智慧型計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)在五強(qiáng)溪電廠的應(yīng)用

吳生特，馬 鑫

（1.五凌電力有限公司五強(qiáng)溪水電廠，湖南 沅陵 419642；2.湖南省水電智慧化工程技術(shù)研究中心，湖南 長沙 410004）

1 引言

“什么是智能水電廠、如何建設(shè)智能水電廠”一直以來是困擾業(yè)界的兩大難題，文章在借鑒國內(nèi)外前人經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，提出了以智能水電廠一體化平臺為載體，通過在安全I(xiàn)區(qū)、安全Ⅱ區(qū)及信息管理大區(qū)部署統(tǒng)一的一體化平臺，消除了傳統(tǒng)水電廠計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、水情測報系統(tǒng)、測振測擺系統(tǒng)、動環(huán)監(jiān)測系統(tǒng)等信息系統(tǒng)各自為戰(zhàn)所形成的信息孤島，暢通了數(shù)據(jù)交互的渠道，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的歸一化管理，在保障傳統(tǒng)業(yè)務(wù)安全穩(wěn)定最小化運行的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了海量數(shù)據(jù)的采集、挖掘與應(yīng)用，為建設(shè)智能水電廠做出了積極探索。

iP9000系統(tǒng)是北京中水科技在傳統(tǒng)優(yōu)勢產(chǎn)品H9000監(jiān)控系統(tǒng)基礎(chǔ)上，集多年水利水電自動控制領(lǐng)域經(jīng)驗，潛心研制的水利水電工程應(yīng)用領(lǐng)域的智能智慧一體化系統(tǒng)，入選了國家“十三五”科技創(chuàng)新成果，iP9000系統(tǒng)已在三峽左岸電站、白鶴灘水電廠、三峽梯調(diào)中心、三峽昆明集控中心、大渡河智慧流域建設(shè)、清江水電調(diào)中心、三峽長江大保護(hù)信息中心、巴西伊利亞+朱比亞水電站、信江航運樞紐、南網(wǎng)雙調(diào)集控中心等項目中推廣，其面向智能水電廠一體化架構(gòu)的思維方式契合電廠對于智能水電廠建設(shè)的實際需求。

2 總體設(shè)計方案

iP9000系統(tǒng)在五強(qiáng)溪電廠的成功應(yīng)用，徹底解決了原計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備老化、備品采購困難所帶來的設(shè)備隱患，通過系統(tǒng)架構(gòu)、軟件技術(shù)、裝置設(shè)備的整體更新，充分迎合電廠自動化裝置性能提升、工控本質(zhì)安全保障、數(shù)字化智能化的發(fā)展需求。iP9000智能一體化平臺采用基于SOA架構(gòu)設(shè)計和面向?qū)ο缶幊碳夹g(shù)，按照全冗余全分布系統(tǒng)結(jié)構(gòu)開發(fā)，解決了安全Ⅰ、Ⅱ、信息管理大區(qū)內(nèi)統(tǒng)一的系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通及對外接口問題，同時為電廠各類智慧應(yīng)用提供了服務(wù)支撐。iP9000智能一體化平臺同時具備計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)平臺、應(yīng)用軟件平臺和大數(shù)據(jù)平臺的功能，為電廠應(yīng)用提供了運行環(huán)境、集成環(huán)境、維護(hù)環(huán)境，和開發(fā)環(huán)境。其主要技術(shù)和特點有：①面向?qū)ο蟮脑O(shè)計；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；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；⑤基于面向?qū)ο蠹夹g(shù)的人機(jī)聯(lián)系和可視化；⑥圖模一體化；⑦開放的第三方應(yīng)用接入；⑧高可靠性的基于服務(wù)調(diào)度的多重?zé)醾淙哂嗟耐ㄐ?；⑨針對海量?shù)據(jù)報警處理的實時智能報警技術(shù)。iP9000系統(tǒng)通過基礎(chǔ)操作系統(tǒng)、核心數(shù)據(jù)庫、關(guān)鍵集成軟件的國產(chǎn)化應(yīng)用促進(jìn)了電廠重要控制系統(tǒng)的國產(chǎn)化進(jìn)程，極大降低了外國產(chǎn)品“卡脖子、埋地雷”的潛在風(fēng)險，進(jìn)一步提升了工控系統(tǒng)本質(zhì)安全性能；采用雙冗余+后備水機(jī)保護(hù)設(shè)計，進(jìn)一步提高了水機(jī)保護(hù)裝置的可靠性與穩(wěn)定性；采用施耐德最新的雙冗余熱備昆騰+PLC系列，基于I/O子站雙冗余電源設(shè)計、數(shù)據(jù)通信環(huán)網(wǎng)及雙星形網(wǎng)的成功應(yīng)用，顯著提升了現(xiàn)地LCU的可靠性；實現(xiàn)了基于雙北斗+雙GPRS的全廠生產(chǎn)大區(qū)統(tǒng)一時鐘對時，提升了全廠對時系統(tǒng)的可靠性，有效解決了遠(yuǎn)程智能運維數(shù)據(jù)源時域一致性問題，為數(shù)據(jù)分析提供了精準(zhǔn)的時鐘參考；依據(jù)《數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)范》開展了建設(shè)電信級C類標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)房，并引入了中控室遠(yuǎn)程KVM輕量化操作臺設(shè)計，實現(xiàn)后臺服務(wù)器的統(tǒng)一機(jī)架式管理，進(jìn)一步改善了服務(wù)器、核心交換機(jī)等重要設(shè)備的運行環(huán)境。

五強(qiáng)溪電廠智能一體化平臺的研究包含已有機(jī)組計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的升級改造及新建機(jī)組計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的接入，新老廠采用同一平臺進(jìn)行統(tǒng)一化運作。其主要的設(shè)計原則為：

（1）在安全Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)及信息管理大區(qū)分區(qū)部署一體化平臺，將各安全區(qū)域系統(tǒng)和設(shè)備采用分層分布式結(jié)構(gòu)有機(jī)接入一體化平臺，消除信息孤島。實現(xiàn)全廠各應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享、多業(yè)務(wù)聯(lián)動、大數(shù)據(jù)分析及智能高級應(yīng)用。

（2）一體化平臺與電廠現(xiàn)地LCU之間數(shù)據(jù)傳輸采用傳統(tǒng)的TCP/IP通訊協(xié)議，但預(yù)留DL/T 860的智能化接口，電廠現(xiàn)地LCU與調(diào)速器、勵磁、主變冷卻器、技術(shù)供排水、進(jìn)水口閘門等輔機(jī)設(shè)備保留現(xiàn)有硬接線方式不變的同時，需通過現(xiàn)場總線的通信方式，實現(xiàn)數(shù)字化通信，但現(xiàn)階段數(shù)據(jù)通信暫“只采集不控制”。

（3）一體化平臺擴(kuò)機(jī)工程智能單元之間采用單元結(jié)構(gòu)與扁平化結(jié)構(gòu)相結(jié)合的方式進(jìn)行。即擴(kuò)機(jī)工程調(diào)速器、勵磁、輔機(jī)等設(shè)備通過現(xiàn)場總線及硬接線的方式實現(xiàn)與現(xiàn)地LCU之間的通信，擴(kuò)機(jī)工程現(xiàn)地LCU將信息匯總后直接通過DL/T 860標(biāo)準(zhǔn)與一體化平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。與此同時擴(kuò)機(jī)工程調(diào)速器、勵磁、輔機(jī)等設(shè)備也通過DL/T 860標(biāo)準(zhǔn)直接與一體化平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

（4）一體化平臺堅持“優(yōu)先保障采集與控制功能，不為數(shù)據(jù)而數(shù)據(jù)”的理念，在信息管理大區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)的集中和融合，安全Ⅰ區(qū)、安全Ⅱ區(qū)功能按照最小化配置僅實現(xiàn)傳統(tǒng)的采集與控制功能，高級應(yīng)用開發(fā)（需與公司在建的智能決策系統(tǒng)各有側(cè)重，作為其的補(bǔ)充）均在信息管理大區(qū)進(jìn)行，如此既能保障傳統(tǒng)的采集與控制功能不受影響，也能通過高級應(yīng)用的開發(fā)服務(wù)于安全穩(wěn)定生產(chǎn)。

圖1 五強(qiáng)溪電廠智能一體化平臺總體結(jié)構(gòu)圖

3 創(chuàng)新舉措

（1）通過在安全Ⅰ區(qū)、安全Ⅱ區(qū)及信息管理大區(qū)搭建統(tǒng)一的智能一體化平臺實現(xiàn)了電廠關(guān)鍵信息系統(tǒng)的歸一化管理，消除了信息孤島，將現(xiàn)有的監(jiān)控系統(tǒng)、水情測報系統(tǒng)、測振測擺系統(tǒng)、動環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)等進(jìn)行了集成，使其統(tǒng)一運行在iP9000智能一體化平臺。同時，在保障安全Ⅰ區(qū)、安全Ⅱ區(qū)最小化安全運行的前提下，在信息管理大區(qū)對電廠海量數(shù)據(jù)進(jìn)行了集中管控、探尋數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)，發(fā)掘數(shù)據(jù)內(nèi)在價值，通過“搭積木”的方式實現(xiàn)了現(xiàn)場運維人員的專業(yè)知識智能應(yīng)用，切實提升了電廠的設(shè)備運維管理水平?；谝惑w化平臺與對象化建模的生產(chǎn)時序數(shù)據(jù)統(tǒng)一納管，統(tǒng)一通信規(guī)約，提高數(shù)據(jù)共享復(fù)用價值，iP9000在五強(qiáng)溪電廠應(yīng)用的過程中大幅減少了原現(xiàn)地LCU設(shè)備與各輔助系統(tǒng)之間的硬接線、不僅實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集的最大化更減輕了現(xiàn)場運維人員面對密密麻麻硬接線時的工作強(qiáng)度，完成了為生產(chǎn)一線減負(fù)的目標(biāo)。

（2）關(guān)鍵設(shè)備與軟件國產(chǎn)化應(yīng)用：在服務(wù)器、交換機(jī)等關(guān)鍵硬件國產(chǎn)化的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫、操作系統(tǒng)等核心軟件的國產(chǎn)化，有效控制了外國產(chǎn)品“卡脖子、埋地雷”的潛在風(fēng)險，進(jìn)一步提升了工控系統(tǒng)本質(zhì)安全性能。

（3）首創(chuàng)雙冗余+后備水機(jī)保護(hù)設(shè)計，提高水機(jī)保護(hù)防拒動性能：將雙冗余機(jī)組LCU PLC作為水機(jī)保護(hù)主保護(hù)、水機(jī)保護(hù)專用PLC及繼電器硬回路分別作為水機(jī)保護(hù)的后備保護(hù)，通過雙冗余+后備水機(jī)保護(hù)的開發(fā)與應(yīng)用，顯著提升了機(jī)組水機(jī)保護(hù)動作的可靠性，確保了機(jī)組的安全、穩(wěn)定運行。

（4）依據(jù)《數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)范》開展C類標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)房建設(shè)，標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)房建設(shè)過程中完成了封閉冷通道設(shè)計與應(yīng)用，雙冗余高效率精密空調(diào)應(yīng)用，并引入了免專用蓄電池的電力專用冗余UPS設(shè)計。“安全、高效、標(biāo)準(zhǔn)、全新”的機(jī)房，成為了電廠對外展示的新窗口。

（5）基于遠(yuǎn)程KVM輕量化操作臺即將所有的服務(wù)器置于標(biāo)準(zhǔn)化的計算機(jī)監(jiān)控機(jī)房，將鍵盤、顯示器等人機(jī)交互設(shè)備置于中控室?；谶h(yuǎn)程KVM輕量化操作臺的應(yīng)用改善了設(shè)備運行環(huán)境，實現(xiàn)電源、裝置與后臺的統(tǒng)一管理，實現(xiàn)了服務(wù)器與運維人員之間的“物理隔離”，人機(jī)分區(qū)安全隔離，改善中控室值班環(huán)境，服務(wù)器置于標(biāo)準(zhǔn)的計算機(jī)室內(nèi)穩(wěn)定運行，運維人員在舒適的運維區(qū)通過遠(yuǎn)端KVM系統(tǒng)對服務(wù)器進(jìn)行日常運維。遠(yuǎn)程運維KVM系統(tǒng)既保障了機(jī)房的無人化封閉運行免受外界干擾，又使得運維人員免遭機(jī)房電磁環(huán)境影響提升了電廠的“人性化”管理水平。

（6）初步實現(xiàn)基于雙北斗的全廠生產(chǎn)大區(qū)統(tǒng)一對時。iP9000一體化平臺同步建設(shè)了包括雙獨立對時主鐘、雙冗余對時來源（北斗、GPRS冗余）、子時鐘與主時鐘雙光纜冗余連接的全廠統(tǒng)一對時系統(tǒng)，實現(xiàn)了一體化平臺與調(diào)速器系統(tǒng)、勵磁系統(tǒng)、保護(hù)系統(tǒng)、故障錄波系統(tǒng)等全廠重要輔機(jī)系統(tǒng)的可靠對時，為數(shù)據(jù)分析提供了精準(zhǔn)的時鐘參考，提升了日常故障處理、問題溯源的效率。

（7）全方位防控，保障電廠工控系統(tǒng)本質(zhì)安全。電廠應(yīng)用的iP9000一體化平臺以國密算法為基礎(chǔ)，可信計算技術(shù)為核心，安全可控為目標(biāo)，安全免疫為特征，充分利用可信計算環(huán)境，軟硬件雙管齊下，達(dá)到了 “攻擊者進(jìn)不去”“非授權(quán)者重要信息拿不到”“竊取保密信息看不懂”“系統(tǒng)和信息改不了”“系統(tǒng)工作癱不成”“攻擊行為賴不掉”的多重防護(hù)效果，保障了電廠核心業(yè)務(wù)的安全、穩(wěn)定運行。

（8）以PLC強(qiáng)大的邏輯計算能力為基礎(chǔ)，將設(shè)備運行特征與專家知識、經(jīng)驗充分融合，開展了基于PLC的計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)智能報警功能設(shè)計與實現(xiàn)工作即將現(xiàn)場設(shè)備以對象樹的方式進(jìn)行分類，劃分為調(diào)速器系統(tǒng)、機(jī)械制動系統(tǒng)、勵磁系統(tǒng)、機(jī)組LCU等系統(tǒng)，根據(jù)各系統(tǒng)運行特征，進(jìn)行特征數(shù)據(jù)挖掘，并在PLC系統(tǒng)中進(jìn)行對應(yīng)的邏輯運算，直接將結(jié)果推送至上位機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行實時報警，已成為了電廠進(jìn)行設(shè)備分析的一大利器，智能報警投運1年以來相繼提早發(fā)現(xiàn)了4項設(shè)備異常，為保障設(shè)備安全穩(wěn)定運行提供了新的技術(shù)手段。

4 總結(jié)

介紹了五強(qiáng)溪電廠智能一體化平臺的總體設(shè)計方案并詳述了實施過程中的創(chuàng)新應(yīng)用，從水電廠的視角探索了如何建設(shè)智能水電廠，為國內(nèi)同行業(yè)的電廠探索建設(shè)智能電廠提供了一定的借鑒。