流域智能集控體系架構設計與應用

華 濤，芮 鈞，劉觀標，徐 潔，鄭健兵

（南京南瑞集團公司/國網電力科學研究院，江蘇省南京市 211106）

流域智能集控體系架構設計與應用

華 濤，芮 鈞，劉觀標，徐 潔，鄭健兵

（南京南瑞集團公司/國網電力科學研究院，江蘇省南京市 211106）

經過多年的智能水電廠關鍵技術研究和工程應用實踐，智能水電廠技術體系日趨成熟。本文在智能水電廠研究基礎上，結合流域梯級水電站的自動化及信息化需求，對流域智能集控體系架構進行全面和詳細的闡述，可為流域水電集控系統建設提供技術參考。

智能集控；體系架構；流域梯級水電站；一體化管控平臺；智能應用組件

0 引言

在國家推行智能電網建設的大環境下，傳統水電廠自動化系統逐漸顯露出信息共享困難、一體化程度低、技術標準差異大、源網協調能力不足、智能決策能力有限、建設及維護工作量大等問題，無法為智能電網發展提供足夠的技術支撐。

目前，歐美等國外發達國家尚未提出智能水電廠整體解決方案，對于水電廠智能化應用限于局部性研究與討論，如梯級水電智能調度、AGC/AVC控制優化、智能協調防御等，分別針對水電運行的不同領域。我國則隨著智能電網建設以及間歇性新能源大規模接入，水電廠機組源網協調能力、業務友好互動能力及資源協同優化能力不足的問題日益突出。以往水電廠缺乏統一的建模和通信標準，導致水電廠現地通信體系十分復雜，信號采集和傳輸的實時性和可靠性不足，導致發電監控、水情水調、大壩安全監測等各類自動化系統互聯互通困難，各類相關的業務之間無法高效協同，難以實現區域水電或多元能源互補經濟運行最優。因此，2010年，南瑞集團公司（國網電力科學研究院）和東北電網等單位提出了“智能水電廠”的理念[1-3]，給出了智能水電廠的初步概念、設計原則以及總體結構，旨在通過統一通信標準和軟件平臺等一系列措施，解決傳統水電廠面臨的上述問題。

南瑞集團公司隨后開展了智能水電廠技術體系及運行管理模式、一體化管控平臺、現地智能設備、經濟運行、防汛決策支持系統、水電廠主設備狀態監測與狀態檢修決策支持等相關理論和應用技術研究，取得了豐碩的研究成果[4-10]，掌握了智能水電廠關鍵技術，形成了智能水電廠整體解決方案，并牽頭組織編寫了國內首個智能水電廠相關的電力行業標準《智能水電廠技術導則》[11]。

在實踐方面，2010～2012年，南瑞集團公司承擔了國家電網公司白山、松江河首批兩個智能水電廠工程試點工作，對智能水電廠技術成果進行了工程試點應用及完善。近年來，南瑞集團公司逐步將相關研究成果拓展應用于三峽成都梯調、瀾滄江集控中心、大唐桂冠電力集控中心等重大工程中，取得了良好的應用效果。本文在智能水電廠的研究基礎上，結合大型流域梯級水電站的自動化、信息化系統建設需求，全面闡述智能集控的體系架構，為國內大型流域集控中心的設計和工程應用提供技術參考。

1 流域集控建設需求

流域梯級電站集控中心以前由于不同的業務均建立各自獨立的自動化系統，因此自動化系統重復投資多；各類自動化系統及信息化系統接口不一致性，使得系統的整體性和協調性存在明顯不足，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；生產現場需要大量的人員進行值班和值守，未實現全流域水電站群聯合協調優化調度與經濟運行，無法滿足流域集約化生產運行管理的需求。

為實現對所轄水電站的集約化管理，提升整體生產管控水平，流域集控中心的建設需求包括：

（1）實現流域水電站群集中安全運行，實現現場“無人值班、少人值守”，確保電力生產的安全性和穩定性，改善調度運行人員的工作和生活條件，為減員增效和人力資源優化調配提供支撐。

（2）實現流域水能資源優化利用，通過水電站群上下游信息共享，有效協調優化各級水電站調度過程，充分挖掘水電站發電能力，提高水能資源利用率和水資源綜合利用水平，通過降低發電耗水率、洪水資源充分利用，提高水電站發電量和發電效益。

（3）實現流域水電站集約化生產管理，通過全流域各水電站各類自動化系統的信息共享和協調機制，形成流域統一的生產調度信息中心和生產業務調度中心，成為流域梯級電站的集中運行中心和發電計劃、防洪度汛、生產營銷等決策中心。

2 設計思路

2.1 基于一體化管控平臺的業務應用系統體系

由于各類自動化系統及信息化系統技術具備較大程度上的一致性，因此應考慮構建基于一體化管控平臺的業務應用系統體系。智能集控應建立統一的標準通信總線，實現基于數據層、服務層、應用層的統一設計和全面考慮，構建適用于安全Ⅰ區、安全Ⅱ區和管理信息大區的一體化管控平臺，全面支撐各安全區業務應用，包括遠程集中監控、水調自動化、大壩安全監測等自動化業務，以及管理信息系統和各類決策支持系統，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、智能決策水平不高以及重復投資等問題。

2.2 流域水電站群多級協同調度與控制模式

應結合我國的電力調度體系現狀，爭取將同一電網接入點的梯級水電站群進行優化組合控制，自動優化梯級各電站庫水位組合，在確保不發生水位越限的前提下，盡可能降低發電耗水率。在智能集控系統設計的過程中，應該結合各流域管理機構的實際情況，充分考慮現有的電力調度關系及今后的演變趨勢，構建多級協同的調度與控制模式，靈活適應不同發展階段的不同應用需求。

2.3 基于水、電耦合機理的流域經濟運行模式

由于我國水庫調度與電力運行專業分設、流域水電調度運行仿真建模技術水平不足、流域統籌協調運行要求不高、缺少統一的運行管理主體技術支撐體系，導致了流域水電站群水庫優化調度與電力運行耦合度差、調度運行計劃精細化程度不足、發電計劃預見性不足、發電過程中需要頻繁調節負荷來確保流量平衡等問題。隨著流域集中管控模式的推廣和調度運行要求的日益提高，上述問題日益突出，成為當前流域水電站群集中優化調控面臨的主要技術難題。智能集控建立于智能水電廠的基礎上，通過將非實時的水庫調度與實時的電力運行作為有機整體進行統一協調的優化調度與在線控制，兼顧水資源的利用效率和電力運行的安全穩定要求，建立協調并統一水庫調度與電力運行不同調度要求的流域經濟運行模式，實現流域水電站群動態優化調度，提高水能利用率、減少棄水量、增加發電量、改善供電質量。

2.4 流域遠程集中“運管一體化”調控模式

流域梯級電站下屬的各水電站采用現場監控的方式，在各水電站中控室對其生產過程進行控制和管理。這種分散的運行管理方式無法充分發揮出流域梯級水電站群協同優化運行的能力，造成了水能資源的極大浪費，也不利于改善運行人員的生活質量，導致水電站大量運行維護人員駐守偏僻工程現場與社會整體生活水平提高之間的矛盾日益突出。上述模式已經越來越無法適應流域現代化管理的需求。

當前國內大多數流域集控中心主要對下屬各水電站完成各類自動化系統的業務功能，在流域集約化生產管理信息化系統建設方面還處于起步階段。然而，流域集約化生產管理正逐步成為行業共識和今后必然的發展方向。為更好地滿足流域開發企業現代化管理的需求，智能集控中心應以“運管一體化”為主導思想，在實現對所轄水電站的統一集中遙測、遙信、遙控和遙調功能和統一優化調度功能的同時，完成對水電企業下屬水電站生產的統一、規范化管理，優化流域資源配置能力，實現標準化、集約化、專業化、信息化管理，建立起結構合理、權責明確、治理科學、運營高效的運管技術體系。

3 系統總體結構

根據流域梯級水電站群集控中心的建設需求，基于所轄水電站的智能水電站建設基礎，依據《電力監控系統安全防護規定》，智能集控采用橫向分區的體系結構，分為生產控制大區和管理信息大區，兩個大區之間采用物理單向隔離裝置（分為正向隔離裝置和反向隔離裝置）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，見圖1。可根據業務需要在管理信息大區增加配置入侵檢測服務器、網管服務器、殺毒服務器，確保系統的安全運行。

在立體車庫的現有的調度優化策略中包括了連續存車優先策略、連續取車優先策略、原地待命策略、交叉存取策略，這些策略應用在一天的不同時間段可以明顯提高立體車庫的運行效率[1]。該項目提出一種根據用戶停車時間來提高立體車庫運行效率的調度策略，并將模糊控制應用到立體車庫的優化調度問題中。

智能集控系統建立在流域所轄各智能水電站的基礎架構上，根據《智能水電廠技術導則》，智能水電站縱向分為過程層、單元層和廠站層。流域智能集控的建設中，各梯級電站的廠站層在部署一體化管控平臺時可適當簡化配置，滿足基本的運行監控和網絡故障數據緩存功能，并部署廠內安全防護管理系統即可；設置集控層，在安全I區完成流域各水電站遠程集中監控業務，以及流域經濟調度控制（EDC）功能；安全II區完成流域水調自動化業務、保護信息管理、電能量計量、故障錄波等業務以及洪水預報、中長期水文預報、發電計劃、防洪調度、風險分析、節能考核等高級功能；管理信息大區完成大壩安全監測與分析評估、主設備狀態檢修、安全防護管理、生產信息管理等業務，見圖2。

圖1 流域智能集控局域網結構示意圖Fig. 1 Structure sketch of local network ofbasin’s intelligent centralized control center

圖2 流域智能集控系統總體架構圖Fig. 2 Overall system structure of basin’s intelligent centralized control center

安全Ⅰ區、安全Ⅱ區和管理信息大區均采用統一的一體化管控平臺作為基礎平臺，通過面向各類業務應用的二次組件開發，分別構建安全Ⅰ區的遠程集中監控系統、安全Ⅱ區的流域水調自動化系統，安全Ⅲ區支撐管理信息大區的各類決策支持系統及信息化系統。

在各安全分區內分別利用一體化管控平臺構建數據中心，利用數據同步機制進行不同分區業務數據的雙向同步。在安全Ⅱ區形成計算機監控數據和水調自動化數據的合集，構建數據交換系統的內平臺。通過該平臺向管理信息大區同步數據，可在管理信息大區構建面向全流域、全業務過程的綜合數據中心。

在系統可靠性設計方面，智能集控中心各安全區系統與梯級電站及電網調度機構之間，以可靠的高速光纖傳輸網絡為主干架構，均采用冗余配置的縱向加密認證裝置、路由器、規約轉換器等，分別采用多種數據通信通道[12-13]，構建冗余的遠程通信網絡；對于重要數據監控點，設置冗余設備；對于梯級電站內通信網絡，過程層SV網絡、過程層GOOSE網絡、廠站層MMS網絡，均配置雙網結構；智能集控在規劃建設中，可考慮集控中心與各梯級電站的互備功能，即在梯級電站現地運行的監控系統，或調度部分核心功能區出現問題的時候，或集控中心與梯級電站間遠程通信出現故障時，互備系統的一體化管控平臺能夠迅速地接管相應的工作，保證互備系統在軟、硬件環境上的可靠性以及與平臺整體結構的一致性，確保整個系統運行可靠。

4 系統功能組成

智能集控在一體化管控平臺的基礎架構之上，實現流域各水電站遠程集中監控業務外，還包括各種智能應用組件，其智能功能應覆蓋流域梯級水電站日常生產運行管理等各領域，見圖3。

按照不同的業務應用領域，可將智能應用組件分為以下幾類：

4.1 經濟運行

圖3 智能集控中心各智能應用組件示意圖Fig. 3 Intelligent application componentsketch of basin’s intelligent centralized control center

經濟運行接收并處理水電廠水情、氣象、防汛、大壩及機組運行等信息，涉及水電廠自動發電控制（AGC）、自動電壓控制（AVC）、經濟調度控制（EDC）、流域中長期水文預報、洪水預報、發電計劃、防洪調度、節能考核、風險分析、水文預報精度評定等各方面內容，主要利用各類預測、調度、控制及仿真智能模型與算法，實現流域水電廠水資源合理高效利用、提高機組發電效率，并進一步加強與電網的優化協同互動。

4.2 主設備狀態檢修決策支持

該應用基于電廠主設備狀態數據的采集，根據其運行下各種特性參數的變化，通過數據智能分析和診斷方法，確定設備是否需要檢修；通過對主設備的狀態評價、狀態預警和風險評估，提供主設備故障診斷結論和維修決策建議，使流域水電站運行管理人員及時掌握設備的運行狀態，建立設備狀態主題數據庫和設備狀態健康履歷；對存在問題的設備進行維護，及時消除設備缺陷，保證電廠的設備安全運行。

4.3 防汛決策支持與指揮調度

該應用通過接受實時水雨情、氣象、大壩監測等信息，實現防汛信息管理、防汛值班管理、防汛決策支持和防汛指揮調度功能。防汛信息管理應包括水雨情信息服務、防汛物資儲備管理、防汛人員與隊伍管理、防汛電話錄音以及防汛信息短信發布功能；防汛決策支持應包括防汛應急預警、洪水預報、防洪調度、防洪風險分析以及防汛會商功能；防汛指揮調度應包括應急預案管理、防汛應急指揮以及防汛工作考評功能。

4.4 大壩安全分析評估與決策支持

4.5 安全防護管理

該應用針對流域所轄電廠運行中的各種日常操作流程進行聯動、安全防范管理，涉及實時監控、電力五防、巡檢、門禁、消防、工業電視、生產運行管理等多個環節，其目的是保證電廠的日常生產運行的安全。應用基于各系統標準通信接口的系統信息、策略的交互，通過安全防護管理的多系統聯動模式和聯動策略配置工具，實現各系統的互動，如生產運行故障與視頻的聯動等，實現快速確定故障、快速處理。

5 應用情況

近年來，南瑞集團公司積極推進智能水電廠的工程應用，先后將智能集控的體系架構應用于三峽成都梯調、大唐桂冠電力集控中心等重大工程中。以下結合大唐集團桂冠電力集控中心項目，介紹智能集控的工程應用情況。

桂冠電力是中國大唐集團公司的控股子公司，主要負責大唐集團公司在廣西區域所屬企業的生產經營管理，擁有位于廣西紅水河流域、郁江流域和桂江流域的龍灘、巖灘、平班、大化、百龍灘、樂灘等10座梯級水電站，裝機總容量900.9萬kW。2014年起，為實現對所轄水電廠的集約化管理，提升整體生產管控水平，桂冠電力按照“南網總調、廣西中調直調廠站接入集控中心進行監視控制，其他廠站接入監視”的原則啟動了集控中心的建設，建設流域集中監控和水調自動化系統。

南瑞集團公司基于一體化管控平臺設計了桂冠電力智能集控中心的總體架構，見圖4。前期主要基于一體化管控平臺實現流域遠程集中監控業務和水調自動化業務，后期將基于該平臺拓展自動發電控制、自動電壓控制、流域經濟調度控制、短期洪水預報、中長期水文預報、發電優化調度、防洪優化調度、節水增發電考核等智能應用組件。

2016年，桂冠電力集控中心建成，實現了對紅水河流域的平班、龍灘、巖灘、大化、百龍灘、樂灘，郁江流域的西津、山秀、金雞灘，桂江流域的金牛坪等10個水電站，共計44臺機組的集中監視控制。目前已逐步成為桂冠電力統一的集中控制、生產運行的管控中心，成為流域梯級電站發電控制、防洪度汛、機組狀態檢修決策和應急指揮中心，實現了所轄各發電站的集約化管理，提高了管控和生產業務運營水平，增強了桂冠電力的核心競爭力和綜合實力，取得了良好的應用效果。

圖4 大唐桂冠電力智能集控中心總體架構圖Fig. 4 Overall structure of intelligent centralized control center of Guangxi Guiguan Electric Power Co.，Ltd

6 結語與展望

本文總結了南瑞集團公司以智能水電廠為基礎，在流域智能集控方面技術研究和工程實踐的成果，全面概要闡述了流域梯級電站智能集控體系架構設計和系統組成，可為今后一段時間內流域智能集控的規劃、設計和建設提供較完備的技術參考體系。不可否認的是，流域智能集控的體系架構不是一成不變的，從概念設想、工程試點到推廣應用，體系架構是一個與技術發展、用戶需求相匹配，在實際建設中不斷探索、豐富和完善的過程。

近年來，隨著云計算、大數據、物聯網等新一代信息技術的蓬勃發展，水電行業外的眾多大型企業和科研機構在新興技術的研究和運用上不斷取得豐碩的成果，深刻影響改變著相關行業領域的業務形態和信息化生態。當前，特別是隨著移動互聯、云平臺、工業互聯網等技術的發展和應用，水電行業內的知名企業均在積極探索上述技術與水電站數字化、智能化業務的結合應用，勢必將加速推動流域梯級電站智能化體系架構的完善與演進。因此，未來需要全面思考流域各項業務與新一代信息技術深度融合的機制和途徑，對智能集控的體系架構開展深入的研究，持續提升流域梯級電站運行管理的集約化和智能化水平。

[1] 劉觀標，李曉斌，李永紅，等. 智能水電廠的體系結構[J]. 水電自動化與大壩監測，2011（1）：1-4.LIU Guangbiao，LI Xiaobing，LI Yonghong，etc. System Structure of Smart Hydropower Plants[J]. Hydropower Automation and Dam Monitoring，2011，35（1）：1-4.

[2] 黃其勵. 對智能化水電廠的認識與實踐[J]. 能源技術經濟，2011（6）：1-8.HUANG Qili. Understanding and Practice on Smart Hydropower Plant[J]. Energy Technology and Economics，2011（6）：1-8.

[3] 王德寬，張毅，劉曉波，等. 智能水電廠自動化系統總體構想[J].水電自動化與大壩監測，2011（1）：5-9.WANG Dekuan，ZHANG Yi，LIU Xiaobo，etc. The Overall Idea of Smart Hydropower Plant Automated System[J].Hydropower Automation and Dam Monitoring，2011（1）：5-9.

[4] 高磊，李永紅，鄭健兵. 智能水電廠一體化數據平臺設計[J].水電自動化與大壩監測，2012（1）：11-14.GAO Lei，LI Yonghong，ZHEN Jianbing. Design of Data Platform for Smart Hydropower Plants[J]. Hydropower Automation and Dam Monitoring，2012（1）：11-14.

[5] 張紅芳，彭文才，閩崢. 智能水電廠現地自動化系統技術分析[J]. 水電自動化與大壩監測，2012（2）：9-13.ZHANG Hongfang，Peng Wencai，MING Zheng. Technical Analysis of Local Automation System in Smart Hydropower Plant[J]. Hydropower Automation and Dam Monitoring，2012（2）：9-13.

[6] 馬軍建. 基于B／S模式的智能水電廠防汛決策支持系統研究[J]. 水電能源科學，2013（05）：170-172.MA Junjian. Research on Flood Control Decision Support System of Intelligent Hydropower Plant Based on B/S Structure[J]. Water Resources and Power，2013（05）：170-172.

[7] 芮鈞，馮漢夫，徐潔，等. IEC 61850標準在智能水電廠中的適用性分析[J]. 水電與抽水蓄能，2016（03）：92-95.RUI Jun，FENG Hanfu，XU Jie，etc. Application of IEC 61850 Standard in Smart Hydropower Plant[J]. Hydropower and Pumped Storage，2016（03）：92-95.

[8] 張金華，徐潔，鄭健兵. 智能水電廠關鍵技術研究及應用[J].水電能源科學，2013（10）：164-167.ZHANG Jinhua，XU Jie，ZHENG Jianbing. Research on Key Technology of Intelligent Hydropower Plant and Its Application[J].Water Resources and Power，2013（10）：164-167.

[9] 徐麟，吳正義，單鵬珠，等. 基于統一平臺的梯級水電站經濟調度控制系統[J]. 水電自動化與大壩監測，2012，36（5）：10-13.XU Ling，WU Zhengyi，SHAN Pengzhu，etc. Economic Dispatch Control System of Cascade Hydropower Stations Based on a Universal Platform[J]. Hydropower Automation and Dam Monitoring，2012，36（5）：10-13.

[10] 潘偉峰，趙連輝，朱傳古. 水電廠在線監測分析診斷與狀態檢修決策評估應用研究[J]. 水電自動化與大壩監測，2012，36（5）：1-4.PAN Weifeng，ZHAO Lianhui，ZHU Chuangu. Application Research on Assistant Decision and Evaluation for Condition Monitoring and Condition Based Maintenance in Hydropower Plant[J]. Hydropower Automation and Dam Monitoring，2012，36（5）：1-4.

[11] DL/T 1547—2016，智能水電廠技術導則[S].DL/T 1547—2016，Technical Guide for Smart Hydropower Plant [S].

[12] 鐘青祥，何紅榮，楊忠偉，等. 大渡河流域梯級水電站集控中心“調控一體化”系統的建設與運行[J]. 水電自動化與大壩監測，2014（02）：63-66.ZHONG Qingxiang，HE Hongrong，YANG Zhongwei，etc.Construction and Operation of Control and Dispatch Integration System in Dadu River Cascade Hydropower Plants Centralized Control Center [J]. Hydropower Automation and Dam Monitoring，2014（02）：63-66.

[13] 王剛，竇海妮. 流域水電站群集中控制系統設計及應用[J]，人民長江，2015（06）：93-95.WANG Gang，DOU Haini. Design and Application of Centralized control system for hydropower station group in Yalong River Basin[J]. Yangtze River，2015（06）：93-95.

2016-05-30

2016-06-20

華 濤（1981—），男，高級工程師，主要研究方向：智能水電廠關鍵技術。E-Mail：huatao@sgepri.sgcc.om.cn

芮 鈞（1978—），男，高級工程師，主要研究方向：智能水電廠關鍵技術。E-Mail：ruijun@sgepri.sgcc.om.cn

劉觀標（1963—），男，研究員級高級工程師，主要研究方向：智能水電及安全監測。E-Mail：liuguanbiao@sgepri.sgcc.om.cn

徐 潔（1963—），女，研究員級高級工程師，主要研究方向：智能水電及電力系統自動化。E-Mail：xujie@sgepri.sgcc.om.cn

鄭健兵（1971—），男，研究員級高級工程師，主要研究方向：智能水電一體化平臺。E-Mail：zhengjianbing@sgepri.sgcc.com

Design and Application of Overall System Structure of Intelligent Centralized Control Center of Basin Cascade Hydropower Stations

HUA Tao，RUI Jun，LIU Guanbiao，XU Jie，ZHENG Jianbing
（NARI Group Corporation/State Grid Electric Power Research Institute，Nanjing 211106，China）

After years of key technology research and engineering practice， research on smart hydropower plant is becoming more and more mature. Based on the automation and information requirements ofbasin cascade hydropower stations， thispaper comprehensively analysis the overall system structure of intelligent centralized control center，and introduces the components of the system structure in details， which can provide technical reference for the construction of intelligent centralized control center for basin hydropower development enterprises or management institutions.

intelligent centralized control center； overall system structure；basin cascade hydropower stations；integratedmanagement and control platform；intelligent application component

TP27

A學科代碼：570.6030

10.3969/j.issn.2096-093X.2017.03.007