智能水電廠一體化管控平臺關鍵技術研究

鄭健兵，花勝強

（南瑞集團公司/國網電力科學研究院，江蘇省南京市 211106）

智能水電廠一體化管控平臺關鍵技術研究

鄭健兵，花勝強

（南瑞集團公司/國網電力科學研究院，江蘇省南京市 211106）

智能水電廠以一體化管控平臺為核心來構建水電廠各類自動化控制系統和信息管理系統，以實現各業務子系統間標準統一、數據共享、綜合決策等目標。本文由此闡述了智能水電廠一體化管控平臺的系統架構及組成，并分別介紹了平臺各個關鍵子模塊的功能，從而為智能水電廠的實施和建設提供堅實的基礎性支撐。

智能水電廠；一體化管控平臺；數據中心；基礎服務

0 引言

現有水電廠已構建遠程集中監控、水調自動化、大壩安全監測等許多面向各類業務應用的自動化系統，以及生產管理信息系統和各類決策支持系統。若采用獨立構建各自系統的方式，則將導致各類自動化系統及管理信息類系統接口不一致性，使得系統的整體性和協調性不足，各類業務應用之間數據信息共享困難，業務流程之間無法形成有效互動，后續系統運維成本居高不下，無法滿足電廠集約化生產運行管理的需求。

為此，考慮基于一體化管控平臺構建上述各類自動化系統和管理信息系統，解決自動化系統和信息化系統各自孤立、管控困難、維護復雜、智能決策水平差以及重復投資等問題。一體化管控平臺是基于水電公共信息模型（HCIM）、插件式應用組件等技術，由數據中心、基礎服務、基礎應用構成，實現水電廠生產運行一體化管控的軟件平臺。數據中心是指存儲并管理模型和數據的計算機軟硬件設施，實現模型與數據的一體化管理，并對外提供統一的數據訪問服務。基礎服務提供消息通信、工作流管理、權限日志、數據計算分析、綜合報警、任務調度、進程管理等各類后臺服務功能。基礎應用是實現計算機監控、水調自動化、大壩安全監測等水電廠基本業務功能以及業務間協同互動的應用組件集合，用于提供各類人機交互界面[1-3]。

1 總體設計

根據電力監控系統安全防護規定，水電廠自動化系統分為生產控制大區和管理信息大區，大區之間采用單向物理隔離裝置進行隔離。其中，生產控制大區分為安全Ⅰ區和安全Ⅱ區，兩個區之間采用硬件防火墻隔離，各大區業務劃分如圖1所示[3]。

各安全區均采用一體化管控平臺作為各類應用的基礎性支撐，通過面向各類業務應用的二次組件開發，分別構建安全Ⅰ區的計算機監控系統、安全Ⅱ區的水情水調自動化系統，以及管理信息大區的各類決策支持系統及信息化系統。此外，在各安全分區內分別構建數據中心，利用數據同步機制進行不同分區業務數據的雙向同步，可根據需要配置構建面向全電廠、全業務過程的綜合數據中心。數據中心以IEC 61850系列標準為基礎，基于CIM/CIS標準，具備開放式信息集成能力。計算機監控系統、水調自動化系統、繼電保護及故障信息管理系統、電能量采集系統的數據將集成到安全Ⅱ區的數據中心內，將管理信息大區與生產運行控制有關的各系統數據整合到管理信息大區數據中心[4-6]。

2 平臺架構

圖1 水電廠各安全區業務部署示意圖Fig. 1 Hydropower plant business deployment diagram

一體化管控平臺嚴格遵循公開的國際標準，實現面向設備對象、具備數據自描述能力的信息建模，構建統一、開放的水電標準通信總線，實現不同電力二次安全分區之間的可靠數據信息同步機制。平臺采用面向服務（SOA）的體系架構，提供統一的數據存儲、訪問、監視和預警平臺，實現水電廠全景數據監視，為電調、水調等各類業務提供基礎應用服務組件管理與發布服務，并實現不同業務之間的友好互動，對外提供標準化的二次開發接口，實現與第三方模型及業務系統的相互接入與有效協同，為不同安全區內的各類自動化系統提供統一的軟件運行平臺[3]。其架構如圖2所示。

圖2 一體化管控平臺總體架構圖Fig. 2 integrated management platform overall structure

3 數據中心

一體化管控平臺數據中心是一個整合了平臺、信息及應用的系統樞紐。數據中心的整合涉及多種異構數據源，故不僅僅是將多個應用系統連接起來，也應將應用軟件的數據交換標準化。整合的目標主要涵蓋三個方面：數據整合、內容整合、應用整合。數據整合是指整合集控中心各系統及電站的電力生產信息、電量信息、水情氣象、樞紐信息、生產管理信息、工程建設信息、設備物資信息等，以實現內部多系統之間數據共享和透明傳輸的需要，同時具備數據的統計、展示及其他二次利用開發功能。內容整合則是為規范公司以及各部門、下級單位的信息發布以及維護，實現各種內容的信息發布，規范統一信息發布、統一用戶權限管理。最后，應用整合是全面整合與生產運行相關的各應用模塊，并實現用戶統一登陸入口。

3.1 數據采集與處理

數據采集符合電力系統二次安全防護總體要求，支持隔離裝置穿越，支持各種常規采集方式。同時，平臺提供采集標準以方便和規范未來新建系統的數據接入。此外，平臺提供數據封裝能力，接入各種結構化數據和非結構化數據并對最終用戶隱藏接入系統的物理位置，從而使多個分布式應用系統看起來就像一個應用數據提供者。應用系統從總線獲取數據時無需關心數據來自哪個系統，也不用了解該系統的連接協議等信息，接入總線的系統相對數據應用系統保持透明。

3.2 信息對象建模及管理

由于水電廠設備種類繁多，數據各異，因此需要建立完整統一的信息對象模型。一體化管控平臺遵循IEC 61850標準，針對自動監控、水情測報、水庫調度、安全監測、狀態檢測等專業領域所需要的設備、數據建立模型，形成標準、穩定、唯一的數據表示和訪問的路徑，構建水電監控、調度專業的標準化模型庫。此外，平臺與各個系統進行數據交換的接口采用IEC 61970系列標準，這樣平臺可實現生產運行控制相關系統的整合，確保整個電廠的信息單點維護、自動同步、統一使用[6]。

3.3 標準通信總線

基于IEC 61850/61970國際標準建立水電廠統一、標準的數據模型，建立橫跨安全Ⅰ區、Ⅱ區、管理信息大區以及集控與廠站之間的數據交換總線，同時提供對實時數據庫、關系數據庫等標準接口，從而實現監控系統、水情水調、狀態監測、生產管理、大壩監測以及OA等系統的信息交換與共享。各業務單元如監控、水情、狀態檢測等的數據以IEC 61850-1的MMS通信。以Web Service標準接入大壩安全監測、生產管理系統、門禁管理系統、工業電視系統、消防系統等數據。在傳輸數據業務中支持DL/T 634.5104—2009中規定的協議以及DL 476—1992水調擴展協議，并滿足其他系統要求的標準協議[6-7]。

3.4 實時數據庫

由于一體化管控平臺面對的業務應用覆蓋水電廠全領域，數據采集和存儲規模都有級別的提升，且目前也提出了實時運行數據不采用周期性采樣存儲而是按照實際時間序列連續存儲的更高要求，這都將導致數據存儲規模急速增長。此外，歷史數據的存儲組織策略以及查詢檢索策略也隨著業務的推進而變得相當復雜。在這種形勢下，數據存儲中心必須面對海量的實時運行數據以及歸檔歷史數據，對這些數據進行高效的進行處理、壓縮、歸檔都迫切要求設計和實現海量高速實時數據庫。

一體化管控平臺中的實時數據庫軟件，可在線采集、存儲每個監測設備提供的實時數據，并提供清晰、精確的數據分析結果，既便于用戶瀏覽當前生產狀況，對工業現場進行及時的反饋調節，也可回顧過去的生產情況。

3.5 歷史數據庫

對于數據存儲中心而言，雖然實時數據庫在處理、存儲海量數據上具有得天獨厚的優勢，但其仍然不可能完全取代傳統的關系數據庫。數據中心需要的模型信息、告警信息、圖表信息等的存儲仍然離不開傳統的關系數據庫。數據中心關系型數據庫主要完成事務型和流程型的業務邏輯，也作為標準化模型的實際存儲，實現對象數據模型和關系模型之間的映射。

3.6 數據查詢與管理

一體化管控平臺提供的查詢方式包括以下幾種：

（1）基于標準的查詢，包括基于IEC 61970標準的CIM模型及Web Service接口查詢、標準的SQL接口查詢、SVG標準的圖形文件接口查詢等，并提供查詢的二次開發接口。

（2）基于圖形化界面的查詢，包括基于CS與WEB兩種方式。

（3）查詢支持組合查詢、條件查詢等各種查詢方式，支持各種方式的再利用如保存等。

一體化管控平臺數據管理的功能包括：

（1）數據診斷，能夠對數據的冗余、錯誤、缺失等常見的數據問題進行歸納，分類及診斷定位。

（2）數據修復，能夠對集中存儲的主數據進行修補、建立關聯、更新等。

（3）質量報告，能夠根據數據的診斷結果提供數據質量報告清單。

3.7 跨區數據同步

數據中心能夠支持基于正向安全隔離和反向安全隔離傳輸規范，以全量和增量兩種方式，根據業務需要實現相關數據在安全Ⅰ區、安全Ⅱ區和管理信息大區之間的同步。

4 基礎服務

4.1 數據處理

數據處理主要實現對采集來的各種不同類型的數據依據應用要求進行自動加工處理，其結果供其他子系統調用或再加工，功能如下所述：

（1）對采集的數據進行完整性、合法性、有效性、齊次性檢查和處理，并更新實時數據庫。

（2）生成各類事故報警記錄，發出事故報警音響，語音報警，啟動綜合報警服務等。

（3）基于實時數據的各種整編和統計類型的時段數據同步和異步計算。

（4）計算方法、計算周期、計算參數等可以按需組態。

（5）實現數據的雙機、多機冗余備份。

（6）具備腳本計算的功能，可通過語言和圖形方式編輯腳本，腳本的執行過程可圖形監視，并支持單步調試功能，并可基于標準為平臺其他組件提供腳本引擎服務。

4.2 圖元庫

圖元庫包括：

（1）公共圖元庫，基于點、線、面、表格的公共圖元可作為開發各類專業應用圖元的基礎。

（2）計算機監控圖元，包含了計算機監控業務的全部圖元內容，例如發電機組、斷路器等。

（3）水情水調圖元，包含了水情水調業務所需的各種圖元，如年線柱圖、計劃分析曲線、多站棒圖等專業圖元。

（4）大壩安全監測圖元，涵蓋了展示大壩安全監測業務的各種圖形，例如大壩過程圖、布置圖等。

（5）設備狀態監測圖元，為主設備狀態在線監測業務所涉及的各種圖元，例如水輪機剖面圖等專業圖元。

4.3 報表

報表編輯部分通過報表系統函數庫提供時間函數、算術計算、各種專業計算等函數，能滿足各種常規報表計算需要。用戶可按照自己的要求，方便地進行各種類型的函數擴充。報表支持自動生成日報表、月報表。當報表模型設置完成后，會根據設置的運行信息，支持按時間自動生成所需的報表。

4.4 權限管理

為各應用提供一組權限管理服務公共組件，能提供用戶、用戶組、角色管理、視圖及其綁定映射等功能，并能夠提供多全方位多粒度的權限控制，包括：菜單、應用、類型、屬性、數據、流程、單點登錄、安全策略等方面的權限控制。

4.5 日志管理

系統日志包含應用程序日志、安全日志、Web日志等。應用程序日志記錄各應用程序的運行，記錄信息。可以根據不同的應用查看該應用的運行日志信息，如報警服務的日志包含各種類型的報警信息。安全日志記錄計算機的啟停、網絡狀態、用戶登錄登出、用戶操作等信息。Web日志記錄發布到Web頁面上的運行信息，包含各應用程序發布到Web上后的運行信息以及單獨配置的Web頁面信息。日志管理包括了日志操作的記錄和查看，及日志文件的備份等。

4.6 工作流管理

工作流就是工作流程的計算模型，其表示的是：對流程中的任務，以什么樣的邏輯或者規則串接起來，并以什么樣的模型進行表示和計算。

4.7 系統進程管理

進程管理的主要任務是管理和監視應用系統中的進程的運行情況，保證整個系統的正常運行。對于系統中所有主要進程，平臺發現異常后會啟動自恢復，在必要的時候重新啟動進程。另外，平臺可以展示整個系統相關的各個進程的執行狀況，比如進程執行相關的狀態（運行、終止等），高級權限的用戶可以手動對進程進行啟停操作。

4.8 定時任務管理

定時任務管理模塊完成定時任務的觸發，作為后臺進程從配置文件中讀取有關的定時任務，不斷檢查所定義的定時任務是否達到觸發條件，并從系統中獲取現在應該在哪個節點執行該定時任務。在滿足所設定的條件的時候，在指定的應用（節點）下執行設定的任務。

4.9 網絡對時

支持NTP網絡對時功能，并預留與其他時鐘同步裝置的網絡接口。

4.10 綜合報警

通過統一報警協議實現系統各類信息集中綜合報警，統一接收并報送一體化管控平臺系統Ⅰ區、Ⅱ區和管理信息大區所有子系統的實時報警信息；能完全組態報警信元、報警準則和策略、報警方式；具備單值或多值聯合實時報警判斷功能；具備歷史報警信息查詢功能。

4.11 二維GIS展示

平臺應該具備二維GIS展示功能，提供GIS服務，具備地圖瀏覽、圖層管理、實時信息監視、地圖屬性查詢、等值線面分析、站網數據維護等功能，能查詢各個不同時段的監測數據，并提供多種數據的分析、統計功能。

4.12 二次開發接口

一體化管控平臺提供遵循IEC 61970標準的通用的數據訪問接口，實現電廠各類數據庫存儲信息的關聯和共享。

5 基礎應用

一體化管控平臺的監控應用部署在安全Ⅰ區，功能滿足DL/T 578水電廠計算機監控系統基本技術條件。水情水調應用部署在安全Ⅱ區，功能滿足DL/T 1085水情自動測報系統技術條件。機組狀態監測應用部署在安全Ⅱ區，功能符合DL/T 1197的規定。大壩監測應用部署在管理信息大區，功能符合DL/T 5178和DL/T 5259的規定[3]。

綜合信息展示功能部署在管理信息大區。能將計算機監控、狀態監測、水情水調、大壩安全監測等水電廠生產運行數據信息以Web方式發布。可通過分布圖、曲線、棒圖、報表等多種形式發布各類數據信息。能實現基于業務的用戶個性化配置，根據當前的登錄用戶呈現與其日常工作相關的業務內容。各安全區資源應可任意組態定制，實現全景信息發布與管理。能實現水電廠實時監控、安全防護、生產管理、防汛決策、大壩安全監測、工業電視、五防、門禁、消防等系統聯動策略配置，并在此基礎上實現符合應用需求的業務組件聯動功能。

6 結束語

通過采用一體化管控平臺，不再需要額外購置數據交換系統所需的計算機、網絡設備、軟件等，使得系統的硬件設備和軟件投資成本明顯減少。此外，一體化管控平臺設計方案可大為簡化系統安裝調試過程，減少不同子項目組之間的協調工作，縮短項目建設周期。平臺自帶跨區數據同步、數據同步狀態監測、通信中斷數據補傳等內部機制，后期維護中可通過簡單配置滿足新增數據交換需求，出現故障時責任主體更加明確，便于快速分析和排查故障，有效降低系統建設和運維工作量。

一體化管控平臺方案能夠減少數據傳輸中轉環節，降低數據傳輸延時，確保不同安全區業務斷面數據時標一致性，為高精度數學模型仿真分析提供合格的數據支撐。系統的性能和可靠性得到提高。

當前水電廠的智能化改造已經是行業的潮流，在水電廠安全Ⅰ區、安全Ⅱ區和管理信息大區部署統一的一體化管控平臺，按照電力系統二次安防規定在不同的安全區內部署不同的業務應用組件，并實現不同安全區之間業務的信息交互和業務互動，已經寫入了行業標準DL/T 1547—2016《智能水電廠技術導則》中。一體化管控平臺遵循上述標準，具備科學的前瞻性，符合水電智能化技術未來的發展趨勢。

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2017-03-30

2017-05-24

鄭健兵（1971—），男，研究員級高級工程師，主要研究方向：水電自動化研發。

花勝強（1982—），男，高級工程師，主要研究方向：水電自動化研發。

Key Technologies Research of Integrated Management and Control Platform for Smart Hydropower Plant

ZHENG Jianbing，HUA Shengqiang
（NARI Group Corporations/State Grid Electric Power Research Institute，Nanjing 211106，China）

The key to the implementation of smart hydropower plant is to build the various types of automation control system and information management system of hydropower plant with the integrated management and control （IMC）platform as the core to achieve the goal of unified standard，data sharing and comprehensive decision of each business subsystem. Thus this paper expounds system architecture and composition of the IMC platform of smart hydropower plant，and introduces the functions of each key sub-module of the platform，so as to provide a solid foundation for the implementation and construction of smart hydropower plant.

smart hydropower plant； IMC platform； data center；base service

TP27

A學科代碼：520.6070

10.3969/j.issn.2096-093X.2017.03.005