基于設(shè)備一體化的水電大數(shù)據(jù)應(yīng)用平臺設(shè)計與實現(xiàn)

張澤彬，邱 巍，嚴戴志，李 龍

(1.國電大渡河公司龔嘴水力發(fā)電總廠，四川 成都 610000，2.成都嘉捷信誠信息技術(shù)有限公司，四川 成都 610000)

智慧電廠是以“設(shè)備智能巡檢、故障精準排查、系統(tǒng)協(xié)同聯(lián)動”為目標(biāo)，以自動控制為基礎(chǔ)，以數(shù)據(jù)管理為核心，整合運行管理歷史和人工經(jīng)驗，引導(dǎo)管理系統(tǒng)自主管理、自我演進，實現(xiàn)設(shè)備控制更加自主、生產(chǎn)管理更加智能、風(fēng)險決策更加科學(xué)的全新電力生產(chǎn)組織形態(tài)與管理模式[1].龔電總廠通過設(shè)備一體化管控技術(shù)研究及應(yīng)用建設(shè)，優(yōu)化電站綜合生產(chǎn)管理及設(shè)備管理，提升龔電總廠安全管理能力和應(yīng)急響應(yīng)能力，推動管理體制合理變革，提高電廠設(shè)備安全運行管理水平，最終將龔電總廠建設(shè)成為安全可靠、經(jīng)濟高效、友好互動、綠色環(huán)保、“智能自主、人機協(xié)同”的“智慧電廠”，達到龔電總廠生產(chǎn)運行管理及設(shè)備安全管理的現(xiàn)代化管理目標(biāo)，在滿足“智慧大渡河”建設(shè)要求的電站端的技術(shù)實施和運行管理方面成為行業(yè)標(biāo)桿，達到國內(nèi)領(lǐng)先水平.

1 研究現(xiàn)狀

現(xiàn)階段我國新建或經(jīng)改造的水電站普遍實現(xiàn)了“無人值班、少人值守”的模式.具備國際先進水平的監(jiān)控、保護和監(jiān)測等自動化系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用[2].大數(shù)據(jù)、人工智能等先進數(shù)字科技也為智慧電廠建設(shè)提供了可靠支持.

我國的智慧水電廠的發(fā)展中，多為通過傳感器構(gòu)建監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)實時監(jiān)控、報警等功能，針對設(shè)備一體化管控技術(shù)的研究較少.雖然本地自動化程度在不斷提高，但由于信息不完善和共享能力弱，系統(tǒng)中的多個自動化系統(tǒng)分散、局部和孤立，無法形成實時的有機統(tǒng)一整體，因此整體智能水平較低[3-4].在運營管理中，系統(tǒng)未能形成與電廠運營管理相融合的“智能自主、人機協(xié)同”的智慧電廠管理模式[5]，對于運營管理人員而言不能有效支持自主業(yè)務(wù)流程設(shè)計，功能較為單一，效率較低.

2 總體設(shè)計方案

水電大數(shù)據(jù)應(yīng)用平臺系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)采用分布式分層式的應(yīng)用框架規(guī)劃，不僅保障平臺具有靈活性、開放性，也非常契合工業(yè)化數(shù)據(jù)智能領(lǐng)域中探索式應(yīng)用開發(fā)的真實特點，確保未來更多更豐富的應(yīng)用接駁到平臺中，形成具有迭代演進能力的工業(yè)大中臺體系，并保護早期投資不浪費，建設(shè)不重復(fù)，存量系統(tǒng)不累贅[10-19].

系統(tǒng)總體技術(shù)架構(gòu)圖如圖1所示，總體設(shè)計思路分為“一體、三端、五中心、N+系統(tǒng)”，一體為廠站級一體化平臺，三端為業(yè)務(wù)管理端(運營端、運維端、移動端)，五中心為五大賦能中心，分別是模型管理中心、流程管理中心、表單管理中心、消息管理中心以及任務(wù)調(diào)度中心；N大子系統(tǒng)為支撐電站運行的各大業(yè)務(wù)服務(wù)子系統(tǒng)，包括基礎(chǔ)服務(wù)子系統(tǒng)、綜合管理子系統(tǒng)、應(yīng)急指揮子系統(tǒng)、智慧經(jīng)營子系統(tǒng)、設(shè)備管理子系統(tǒng)、安全中心子系統(tǒng)等.

圖1 系統(tǒng)總體技術(shù)架構(gòu)圖Fig.1 The overall technical architecture of the system

(1)一體:廠站級一體化平臺

該平臺以龔電總廠設(shè)備管控平臺為基礎(chǔ)，實現(xiàn)廠站級業(yè)務(wù)與數(shù)據(jù)的一體化融合，平臺構(gòu)建起數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)之間快速流轉(zhuǎn)的通道，打通數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)之間的壁壘，實現(xiàn)數(shù)據(jù)價值的快速提升.

(2)三端:平臺能力全覆蓋

為滿足用戶分權(quán)分域的管理需求，將系統(tǒng)操作端分為運維端、運營端和移動端，不同類型的用戶通過不同權(quán)限，能夠更加方便的操作平臺各項功能，同時系統(tǒng)各項組件報表均支持web和手機端的顯示.

表1 三端用戶操作類型及權(quán)限Table.1 Three terminal user operation types and permissions

(3)五中心:五大能力中心

水電大數(shù)據(jù)應(yīng)用平臺的設(shè)計的目的是一個賦能平臺，將底層基礎(chǔ)設(shè)施資源、計算節(jié)點、數(shù)據(jù)管道、數(shù)據(jù)治理、數(shù)據(jù)處理、流式計算等服務(wù)作為管理對象，進行實時資源調(diào)整、節(jié)點分配、流程編排、策略管理.實現(xiàn)系統(tǒng)資源的實時監(jiān)控，動態(tài)擴展收縮，資源回收、故障修復(fù)等，為資源分配、服務(wù)配置、系統(tǒng)上線的自動化提供支持.

●模型管理中心:提供基于數(shù)據(jù)的自助式分析建模，模型中心為用戶提供常見的條件邏輯、循環(huán)邏輯、數(shù)值計算、邏輯計算、延時處理、中間變量等.

●流程管理中心:提供自定義的用戶業(yè)務(wù)流程，實現(xiàn)在線流程配置，方便業(yè)務(wù)人員快速配置各類審批流程.

●表單管理中心:提供自定義的數(shù)據(jù)表單服務(wù)，實現(xiàn)了流程與表單的分離設(shè)計，并支持任務(wù)節(jié)點靈活配置，既保證了業(yè)務(wù)流程的保密性，又減少了開發(fā)人員的工作量.

●任務(wù)調(diào)度中心:提供豐富的任務(wù)定時調(diào)度服務(wù)，幫助用戶快速設(shè)定消息提醒、任務(wù)觸發(fā)，快速完成日常性工作任務(wù).

●消息管理中心:提供自定義告警消息模塊，實現(xiàn)消息的定義、發(fā)布與推送.

(4)N系統(tǒng):廣泛接入的業(yè)務(wù)系統(tǒng)

通過組合各大中心的能力，提供業(yè)務(wù)相關(guān)的各類系統(tǒng)的快速構(gòu)建，目前系統(tǒng)支撐協(xié)同接入的業(yè)務(wù)服務(wù)系統(tǒng)，包括基礎(chǔ)服務(wù)子系統(tǒng)、綜合管理子系統(tǒng)、應(yīng)急指揮子系統(tǒng)、智慧經(jīng)營子系統(tǒng)、設(shè)備管理子系統(tǒng)、安全中心子系統(tǒng)等.

●綜合管理子系統(tǒng)建立一套滿足龔電總廠日常業(yè)務(wù)管控的智能綜合管理應(yīng)用模塊.主要包括工作督辦、常用報表、流程表單、標(biāo)準化系統(tǒng)、通知管理、培訓(xùn)管理、考勤管理7個方面，將傳統(tǒng)業(yè)務(wù)管理模式實現(xiàn)在線數(shù)字化，為人員績效數(shù)字化打好基礎(chǔ)，為管理變革做出積極探索.

●應(yīng)急指揮子系統(tǒng)通過搭建應(yīng)急預(yù)案管理和智能應(yīng)急指揮中心兩大模塊來完成對應(yīng)急事項的反應(yīng)和智能處理.應(yīng)急預(yù)案管理通過對預(yù)案的編寫、維護和使用，以便快速響應(yīng)應(yīng)急事件.智能應(yīng)急指揮中心則結(jié)合應(yīng)急預(yù)案系統(tǒng)，通過移動APP可對數(shù)據(jù)進行采集和調(diào)度指揮，更高效完成對應(yīng)急事項處理，避免因為處理延時造成的成本損失.

●智慧經(jīng)營子系統(tǒng)以數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)為源數(shù)據(jù)，以系統(tǒng)數(shù)據(jù)自動采集和手工數(shù)據(jù)錄入/導(dǎo)入相結(jié)合的方式保證數(shù)據(jù)源的完整性，并從電站經(jīng)濟運行、生產(chǎn)關(guān)鍵指標(biāo)、電力市場信息、兩站設(shè)備運行狀況信息統(tǒng)計、電量信息統(tǒng)計等多個方面建立起智慧經(jīng)營決策指標(biāo)體系，全方位為總廠的經(jīng)營生產(chǎn)、管理決策提供支撐.

●設(shè)備管理子系統(tǒng)主要包括設(shè)備監(jiān)視、設(shè)備手冊、設(shè)備評價、設(shè)備檢修、設(shè)備報警、設(shè)備查詢及設(shè)備聯(lián)動等管理模塊，功能上主要是實現(xiàn)設(shè)備運行數(shù)據(jù)的自動采集、設(shè)備數(shù)據(jù)的定期統(tǒng)計分析、設(shè)備分析報告自動生成、主輔設(shè)備自動評價、設(shè)備檢修管理等功能.

●安全中心子系統(tǒng)主要包括兩票管理、人員安全履職、人員違章管理等模塊，通過對人員履職行為量化，自動督辦及提醒，預(yù)判安全管理薄弱環(huán)節(jié)，強化工作重點督導(dǎo)，提升安全管理效能.

3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流設(shè)計

系統(tǒng)總體分為三部分，龔嘴電站數(shù)據(jù)采集部分，銅街子電站數(shù)據(jù)采集部分以及一體化平臺部分.其中兩站數(shù)據(jù)采集部分負責(zé)將各站的數(shù)據(jù)匯聚到一體化平臺，并將原始數(shù)據(jù)保存到各站數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器中[9].龔電總廠數(shù)據(jù)屬于典型的時間序列數(shù)據(jù)，具有產(chǎn)生頻率快、嚴重依賴于采集時間、測點多信息量大等特點.按照數(shù)據(jù)來源，將系統(tǒng)數(shù)據(jù)流分為設(shè)備數(shù)據(jù)流和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流.設(shè)備數(shù)據(jù)流:主要描述設(shè)備數(shù)據(jù)在系統(tǒng)內(nèi)部的流轉(zhuǎn)，包括設(shè)備數(shù)據(jù)的采集，匯聚，預(yù)處理，分析以及監(jiān)控告警等數(shù)據(jù)的流向；業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流:主要描述業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)在系統(tǒng)內(nèi)部的流轉(zhuǎn)，包括生產(chǎn)管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)接入、綜合管理數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)流程管理等數(shù)據(jù)流 向.

圖2 系統(tǒng)設(shè)備數(shù)據(jù)流設(shè)計Fig.2 Data flow design of system equipment

平臺通過數(shù)據(jù)接入子系統(tǒng)將設(shè)備監(jiān)控數(shù)據(jù)從兩站匯聚到數(shù)據(jù)中心，通過數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊解析設(shè)備點表信息，關(guān)聯(lián)設(shè)備樹中設(shè)備標(biāo)簽里，將關(guān)聯(lián)后的數(shù)據(jù)寫入到時序數(shù)據(jù)庫中，用于實時數(shù)據(jù)分析.同時，通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存模塊，將原始數(shù)據(jù)和預(yù)處理后的數(shù)據(jù)寫入到數(shù)據(jù)湖中，實現(xiàn)數(shù)據(jù)資產(chǎn)的積累，為后續(xù)數(shù)據(jù)挖掘提供數(shù)據(jù)支撐.

數(shù)據(jù)進入實時數(shù)據(jù)庫后，由設(shè)備管理子系統(tǒng)中的設(shè)備定時分析模塊進行分析處理，設(shè)備分析模塊通過模型中心構(gòu)建設(shè)備定時分析模型，通過調(diào)度中心實現(xiàn)1H，1D，14D，30D等粒度的數(shù)據(jù)分析任務(wù).數(shù)據(jù)分析結(jié)果寫入到關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，為流程中心、表單中心提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ).

4 應(yīng)用開發(fā)設(shè)計

平臺設(shè)計的目的是一個賦能平臺，為了幫助運營管理人員在平臺上通過“自助式”的方式實現(xiàn)自定義的功能模型，平臺提供基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)應(yīng)用服務(wù)，將底層基礎(chǔ)設(shè)施資源、計算節(jié)點、數(shù)據(jù)管道、數(shù)據(jù)治理、流式計算等服務(wù)作為管理對象，進行實時資源調(diào)整、節(jié)點分配、流程編排、策略管理.實現(xiàn)系統(tǒng)資源的實時監(jiān)控，動態(tài)擴展收縮，資源回收、故障修復(fù)等，為資源分配、服務(wù)配置、系統(tǒng)上線的自動化提供支持.

圖3 系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)設(shè)計Fig.3 Application develop of the system

平臺提供基于數(shù)據(jù)的自助式分析建模，模型中心為用戶提供常見的條件邏輯、循環(huán)邏輯、數(shù)值計算、邏輯計算、延時處理、中間變量等，運營管理人員可通過具體生產(chǎn)業(yè)務(wù)，自助建立模型(預(yù)警、分析、聯(lián)動)、業(yè)務(wù)流程、定期工作、數(shù)據(jù)表單、任務(wù)調(diào)度、應(yīng)急預(yù)案、設(shè)備信息管理等工作任務(wù).

5 結(jié)語

本文基于龔電總廠設(shè)備一體化管控平臺系統(tǒng)建設(shè)項目，設(shè)計開發(fā)了一種基于設(shè)備一體化的水電大數(shù)據(jù)應(yīng)用平臺，進一步對安全I區(qū)、Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)集成，利用統(tǒng)一工具平臺采集業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，提供數(shù)據(jù)清洗、處理、分析、建模、治理、存儲、數(shù)據(jù)輸出服務(wù)，協(xié)助業(yè)務(wù)團隊開展技術(shù)研究和深入應(yīng)用，沉淀信息資產(chǎn)形成知識積累，并通過數(shù)據(jù)中臺為業(yè)務(wù)應(yīng)用提供服務(wù)，最終實現(xiàn)了數(shù)據(jù)集中化，應(yīng)用共享化.隨著智慧電廠的大力發(fā)展，基于設(shè)備一體化的數(shù)據(jù)管控平臺也必將會在水電站領(lǐng)域獲得越來越多的應(yīng)用.