基于智慧企業(yè)管理的水電站數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)探討

彭 放，朱傳古

（1.國(guó)電大渡河大崗山水電開發(fā)有限公司，四川 雅安625409；2.南瑞集團(tuán)公司（國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院），江蘇 南京211106）

0 引言

基于“大數(shù)據(jù)”和“智能分析技術(shù)”構(gòu)建信息決策“大腦”已成為目前國(guó)內(nèi)先進(jìn)發(fā)電企業(yè)的“智慧企業(yè)”發(fā)展目標(biāo)。“大數(shù)據(jù)”與“互聯(lián)網(wǎng)+”的發(fā)展思路已逐漸深入到發(fā)電能源企業(yè)的管理思維中，如何全面地采集數(shù)據(jù)、深入地挖掘數(shù)據(jù)，最終通過對(duì)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)企業(yè)的智慧化管理，已成為目前智慧企業(yè)、智慧電廠研究的重點(diǎn)方向。

1 數(shù)據(jù)中心的基本概念

在電站側(cè)采用云存儲(chǔ)技術(shù)或者常規(guī)存儲(chǔ)技術(shù)，按照電力系統(tǒng)二次安全防護(hù)管理策略要求，通過運(yùn)用多種通信方式（例如以太網(wǎng)、串口、總線、無線等）將電站所有設(shè)備系統(tǒng)鏈接在一起，按照設(shè)備對(duì)象化管理的方式（設(shè)備建模）規(guī)范采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息，同時(shí)獲取設(shè)備管理的靜態(tài)化信息（例如參數(shù)信息、缺陷信息、點(diǎn)檢信息等），最終在安全Ⅲ區(qū)實(shí)現(xiàn)上述數(shù)據(jù)的集中匯聚與標(biāo)準(zhǔn)化管理，在數(shù)據(jù)匯聚的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的互聯(lián)互動(dòng)與智能應(yīng)用，我們稱之為水電站“數(shù)據(jù)中心”。大崗山水電站數(shù)據(jù)中心總體邏輯結(jié)構(gòu)圖見圖1。大崗山水電站網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D見圖2。

對(duì)于流域型發(fā)電企業(yè)，電站側(cè)數(shù)據(jù)中心將更側(cè)重于實(shí)現(xiàn)全站數(shù)據(jù)有效匯聚、短期存儲(chǔ)和集中上送功能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)電站級(jí)生產(chǎn)設(shè)備的互聯(lián)互動(dòng)與智能告警分析。

2 數(shù)據(jù)中心的基礎(chǔ)功能設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)中心可以采用層次化的功能設(shè)計(jì)，遵循面向服務(wù)的軟件體系架構(gòu)，采用分布式的服務(wù)組件模式，提供統(tǒng)一的服務(wù)容器管理，能較好地滿足系統(tǒng)集成和應(yīng)用不斷發(fā)展的需要，對(duì)數(shù)據(jù)及軟件功能模塊進(jìn)行有效的組織，能為應(yīng)用系統(tǒng)的運(yùn)行管理提供全面的支持支撐。數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)功能至少應(yīng)包含數(shù)據(jù)采集匯集、對(duì)象化模型管理、開放的編程環(huán)境以及統(tǒng)一綜合信息發(fā)布等基礎(chǔ)功能模塊。

（1）數(shù)據(jù)采集匯聚

數(shù)據(jù)采集匯聚模塊應(yīng)能基于統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)建立電站側(cè)的數(shù)據(jù)接入模型，建立橫跨安全Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)以及本系統(tǒng)與子系統(tǒng)（或裝置）之間的數(shù)據(jù)交換總線，同時(shí)提供對(duì)外訪問的標(biāo)準(zhǔn)接口，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與各子系統(tǒng)（或裝置）的信息交換與共享。通信方式至少包括以太網(wǎng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信、串口點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信方式、直接訪問數(shù)據(jù)庫(kù)等。

電站所有的生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過分設(shè)在安全Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)的采集服務(wù)器匯聚到設(shè)置于安全Ⅲ區(qū)的數(shù)據(jù)中心。

圖1 總體邏輯結(jié)構(gòu)圖

圖2 電站網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

（2）對(duì)象化模型管理

設(shè)備對(duì)象化建模以圖、模、庫(kù)一體化的思想為基礎(chǔ)，針對(duì)電站設(shè)備管理及健康狀態(tài)等各專業(yè)領(lǐng)域所需要的設(shè)備建立數(shù)據(jù)模型，形成穩(wěn)定、唯一的數(shù)據(jù)表示和訪問路徑，構(gòu)建電站設(shè)備管理標(biāo)準(zhǔn)化的模型庫(kù)。至少支持關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)和XML語言兩種方式描述水電站設(shè)備數(shù)據(jù)模型庫(kù)，以提高模型的靈活性和擴(kuò)展性。

采用面向?qū)ο笮蛿?shù)據(jù)庫(kù)或關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，支持面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型和關(guān)系模型之間的映射。在XML跨平臺(tái)載體的支持下，各種異構(gòu)電廠自動(dòng)化系統(tǒng)間通過標(biāo)準(zhǔn)接口實(shí)現(xiàn)模型的交換與共享。

（3）開放的編程環(huán)境

數(shù)據(jù)中心能提供面向服務(wù)的應(yīng)用接口，提供服務(wù)或API接口，支持在此基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)，以滿足后續(xù)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)的需求。智慧電廠的許多高級(jí)應(yīng)用和模型分析模塊需要不同廠家、不同科研單位的技術(shù)專家根據(jù)理論算法的不斷演進(jìn)而不斷地開發(fā)，因此在數(shù)據(jù)中心建立一個(gè)開放通用的編程環(huán)境、提供開放的應(yīng)用接口是必備的基礎(chǔ)功能。

（4）信息綜合發(fā)布

數(shù)據(jù)中心作為WEB門戶與對(duì)外信息中心的載體，針對(duì)電站實(shí)時(shí)過程數(shù)據(jù)和生產(chǎn)管理與決策分析等不同層面的實(shí)際需求，實(shí)現(xiàn)對(duì)分散于各部門（廠站）專業(yè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范化組織，統(tǒng)一管理，集中加工處理以及系統(tǒng)間數(shù)據(jù)交互的標(biāo)準(zhǔn)化，并在此基礎(chǔ)上提供多種方式的數(shù)據(jù)展現(xiàn)、報(bào)表、分析和維護(hù)功能，以及進(jìn)一步的數(shù)據(jù)挖掘，最終簡(jiǎn)化日常海量數(shù)據(jù)處理工作，為生產(chǎn)運(yùn)行各個(gè)環(huán)節(jié)以及決策制定提供可靠支持。

利用Web瀏覽界面，具備對(duì)一體化智能管控平臺(tái)[1]的實(shí)時(shí)信息集中監(jiān)視、歷史數(shù)據(jù)查詢、運(yùn)行狀況在線分析和在線報(bào)警功能；針對(duì)生產(chǎn)運(yùn)行中產(chǎn)生的海量歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)行分析，主要功能包含散點(diǎn)圖分析、相關(guān)量分析、趨勢(shì)分析、偏差分析、最值綜合分析等；對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行抽取、轉(zhuǎn)換、分析和搜索，抽取出潛在有用信息、模式和趨勢(shì)開展技術(shù)分析，主要功能包含可靠性管理和技術(shù)監(jiān)督分析、最值曲線分析、自動(dòng)生成報(bào)警信息等。

3 基于數(shù)據(jù)中心的高級(jí)應(yīng)用設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)間智能聯(lián)動(dòng)

系統(tǒng)間智能聯(lián)動(dòng)是指利用電站數(shù)據(jù)中心建立多系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)電站安全I(xiàn)區(qū)、II區(qū)、III區(qū)系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交換和自動(dòng)互操作。電站現(xiàn)有的各個(gè)電力生產(chǎn)系統(tǒng)與管理應(yīng)用系統(tǒng)來自不同廠家，系統(tǒng)之間相互獨(dú)立、各有一套自己的數(shù)據(jù)規(guī)范，且系統(tǒng)之間無法互聯(lián)、互通、互操作，不能實(shí)現(xiàn)設(shè)備的智能化管理。智能聯(lián)動(dòng)建設(shè)的前提是在電站側(cè)建立生產(chǎn)數(shù)據(jù)中心，統(tǒng)一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范（逐步推廣應(yīng)用IEC61850協(xié)議[2-3]），實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)策略的統(tǒng)一管理，提供便捷的編程組態(tài)環(huán)境。智能聯(lián)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)可提高電站安全管理水平，降低人員勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率和經(jīng)濟(jì)效益（圖 3）。

圖3 聯(lián)動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖

智能聯(lián)動(dòng)不是傳統(tǒng)意義上的設(shè)備與設(shè)備之間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的互操作，而是通過聯(lián)動(dòng)服務(wù)器統(tǒng)一調(diào)度聯(lián)動(dòng)策略、采集各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)和下達(dá)聯(lián)動(dòng)操作指令，所有聯(lián)動(dòng)子系統(tǒng)均通過聯(lián)動(dòng)服務(wù)接口獲取指令。

3.2 設(shè)備的對(duì)象化建模

數(shù)據(jù)中心應(yīng)遵循相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)面向設(shè)備對(duì)象、具備數(shù)據(jù)自描述能力的信息建模。基于從實(shí)體到模型的思維，將電站生產(chǎn)系統(tǒng)的各種實(shí)體設(shè)備按其屬性和功能抽象為對(duì)象模型，建立映射關(guān)系，如1號(hào)機(jī)組對(duì)象、檢修排水泵設(shè)備對(duì)象、調(diào)速器對(duì)象等（表 1）。

表1 某電站1號(hào)機(jī)組技術(shù)供水泵模型數(shù)據(jù)表

對(duì)象化建模具備以下優(yōu)點(diǎn)：①映射實(shí)體對(duì)象更加直觀，易于理解；②支持復(fù)雜的數(shù)據(jù)屬性；③支持復(fù)雜的關(guān)系定義；④具有動(dòng)態(tài)擴(kuò)展能力；⑤為各種高級(jí)智能應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

3.3 智能告警與故障診斷

在現(xiàn)有傳統(tǒng)告警設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，數(shù)據(jù)中心應(yīng)具備多業(yè)務(wù)綜合報(bào)警及智能告警管理功能，用于統(tǒng)一采集電站報(bào)警消息，并能按照預(yù)定義的通知策略即時(shí)通知到對(duì)應(yīng)的人員，通知方式可采用OnCall、廣播指令系統(tǒng)等（圖4）。智能告警應(yīng)至少具備以下功能：

（1）在告警生成端對(duì)所有告警記錄進(jìn)行編號(hào)，當(dāng)告警丟失時(shí)可查詢補(bǔ)傳。

（2）按設(shè)備對(duì)象進(jìn)行告警組織，可根據(jù)設(shè)備對(duì)象對(duì)報(bào)警進(jìn)行查詢。

圖4 智能告警結(jié)構(gòu)圖

（3）可根據(jù)機(jī)組、設(shè)備狀態(tài)或其他因素，定制告警策略與優(yōu)先級(jí)。

（4）支持短信、手機(jī)、聲光、郵件、軟件界面等多種告警模式。

（5）至少具備如下設(shè)備告警記錄類型：事件順序記錄、故障及狀變記錄、參數(shù)越限報(bào)警與記錄、趨勢(shì)記錄與顯示、歷史過程反演、事故追憶、事故回放及相關(guān)量記錄、語音報(bào)警、電話自動(dòng)告警及查詢、電氣設(shè)備動(dòng)作及運(yùn)行記錄、操作記錄、運(yùn)行日志及報(bào)表、系統(tǒng)綜合信息記錄等。

（6）至少具備如下設(shè)備智能運(yùn)行報(bào)警功能：設(shè)備對(duì)象化報(bào)警管理、條件工況告警、運(yùn)行規(guī)律分析告警、告警信息指引、告警信息管理以及多樣化的報(bào)警類型。

（7）具備關(guān)聯(lián)信息自動(dòng)調(diào)取與推送，當(dāng)告警發(fā)生時(shí)，可自動(dòng)調(diào)取與該告警關(guān)聯(lián)度較高的設(shè)備信息（如運(yùn)行數(shù)據(jù)、參數(shù)定值、缺陷信息、趨勢(shì)圖），并推送至相關(guān)設(shè)備管理人員。

3.4 智能分析報(bào)表

數(shù)據(jù)中心應(yīng)具備智能化、可擴(kuò)展和可定制的報(bào)表引擎，可自動(dòng)生成各類分析報(bào)表并完成部分報(bào)表的自動(dòng)填報(bào)和推送，如周報(bào)、月報(bào)、縱橫對(duì)標(biāo)、與完成值對(duì)標(biāo)、企業(yè)考評(píng)、目標(biāo)責(zé)任制企業(yè)考評(píng)等統(tǒng)計(jì)表，并能靈活編輯和增加各類統(tǒng)計(jì)模板，提高報(bào)表數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和生成速度，提升數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、挖掘和展示的效率。主要應(yīng)包含以下功能：

（1）具備不同時(shí)間尺度（實(shí)時(shí)、小時(shí)、日等），不同報(bào)表格式，不同數(shù)據(jù)類型，不同展示方式的各類生產(chǎn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)、對(duì)比、校核、修改、查詢等功能。

（2）提供具備豐富分析功能的分析控件，例如同比控件、環(huán)比控件、對(duì)標(biāo)控件、趨勢(shì)分析控件、邏輯分析控件等，選擇控件后可快速選擇關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)。

（3）提供豐富的圖形控件，通過關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)繪制柱狀圖、折線圖、餅圖等常規(guī)圖形，以及用戶要求的定制圖形。圖形之間可快捷轉(zhuǎn)換而無需重新選擇相關(guān)數(shù)據(jù)。圖形具有單坐標(biāo)、雙坐標(biāo)、雙縱坐標(biāo)、多數(shù)據(jù)等豐富的表現(xiàn)形式（圖5）。

圖5 圖形多樣化

（4）可按用戶定制的模板自動(dòng)生成狀態(tài)報(bào)告，報(bào)告應(yīng)能反映機(jī)組的動(dòng)、穩(wěn)態(tài)特性和各監(jiān)測(cè)對(duì)象參數(shù)運(yùn)行狀態(tài)變化。所有報(bào)告采用與Excel、Word等標(biāo)準(zhǔn)處理程序兼容的文件格式存儲(chǔ)。

4 結(jié)束語

近年來電力市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)驟然加劇，對(duì)電站的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理水平提出了更高的要求，各電站由目前的成本控制型企業(yè)轉(zhuǎn)變?yōu)槭袌?chǎng)型企業(yè)、智慧管理型企業(yè)的需求更加迫切。通過電站數(shù)據(jù)中心的建設(shè)，優(yōu)化電站綜合生產(chǎn)管理及設(shè)備管理，提升電站安全管理能力和應(yīng)急響應(yīng)能力，提高設(shè)備安全運(yùn)行管理水平，為實(shí)現(xiàn)“智慧電廠”奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。本文從概念設(shè)立、基本功能設(shè)計(jì)、高級(jí)應(yīng)用功能設(shè)計(jì)等方面對(duì)數(shù)據(jù)中心的理論研究、系統(tǒng)實(shí)施等進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，為其他電站的數(shù)據(jù)中心建設(shè)提供了參考和示范。