基于信息化技術的巨型水電站核心業務創新設計

謝秋華，楊廷勇，張 凱

（中國長江電力股份有限公司，湖北 宜昌443000）

1 引言

隨著計算機技術、網絡技術和數據庫技術等信息技術的不斷發展，水電站設備的運維模式發生了巨大的變化，正由傳統的人工定時、定點巡檢、計劃性維修向系統實時自動巡檢、智能報警、遠程精益運行、設備狀態檢修過渡，信息化技術的覆蓋面、先進性直接決定了電站的工作效率和先進性。因此，巨型電站關鍵業務，必須以當前成熟的信息化技術為依托，以本質安全、精益運維、高效作業為目標，實施全面信息化設計。

2 巨型電站關鍵業務設計

2.1 調控一體化相關業務

梯級調度集控監控系統與電站監控系統一般為不同廠家開發，兩者通過通信網關機，采用公用協議（如104協議）通信，實現信息交互，屬于結構及功能定位均不同的異構系統。異構系統間實現監控畫面及事件自動同步非常困難，集控很難實現電站遠方全監全控功能，一般實現電站遠方重點監控功能。此外，電站和集控都需要運行人員對設備實時監控，增加了運行成本，不是真正意義上的“調控一體化”。

為此，提出一種異構模式下巨型電站調控一體化實現方法，網絡結構示意圖如圖1所示。

工作原理以電站A為例進行說明。電站監控系統采用I、II網雙網冗余結構，兩網工作原理相同，以I網為例進行說明。電站通信網關機A1、集控通信網關機A3及操作員工作站A1構成A電站監控系統I網，采用A電站監控系統內部協議通信。按照電力監控系統安全防護相關要求，電站和集控通信網關機間分別設置縱向加密裝置，廣播包不允許穿越縱向加密裝置。A1及A3兩臺通信網關機將各自收到的基于A電站監控系統內部協議的數據包轉換成TCP數據包，通過縱向加密裝置在電力專網內進行點對點通信，同時將各自收到的TCP數據包還原成基于內部協議的數據包在A電站監控系統內廣播，從而實現電站及集控側A電站監控系統貫通一體，解決了電站遠程監控的實時同步問題；集控通信網關機A3還將基于A電站監控系統內部協議的數據包轉換成集控監控系統所需格式數據包傳輸（廣播）至集控監控網絡，并將集控監控系統遙調指令等信息下發到電站監控系統，實現電站與集控監控系統的數據交互。

與現有方法相比，在沒有增加硬件設備、僅略微增加軟件投資的前提下，解決了異構系統的自動同步問題，實現了電站遠方全監全控功能，同時增加了集控系統遠方監控冗余度，提升了系統可靠性。

2.2 在線監測系統網絡融合

巨型電站一般都有機組穩定性在線監測系統、油中溶解氣體在線監測系統等各種設備狀態監測系統，各個系統都是單獨組網，采用各自的通信協議自成體系，這一方面造成全電站在線監測系統數據集成異常困難，另一方面造成網絡設備重復投資，利用率較低。

為此，提出在線監測系統網絡融合，系統結構示意圖如圖2所示。融合包括以下方面：

（1）全廠組建在線監測光纖網絡，網絡結構采用星型+環網的冗余結構，主干網采用冗余環網結構，各系統現地單元層采用星型冗余網絡結構。

（2）在線監測通信協議采用通用統一協議（如TCP/IP協議），各個在線監測子系統在現地數據采集單元通過光電交換機和統一協議接入在線監測光纖網絡。

（3）在線監測上位機設置一個數據中心，進行數據集中存儲和信息發布，其它在線監測子系統可以取消上位機數據庫、服務器及信息發布相關設備。為保證系統的可靠性，數據中心存儲及信息發布要進行必要的冗余配置，并設計災難恢復策略。

圖1 異構模式下巨型電站調控一體化網絡結構示意圖

圖2 在線監測系統網絡融合結構示意圖

（4）為方便電站維護人員日常使用，數據中心通過正向物理隔離裝置與生產大區隔離，放置在信息大區（即MIS區域），通過冗余配置的通信服務器向其傳輸數據；數據中心設置兩臺冗余的信息發布服務器，各在線監測子系統通過信息發布服務器進行其WEB系統發布，運維人員可以通過MIS網絡訪問信息發布服務器，實現對數據中心的訪問。

2.3 系統網絡化設計

巨型水電站機組調速、勵磁、輔助及公用等系統控制一般采用PLC實現，各系統與監控系統之間信號連接主要采用硬接線回路實現。這種方式存在如下缺陷：

（1）各系統間界限不明確，易竄電；

（2）電纜敷設量大，投入高；

（3）盤柜接線復雜；

（4）設備接線改動困難。

隨著通信技術的迅猛發展，其穩定可靠性已得到質的提升，就目前工程應用情況來看，通信技術的穩定可靠性與硬接線回路幾乎是等同的，基于通信的網絡化電站建設具備了實施條件。

巨型電站監控系統與各系統信號連接應以通信為主、硬接線為輔，通信網絡設計應按照不同分區分別組網，網絡結構采用星型和環網相結合的雙網冗余結構：輔助及公用系統設備多，信息量大，設備故障情況下破壞程度相對較小，應單獨組建一個網絡，監控系統專門設置數據采集服務器直接對其進行數據采集；調速、勵磁及保護系統信息量較小，設備故障情況下破壞程度較大，宜單獨組建一個網絡，可不單獨設置數據采集服務器。對于緊急情況下的控制設備如緊急停機電磁閥、快速門等，采用硬接線與監控系統連接，對于常規信息，取消硬接線回路，直接采用通信方式獲取。

通信協議宜用Modbus TCP/IP協議，該協議具有相當的先進性和良好的兼容性。基于Modbus TCP/IP的工業以太網更是以穩定、準確、實時的特點得到了全面的發展。

二次系統網絡化以后，一方面將使盤柜接線大大簡化，另一方面將使二次設備信息極大豐富，使設備遠程精益維護成為可能。

2.4 設備智能維護

巨型水電站一般均集成了計算機監控系統、泄洪閘門監控系統、狀態監測系統等眾多的自動化系統，形成一個龐大分散的計算機網絡設備群。自動化系統軟、硬件一般位于生產大區，維護人員無法在辦公室通過辦公網進行設備巡檢或分析診斷，維護一般采用人工現場定期巡檢方式，工作量龐大繁雜，工作效率低下，故障定位困難，自動化系統的運行維護成為困擾電站安全運行的重要問題。

為此，提出一種基于網絡拓撲的設備智能維護方法，該方法將各系統設備按照物理位置劃分為不同分區，每個分區設置區域節點服務器，負責本分區內智能設備的信息采集、匯總、網絡拓撲發現、重定向等工作，并將采集信息實時上送至節點管理服務器。節點管理服務器是網絡設備群數據管理中心，負責各分區節點服務器信息匯總、軟硬件管理、網絡系統監控、故障管理等，并將匯總信息通過物理隔離裝置實時傳輸到信息大區的系統發布服務器，實現運維人員在辦公室通過辦公網對計算機網絡設備等進行集中監控、管理，消滅信息孤島和管控死區，協助運維人員預測問題、分析解決問題，提高工作效率，有效保證控制系統的安全穩定運行。系統體系架構示意圖如圖3所示。

圖3 系統體系架構示意圖

本方法有如下優點：

（1）通過設備分區，將龐大的設備群劃分為若干個分區進行信息采集和設備管理，使信息采集更全面，設備管理更高效。

（2）通過節點管理服務器集成全網信息并傳輸到信息大區發布服務器，形成動態網絡拓撲圖，運維人員在辦公室能夠對全網設備狀態全面掌握，使設備維護更直觀、便捷，故障定位更精準，從而使設備維護工作量極大降低，工作效率成倍提高。

（3）通過節點管理服務器對全網信息實時監視，能夠對設備故障或異常狀態實時報警，通知運維人員及時處理，避免事態進一步惡化。

（4）全網信息集成以后，還可以進行資產管理、數據文件管理等工作，進一步提升辦公自動化水平。

2.5 數據分析中心

實施在線監測系統網絡融合及電廠二次系統網絡化后，對全電站各個系統數據及事件信息進行集成、建立電站數據分析中心條件已經成熟。

數據分析中心首先是完成對水電站實時監控信息（計算機監控系統）、在線監測信息（機組振動擺度系統、油中溶解氣體系統、局部放電系統、氣隙監測等）、調速/勵磁等重要智能設備相關信息以及檢修、試驗過程中的離線數據的整合與集中存儲，解決傳統模式下“數據孤島”問題；然后是集中借助大數據挖掘技術，力圖將設備歷史數據背后隱藏的信息和設備運行規律深刻的理解和有效的利用，從海量數據中挖掘出設備健康狀態樣本，達到提前發現設備異常工況并將其消滅在“萌芽狀態”的目的，克服傳統模式下“數據墳墓”的弊端。

數據分析中心集成了全廠所有系統的事件，形成了龐大的事件群，必須采用智能報警技術，一方面減少干擾信號報警，另一方面增強報警針對性，達到用精簡的報警語句反映設備故障本質的目的。智能報警從以下方面實施：

（1）細化報警分類，精簡報警信息。深入分析每個信號用途，做到重要信號不漏報，無關信號不報警，杜絕不分主次全部納入報警列表的做法。

（2）為解決設備實時值在報警限值附近上下波動引起刷屏問題，應優先考慮設備定值的合理性，其次參照接點抖動方法處理。

（3）關于接點抖動引起刷屏問題，一方面監控系統要合理設置設備報警死區，另一方面考慮通過設置信號延時等方式對信號進行濾波處理，從信號源頭上治理刷屏問題。

（4）應用面向對象思想，報警信息按對象或系統進行定義，梳理各個對象內部報警信息之間的層次遞進關系，力圖實現精簡的報警語句反映設備故障本質的目的。

（5）結合大數據挖掘分析技術，強化設備趨勢報警，即實現設備進入異常狀態但遠未達到監控系統報警或動作閾值時的趨勢報警，實現提早發現故障和消除故障的目的。

3 結語

信息技術的飛速發展給水電站設備運維帶來了巨大變革，也為新電站關鍵業務設計增加了更多更好的解決方案，電站關鍵業務在設計中應本著硬件統籌規劃、軟件兼容設計、數據高效利用的原則，在傳統設計中應用新技術、新方法。隨著信息技術的不斷發展及其在水電站的深入應用，水電站數據信息系統將高度集成化、智能化、便捷化，助力巨型水電站最終實現“無人值班”的管理模式和“狀態檢修”的維護模式。