水電廠計算機(jī)監(jiān)控技術(shù)回顧與展望

王德寬，王桂平，文正國，韓長霖，張衛(wèi)君，王崢瀛，陳小松

（北京中水科水電科技開發(fā)有限公司，北京100038）

過去的10年，隨著我國電力體制的改革不斷深入，巨型機(jī)組水電站建設(shè)進(jìn)入高峰期，流域梯級水電“調(diào)控一體化”模式的出現(xiàn)，國家對水利的投入不斷加大，以及大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)、云技術(shù)的蓬勃發(fā)展，不斷促進(jìn)以智能化、智慧化為標(biāo)志的水利、水電與新能源計算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展。中水科技在不斷完善H9000 V4.0系列計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的同時，勇于創(chuàng)新，開發(fā)了以iP9000智能一體化平臺為標(biāo)志的眾多新技術(shù)和新產(chǎn)品，形成了行業(yè)自動化、信息化成套解決方案，為水利水電行業(yè)不斷變化的需求提供了有力的技術(shù)支撐。

本文主要回顧近10年來中水科技在計算機(jī)監(jiān)控領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步，以及在信息化、故障診斷、智慧化及虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)領(lǐng)域的拓展，并對相關(guān)技術(shù)的未來發(fā)展趨勢進(jìn)行展望。

1 巨型電站群監(jiān)控與梯級遠(yuǎn)程“調(diào)控一體化”技術(shù)

2005年，中水科技結(jié)合三峽右岸水電站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)工程，開發(fā)了全新的H9000V4.0系統(tǒng)[1]后，結(jié)合三峽地電、溪洛渡、向家壩、瀑布溝等電站自動化工程，特別是2012年結(jié)合金沙江下游梯級電站成都遠(yuǎn)程“調(diào)控一體化”控制系統(tǒng)工程[2]的實(shí)施，開發(fā)了許多新功能，進(jìn)一步豐富完善了H9000 V4.0系統(tǒng)的功能和性能，滿足了多機(jī)組大容量巨型電站監(jiān)控及遠(yuǎn)程“調(diào)控一體化”對控制系統(tǒng)安全性、穩(wěn)定性和實(shí)時性等方面的要求。

1.1 梯級遠(yuǎn)程“調(diào)控一體化”新技術(shù)

金沙江下游梯級成都“調(diào)控一體化”控制系統(tǒng)的技術(shù)進(jìn)步主要包括：

（1）首次實(shí)現(xiàn)了由溪洛渡、向家壩兩電站構(gòu)成的世界上最大的梯級水電站的遠(yuǎn)程“調(diào)控一體化”及現(xiàn)地“無人值班”（少人值守），被控對象包括26臺770MW以上巨型機(jī)組、500kV開關(guān)站及泄洪閘門等，遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)與控制的成功率為100%。

（2）國際上首次研制成功基于多服務(wù)器、多規(guī)約、多鏈路、相互校驗的M-SPC高可靠性集群通信技術(shù)，各鏈路數(shù)據(jù)冗余傳送，負(fù)載均衡，相互校驗，無縫切換，通道多規(guī)約可選；首次研制成功通信雙緩存異步處理技術(shù)，提升通信能力約10倍；首次發(fā)明104規(guī)約通信單邊點(diǎn)表技術(shù)。顯著提高了集控中心與電站通信的實(shí)時性、安全性與可靠性[3]。

（3）首次研制成功配置信息異地在線同步技術(shù)，解決了廣域多站大型控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫描述文件、通信點(diǎn)表、畫面、報表、計算庫、閉鎖庫等配置信息同步的難題，提高了系統(tǒng)維護(hù)效率，避免了人工維護(hù)與同步產(chǎn)生的失誤，確保廣域多站控制系統(tǒng)之間配置信息的高效同步與系統(tǒng)安全。

（4）研制成功了面向設(shè)備對象、基于相關(guān)量分析的實(shí)時智能報警技術(shù)[4]。將海量信號按設(shè)備對象分組，建立信號與設(shè)備的關(guān)聯(lián)樹，通過報警流程、條件報警、延遲報警等手段，進(jìn)行智能分析與推理，做到“該報必報，絕不多報”，避免次要報警對重要報警的湮沒，把重要報警信號從海量報警中挖出來，顯著減輕運(yùn)行人員勞動強(qiáng)度。

（5）設(shè)計發(fā)明了獨(dú)立的接機(jī)調(diào)試平臺和“調(diào)控一體化”同步接機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了集控中心與電站同步、同臺接機(jī)調(diào)試，顯著提高了集控中心接機(jī)效率，創(chuàng)造了同類系統(tǒng)兩年投運(yùn)26臺巨型機(jī)組且無誤操作的世界記錄[5]。

（6）在國網(wǎng)、南網(wǎng)的多電網(wǎng)調(diào)度模式下，實(shí)現(xiàn)發(fā)電計劃的統(tǒng)一管理[6]，以梯級總勢能消耗最小為目標(biāo)，采用雙適應(yīng)度粒子群優(yōu)化算法、協(xié)同進(jìn)化、多進(jìn)程等技術(shù)，尋求發(fā)電效益最大化，同時解決優(yōu)化過程中廠間負(fù)荷大幅度轉(zhuǎn)移等問題，實(shí)現(xiàn)梯級巨型電站“調(diào)控一體化”多調(diào)度、多廠站AGC聯(lián)合應(yīng)用。

（7）根據(jù)向家壩的特殊運(yùn)行工況，在國際上首次研制成功SGJC大型水利樞紐發(fā)電航運(yùn)安全與閘門實(shí)時優(yōu)化遠(yuǎn)程控制技術(shù)[7]，在樞紐出庫流量急劇變化時，SGJC采取自動、半自動方式確定補(bǔ)水及閘門優(yōu)化控制方案，同時首次實(shí)現(xiàn)了集控中心遠(yuǎn)程自動控制閘門補(bǔ)水，確保樞紐下游水位及其變幅滿足航運(yùn)安全的要求。

（8）實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程多電站閘門群成組預(yù)校驗聯(lián)控。首次實(shí)現(xiàn)梯級多電站閘門群成組預(yù)校驗聯(lián)控下令，經(jīng)過閘門聯(lián)控命令單預(yù)校驗后，實(shí)時下發(fā)成組控制指令，同時動態(tài)監(jiān)測閘門動作過程，自動實(shí)時檢測操作結(jié)果，當(dāng)發(fā)現(xiàn)閘門動作過程與下達(dá)指令不符時，第一時間停止該命令單操作。命令單預(yù)校驗技術(shù)提高了閘門成組操作的成功概率。成組聯(lián)控、動態(tài)監(jiān)測、自動反饋等技術(shù)有效地保障了遠(yuǎn)程控制的效率與安全。

（9）在集控中心遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)水利樞紐發(fā)電航運(yùn)多目標(biāo)實(shí)時優(yōu)化控制。在發(fā)電流量急劇變化時，采取半自動或人工的方式，迅速對稱開啟可用閘門向下游進(jìn)行泄流，實(shí)時控制樞紐下游水位變幅，變非恒定流為準(zhǔn)恒定流。發(fā)電航運(yùn)優(yōu)化調(diào)度與自動發(fā)電控制（AGC）相互配合，對未來短期機(jī)組流量進(jìn)行短期預(yù)測，盡量減少棄水。目前，在大江大河上實(shí)現(xiàn)此類遠(yuǎn)程實(shí)時自動控制功能尚屬首例。

1.2 大型梯級水電站遠(yuǎn)程集控閘門控制新技術(shù)[8]

對于庫容小、水頭低的貫流式機(jī)組水電站，上游來水過大或線路跳閘、機(jī)組甩負(fù)荷等情況時，水位迅速上漲，有可能導(dǎo)致水漫大壩、水淹廠房風(fēng)險。

2016年，在五凌電力實(shí)現(xiàn)了水電站泄洪閘門與動態(tài)負(fù)荷及水位自動聯(lián)動功能。即：水位過高時，自動開啟閘門，并根據(jù)水調(diào)系統(tǒng)來水過程線和負(fù)荷計劃曲線，以發(fā)電效益最高為目標(biāo)，生成未來24h閘門啟閉計劃，以自動或半自動方式，下發(fā)至閘門LCU執(zhí)行，未來條件成熟時，操作人員不干預(yù)，由程序自動滾動生成啟閉計劃，并自動完成閘門啟閉，實(shí)現(xiàn)水庫優(yōu)化調(diào)度。

1.3 抽水蓄能電站計算機(jī)監(jiān)控新技術(shù)[9]

2016年，結(jié)合廣東清遠(yuǎn)抽水蓄能電站監(jiān)控系統(tǒng)項目，針對抽水蓄能電站的特點(diǎn)，依據(jù)模塊化、靈活性、獨(dú)立性、可擴(kuò)性的原則，首次成功開發(fā)了基于H9000 V4.0的抽水蓄能電站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，現(xiàn)場運(yùn)行情況良好，受到南方電網(wǎng)公司的書面嘉獎。有關(guān)蓄能監(jiān)控新技術(shù)如下：

首次開發(fā)了完整的安全可靠的抽水蓄能機(jī)組控制流程；首次采用KKS編碼技術(shù)，信號編碼及控制流程的可讀性、可維護(hù)性強(qiáng)；首次開發(fā)了控制流程仿真測試軟件，直接嵌入LCU控制器，完成了蓄能機(jī)組全工況的自動仿真測試；首次采用軟SOE與硬SOE結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)全部狀態(tài)點(diǎn)和報警點(diǎn)的事件記錄，滿足了電站安全運(yùn)行分析的要求；研發(fā)了抽蓄機(jī)組AGC、PJC及AVC功能，實(shí)現(xiàn)了蓄能機(jī)組的自動啟停、發(fā)電與抽水的工況轉(zhuǎn)換，負(fù)荷及電壓的調(diào)節(jié)。

1.4 H9000 V4.0 的推廣 應(yīng)用

H9000 V4.0的成功開發(fā)，顯著提高了中水科技的市場競爭力。近10年來，中水科技積極參與市場競爭，參與“一帶一路”建設(shè)，先后完成了國內(nèi)外200余套各類水利水電與新能源電站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)工程，海外業(yè)績亦由中小型上升到大型及巨型水電站。其中：

（1）完成溪洛渡、向家壩、瀑布溝、梨園等40余套300MW及以上裝機(jī)的大型水電廠監(jiān)控系統(tǒng)，在巨型水電站計算機(jī)監(jiān)控領(lǐng)域業(yè)績?nèi)蜃罴?；同期還高質(zhì)量完成了我國抽水蓄能國產(chǎn)化標(biāo)志性工程——南方電網(wǎng)清遠(yuǎn)抽水蓄能電站監(jiān)控系統(tǒng)。

（2）完成20余套監(jiān)控系統(tǒng)出口海外，特別是2017年，與國際水電巨頭同臺競標(biāo)取得勝利，一舉中標(biāo)巴西伊利亞、朱比亞兩座大型水電站及梯級集控中心監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)與改造工程，承擔(dān)委內(nèi)瑞拉古里電站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)改造工程，完成緬甸耶瓦水電站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)改造。

（3）完成流域梯級水電廠集控系統(tǒng)30余套，其中包括金沙江梯級水電站成都遠(yuǎn)方集控中心電調(diào)自動化系統(tǒng)、五凌電力集控中心電調(diào)自動化系統(tǒng)，特別是2018年簽約三峽梯級電站電調(diào)自動化系統(tǒng)，替換進(jìn)口國外公司系統(tǒng)。

2 iP9000智能一體化平臺技術(shù)及其應(yīng)用

針對水電及新能源領(lǐng)域自動化、信息化存在的一系列重大技術(shù)難題，如眾多自動化、信息化系統(tǒng)普遍存在信息孤島與互聯(lián)、互通、互動瓶頸，缺乏智能應(yīng)用，缺乏決策支持平臺，等等，2011年以來，中水科技先后提出了智能水電廠自動化系統(tǒng)總體構(gòu)想與總體規(guī)劃[9-10]，并于2015年整合內(nèi)部資源，發(fā)揮監(jiān)控、水情水調(diào)、狀態(tài)診斷、信息化等多專業(yè)的綜合優(yōu)勢，提出了基于面向服務(wù)架構(gòu)（SOA）的iP9000智能一體化平臺[11]架構(gòu)，于2018年完成開發(fā)并在清江公司集控中心投入運(yùn)行。該平臺力求以一種標(biāo)準(zhǔn)、通用、開放、可配置的平臺技術(shù)，滿足廣大水利水電及新能源用戶的不同需求，在平臺通用性、安全性、可擴(kuò)展性、可定制化、可維護(hù)性以及與第三方系統(tǒng)的互動性等方面能力有顯著的提升。

iP9000智能一體化平臺的主要技術(shù)進(jìn)步和特點(diǎn)[12]如下：

（1）面向?qū)ο蟆Ｏ到y(tǒng)采用面向?qū)ο笏季S進(jìn)行設(shè)計，數(shù)據(jù)、畫面、報警均采用面向?qū)ο蟮慕M織形式。

（2）支持非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、可在線維護(hù)的數(shù)據(jù)庫，支持任意類型的對象化數(shù)據(jù)、文件和圖像、視頻、音頻等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的存儲?？稍诰€編輯、修改、擴(kuò)充數(shù)據(jù)庫的點(diǎn)、屬性、結(jié)構(gòu)及表，可在線升級數(shù)據(jù)庫。支持高達(dá)百萬次/s的數(shù)據(jù)訪問和處理。

（3）標(biāo)準(zhǔn)化的公共服務(wù)。

（4）高度一體化的業(yè)務(wù)集成。系統(tǒng)基礎(chǔ)平臺提供安全I(xiàn)、II、III/IV區(qū)內(nèi)統(tǒng)一的系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)分析、圖形、報表等功能支撐接口，完成各個應(yīng)用的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)同步、數(shù)據(jù)交換、對外通信、模型管理、文件管理。

（5）面向?qū)ο蟮娜藱C(jī)聯(lián)系和可視化。

（6）圖-模-庫一體化。

（7）開放的第三方應(yīng)用接入。

3 智能應(yīng)用技術(shù)

iP9000為水利水電自動化、信息化及智能化應(yīng)用提供了良好的開發(fā)、運(yùn)行、維護(hù)與管理平臺。隨著平臺應(yīng)用的不斷豐富，iP9000將顯示更強(qiáng)的生命力。

目前，中水科技已開發(fā)完善了下列成熟的iP9000智能應(yīng)用。

3.1 三維仿真培訓(xùn)與虛擬控制技術(shù)

2008年以來，虛擬培訓(xùn)仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)等新技術(shù)進(jìn)步顯著，在智慧水利及智慧流域建設(shè)中大放異彩，處于國內(nèi)行業(yè)領(lǐng)先地位。

2014年，完成了OTS2000系統(tǒng)三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開發(fā)，并于2015年成功應(yīng)用于湖南省電力公司水電仿真培訓(xùn)系統(tǒng)中[13]。OTS2000系統(tǒng)由H9000平臺提供的數(shù)據(jù)服務(wù)，建立仿真對象數(shù)學(xué)模型、三維模型，構(gòu)建虛擬化的水電廠運(yùn)行環(huán)境，實(shí)現(xiàn)水電流域全景及水電廠生產(chǎn)過程的全仿真，提供模擬設(shè)備操作、事故故障處理、檢修拆裝操作等功能，實(shí)現(xiàn)“教-學(xué)-練-考-評”一體化的培訓(xùn)功能[14]。

2015年，按照面向?qū)ο蠹澳K化思想設(shè)計，開發(fā)出圖形化仿真建模軟件SimuStudio。目前已形成豐富的水電廠算法模型庫，包括有關(guān)主機(jī)設(shè)備元件模型，主要有水、機(jī)、電主系統(tǒng)，電氣主接線系統(tǒng)，輔機(jī)系統(tǒng)，電氣二次系統(tǒng)和廠用電系統(tǒng)等。軟件以圖形的方式描述仿真任務(wù)模塊，開發(fā)人員及用戶通過圖形可視化方式可快速開發(fā)、集成及調(diào)試仿真系統(tǒng)模型；軟件支持包括SimuLog語言在內(nèi)的多種仿真建模語言，可以對算法模型庫進(jìn)行擴(kuò)充及模型算法的修正。

2017年，研究多通道投影、基于MEMS傳感器的人體動作捕捉及虛擬人驅(qū)動、AR等新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對多種VR/AR設(shè)備的自適應(yīng)。建成虛擬現(xiàn)實(shí)及控制仿真實(shí)驗室，有關(guān)技術(shù)在智慧大渡河建設(shè)中得到推廣應(yīng)用。

3.2 智能設(shè)備運(yùn)行監(jiān)視與智能狀態(tài)診斷技術(shù)

結(jié)合三峽右岸電站監(jiān)控系統(tǒng)項目，2008年研發(fā)了iSMA2000 V1.0狀態(tài)監(jiān)測分析系統(tǒng)，系統(tǒng)在線監(jiān)測電廠各設(shè)備的運(yùn)行狀況，分析設(shè)備的運(yùn)行趨勢，以豐富的專家經(jīng)驗支持電廠運(yùn)行，并提供檢修指導(dǎo)[15]，具有泵設(shè)備遠(yuǎn)程診斷分析功能[16]。系統(tǒng)已在三峽、瀑布溝、梨園、五凌電力等項目成功應(yīng)用。

2018年，結(jié)合大渡河設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測分析系統(tǒng)建設(shè)項目，開發(fā)iSMA2000 V6.0監(jiān)測分析系統(tǒng)[17]，采用面向多維向量的協(xié)同推理機(jī)制，深入挖掘設(shè)備縱向和橫向數(shù)據(jù)，引入基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備診斷分析模型算法，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備狀態(tài)識別、故障預(yù)測及非機(jī)理性故障的自修復(fù)，大幅提升設(shè)備診斷分析的準(zhǔn)確性和可靠性，具有健康感知、安全感知和性能感知能力，很好地滿足了電廠設(shè)備的智能分析需要。

3.3 智能數(shù)據(jù)設(shè)備管控[18]

2016年，開發(fā)了設(shè)備智能管控子系統(tǒng)。該子系統(tǒng)可跨安全I(xiàn)區(qū)、II區(qū)、III區(qū)部署，對各安全區(qū)網(wǎng)絡(luò)中的有關(guān)服務(wù)器、交換機(jī)、路由器、隔離裝置、縱向加密、動能環(huán)境系統(tǒng)、對時系統(tǒng)及操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、應(yīng)用中間件等進(jìn)行監(jiān)控，掌握系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，及時準(zhǔn)確定位故障，自動生成分析報表，建立和分派運(yùn)維任務(wù)，提升系統(tǒng)維護(hù)管理效率。該功能已在五凌集控、向家壩電站等成功應(yīng)用。

4 展望

隨著我國智慧化戰(zhàn)略貫徹實(shí)施、技術(shù)的不斷進(jìn)步和水利、水電及新能源對運(yùn)行管理要求的不斷提高，計算機(jī)監(jiān)控相關(guān)技術(shù)將向下列方向發(fā)展：

（1）感知泛在化、數(shù)據(jù)資源整合化，水利、水電及新能源工程運(yùn)行管理水平將進(jìn)一步提高。

（2）大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)將推動故障診斷技術(shù)大幅提升。

（3）虛擬數(shù)字流域或電廠將變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，仿真及人工智能將全面改變運(yùn)行-維護(hù)管理模式。

（4）隨著“云、大、物、移、智”的普及，控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)大有可為。