智能化水電廠在水電SIS實施過程中的探索

張士軍，方有清，張元元

（浙江華電烏溪江水力發(fā)電廠，浙江 衢州 324000）

1 背景

浙江華電烏溪江水力發(fā)電廠（簡稱“烏溪江水電”）的前身黃壇口水電廠，投產(chǎn)于1958年，其下轄湖南鎮(zhèn)電站和黃壇口電站，為梯級水電站，企業(yè)走過了50多年的發(fā)展歷程，積累了豐富的生產(chǎn)運行和管理經(jīng)驗，為了擺脫老電廠設(shè)備陳舊、自動化、信息化應(yīng)用落后局面，企業(yè)通過九五、十五、十一五的自動化設(shè)備技術(shù)改造和信息化建設(shè)，電廠自動化、智能化水平得到提高，信息化業(yè)務(wù)系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用，1996年在湖南鎮(zhèn)電站壩后廠房實施無人值班，1999年實行全廠無人值班（少人值守）的運行方式，黃壇口電站、湖南鎮(zhèn)電站的設(shè)備相繼切至梯調(diào)中心控制，企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營模式發(fā)生了巨大改變，電廠控制自動化、管理信息化有了質(zhì)的飛躍，企業(yè)基本實現(xiàn)了現(xiàn)代化管理。

但隨著我國電力體制改革的深化，廠網(wǎng)分開和電力市場的有序競爭的不斷激烈，電廠作為電網(wǎng)特殊用戶，電網(wǎng)供電側(cè)的基石，一方面面臨電網(wǎng)對電廠的設(shè)備運行、自動化控制、信息的傳輸?shù)瓤己艘蟮倪M一步提高，需要不斷提高電廠科學(xué)技術(shù)應(yīng)用水平；一方面面臨在建設(shè)智能電網(wǎng)大環(huán)境下，電廠側(cè)應(yīng)該積極做出響應(yīng)，探索適應(yīng)本企業(yè)實際狀況的智能化電廠發(fā)展之路，實現(xiàn)電廠發(fā)電的安全、穩(wěn)定、高效、可靠的目的。

2 現(xiàn)狀

烏溪江水電從九十年代進行計算機監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)以來，先后完成了5號機組狀態(tài)檢測系統(tǒng)、電能量系統(tǒng)、電廠工業(yè)電視系統(tǒng)、水調(diào)自動化系統(tǒng)、大壩自動化系統(tǒng)、安全營銷監(jiān)管系統(tǒng)以及包括ERP的企業(yè)信息管理系統(tǒng)，建成了主干千兆的光纖環(huán)型網(wǎng)絡(luò)，建設(shè)了“安全分區(qū)、網(wǎng)絡(luò)專用、橫向隔離、縱向認(rèn)證”的二次安全防護體系，初步建成了實時數(shù)據(jù)平臺和管理數(shù)據(jù)中心，信息化建設(shè)為企業(yè)安全生產(chǎn)提供了現(xiàn)代化管理手段，在企業(yè)的安全生產(chǎn)、經(jīng)營管理中發(fā)揮著積極作用。但如何在現(xiàn)有基礎(chǔ)上再上一個臺階，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集自動化、信息數(shù)據(jù)精確化、設(shè)備運行最優(yōu)化、調(diào)度決策智能化、運行控制自動化、分析決策在線化已成為我廠信息化建設(shè)探索研究的課題。水電SIS是智能水電廠重要組成部分和集成信息平臺，我們作為華電集團水電廠試點單位，通過調(diào)研、需求分析，開發(fā)建立水電SIS系統(tǒng)，探索研究智能化水電廠建設(shè)新思路。

3 設(shè)計目標(biāo)

智能化水電廠建設(shè)需要穩(wěn)定、可靠、自愈的網(wǎng)絡(luò)通信平臺，還需要安全、穩(wěn)定、可靠的信息化業(yè)務(wù)支撐平臺，水電SIS系統(tǒng)在企業(yè)完善的網(wǎng)絡(luò)通信平臺支撐下，作為企業(yè)智能化電廠建設(shè)的雛形，在建設(shè)過程中，融入了現(xiàn)代化管理理念，是先進技術(shù)、管理的融合，系統(tǒng)考慮安全性、開放性、擴展性和標(biāo)準(zhǔn)化，必須具備以下技術(shù)特點和功能要求。

（1）建設(shè)實時數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)平臺，采用標(biāo)準(zhǔn)接口，完成現(xiàn)有水電廠各生產(chǎn)實時自動化系統(tǒng)的接口連接，實現(xiàn)全廠生產(chǎn)數(shù)據(jù)的集成，具備對全廠生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實時采集、海量儲存功能；

（2）在數(shù)據(jù)集成的基礎(chǔ)上建設(shè)畫面組態(tài)、趨勢分析、生產(chǎn)統(tǒng)計、基本報表生成和數(shù)據(jù)歸檔校核、參數(shù)設(shè)置等基本功能；

（3）基于水電高級應(yīng)用需求，建設(shè)機組運行優(yōu)化、負(fù)荷分配優(yōu)化、梯級調(diào)度、小指標(biāo)分析、對標(biāo)等擴展功能；

（4）在整合所有電廠生產(chǎn)實時、管理數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，進行設(shè)備狀態(tài)診斷、事故診斷、智能調(diào)度、運維協(xié)同等智能化應(yīng)用功能。

4 系統(tǒng)特點

水電SIS系統(tǒng)基于Windows系統(tǒng)操作平臺、PI實時數(shù)據(jù)庫平臺，采用VC＋＋、ASP.NET作為主要開發(fā)語言，采用了當(dāng)今先進的、主流的微軟.NET技術(shù)，能夠很好地保障若干年后仍是主流技術(shù)，并可以對諸如操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)實現(xiàn)平穩(wěn)升級。同時還具有可擴展性、安全性、實用性、經(jīng)濟性、穩(wěn)定性以及易維護性特點。在系統(tǒng)功能設(shè)計中，除常規(guī)的SIS基本功能基礎(chǔ)以外，構(gòu)建系統(tǒng)知識專家?guī)欤⒅悄茉\斷模型和協(xié)同工作模塊。

5 系統(tǒng)部署與功能設(shè)計

5.1 系統(tǒng)部署

如圖1所示，本結(jié)構(gòu)按照數(shù)據(jù)的安全級別對網(wǎng)絡(luò)的層次進行了劃分，分為控制系統(tǒng)區(qū)域（I區(qū)）、實時數(shù)據(jù)平臺區(qū)域（II區(qū)）和管理應(yīng)用區(qū)域（III區(qū)）。I區(qū)到II區(qū)部署防火墻，II區(qū)到III區(qū)合理部署為正、反向隔離設(shè)備，在保證網(wǎng)絡(luò)安全的前提下進行數(shù)據(jù)有效傳輸。

圖1 烏溪江水電SIS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)在進行網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)時充分考慮企業(yè)現(xiàn)有資源，采用千/百兆以太網(wǎng)構(gòu)建數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)。通信服務(wù)器（前置接口機）與監(jiān)控等生產(chǎn)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過防火墻隔離，系統(tǒng)配置兩臺服務(wù)器與一臺磁盤陣列組建集群作為實時數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，前置接口機、實時數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、工作站構(gòu)建安全II區(qū)數(shù)據(jù)采集局域網(wǎng)，生產(chǎn)數(shù)據(jù)通過該局域網(wǎng)存儲到實時數(shù)據(jù)平臺的數(shù)據(jù)庫中。

鏡像實時數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和關(guān)系數(shù)據(jù)庫服務(wù)器利用電廠現(xiàn)有管理信息網(wǎng)絡(luò)部署在電廠安全III區(qū)，通過正向單向隔離裝置與安全II區(qū)的網(wǎng)絡(luò)進行隔離。安全II區(qū)的實時數(shù)據(jù)庫將數(shù)據(jù)經(jīng)過單向隔離裝置鏡像到安全III區(qū)的鏡像實時數(shù)據(jù)庫，在電廠安全III區(qū)的應(yīng)用服務(wù)器（兼作關(guān)系數(shù)據(jù)庫服務(wù)器）開發(fā)部署水電SIS展現(xiàn)平臺。

5.2 功能設(shè)計

作為探索研究過程中的智能化水電廠的一個平臺，水電SIS建設(shè)在考慮系統(tǒng)的海量存儲同時，功能設(shè)計上分為基本功能、高級應(yīng)用兩大部分，其主要功能有：

（1）基本功能

1）數(shù)據(jù)集成

建立水電SIS系統(tǒng)目的之一是整合企業(yè)所有實時數(shù)據(jù)，進一步挖掘數(shù)據(jù)，為企業(yè)生產(chǎn)運行提供輔助服務(wù)，提高工作效率。為了整合計算機監(jiān)控、狀態(tài)監(jiān)測、水調(diào)自動化、大壩自動化等系統(tǒng)的業(yè)務(wù)以及考慮到今后水電廠可能建設(shè)其它主設(shè)備監(jiān)測及管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)接入到水電SIS系統(tǒng)，數(shù)據(jù)集成的接口通信方式在確保系統(tǒng)數(shù)據(jù)可靠性、實時性的前提下，部署接口程序，并采用標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，其特點是對實時的業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口一般采用IEC 60870-5-101/104協(xié)議，對關(guān)系數(shù)據(jù)庫類型的業(yè)務(wù)系統(tǒng)采用ADO/ODBC。

2）生產(chǎn)過程動態(tài)監(jiān)視

動態(tài)展示機組運行狀態(tài)、實時主接線、流域水情、大壩重要測點以及機組主要生產(chǎn)流程工藝畫面，實時監(jiān)控機組運行狀態(tài)。監(jiān)視畫面通過生產(chǎn)模擬圖、趨勢圖、棒狀圖和參數(shù)分類表等多種監(jiān)視方式實時顯示全廠電氣圖、生產(chǎn)過程等畫面，以web頁面方式發(fā)布到企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，管理技術(shù)人員在管理信息區(qū)可隨時掌握全廠水、機、電設(shè)備的運行情況。

監(jiān)視畫面突出反映生產(chǎn)流程特點，正確顯示生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)、生產(chǎn)趨勢、設(shè)備狀態(tài)、報警狀態(tài)、經(jīng)濟指標(biāo)等信息，系統(tǒng)對畫面的操作不會影響底層控制系統(tǒng)的運行。

3）報表與統(tǒng)計

在Web頁面便捷地查看水電廠機、電、水、大壩主要生產(chǎn)要素綜合報表，能在線實時查詢各機組、主變運行日志、開停機記錄以及水情、大壩報表信息，其中有電量日月年報表，雨量、水位日月年實時報表以及電量、水情、大壩觀測各種統(tǒng)計分析報表等。這些報表可根據(jù)實際的需求進行定制并可導(dǎo)出到Execl中，為生產(chǎn)人員報送、存檔生產(chǎn)情況提供了極大的便利。

4）設(shè)備異常報警

系統(tǒng)通過參數(shù)配置，設(shè)置越限參數(shù)和重要事件參數(shù)，如機組跳閘、負(fù)荷異常、開關(guān)跳閘、軸瓦溫度、水位、雨量超限、通信中斷等，系統(tǒng)后臺實時監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)異常通過主畫面聲音、文字閃爍進行報警，提示運行值守人員分析判斷，并以短信方式通知相關(guān)人員，達到對異常事件作出最快反應(yīng)。

5）事故追憶

系統(tǒng)具備對重點部位的實時數(shù)據(jù)回溯功能，當(dāng)電廠核心設(shè)備出現(xiàn)異常時，系統(tǒng)能夠提供歷史趨勢和畫面回溯兩種方式追憶歷史工況，分析事故出現(xiàn)的原因。

6）人工錄入和數(shù)據(jù)修正

對于一些無法進行自動采集的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)提供了數(shù)據(jù)的手工錄入的功能，主要用于錄入：機組啟停的原因、非停等級的確認(rèn)以及其它需要手工錄入的數(shù)據(jù)等；同時，對自動采集過程中出現(xiàn)跳變數(shù)據(jù)，可以進行修正，確保系統(tǒng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

7）接口管理

通過系統(tǒng)維護工具、系統(tǒng)通訊狀態(tài)監(jiān)測工具，可以方便的對系統(tǒng)接口的可靠性、穩(wěn)定性、異常、數(shù)據(jù)流向等有關(guān)系統(tǒng)接口穩(wěn)定運行方面進行集中管理、維護。

（2）高級應(yīng)用

該平臺在高級應(yīng)用開發(fā)過程中，提煉了電廠機電運行、水庫調(diào)度、安全監(jiān)測等方面實際使用管理中理論精華，設(shè)計的各項功能具有智能化生產(chǎn)的特點，具有實時跟蹤水電廠運行、跟蹤各項運行指標(biāo)狀態(tài)、實時監(jiān)測機電設(shè)備運行工況以及協(xié)同作業(yè)等綜合輔助功能。主要功能有：

1）動態(tài)計算機組效率和發(fā)電水耗，實時監(jiān)測機組運行工況

提高水電廠經(jīng)濟效益，關(guān)鍵是降低機組的發(fā)電單耗和提高機組運行效率，系統(tǒng)根據(jù)電廠提供的各臺水輪機組的運行資料，在EXCEL中對機組的效率表進行不同水頭、出力下的公式擬合，利用擬合得到的一系列公式，實時計算出當(dāng)前水頭下機組實時的最優(yōu)效率與最優(yōu)出力值。通過程序?qū)崟r計算出機組出力所在區(qū)間上下兩個邊界的實時效率值，通過差值法即可得出機組當(dāng)前的實時效率值。在機組單耗計算中，綜合水電廠主流的水耗計算方法以及電廠實際生產(chǎn)中應(yīng)用的水耗計算公式，對水輪機發(fā)電水耗進行實時計算。

該功能不僅給運行人員提供準(zhǔn)確實時的機組運行效率數(shù)據(jù)和機組單耗數(shù)據(jù)，同時，還可以對這兩個關(guān)鍵指標(biāo)進行年、季、月數(shù)據(jù)分析，通過對標(biāo)、對比分析，達到提高機組運行效率和降低水耗的目的。

2）對標(biāo)管理

對標(biāo)管理就是通過對電廠機組一些主要參數(shù)的對比找出差距，尋找工作中的不足，有針對性地進行技術(shù)改造以及作業(yè)規(guī)范，全面提升自身的素質(zhì)。系統(tǒng)基于指標(biāo)計算的結(jié)果實現(xiàn)對電廠機組可控參數(shù)水耗、機組出力、廠用電率、開停機時間和可靠性等指標(biāo)的對標(biāo)管理，對影響能耗的關(guān)鍵可控參數(shù)，進行對比排名，通過對標(biāo)挖掘內(nèi)部潛力、優(yōu)化運行方式、提高操作水平、降低能耗，或采用節(jié)能新技術(shù)、新工藝，對設(shè)備進行技術(shù)改造。

3）負(fù)荷優(yōu)化分配及仿真

烏溪江水電廠發(fā)電機組種類繁多，不同條件下運行效率不盡相同。結(jié)合各發(fā)電機組運行效率資料，建立負(fù)荷分配的數(shù)學(xué)模型，選取合適的數(shù)學(xué)優(yōu)化方法，實現(xiàn)全廠范圍內(nèi)多臺單元機組并列運行過程中的負(fù)荷優(yōu)化分配。該功能還可以根據(jù)實際下達負(fù)荷，進行仿真操作，通過仿真了解上下水庫運行，及時控制最佳水位運行。

在該功能模塊中，系統(tǒng)可根據(jù)當(dāng)前的生產(chǎn)情況，實時預(yù)測未來一段時間內(nèi)上下游水庫的庫水位變化，可進行模擬仿真功能，進行仿真計算，實現(xiàn)梯級水電廠上下水庫的優(yōu)化調(diào)度，也為電廠生產(chǎn)運行提供了可視化的決策支持。

4）手機短信交互功能

對現(xiàn)有水電SIS系統(tǒng)和短信平臺進行接口對接，通過短信把系統(tǒng)的報警、預(yù)警信息及時以短信方式送達相關(guān)人員的手機上，同時，可以通過短信方式查詢當(dāng)前水電廠生產(chǎn)運行情況，如負(fù)荷、電量、水情以及大壩主要運行數(shù)據(jù)，實現(xiàn)與手機交互功能。

5）協(xié)同業(yè)務(wù)管理功能

當(dāng)生產(chǎn)運行設(shè)備產(chǎn)生異常、事故事件時，系統(tǒng)通過手機交互平臺發(fā)出短信，檢修、管理技術(shù)人員及時獲取相關(guān)信息，同時把該事件作為缺陷自動生成缺陷單，進入設(shè)備管理檢修維護流程，啟動系統(tǒng)設(shè)備快速處理流程，整個過程可以監(jiān)視，達到提高設(shè)備運行周期的效果。

6 系統(tǒng)實施后的效果

烏溪江水電廠原先計算機監(jiān)控、大壩自動化、水調(diào)自動化等生產(chǎn)控制系統(tǒng)各自相對獨立，出于安全的考慮和前期投運系統(tǒng)設(shè)計的局限性，各業(yè)務(wù)系統(tǒng)對實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)的訪問存在困難，實時信息資源的共享性差，各系統(tǒng)數(shù)據(jù)來源不一致、口徑不統(tǒng)一、數(shù)據(jù)不全面、數(shù)據(jù)缺乏統(tǒng)一的管理，數(shù)據(jù)的整體利用率低下。各系統(tǒng)的客戶端、訪問方式都存在很大差異，給生產(chǎn)管理帶來不便。

水電SIS系統(tǒng)的建設(shè)有效解決了上述問題，生產(chǎn)實時信息資源集成在一個統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺及應(yīng)用平臺之上，對生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一的管理和利用，全面的規(guī)劃和開發(fā)，為實時生產(chǎn)運行狀況的查看提供了極大的便利。同時，實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)的集成可以在短時間內(nèi)對生產(chǎn)過程出現(xiàn)的問題做出即時的分析，為電廠提高科學(xué)管理水平、提高經(jīng)濟效益提供決策支持。

主要體現(xiàn)在以下幾點：

1）整合平臺、統(tǒng)一數(shù)據(jù)接口：電廠生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)一整合在水電廠SIS數(shù)據(jù)平臺之上，為電廠生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理、利用提供了全面的平臺支撐，為電廠日后其它專業(yè)系統(tǒng)建設(shè)的數(shù)據(jù)獲取提供了統(tǒng)一的接口。

2）實時畫面、動態(tài)展示：水電廠SIS結(jié)合了計算機監(jiān)控系統(tǒng)的實時畫面功能，利用PI的靈活、方便的圖形功能，可以在線監(jiān)視電廠機電設(shè)備運行工況過程，隨時分析實時畫面測點數(shù)據(jù)變化過程曲線，可以非常直觀、便捷地了解現(xiàn)場設(shè)備運行健康狀態(tài)。

3）精心頁面設(shè)計，實現(xiàn)信息綜合發(fā)布：借助較為全面的生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)，通過各專業(yè)部門業(yè)務(wù)人員對實際應(yīng)用的不斷溝通、謀劃和設(shè)計，精心布局水電廠業(yè)務(wù)系統(tǒng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)展現(xiàn)畫面，實現(xiàn)各生產(chǎn)系統(tǒng)的基本應(yīng)用整合在一個應(yīng)用平臺之上，并通過WEB進行發(fā)布，提高了電廠生產(chǎn)管理的信息化水平。

4）實時對標(biāo)，仿真運行提供輔助服務(wù)：通過水電廠SIS平臺，建立的機組效率、水耗實時對標(biāo)和機組負(fù)荷分配的仿真運行，直觀、有效地為現(xiàn)場運行人員提供高效、準(zhǔn)確的操作策略，提高了全廠機組發(fā)電效率。

5）小指標(biāo)分析，為設(shè)備改進和優(yōu)化運行提供依據(jù)：通過對標(biāo)管理中的小指標(biāo)分析統(tǒng)計功能，實時分析、統(tǒng)計關(guān)鍵生產(chǎn)運行指標(biāo)，比如對開停機、廠用電統(tǒng)計分析，查找運行設(shè)備之間指標(biāo)差距，分析影響指標(biāo)的設(shè)備因素和人員因素，為生產(chǎn)管理進一步改進提供決策依據(jù)。

6）實時報表、功能齊全：生產(chǎn)數(shù)據(jù)報表的自動化生成，將電廠生產(chǎn)報表的制定工作從繁瑣的人工方式中解脫出來，同時保證了生產(chǎn)報表的及時性和準(zhǔn)確性。

7）在線診斷、手機短信交互、協(xié)同工作：該平臺匯聚了水電廠所有生產(chǎn)實時信息，是水電廠安全生產(chǎn)運行的核心，通過智能判斷，通過短信平臺，自動實現(xiàn)異常、故障事件及時傳送，達到及時進行處理，并從設(shè)備檢修流程中實現(xiàn)閉環(huán)的過程管理。

7 下一步研究方向

水電廠SIS建設(shè)僅僅是水電廠智能化建設(shè)的雛形，處于二次開發(fā)的初級階段，還不具備自動、優(yōu)化控制功能，僅是一個生產(chǎn)實時業(yè)務(wù)系統(tǒng)的整合平臺以及依托該平臺進行數(shù)據(jù)二次開發(fā)、提供決策信息；在狀態(tài)檢測、智能調(diào)節(jié)、協(xié)同互動等高級功能方面相對薄弱。下一步，我們需要依托該系統(tǒng)，深化功能應(yīng)用，針對水電廠安全生產(chǎn)方面的數(shù)據(jù)進行綜合分析，探索從流域降雨、庫水位調(diào)節(jié)、發(fā)電生產(chǎn)到節(jié)能減排這一系列的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析及仿真應(yīng)用，進一步為水電廠的電力生產(chǎn)提供豐富多樣的數(shù)據(jù)決策支持，改善各項經(jīng)濟運行指標(biāo)，提高水電廠經(jīng)濟效益。同時，通過該系統(tǒng)，進行水電廠生產(chǎn)管理提升以及延長資產(chǎn)生命周期協(xié)同管理研究，即借助全新通信技術(shù)，將關(guān)鍵資產(chǎn)狀況信息的數(shù)據(jù)納入到系統(tǒng)數(shù)據(jù)平臺之上，使技術(shù)人員能夠方便、及時的獲取設(shè)備的相關(guān)信息，為及時解決設(shè)備運行問題提供信息化保障，進而延長資產(chǎn)使用壽命，避免發(fā)生代價高昂的中斷事件。