水電站綜合信息平臺技術(shù)與應(yīng)用

殷繼明，沈才山，熊韜

(廣西長洲水電開發(fā)有限責(zé)任公司，廣西梧州543002)

隨著水電站成功投運微機調(diào)速器、微機勵磁調(diào)節(jié)器、微機繼電保護、直流電源系統(tǒng)微機控制器、水機可編程自動化控制等，水電站生產(chǎn)管理系統(tǒng)也逐漸應(yīng)用計算機開展自動化和信息化建設(shè)，除水電站自動化監(jiān)控系統(tǒng)正在實施外，相關(guān)的大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)、水情測報系統(tǒng)等已投入運用。它們在提高行業(yè)管理水平，確保水電站安全、經(jīng)濟、優(yōu)質(zhì)運行，提高企業(yè)效益方面起到了很大的作用。但是目前大多還停留在單個獨立系統(tǒng)運行狀態(tài)，各系統(tǒng)相互獨立，還沒有形成資源信息共享，不能最大限度發(fā)揮各系統(tǒng)的作用。因此建立一個綜合信息平臺，整合信息資源，利用計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，把各監(jiān)測子系統(tǒng)組成局域網(wǎng)絡(luò)，采用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，把各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)集中管理，應(yīng)用Web技術(shù)搭建綜合信息發(fā)布系統(tǒng)。

1 數(shù)字化水電站建設(shè)的內(nèi)涵

數(shù)字化水電站是以網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)、水力聯(lián)系和電力聯(lián)系為紐帶、能源轉(zhuǎn)換控制設(shè)備為載體、安全經(jīng)濟運行為目標(biāo)，融合仿真、控制和信息三位一體技術(shù)實現(xiàn)水電站的運行控制和管理的系統(tǒng)平臺。一般要求具有五大核心功能:過程監(jiān)控、優(yōu)化分析、操作指導(dǎo)、事故診斷、負(fù)荷分配。數(shù)字化水電站采用流程工業(yè)的CIMS理論來設(shè)計數(shù)字化水電站的體系結(jié)構(gòu)，在水電站先進控制系統(tǒng)和安全高效的網(wǎng)絡(luò)平臺、數(shù)據(jù)庫平臺基礎(chǔ)上，基于國際最新的理論和研究成果整合電廠管控一體化系統(tǒng)，用先進的管理思想和信息技術(shù)對電廠的經(jīng)營和生產(chǎn)管理系統(tǒng)進行全面設(shè)計，使信息技術(shù)與工業(yè)技術(shù)、管理技術(shù)全面融合，全面提升水電站的生產(chǎn)和管理水平，增強企業(yè)競爭力。

1.1 數(shù)字化水電站設(shè)計思想和層次結(jié)構(gòu)

通過對CIMS企業(yè)通用模型的研究并結(jié)合水電站的實際情況，架構(gòu)了一個具有4個層次，兩個支持系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)模型，四個層次分別是直接控制層、管控一體化層、生產(chǎn)管理層、經(jīng)營決策層；兩個支持系統(tǒng)是數(shù)據(jù)庫支持系統(tǒng)和計算機網(wǎng)絡(luò)支持系統(tǒng)。見下圖1。

(1)直接控制層:

該層是指生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)采集和直接控制(SCADA-DCS)，包括單元機組、單元主變、單元線路以及油、氣、水等輔助控制系統(tǒng)LCU構(gòu)成的DCS。目前技術(shù)的發(fā)展是以現(xiàn)場總線為代表的先進控制系統(tǒng)。基于高性能DSP和嵌入式系統(tǒng)的前端控制裝置通過現(xiàn)場過程總線形成分布SCADA-DCS系統(tǒng)。

圖1 數(shù)字化水電站設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

(2)管控一體化層:

該層為廠級監(jiān)控系統(tǒng)(SIS)，它完成廠級生產(chǎn)過程的監(jiān)控，結(jié)合管理層的信息，對控制系統(tǒng)進行整體優(yōu)化和分析，為過程控制層提供操作指導(dǎo)，該層是管理和控制之間聯(lián)系的橋梁，是對傳統(tǒng)控制系統(tǒng)概念的延伸，是目前學(xué)術(shù)和工程界研究的熱點。

(3)生產(chǎn)管理層:

生產(chǎn)管理層主要為全廠生產(chǎn)調(diào)度提供服務(wù)，以狀態(tài)檢修為中心，以設(shè)備為基礎(chǔ)，以完成發(fā)電量為目標(biāo)，優(yōu)化水電站各機組的生產(chǎn)計劃和策略，實現(xiàn)全廠的安全高效經(jīng)濟生產(chǎn)，該層是數(shù)字化水電站管理信息的基石。

(4)經(jīng)營決策層:

根據(jù)區(qū)域內(nèi)電力市場信息，綜合考慮防洪、航運等約束條件下的收益最大目標(biāo)，以水庫為對象，尋求整體最優(yōu),對水電站的經(jīng)營、生產(chǎn)、目標(biāo)和發(fā)展規(guī)劃提出決策支持。該層是數(shù)字化電廠的系統(tǒng)入口和決策樞紐。

(5)數(shù)據(jù)庫支持系統(tǒng):

以關(guān)系數(shù)據(jù)庫和實時數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)的面向數(shù)據(jù)主題的水電站數(shù)據(jù)倉庫構(gòu)成了數(shù)字化水電站的數(shù)據(jù)庫支持系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)字化水電站信息的分析、提煉、集成和應(yīng)用，為水電站的高級分析決策提供支持。

(6)計算機網(wǎng)絡(luò)支持系統(tǒng):

以ATM和千兆以太網(wǎng)為代表的先進組網(wǎng)技術(shù)為核心，結(jié)合Qos保障、系統(tǒng)-網(wǎng)絡(luò)-終端三級安全策略、目錄管理統(tǒng)一認(rèn)證等先進技術(shù)，構(gòu)成數(shù)字化水電站的計算機網(wǎng)絡(luò)支持系統(tǒng)。

1.2 數(shù)字化水電站的功能結(jié)構(gòu)

數(shù)字化水電站應(yīng)是在數(shù)據(jù)倉庫基礎(chǔ)上的對電廠物流、資金流、信息流進行綜合分析的集成系統(tǒng)，其功能體系應(yīng)涵蓋電廠生產(chǎn)經(jīng)營和決策等各個方面，追蹤國際最新的研究和技術(shù)進展，數(shù)字化水電站應(yīng)包括廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)(SIS)即管控一體化系統(tǒng)、電廠企業(yè)資源規(guī)劃系統(tǒng)/資產(chǎn)管理系統(tǒng)(ERP/EAM)、發(fā)電報價決策系統(tǒng)。前者融合了多種管控數(shù)據(jù)對水電站的控制系統(tǒng)進行最優(yōu)決策，解決水電站傳統(tǒng)控制系統(tǒng)和管理系統(tǒng)的數(shù)字鴻溝；后者以計劃預(yù)算為入口，以設(shè)備狀態(tài)檢修為中心，對水電站的資產(chǎn)進行全面管理；而發(fā)電報價決策系統(tǒng)以最優(yōu)上網(wǎng)電價為目標(biāo)，對全廠的經(jīng)營活動進行最優(yōu)經(jīng)濟決策。

圖2 功能結(jié)構(gòu)圖

1.3 系統(tǒng)特點

通過對水電站的需求分析，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及運行機制上仿人類社會的組織和行為機理，采用計算機網(wǎng)絡(luò)等先進技術(shù)，并與電廠監(jiān)控、狀態(tài)監(jiān)測、診斷維修、水情測報等自動化系統(tǒng)相集成，進而使數(shù)字化水電站具備如下特點:

(1)秉承CIMS/ERP的哲理，系統(tǒng)的設(shè)計思想和層次結(jié)構(gòu)具有理論的嚴(yán)密性和實際可操作性。

(2)采用動態(tài)企業(yè)建模技術(shù)、軟件重構(gòu)技術(shù)、面向?qū)ο蠹夹g(shù)設(shè)計，保證水電站運作流程變化后的系統(tǒng)適應(yīng)。

(3)通過系統(tǒng)配置工具(包括系統(tǒng)建模工具、模型仿真工具、實施工具)使系統(tǒng)快速實施，并保證系統(tǒng)有良好的擴展性和軟件模塊的可重用性。

(4)可行的優(yōu)化算法可使水電站的各個系統(tǒng)在仿真優(yōu)化的前提下按最佳方案運行，從而保證了系統(tǒng)的先進性和可靠性。

(5)先進的組網(wǎng)技術(shù)和信息平臺為系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定運行提供可靠支撐。

(6)先進的數(shù)據(jù)倉庫和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)能自動地進行挖掘分析工作，剖析任意層面數(shù)據(jù)的內(nèi)在聯(lián)系，最終確定企業(yè)業(yè)務(wù)的發(fā)展趨勢和規(guī)律。

數(shù)字化水電站所具有的仿真功能不僅能對水電站現(xiàn)狀進行綜合評價與量化分析，而且還可以對水電站未來發(fā)展進行動態(tài)三維空間描述、預(yù)測、并進行虛擬現(xiàn)實的前瞻性分析。以水電站運行系統(tǒng)為對象，建立對象的物質(zhì)、能量、信息的映射關(guān)系及其邏輯鏈路描述，是本研究數(shù)字化水電站的技術(shù)創(chuàng)新和技術(shù)突破的關(guān)鍵所在。因此，以復(fù)雜系統(tǒng)理論、系統(tǒng)工程思想、信息技術(shù)原理、現(xiàn)代仿真技術(shù)和綜合集成方法指導(dǎo)研究工作的分析和實施，以達到數(shù)字化水電站設(shè)計的目標(biāo)要求。

2 數(shù)字化水電站的建設(shè)策略

隨著我國電力行業(yè)“廠網(wǎng)分開，競價上網(wǎng)”電力市場的起步和發(fā)展，作為一個發(fā)電企業(yè)，在安全性、可靠性約束條件下，追求利潤的最大化是它的主要目標(biāo)。因此水電站的管理重點從傳統(tǒng)的計劃生產(chǎn)，逐步過渡到基于科學(xué)調(diào)度和競價決策的市場化生產(chǎn)。

傳統(tǒng)意義和功能上的水電站計算機控制與信息系統(tǒng)只能起到一個生產(chǎn)過程控制和數(shù)據(jù)收集的作用，實現(xiàn)生產(chǎn)、運行、管理數(shù)據(jù)的采集、存儲、展現(xiàn)的功能，但存在幾個問題:

(1)數(shù)據(jù)基本上是一種相對的靜態(tài)，數(shù)據(jù)分析的功能很少，缺少有效的決策支持，在決策過程中，不可能親自去查閱大量基本數(shù)據(jù)，更何況這些數(shù)據(jù)可能散布在水電站各個部門，于是決策多依靠經(jīng)驗判斷，存在很大的盲目性。

(2)對設(shè)備的管理通常局限在設(shè)備的臺賬、檢修記錄、消缺記錄等單一靜態(tài)的記錄上，設(shè)備從發(fā)現(xiàn)缺陷到檢修消缺的管理過程缺乏科學(xué)的管理流程及對流程的監(jiān)督考核管理。

(3)缺乏總體數(shù)據(jù)規(guī)劃和數(shù)據(jù)(應(yīng)用)整合，存在或多或少的“信息孤島”，部分?jǐn)?shù)據(jù)有冗余和二意性，不能融合到整個管理信息平臺上。

(4)功能上缺乏與電力市場技術(shù)支持系統(tǒng)的接口和相關(guān)的輔助服務(wù)功能，只實現(xiàn)了單一的接收信息和報價的功能。

在電力市場環(huán)境下數(shù)字化水電站的建設(shè)，從技術(shù)層面上看，需要綜合采用企業(yè)信息門戶(EIP)技術(shù)、企業(yè)應(yīng)用整合(EAI)技術(shù)、企業(yè)設(shè)備資產(chǎn)管理(EAM)技術(shù)、工作流(WorkFlow)技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘(DataMining)技術(shù)，決策分析模型等來構(gòu)架，通過這些技術(shù)手段，能將發(fā)電企業(yè)的全部信息整合在一個統(tǒng)一的平臺上，在ERP的思想指導(dǎo)下，運用可定義的工作流，對生產(chǎn)調(diào)度、設(shè)備運行等原子的業(yè)務(wù)模塊進行規(guī)劃；用合理的決策分析模型，對企業(yè)的生產(chǎn)成本、設(shè)備折舊、物資消耗、報價策略進行分析，完成一個發(fā)電企業(yè)的信息化管理。此外，還需要通過信息安全技術(shù)，來保證電力市場中的對手不能了解到本企業(yè)的經(jīng)營狀況、發(fā)電成本、報價策略和報價信息等數(shù)據(jù)。

運用ERP思想來重新規(guī)劃電廠MIS，是現(xiàn)階段電廠MIS建設(shè)的重要手段。ERP(EnterpriseRe-sourcePlanning企業(yè)資源計劃)。從廣義來講，水電站也是一個生產(chǎn)企業(yè)，是一個依賴不確定性河川徑流的非線性動力系統(tǒng)，它同樣存在信息流、資金流和物質(zhì)流在企業(yè)的流動。將ERP的管理思想和軟件結(jié)構(gòu)用于數(shù)字化的建設(shè)中，是解決電力市場中水電站的新需求的可行方法。ERP是市場競爭全球化形勢下一種面向企業(yè)供應(yīng)鏈的管理方案。為此，長洲電廠數(shù)字化水電站建設(shè)的實施策略上應(yīng)作如下考慮:

a)實時運行信息管理:主要依托實時系統(tǒng)，遵循國家電網(wǎng)的二次防護網(wǎng)絡(luò)要求，從機組監(jiān)控系統(tǒng)、水情系統(tǒng)、閘門調(diào)度系統(tǒng)、電能計量系統(tǒng)、機組在線監(jiān)測系統(tǒng)提取相關(guān)主要信息。主要包括實際出力和計劃出力、電網(wǎng)頻率、機組主要運行參數(shù)、主要經(jīng)濟指標(biāo)數(shù)據(jù)等，這些數(shù)據(jù)主要用于實時監(jiān)測和考核各機組的實際運行狀況，動態(tài)掌握全廠各機組的運行效率、變動成本等經(jīng)濟指標(biāo)。

b)設(shè)備狀態(tài)長期監(jiān)控管理:依托生產(chǎn)信息管理系統(tǒng)，收集設(shè)備的缺陷、技術(shù)監(jiān)督數(shù)據(jù)、定值數(shù)據(jù)，根據(jù)不同設(shè)備的劣化模型，合理的預(yù)測、規(guī)避設(shè)備的風(fēng)險，制定合理的設(shè)備檢修計劃，使電廠設(shè)備安全穩(wěn)定的運行。同時，根據(jù)這些數(shù)據(jù)可以合理的制定倉庫備品備件數(shù)量，通過與物資管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互，可以確保電廠安全運行的同時降低倉庫庫存。在集團化庫存的概念下，還能整合各電廠庫存資源作為集團倉庫，合理的調(diào)配各個電廠的資源。

c)辦公自動化管理:辦公自動化管理不僅僅是實現(xiàn)無紙化辦公的初級階段。通過對具體流程的設(shè)置，不僅僅明確了每項工作的步驟，強制的規(guī)范了每項工作的流程，同時通過數(shù)字簽名和防抵賴系統(tǒng)有效的強化了每個環(huán)節(jié)的負(fù)責(zé)人的責(zé)任感。電廠決策人員也可以了解到每項工作的進展情況，以及相關(guān)環(huán)節(jié)的效率。不僅有利于追蹤重要工作的進展近況，而且有利于優(yōu)化工作流程或環(huán)節(jié)，提高工作效率。由于與實時系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換，能夠在公共系統(tǒng)中了解整個電廠運行情況，例如:機組工況、水情數(shù)據(jù)等等。

d)輔助決策支持管理:以往的決策數(shù)據(jù)是相對獨立的，例如水情系統(tǒng)的流量、水位、預(yù)報數(shù)據(jù)，電量系統(tǒng)發(fā)電量數(shù)據(jù)，機組在線監(jiān)測系統(tǒng)的機組狀態(tài)分析數(shù)據(jù)等。通過實時系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互，可以整合至信息平臺，完成對決策數(shù)據(jù)的管理。可以對這些數(shù)據(jù)自動的生成報表、曲線，能更加直觀的從多維度了解水情、機組狀態(tài)、發(fā)電量之間的關(guān)系，預(yù)測來年的趨勢，做好來年的各項決策。

e)模擬成本效驗:給出一個日發(fā)電計劃，系統(tǒng)根據(jù)物資成本，計算出該日發(fā)電計劃的單位發(fā)電成本。

f)接收與報價:提供一個接收網(wǎng)上數(shù)據(jù)的環(huán)境。接收網(wǎng)上競價的各類數(shù)據(jù)，并保存在數(shù)據(jù)庫中，供查詢和分析。按本省電力市場的運營規(guī)則的要求，提供發(fā)布和申報上網(wǎng)的數(shù)據(jù)的環(huán)境，可發(fā)布機組的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和向電力市場技術(shù)支持系統(tǒng)申報各時段的價格。

g)設(shè)備資產(chǎn)管理系統(tǒng):由資產(chǎn)管理、預(yù)算、設(shè)備、庫存、采購、工單及工單申請、計劃、任務(wù)和預(yù)防性維修、職員等模塊構(gòu)成。

圖3 工作票流程圖

隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展和改革開放的深入以及中國加入WTO，水電能源行業(yè)的運營模式也發(fā)生了很大的變化，逐步引入了新的商業(yè)模式；同時電力行業(yè)也在進行公司制改革、商業(yè)化運營和法制化管理，加強和提升核心業(yè)務(wù)，積極有效地發(fā)展多種產(chǎn)業(yè)，努力把電力企業(yè)建成控股型、經(jīng)營型、現(xiàn)代化、集團化管理的國際一流電力企業(yè)。在這個過程中，水電站綜合信息平臺的建設(shè)是相當(dāng)重要的；通過實時系統(tǒng)將機組監(jiān)控系統(tǒng)、水情系統(tǒng)、閘門調(diào)度系統(tǒng)、在線監(jiān)測系統(tǒng)等相關(guān)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集中整合至MIS網(wǎng)絡(luò)，通過與生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)本身的管理的數(shù)據(jù)再分析、再處理，形成更具有效的信息、數(shù)據(jù)集合，給與電廠決策支持，從而達到綜合信息平臺的功能，即在安全的前提下最終提高電廠的管理效率、生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。

圖4 缺陷流程圖