劃生產(chǎn)，逐步過渡到基于科學(xué)調(diào)度和競價(jià)決策的市場化生產(chǎn)。

傳統(tǒng)意義和功能上的水電站計(jì)算機(jī)控制與信息系統(tǒng)只能起到一個(gè)生產(chǎn)過程控制和數(shù)據(jù)收集的作用，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)、運(yùn)行、管理數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、展現(xiàn)的功能，但存在幾個(gè)問題:

(1)數(shù)據(jù)基本上是一種相對(duì)的靜態(tài)，數(shù)據(jù)分析的功能很少，缺少有效的決策支持，在決策過程中，不可能親自去查閱大量基本數(shù)據(jù)，更何況這些數(shù)據(jù)可能散布在水電站各個(gè)部門，于是決策多依靠經(jīng)驗(yàn)判斷，存在很大的盲目性。

(2)對(duì)設(shè)備的管理通常局限在設(shè)備的臺(tái)賬、檢修記錄、消缺記錄等單一靜態(tài)的記錄上，設(shè)備從發(fā)現(xiàn)缺陷到檢修消缺的管理過程缺乏科學(xué)的管理流程及對(duì)流程的監(jiān)督考核管理。

(3)缺乏總體數(shù)據(jù)規(guī)劃和數(shù)據(jù)(應(yīng)用)整合，存在或多或少的“信息孤島”，部分?jǐn)?shù)據(jù)有冗余和二意性，不能融合到整個(gè)管理信息平臺(tái)上。

(4)功能上缺乏與電力市場技術(shù)支持系統(tǒng)的接口和相關(guān)的輔助服務(wù)功能，只實(shí)現(xiàn)了單一的接收信息和報(bào)價(jià)的功能。

在電力市場環(huán)境下數(shù)字化水電站的建設(shè)，從技術(shù)層面上看，需要綜合采用企業(yè)信息門戶(EIP)技術(shù)、企業(yè)應(yīng)用整合(EAI)技術(shù)、企業(yè)設(shè)備資產(chǎn)管理(EAM)技術(shù)、工作流(WorkFlow)技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘(DataMining)技術(shù)，決策分析模型等來構(gòu)架，通過這些技術(shù)手段，能將發(fā)電企業(yè)的全部信息整合在一個(gè)統(tǒng)一的平臺(tái)上，在ERP的思想指導(dǎo)下，運(yùn)用可定義的工作流，對(duì)生產(chǎn)調(diào)度、設(shè)備運(yùn)行等原子的業(yè)務(wù)模塊進(jìn)行規(guī)劃；用合理的決策分析模型，對(duì)企業(yè)的生產(chǎn)成本、設(shè)備折舊、物資消耗、報(bào)價(jià)策略進(jìn)行分析，完成一個(gè)發(fā)電企業(yè)的信息化管理。此外，還需要通過信息安全技術(shù)，來保證電力市場中的對(duì)手不能了解到本企業(yè)的經(jīng)營狀況、發(fā)電成本、報(bào)價(jià)策略和報(bào)價(jià)信息等數(shù)據(jù)。

運(yùn)用ERP思想來重新規(guī)劃電廠MIS，是現(xiàn)階段電廠MIS建設(shè)的重要手段。ERP(EnterpriseRe-sourcePlanning企業(yè)資源計(jì)劃)。從廣義來講，水電站也是一個(gè)生產(chǎn)企業(yè)，是一個(gè)依賴不確定性河川徑流的非線性動(dòng)力系統(tǒng)，它同樣存在信息流、資金流和物質(zhì)流在企業(yè)的流動(dòng)。將ERP的管理思想和軟件結(jié)構(gòu)用于數(shù)字化的建設(shè)中，是解決電力市場中水電站的新需求的可行方法。ERP是市場競爭全球化形勢下一種面向企業(yè)供應(yīng)鏈的管理方案。為此，長洲電廠數(shù)字化水電站建設(shè)的實(shí)施策略上應(yīng)作如下考慮:

a)實(shí)時(shí)運(yùn)行信息管理:主要依托實(shí)時(shí)系統(tǒng)，遵循國家電網(wǎng)的二次防護(hù)網(wǎng)絡(luò)要求，從機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)、水情系統(tǒng)、閘門調(diào)度系統(tǒng)、電能計(jì)量系統(tǒng)、機(jī)組在線監(jiān)測系統(tǒng)提取相關(guān)主要信息。主要包括實(shí)際出力和計(jì)劃出力、電網(wǎng)頻率、機(jī)組主要運(yùn)行參數(shù)、主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)數(shù)據(jù)等，這些數(shù)據(jù)主要用于實(shí)時(shí)監(jiān)測和考核各機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行狀況，動(dòng)態(tài)掌握全廠各機(jī)組的運(yùn)行效率、變動(dòng)成本等經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

b)設(shè)備狀態(tài)長期監(jiān)控管理:依托生產(chǎn)信息管理系統(tǒng)，收集設(shè)備的缺陷、技術(shù)監(jiān)督數(shù)據(jù)、定值數(shù)據(jù)，根據(jù)不同設(shè)備的劣化模型，合理的預(yù)測、規(guī)避設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)，制定合理的設(shè)備檢修計(jì)劃，使電廠設(shè)備安全穩(wěn)定的運(yùn)行。同時(shí)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)可以合理的制定倉庫備品備件數(shù)量，通過與物資管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互，可以確保電廠安全運(yùn)行的同時(shí)降低倉庫庫存。在集團(tuán)化庫存的概念下，還能整合各電廠庫存資源作為集團(tuán)倉庫，合理的調(diào)配各個(gè)電廠的資源。

c)辦公自動(dòng)化管理:辦公自動(dòng)化管理不僅僅是實(shí)現(xiàn)無紙化辦公的初級(jí)階段。通過對(duì)具體流程的設(shè)置，不僅僅明確了每項(xiàng)工作的步驟，強(qiáng)制的規(guī)范了每項(xiàng)工作的流程，同時(shí)通過數(shù)字簽名和防抵賴系統(tǒng)有效的強(qiáng)化了每個(gè)環(huán)節(jié)的負(fù)責(zé)人的責(zé)任感。電廠決策人員也可以了解到每項(xiàng)工作的進(jìn)展情況，以及相關(guān)環(huán)節(jié)的效率。不僅有利于追蹤重要工作的進(jìn)展近況，而且有利于優(yōu)化工作流程或環(huán)節(jié)，提高工作效率。由于與實(shí)時(shí)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換，能夠在公共系統(tǒng)中了解整個(gè)電廠運(yùn)行情況，例如:機(jī)組工況、水情數(shù)據(jù)等等。

d)輔助決策支持管理:以往的決策數(shù)據(jù)是相對(duì)獨(dú)立的，例如水情系統(tǒng)的流量、水位、預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，電量系統(tǒng)發(fā)電量數(shù)據(jù)，機(jī)組在線監(jiān)測系統(tǒng)的機(jī)組狀態(tài)分析數(shù)據(jù)等。通過實(shí)時(shí)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互，可以整合至信息平臺(tái)，完成對(duì)決策數(shù)據(jù)的管理?？梢詫?duì)這些數(shù)據(jù)自動(dòng)的生成報(bào)表、曲線，能更加直觀的從多維度了解水情、機(jī)組狀態(tài)、發(fā)電量之間的關(guān)系，預(yù)測來年的趨勢，做好來年的各項(xiàng)決策。

e)模擬成本效驗(yàn):給出一個(gè)日發(fā)電計(jì)劃，系統(tǒng)根據(jù)物資成本，計(jì)算出該日發(fā)電計(jì)劃的單位發(fā)電成本。

f)接收與報(bào)價(jià):提供一個(gè)接收網(wǎng)上數(shù)據(jù)的環(huán)境。接收網(wǎng)上競價(jià)的各類數(shù)據(jù)，并保存在數(shù)據(jù)庫中，供查詢和分析。按本省電力市場的運(yùn)營規(guī)則的要求，提供發(fā)布和申報(bào)上網(wǎng)的數(shù)據(jù)的環(huán)境，可發(fā)布機(jī)組的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和向電力市場技術(shù)支持系統(tǒng)申報(bào)各時(shí)段的價(jià)格。

g)設(shè)備資產(chǎn)管理系統(tǒng):由資產(chǎn)管理、預(yù)算、設(shè)備、庫存、采購、工單及工單申請(qǐng)、計(jì)劃、任務(wù)和預(yù)防性維修、職員等模塊構(gòu)成。

圖3 工作票流程圖

隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和改革開放的深入以及中國加入WTO，水電能源行業(yè)的運(yùn)營模式也發(fā)生了很大的變化，逐步引入了新的商業(yè)模式；同時(shí)電力行業(yè)也在進(jìn)行公司制改革、商業(yè)化運(yùn)營和法制化管理，加強(qiáng)和提升核心業(yè)務(wù)，積極有效地發(fā)展多種產(chǎn)業(yè)，努力把電力企業(yè)建成控股型、經(jīng)營型、現(xiàn)代化、集團(tuán)化管理的國際一流電力企業(yè)。在這個(gè)過程中，水電站綜合信息平臺(tái)的建設(shè)是相當(dāng)重要的；通過實(shí)時(shí)系統(tǒng)將機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)、水情系統(tǒng)、閘門調(diào)度系統(tǒng)、在線監(jiān)測系統(tǒng)等相關(guān)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集中整合至MIS網(wǎng)絡(luò)，通過與生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)本身的管理的數(shù)據(jù)再分析、再處理，形成更具有效的信息、數(shù)據(jù)集合，給與電廠決策支持，從而達(dá)到綜合信息平臺(tái)的功能，即在安全的前提下最終提高電廠的管理效率、生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。

圖4 缺陷流程圖