某調(diào)峰調(diào)頻電站全景數(shù)據(jù)平臺(tái)的開發(fā)與實(shí)現(xiàn)

曾廣移，鞏 宇，李德華，陳澤陽

（1.調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電有限公司，廣東省廣州市 510000；2.北京華科同安監(jiān)控技術(shù)有限公司，北京市 100043）

1 前言

隨著我國(guó)大型水電工程的建設(shè)、投運(yùn)和水電技術(shù)的發(fā)展，具有調(diào)峰調(diào)頻能力的水電站，在電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行中起到了越來越重大的作用[1-3]，作為傳統(tǒng)技術(shù)密集程度高、安全風(fēng)險(xiǎn)要求嚴(yán)的調(diào)峰調(diào)頻水電站，如何利用大數(shù)據(jù)和信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在傳統(tǒng)技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新和生產(chǎn)模式的升級(jí)，在提高企業(yè)效益的同時(shí)，大大提升電站的安全生產(chǎn)水平，是近年來水電企業(yè)信息平臺(tái)建設(shè)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

目前南方電網(wǎng)公司已經(jīng)編制了統(tǒng)一電網(wǎng)信息模型規(guī)范、模型映射規(guī)則、模型數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)規(guī)范和數(shù)據(jù)庫映射規(guī)范等[4]，本文在遵循南方電網(wǎng)統(tǒng)一模型規(guī)范的基礎(chǔ)上，通過深入研究公共信息模型（CIM），從設(shè)備管理的各階段使用信息、設(shè)備各種操作、管理和監(jiān)測(cè)工作所需的信息等角度，對(duì)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電有限公司發(fā)電設(shè)備基于CIM模型的全景數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，形成發(fā)電設(shè)備全景數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)規(guī)范，以支持建設(shè)發(fā)電設(shè)備全景數(shù)據(jù)庫，研究利用CIM標(biāo)準(zhǔn)語義封裝并提供發(fā)電設(shè)備全景數(shù)據(jù)服務(wù)[5-7]。

2 全景數(shù)據(jù)模型

對(duì)于電網(wǎng)和調(diào)峰調(diào)頻電站而言，單一的機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)或監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)，以及孤立的管理資料和檢修檔案，都無法實(shí)現(xiàn)機(jī)組狀態(tài)的立體、全方位分析，更難以開展對(duì)設(shè)計(jì)、招標(biāo)、采購、安裝、調(diào)試和運(yùn)行維護(hù)的全過程管理，需要構(gòu)建全景數(shù)據(jù)模型，對(duì)有關(guān)信息進(jìn)行統(tǒng)一管理、融合。

對(duì)海量的機(jī)組測(cè)點(diǎn)信息和電站資料的管理，首先需要基于電站運(yùn)行和管理的邏輯對(duì)信息進(jìn)行整理，然后構(gòu)建包括電網(wǎng)資源、資產(chǎn)設(shè)備、用電客戶、量測(cè)資源、拓?fù)溥B接的模型框架，遵循企業(yè)信息化規(guī)劃和架構(gòu)管理要求，實(shí)現(xiàn)規(guī)范設(shè)備數(shù)據(jù)核查、信息系統(tǒng)建設(shè)與企業(yè)信息集成。

基于過程的數(shù)據(jù)流程圖見圖1所示，分別針對(duì)電站工程建設(shè)和機(jī)組運(yùn)行管理兩種應(yīng)用場(chǎng)景，給出其過程中涉及的信息數(shù)據(jù)。

圖1 兩種常見過程的數(shù)據(jù)管理示例Figure 1 Data management cases for two common procedures

基于分類的數(shù)據(jù)梳理見圖2所示：

全景數(shù)據(jù)模型需同時(shí)包括統(tǒng)一電網(wǎng)信息模型、基于KKS的設(shè)備與信號(hào)編碼、統(tǒng)一的電網(wǎng)設(shè)備分類等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)規(guī)范。因此，全景數(shù)據(jù)平臺(tái)采用CIM（公共信息方法）進(jìn)行全景模型設(shè)計(jì)，其數(shù)據(jù)模型示意見表1。

圖2 基于分類的設(shè)備管理信息梳理示例Figure 2 Arrangement case for classified equipment management information

表1 CIM模型結(jié)構(gòu)示意表Table 1 Schematic table for CIM model structure

通過CIM的信息模型封裝原有系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)、編輯類屬性和表字段管理關(guān)系后，對(duì)外提供基于CIM標(biāo)準(zhǔn)語義的設(shè)備數(shù)據(jù)服務(wù)。

通過CIM的信息模型封裝原有系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)、編輯類屬性和表字段管理關(guān)系后，對(duì)外提供基于CIM標(biāo)準(zhǔn)語義的設(shè)備數(shù)據(jù)服務(wù)。

3 數(shù)據(jù)平臺(tái)設(shè)計(jì)

3.1 總體設(shè)計(jì)

全景數(shù)據(jù)平臺(tái)的主數(shù)據(jù)包括客戶、員工、供應(yīng)商、設(shè)備等主數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)資源管理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)主數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)管理、數(shù)據(jù)質(zhì)量管理、共享交換數(shù)據(jù)管理等功能。平臺(tái)通過獲取機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)、大壩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)、機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，將水文、生產(chǎn)、安全和設(shè)備運(yùn)行信息實(shí)時(shí)存儲(chǔ)平臺(tái)數(shù)據(jù)庫中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)規(guī)范化和匯總。另一方面利用商務(wù)智能平臺(tái)和業(yè)務(wù)系統(tǒng)的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)電站和機(jī)組的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)指標(biāo)管理，包括發(fā)電量、流量、水位等數(shù)據(jù)，同時(shí)聯(lián)合各類文檔信息，實(shí)現(xiàn)關(guān)系管理和檢索查詢等功能。

結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)這三類數(shù)據(jù)在不同原理、產(chǎn)品的數(shù)據(jù)管理平臺(tái)中存儲(chǔ)，其數(shù)據(jù)內(nèi)容按照全景數(shù)據(jù)模型，以CIM為基礎(chǔ)，以設(shè)備分類和設(shè)備個(gè)體為主線進(jìn)行數(shù)據(jù)掛接、關(guān)聯(lián)、融合，最終形成發(fā)電設(shè)備的全景數(shù)據(jù)中心，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理功能。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)處理與分析平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖Figure 3 Schematic diagram for data processing and analysis platform structure

系統(tǒng)平臺(tái)在數(shù)據(jù)資源管理平臺(tái)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)平臺(tái)的基礎(chǔ)上，平臺(tái)體系結(jié)構(gòu)采用縱向分層和橫向分區(qū)相結(jié)合的方式，針對(duì)數(shù)據(jù)和過程特點(diǎn)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化平臺(tái)開發(fā)。

3.2 數(shù)據(jù)資源管理

數(shù)據(jù)資源管理的目的在于確保安全生產(chǎn)全景數(shù)據(jù)的正確性、一致性、完整性和及時(shí)性，提升公司在數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)質(zhì)量、數(shù)據(jù)生命周期、數(shù)據(jù)安全、數(shù)據(jù)服務(wù)等方面的管理水平，為公司業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)、管理決策提供高時(shí)效、高質(zhì)量的數(shù)據(jù)支撐和信息服務(wù)，充分發(fā)揮企業(yè)數(shù)據(jù)資源價(jià)值，實(shí)現(xiàn)信息化與管理戰(zhàn)略的高度融合。

數(shù)據(jù)資源平臺(tái)包括主數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)質(zhì)量管理，實(shí)現(xiàn)企業(yè)核心主數(shù)據(jù)的統(tǒng)一生成和管理；統(tǒng)一管理各類編碼的編碼規(guī)則及取值；分析跟蹤各系統(tǒng)數(shù)據(jù)質(zhì)量問題，提升企業(yè)數(shù)據(jù)質(zhì)量。

3.3 數(shù)據(jù)平臺(tái)

數(shù)據(jù)平臺(tái)包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)平臺(tái)、結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)平臺(tái)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)平臺(tái)三種。

（1）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)平臺(tái)。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)平臺(tái)是企業(yè)各類實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的整合與共享中心，貫通生產(chǎn)側(cè)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互，支持各個(gè)相關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)的海量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)訪問，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的集中存儲(chǔ)和統(tǒng)一管理。

在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，具有時(shí)間約束的數(shù)據(jù)主要來自外部的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，如由傳感器采集的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)和由這些數(shù)據(jù)導(dǎo)出的數(shù)據(jù)。因此，數(shù)據(jù)的時(shí)間約束包括兩種類型，即數(shù)據(jù)的絕對(duì)一致性和數(shù)據(jù)的相對(duì)一致性。

數(shù)據(jù)的絕對(duì)一致性是指實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)應(yīng)與外部數(shù)據(jù)相一致，即要求數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)能及時(shí)地反映外部環(huán)境的狀態(tài)。另外，在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，還需要從一組數(shù)據(jù)項(xiàng)導(dǎo)出另外的數(shù)據(jù)，例如根據(jù)系統(tǒng)的電流、電壓導(dǎo)出系統(tǒng)的功率等，此時(shí)希望導(dǎo)出新數(shù)據(jù)的源數(shù)據(jù)在時(shí)間上應(yīng)盡量接近，這就是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的相對(duì)一致性。

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)共享采用內(nèi)存文件映射來實(shí)現(xiàn)。對(duì)于那些實(shí)時(shí)性要求不高的非共享數(shù)據(jù)和共享數(shù)據(jù)，如采樣值的轉(zhuǎn)換系數(shù)等可以放在外存儲(chǔ)空間。

（2）結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)平臺(tái)。其數(shù)據(jù)來源為不同的應(yīng)用系統(tǒng)，主要來自不同的專業(yè)領(lǐng)域，具有不同的數(shù)據(jù)形式和存儲(chǔ)特點(diǎn)；所有數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)資源管理平臺(tái)進(jìn)行統(tǒng)一，包括數(shù)據(jù)質(zhì)量管理、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)管理、統(tǒng)一數(shù)據(jù)編碼等等。所有結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)應(yīng)用平臺(tái)，提供報(bào)表、圖表等多種形式的結(jié)果展現(xiàn)，最終提供輔助決策應(yīng)用。

（3）非結(jié)構(gòu)化平臺(tái)。非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)平臺(tái)主要開展企業(yè)各類文檔、圖片、多媒體等非結(jié)構(gòu)化信息的歸檔、管理、搜索、利用等工作；所有數(shù)據(jù)通過索引庫、屬性庫和內(nèi)容庫，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一化存儲(chǔ)，重點(diǎn)在于索引管理、版本控制等工作；所有非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)通過知識(shí)管理系統(tǒng)、業(yè)務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行訪問和應(yīng)用。

4 建設(shè)與實(shí)踐

4.1 平臺(tái)功能

為了充分利用全景數(shù)據(jù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備全景數(shù)據(jù)的展示，系統(tǒng)平臺(tái)開發(fā)了常規(guī)展示功能和聚合形分析功能，包括：

（1）對(duì)全景數(shù)據(jù)采取樹形導(dǎo)航、圖片導(dǎo)航、列表導(dǎo)航，以及列表展示、文件清單展示、統(tǒng)計(jì)圖表展示、文件在線查看等常規(guī)展示方法。

（2）氣泡窗口、關(guān)聯(lián)多屏和數(shù)據(jù)挖掘等方法，讓用戶能夠?qū)Πl(fā)電設(shè)備全景數(shù)據(jù)進(jìn)行全面和聚合式的查看分析。

（3）基于CIM模型自動(dòng)形成全景電網(wǎng)/電廠視圖、GIS地理信息系統(tǒng)視圖、3D設(shè)備模型視圖等高級(jí)可視化展現(xiàn)方式。

通過應(yīng)用管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)管理類、基建工程類、信通運(yùn)維類、物流服務(wù)類、標(biāo)準(zhǔn)管理類、現(xiàn)場(chǎng)輔助類和狀態(tài)分析類等子應(yīng)用系統(tǒng)，最終通過全景數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)發(fā)電企業(yè)的全過程管理和診斷檢修工作。

4.2 業(yè)務(wù)主體示例

通過對(duì)電站運(yùn)行參數(shù)的多層實(shí)時(shí)分析診斷，并結(jié)合生產(chǎn)實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)和生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備缺陷和隱患，自動(dòng)開展異常報(bào)警和趨勢(shì)預(yù)警工作，并通過不同手段傳送至電站管理和維護(hù)人員。

以水輪機(jī)輔助系統(tǒng)中的多個(gè)液壓閥開關(guān)狀態(tài)為例，其參與了機(jī)組啟?？刂?，如果信號(hào)丟失，就有可能引起機(jī)組啟動(dòng)失敗或者停機(jī)失敗，但之前該狀態(tài)通常僅在現(xiàn)地機(jī)柜通過燈光顯示。

因此，通過檢查生產(chǎn)管理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)資源管理平臺(tái)，得到其相關(guān)檢修頻率和備件使用情況，得知此類液壓閥的開關(guān)狀態(tài)采用接近式開關(guān)探測(cè)，此接近式開關(guān)體積小、靈敏度高、性能良好，但其接頭接線空間狹小,此位置出現(xiàn)接線端子松動(dòng)、接線絕緣膠皮因擠壓破損的概率較高；此外，此接近式開關(guān)有效探測(cè)范圍為2mm，對(duì)安裝位置要求較高，因此需要針對(duì)液壓閥的開關(guān)信號(hào)開展壽命預(yù)估和預(yù)警工作。

在結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)平臺(tái)中，將閥門開關(guān)信號(hào)抖動(dòng)現(xiàn)象建立業(yè)務(wù)主題，當(dāng)單位時(shí)間里閥門開關(guān)信號(hào)過多時(shí)（如10s中內(nèi)出現(xiàn)3次以上），就記錄為1次抖動(dòng)，再根據(jù)業(yè)務(wù)邏輯開展開關(guān)信號(hào)的抖動(dòng)頻次和統(tǒng)計(jì)分析，在統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)異常時(shí)，通知檢修人員查看業(yè)務(wù)主題，及時(shí)檢查相關(guān)設(shè)備，排除故障。通過自動(dòng)計(jì)算每天各時(shí)段出現(xiàn)的抖動(dòng)次數(shù)、每年各月出現(xiàn)抖動(dòng)次數(shù)和總抖動(dòng)次數(shù)，實(shí)現(xiàn)該閘門開關(guān)信號(hào)業(yè)務(wù)主題的故障預(yù)估和預(yù)測(cè)，檢修人員最終根據(jù)全景數(shù)據(jù)平臺(tái)的分析結(jié)構(gòu)，制訂檢修計(jì)劃。

5 結(jié)束語

本文結(jié)合南方電網(wǎng)公司已有的統(tǒng)一電網(wǎng)信息模型，在分析業(yè)務(wù)系統(tǒng)需求的基礎(chǔ)上，從基于過程和基于分類的電站管理運(yùn)行業(yè)務(wù)邏輯出發(fā)，設(shè)計(jì)開發(fā)能全景展現(xiàn)電站安全生產(chǎn)和信息管理的數(shù)據(jù)模型，并進(jìn)行全景數(shù)據(jù)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與研發(fā)，最終形成發(fā)電設(shè)備全景數(shù)據(jù)模型和規(guī)范，為發(fā)電設(shè)備的全面管理升級(jí)提供數(shù)據(jù)和平臺(tái)服務(wù)。

目前調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電有限公司在信息模型規(guī)范上已經(jīng)做了大量的工作，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建的全景數(shù)據(jù)平臺(tái)，能夠全面整合多個(gè)電站的信息資源，完善業(yè)務(wù)系統(tǒng)，提高生產(chǎn)信息集中處理能力，通過各類資源優(yōu)化利用，提升企業(yè)的生產(chǎn)效益，提升公司管控能力和運(yùn)行水平。