清江智能對象化水電調平臺設計思路簡析

黃帆

清江智能對象化水電調平臺設計思路簡析

黃帆

（湖北清江水電開發有限責任公司，湖北 宜昌 443000）

探討了水電站（群）的水、電調優化與智能控制系統的設計思路，提出了智能對象化水電調平臺的架構、功能、實現方法。

水電站控制系統；智能化；對象化；清江

1　概述

智能化是隨計算機技術發展而興起的一門學科，是指由現代通信與信息技術、計算機網絡技術、行業技術、智能控制技術匯集而成的針對某一個方面的應用。智能化的主要目的是用智能設備或應用代替人進行部分工作，減少人的日常工作勞動，給人們的工作生活帶來便利性和舒適性，提高系統的安全性和可靠性。

電力系統智能化——智能電網發展迅速，智能電網調度控制系統（D5000）、數字化變電站已在全國廣泛應用，而智能水電廠的發展還在起步階段，已落后于電力系統的智能化水平。隨著流域水電開發蓬勃發展，水電站的運行管理模式也由單站控制發展為水電站群的集中控制。原有的發電調度、水庫運行調度、洪水調度、降雨與天氣預警等各專業逐步融合，運行值班人員和管理人員面對設備的數量、信息量成倍增加，所需的知識面跨度越來越大，增加了決策難度。因此，為提升水電站群的運行管理水平，降低運行人員勞動強度，完善與智能電網的廠網協調能力，水電廠的智能化迫在眉睫。

2　水電站智能化

水電站智能化是采用先進的傳感器、信息、通信、控制、智能等技術，以電站設備參量數字化和標準化、規范化信息平臺為基礎，實現水電站或水電站群實時全景智能監測、自動運行控制、電站各模塊（監控、水調、設備診斷等）之間協同互動、與站外系統（如電網）協同互動等功能，以實現提高水電站群的安全運行水平、優化水資源利用、減少人工干預、支撐電網安全運行等目標。水電站智能化必須解決的3個問題：數字化、信息共享和協同互動。

對于站控層以下，二次系統近年發展迅速，微機保護、微機調速器、數字勵磁控制等設備大量使用，基本實現了數字化。由于水電站站內各二次系統專業差異大，異構情況突出，各系統自成體系，大量信息重復布線采集，系統間信息無法共享，也談不上系統間協同互動。

水電站監控的發展從繼電器有觸點控制、半導體無觸點控制、微機控制到現在廣泛采用計算機控制，水電站監控實現了數字化和信息共享。監控系統已采集了電站大部分二次系統信息，實現了二次系統基本信息的數字化和共享。

水電站電力生產過程包括氣象預報、水情測報與來水預報、水庫與發電調度、發電運行控制、發電設備運行監視等，水電站智能化不應僅僅局限于二次系統，應該覆蓋電力生產的主要過程。現有電站一般建有多個專業應用系統，各個應用系統通過專用接口或綜合數據平臺實現信息共享，但信息共享效率低下，互操作困難。

水電站智能化主要包含兩個層次：設備智能化和電站監控與決策支持智能化。設備智能化一般指一次設備采用基于IEC61850標準智能設備，具有數據采集、在線監測、故障判斷和通信等功能，二次設備網絡化，以滿足信息共享和互操作性需求。

電站監控與決策支持智能化，即站控端軟件智能化，通過構建全站信息共享平臺，應用遵循相應的互操作標準來解決內部應用之間高效信息共享和協同互動問題；通過標準的服務接口解決與外部系統的信息共享和協同互動問題；在此基礎上開發相應的智能決策應用來提高電站的智能化水平。清江智能對象化水電調平臺主要解決電站監控與決策支持智能化問題。

3　清江智能水電調平臺設計思路

以“安全、可靠、高效、智能、協同”的先進理念為指導，從流域水電站群優化運行決策的全局重構自動化系統整體架構，采用統一、開放的國際通信標準和信息建模標準，設計建造一套智能對象化水電調平臺系統，將原來分散的電調和水調的監視、控制、預警和作業系統進行優化設計和基于統一平臺開發，利用先進的面向對象方法對數據庫組態，對監視、報警和預警進行智能的優化，形成高度一體化且開放的智能調度與控制系統。

3.1對象化技術

面向對象（ObjectOriented,OO）是軟件開發方法。面向對象的概念和應用已超越了程序設計和軟件開發，擴展到如數據庫系統、交互式界面、應用結構、應用平臺、分布式系統、網絡管理結構、CAD技術、人工智能等領域。面向對象是一種對現實世界理解和抽象的方法，是計算機編程技術發展到一定階段后的產物。面向對象的信息建模方法是IEC61850通信協議的核心技術之一，遵從IEC61850標準則必須采用面向對象建模。清江智能水電調平臺采用面向對象的技術構建，實時與歷史數據庫、人機界面、報警、操作等均采用面向對象的組織形式，即與對象相關的屬性均通過對象封裝，通過對象可以索引其所有屬性，界面元素也采用面向對象方法進行組織。

3.2面向服務的架構

系統應用采用面向服務（SOA）架構，確保應用規范化，確保系統可擴展和可管理。應用服務是用戶直接使用的與業務有關的各服務集合，主要包括：實時控制與經濟運行控制應用、水庫調度與經濟優化應用和決策支持與信息發布應用等相關服務組件，相關服務組件需提供服務接口供其他應用調用。

共性基礎功能服務化，減輕應用服務的開發難度和工作量。所有的應用只需關注業務邏輯，數據傳輸與存儲由系統平臺完成，人機交互由人機界面服務實現，也就是說讓應用服務開發人員投入更多的精力做專業的事，把人機界面等繁瑣的計算機編程交給計算機程序員。

3.3應用支撐平臺

應用支撐平臺作用是實現資源的有效共享和應用服務的互連互通，為應用系統的功能實現提供技術支持、多種服務及運行環境，是實現應用系統之間、應用系統與其他平臺之間進行信息交換、傳輸、共享和應用協同互動的核心。

統一的數據服務平臺。平臺完成系統實時、歷史數據存儲和管理，采用面向對象的方法組織整合實時數據、歷史數據、報警、調節與控制操作；平臺完成數據、報警在各節點間的同步與傳輸（含II、III區同步），向應用提供透明數據訪問，各應用不再關心數據來源、存儲位置；提供通用的數據服務訪問的本地接口，通過對象可索引得到該對象的數據屬性、報警屬性和操作屬性。

統一應用平臺。提供統一軟件接口規范和軟件管理規范，為相關服務軟件提供松耦合的運行環境；系統高級應用采用面向服務（SOA）架構，確保應用規范化，確保系統可擴展、可管理和應用協同互動。

統一的智能報警平臺。報警的生成、傳輸、存儲均由平臺完成，必須保證各工作站界面報警信息完全一致；平臺具備智能報警功能，各報警對象可組態智能報警策略，并根據報警策略完成智能分級報警，如正常SOE點動作（停機斷路器動作）的報警可報狀變，而機組運行過程中的冷卻水中斷可報事故；報警的組織應按對象進行，應用可以根據對象對報警進行查詢。

統一控制、調節指令傳輸總線。具備閉鎖條件檢查、預警功能；具備上下限、震動區參數管理功能，具備指令值越限檢查；對指令發出后的執行全過程進行管理，調節指令丟失時限時重發，指令傳輸異常應及時報警。此功能與傳統監控系統控制、調節功能的最大區別是增加了指令傳輸與執行過程自管理功能，能自管理也是智能化系統的基本特征。

3.4智能設備運行監視

智能設備運行監視服務是一個開放的設備監視智能策略實現平臺，根據積累專家知識開發相關設備對象（如軸承、水輪機等）智能設備監視策略，實現對設備的運行狀況進行監視，策略可考慮環境、工況等相關因素。需具備多變量、多時間尺度的數據處理與分析功能，具備設備運行過程監視功能。此功能與智能報警最大的區別是需對運行過程進行分析，而智能報警只根據相關狀態進行智能報警。

3.5經濟調度控制（EDC）

梯級EDC優化軟件劃分為兩個模塊，非實時優化策略交互模塊和實時優化分配模塊。非實時優化策略交互模塊主要功能為負荷分配指導曲線的優化、耗水計算、水位過程計算、安全優化評價、敏感性分析。在實現時可同時采用確定性模型和隨機模型的多種算法進行優化。為避免不確定因素（天氣、電網）和負荷預測偏差導致優化結果脫離實際，通過采用人機交互形式，給定或修改部分優化曲線，進行多方案試算和人工復核并比較，形成符合實際情況的優化方案。

實時優化分配模塊主要功能是快速跟蹤電網的設定值，按照預定的優化方案迅速把負荷分配到機組。實時優化分配模塊盡量采用確定性模型的優化算法，算法應該收斂快速，簡單可靠，分配結果是可模擬、可重復的。實時優化分配模塊的優化應該以非實時優化模塊確定的指導曲線為依據，對各站的發電情況按照指導曲線進行復核平衡，制定下一時段的實時調整優化分配方案。

3.6自動發電控制（AGC）

AGC需具備常規策略所有功能，如躲振動區、電網和機組安全策略、優化分配等；具備調頻和優化兩種工作方式，可手動設定或由智能策略確定工作方式，調頻方式快速調節并盡量降低調節頻次，優化方式時使機組位于最優工況；具備AGC調節監視和評價功能，對機組調節性能進行監視、統計和評價，如調節速率、次數、調節量等。

3.7水庫水情智能預警

對水庫運行過程進行監視，根據擬定的策略，充分考慮機組運行、發電計劃、水情、氣象預報和其他相關因素，對水位過程線、水位、雨量及流量進行演算、監視，發生過程異常或某個敏感因子越限時立即報警；具備人機交互仿真演算功能和反演功能。

3.8防洪調度

以實時洪水預報成果為基礎，根據水庫特征、工程與電網情況以及上級防汛部門的要求等，制定水庫防洪調度方案、風險分析以及提供防洪形勢分析與防洪決策的輔助計算，為水庫防洪調度會商提供支持，并利用圖形報表向用戶提供實時防洪調度方案信息。具備洪水調度過程演算、仿真功能，具備預評估、敏感性分析和后評價功能。

3.9發電優化調度

根據流域梯級水電站的運行及來水預測情況，根據經濟調度原則，在滿足安全生產及樞紐工程調節性、水電站水力電力聯系等約束條件下，制作短、中、長期（也可以自行靈活設定計算日期）發電計劃或水庫調度方案，在梯級水電站之間進行發電流量或負荷的合理分配，使得梯級總發電量最大、總發電效益最大或者耗水量最小。具備方案的預評估、敏感性分析和后評價功能，后評價側重于尋找影響因子。

3.10人機界面

人機界面為單純的人機交互功能，它負責系統所有功能的人機交互。人機界面采用面向對象的信息組織和展示方式，一個對象對應一組組合圖元；應具備所關聯對象的主要狀態顯示和報警顯示，主要有圖形變化、顏色變化和閃爍、字符顯示、數字顯示、直方圖等；具備可選的左鍵菜單，右鍵菜單，支持圖表聯動。

3.11智能維護

智能維護主要包含系統軟件版本控制、系統配置管理、系統數據組態和數據引用管理；系統軟件版本和系統配置采用統一管理，系統軟件和配置變化時應自動同步，存在問題時報警并禁止相關功能。系統數據組態和數據引用管理主要是對數據版本、關聯關系和引用關系進行管理，當數據屬性發生更改時，應能自動查找所有引用對象（含應用、圖、通信配置等）并告警，并由維護人員逐條確認后進行修改。

3.12智能診斷

智能診斷功能主要負責系統所有軟、硬件診斷，智能診斷涵蓋網絡、硬件、系統平臺、各應用軟件等全部系統軟、硬件。系統所有的硬件、軟件均等同于設備進行管理，建立相應的診斷模型，診斷數據作為系統設備數據采集；智能診斷的軟件獲取軟、硬件狀態信息，進行診斷和分析，在相關模塊運行異常時進行報警；智能診斷功能在相關應用異常時應評價其影響范圍，并自動采取應對措施。

4　總結與展望

4.1關鍵技術總結

基礎平臺一體化設計，通過統一的數據服務平臺、統一應用平臺、統一的智能報警平臺、統一控制調節指令傳輸與管理、統一人機界面來實現信息交換、傳輸、共享和應用協同互動。

采用對象化技術建模和組織信息，與IEC61850標準無縫融合，信息自描述性好。

可組態、可編程的智能平臺，智能設備運行監視、智能報警、水庫水情智能預警等智能平臺的采用可提高系統智能水平。

交互式高級應用決策平臺，EDC、發電調度、洪水調度等采用交互式平臺技術。并對決策進行預評估、敏感性分析和后評價全過程管理。

應用業務過程管理，應用軟件必須對與功能相關的業務過程進行管理，出現異常時報警并采取相應措施，提高應用軟件自管理能力，保障業務的可靠性。如AGC必須對指令執行過程進行管理。

智能診斷，系統網絡、軟件、硬件等資源建立自診斷對象模型，視作系統設備對象進行管理。

智能維護，對系統軟件版本控制、系統配置、系統數據組態和數據引用關系秘書化管理。

4.2展望

隨計算機技術、電網智能化以及人工智能技術的發展，相關設備、系統都會向智能化方向發展，水電站智能化具有很好的發展前景。無人駕駛的汽車馬上可以上路，電影中的科幻場景將成為現實。在不久的將來，運行人員甚至可以對系統發語音指令（例如：主站，請檢查一號機組運行狀況），可以利用虛擬現實與浸入式體驗系統進行可聽、可視巡檢。

TV736

B

1672-5387（2016）08-0001-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.08.001

20116-06-29

黃帆（1971-），男，高級工程師，從事水電站技術管理工作。