水電廠智能智慧化建設整體解決方案綜述

張 毅，文正國，王德寬，王桂平，張 煦

（北京中水科水電科技開發有限公司，北京100038）

1 引言

隨著大數據、云計算、互聯網+和人工智能技術的發展和廣泛應用，水利水電及新能源領域多專業系統互聯、互通、互動、分析挖掘、智能決策支持與全景展示需求廣泛，智能與智慧化應用發展趨勢越來越明顯。

由于相關概念和認識還不是很清晰統一，國內主要發電企業在開展水電廠數字化、智能化、智慧化的規劃設計和試點實施工作中，一些項目出現了將關注點主要放在采用的具體技術手段上的問題，沒有真正從電站智能智慧化的實際應用需求進行考慮。北京中水科水電科技開發有限公司作為國內水電站計算機監控系統的主要研發單位，一直致力于智能一體化平臺和水電廠智能智慧化整體解決方案研究開發工作，針對電站智能智慧化應用實際需求，先后提出了智能水電廠自動化系統總體構想與總體規劃，開發了iP9000智能一體化平臺并成功應用于智能化建設項目。我們希望和大家共同努力，推動我國水電廠智能智慧化技術進步，滿足電站多業務集成和智能智慧化應用不斷發展的需要。

2 數字化、智能化、智慧化概念及相互關系

由于智能化在水電領域目前還處于試點建設與探索階段，具體概念和認識還比較模糊，相關標準還在制定和完善過程中，缺乏統一的被廣泛接受的明確定義，目前在水電廠智能化建設中存在有數字化、智能化和智慧化等不同提法。

我們認為水電廠智能化建設應包括不同層面的豐富內容，當前開展的數字化、智能化、智慧化建設就是不同層面的具體體現，數字化主要關注于水電站生產現場設備的智能化和網絡互聯，是基礎和支撐，智能化側重于全廠一體化平臺建設及智能高級應用，智慧化則是在更高的企業層面上通過云計算、大數據、物聯網、移動互聯網、人工智能等新型IT技術應用，建立高可擴展性的多源海量數據統一管理與分析大數據平臺，匯聚來源廣泛的各類業務的實時與非實時生產及管理數據，實現數據的整合與深度挖掘，形成豐富的數據監測、數據挖掘、數據統計、分析預測、指揮決策與綜合展示功能。

數字化重點在于現場設備的智能化，是針對水電站大量采用常規I/O硬接線、現場傳感器采集設備重復設置的問題，通過采用智能IED設備和現場過程網絡，實現現場數據采集、傳輸和控制的全數字化，將數字化網絡擴展至電站現地過程層設備，有效獲得設備內部運行參數和健康狀態信息，為實現設備運行狀態評估等智能化高級應用功能提供支撐。即數字化建設實現現場網絡互連互通是智能智慧化的底層和基礎。數字化的另一個方面就是采用虛擬現實、三維建模等先進技術，建設數字化的虛擬流域和廠房，實現綜合展示。

智能化建設主要包括設備的智能化和應用功能的智能化。水電廠智能化實施的重點在全廠一體化平臺和智能化高級應用功能，通過組建一體化平臺實現跨安全分區的全廠監控、保護、計量、水情水調、狀態監測、輔控、視頻和生產信息管理等信息的統一共享、集中管理和互動，其關注點在廠站層，支持LCU采用IEC61850標準接入，而過程層數字化改造不是必選項，仍可采用硬接線和各類常規現地通信接口。

智慧化實施重點在公司層面，通過“云大物智移”等新型IT技術應用，建立滿足海量多源異構數據的采集、并行分布式存儲和處理等需求的大數據平臺，提供海量數據存儲和處理能力及高可擴展性；匯聚來源廣泛的各類業務的結構化、半結構化和非結構化，實時與非實時生產及管理數據，圍繞“數據收集整合、數據管理、數據分析挖掘、智能決策應用”的全過程，深度挖掘出更多的數據價值，支撐智能高級應用，通過三維建模及虛擬現實等技術，形成豐富的數據監測、數據挖掘、統計計算、分析預測、流域管理、指揮決策與綜合展示功能。

圖1 數字化、智能化、智慧化相互關系示意圖

3 水電廠智能智慧化應用設計

智能智慧化水電廠建設應轉變以關注技術手段為主的系統和設備廠家思維方式，應針對水電廠智能智慧化的實際需求和總體目標，真正站在電站和用戶的角度進行智能智慧化應用設計，重點關注生產運行、設備檢修、管理決策等幾個方面的智能化需求。技術是手段不是目標，全廠智能一體化平臺、遵循統一標準和信息建模等均是水電廠實現智能智慧化可選的技術方案，在設計采用具體技術時必須緊密結合實際應用需求并與現實條件相適應，不能本末倒置。

智能運行：采用物聯網技術和智能設備，實現對生產運行過程和設備狀態的全面有效感知，構建預報、調度、運行環節的協調互動機制，提升各自動化系統與設備的智能協調互動水平；結合對象模型進行數據挖掘和趨勢預測與智能報警，實現電站生產過程控制的智能化，提高電站的安全穩定運行水平和生產效率。結合水庫防洪調度和聯合優化調度，在各水電廠AGC聯調基礎上，建立汛期與非汛期多種經濟運行策略，優化流域水電站經濟運行，提高經濟運行水平和綜合效益。

智能安全防控：構建智能鎖、智能安全帽等安全防控功能，結合三維GIS、BIM等技術實現所有巡檢人員的定位和可視化展示功能，實現智能工作票、操作票聯動功能，人員定位系統對執行過程進行全過程跟蹤，依托智能一體化平臺實現火災報警系統、工業電視、消防系統、門禁系統、通風系統等互聯互通和多系統安全聯動。

智能檢修：充分利用大數據技術對設備運行過程的關鍵參數進行深度挖掘和綜合分析診斷，提供監測數據變化趨勢預警、設備健康狀態評價、設備異常診斷、設備異常修復、檢修策略制定、自動生成檢修后評價報告等功能，為設備的狀態檢修和智能分析決策提供科學依據，減少運維及檢修成本。

智能管理決策：依托數據中心和智能一體化平臺，實現水電廠安全管理、生產管理、運行管理、設備管理、檢修管理、技術管理和物資管理等各類生產管理業務系統信息資源的集中共享、業務交互融合與分析挖掘，為水電廠的經營管理決策提供更加科學的技術支持。采用三維建模和虛擬現實（VR）技術構建逼真的三維數字流域和虛擬生產運行環境，充分利用GIS、動態仿真等高新信息技術，實現突發事件快速判別、快速模擬和情景生成，真實模擬突發事件的演進和應急處置過程，為決策指揮與應急處置提供技術支撐。基于電廠智能一體化平臺，實現三維數字化水電站展示、虛擬設備在線演示、虛擬漫游、虛擬巡視、虛擬操作等功能。通過數據分析挖掘、數據統計分析，以直觀豐富的圖形化展示方式，實現各業務專題數據的多維度集中展示，以及關鍵系統及設備信息的全景可視化展示與查詢功能，滿足水電廠生產運行、水雨情與防汛調度、各類運營管理業務的綜合信息展示與查詢需求。

4 智能智慧化水電廠整體解決方案

根據目前現有的水電廠運行方式和應用需求，推薦采用全廠一體化平臺構建智能智慧化水電廠整體解決方案，基于全廠一體化平臺，構建智能智慧化水電廠跨安全區Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的分層、分區、分布的系統總體結構。

4.1 廠站層解決方案

智能一體化平臺采用基于面向對象的信息模型設計，實現基于面向服務架構（SOA）的跨平臺應用集成，提供標準開放的服務接口，支持包括第三方在內的各業務應用集成，滿足不斷增長的水電廠生產運行、設備檢修、管理決策等智能智慧化應用需求。

一體化平臺應具備規范的信息模型和完整的通信規約庫，除支持IEC61850標準外，對于當前水電廠現有常規系統和設備，不宜采用外接協議轉換器的方式來實現統一的IEC61850接口，還應繼續支持現有主流PLC通信規約以及常用IEC國際標準通信規約。

對于一體化平臺應注意避免產生如下2種誤解，首先一體化平臺并不是在原有系統結構上增加了一個層次，而是將原來各系統中的數據采集、處理、數據庫管理、通信以及人機接口等功能平臺化，從而對應用提供功能更強大的支撐，不僅滿足監控系統的應用需求，也能支撐水情水調、在線監測等其他業務應用；其次，一體化平臺雖然具備很強的系統支撐能力，但并不是要取代全廠其他系統，一體化平臺在安全區Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ均部署有網絡，已實現了安全區Ⅰ的監控與安全區Ⅱ的水調系統的一體化，但并不是要實現所有系統網絡的大融合，而是要取決于電廠的實際應用需要，如監控和保護系統均在安全區Ⅰ，但保護系統還應單獨組網，并通過統一的接口接入一體化平臺，以保證控制系統的實時可靠性，并滿足保護系統的規范要求。同樣在安全區Ⅱ的在線監測系統也宜單獨組網，并通過統一的接口接入部署在安全區Ⅱ的一體化平臺，以保證一體化平臺網絡系統性能。在本文后續章節將結合iP9000一體化平臺的架構和特點對廠站層解決方案進行詳細介紹。

4.2 單元層解決方案

水電廠3層結構中，現地單元層擔負著承上啟下的功能，主要有按單元分布式和扁平式兩種系統架構。

單元分布式架構是一套完整的現地單元控制系統，具有較強的系統管理能力，可脫離廠站層網絡獨立運行，具有很強的系統可靠性，機組臺數較多的大中型水電站計算機監控系統LCU主要采用單元分布式架構，其LCU一般均采用PLC，但因為接入本單元的調速、勵磁、輔控等設備數據均須LCU進行轉發，易形成系統通信瓶頸。扁平式系統架構中所有系統和設備包括調速、勵磁、輔控、保護等均直接接入廠站層網絡，比較適合采用測控單元的應用場景，有利于實現系統間互聯互通，消除系統通信瓶頸，但當機組臺數較多時，廠站層眾多的通信接口管理將成為一個問題，同時各單元因為缺少實現統一管理的LCU，會導致單元層功能的弱化。

在現有條件下，現地單元層不宜單獨采用測控裝置，不宜將復雜的順控流程在廠站層實現，而應綜合各類設備的優勢，宜采用以PLC單元分布式架構為主，這樣不僅非常適合完成水電廠現場設備的實時控制，具備接入IED設備的能力，部分PLC還支持GOOSE網絡接口，可較好的滿足目前數字化智能化應用需求。同時借鑒扁平式架構的優點，將與LCU控制無關的信息通過接入廠站層網絡的接口直接上送，減輕PLC轉發負擔，并提高系統總體性能。

4.3 過程層解決方案

具備條件的水電廠可開展過程層網絡建設試點和智能設備改造，由于目前可用的智能設備較少，研制難度較大，短期將難以獲得較大突破，現場主要是具備現場總線或常規通信接口的系統和設備，在此條件下，采用統一的工業以太網現場總線或常規通信方式接入過程層系統和設備是一種可行的解決方案。

考慮到目前數字化傳感器和智能開關組件尚不成熟和穩定，雖然無源全光纖互感器仍是未來發展方向，但存在著性能不夠穩定、精度易受環境溫度影響等問題，目前變電站已暫緩推廣使用，現階段智能水電廠建設不宜采用電子式互感器[1]。

基于通信網絡的安全性、可靠性問題，在水電廠開展數字化建設時，應保留部分與控制直接相關硬接線，在現有條件下，建議保留的常規接線方式信號包括：機組有/無功變送器、與調速器、勵磁的常規接口[1]。

5 iP9000總體架構

iP9000是中水科技公司針對電站智能智慧化應用需求開發的智能一體化平臺，采用SOA分布式服務組件模式，具有良好的開放性，能較好地滿足電站多業務的集成和應用不斷發展的需要。

iP9000一體化平臺系統集成包括橫向和縱向兩個方面。從橫向看，iP9000一體化平臺通過跨安全區Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ/Ⅳ的統一網絡服務實現監控、經濟運行、狀態監測等業務的集成。從縱向看，通過調度數據網雙平面實現電網調度、集控中心、發電廠間的數據采集和交換，實現各類業務的縱向貫通。

iP9000一體化平臺系統遵循面向服務的軟件體系架構（SOA），系統提供跨安全分區的數據共享與系統管理服務，簡化了不同系統和應用的跨區交互實現。

系統采用了分層設計技術，整個系統按SOA框架部署，一體化平臺充分發揮集中管控的優勢，服務層為提供一組通用的系統服務，提供SOA服務管理模塊，實現服務的定位、查詢、監控和代理。一體化系統中的各類業務應用對服務的訪問通過SOA的服務定位得到所需要的服務。可滿足跨操作系統平臺的各類系統應用需求。

6 iP9000的特點

iP9000智能一體化平臺是在繼承H9000系統全冗余全發布等眾多優點的基礎上，采用面向對象的設計思路和C++語言進行了代碼的重新編寫，實現了包括系統實時數據庫底層在內的徹底的對象化，主要技術進步和特點如下：

（1）高可靠全冗余全分布的系統結構

完全繼承了H9000系統全冗余全分布的系統結構，系統各節點既可配置完整的全廠實時數據庫，也可根據具體功能需求配置裝載數據庫子集，確保系統具有極高的實時性能；系統各節點可運行完整的系統功能軟件包，在原H9000系統通過配置文件定義各節點功能的基礎上，升級為配置庫統一管理，系統功能配置更加靈活方便。系統各應用功能均通過本地主機的實時數據庫提供服務完成，使系統具有高可靠全冗余特點。系統全面采用服務隊列調度與切換機制取代原來的主備狀態切換機制，任一功能均可采用服務管理機制進行服務調度和故障切換，不同的服務調度隊列相互獨立，各自根據本服務定義的主機隊列進行自動切換，互不影響。H9000多年來的應用表明，全冗余全分布的系統架構可以獲得極高的系統可靠性、實時性和擴展性。

（2）高速的消息總線

消息總線用于系統內部的實時數據傳輸與同步，系統采用雙網（多網）同時冗余傳輸，支持廣播模式和多播模式（可穿透路由器等網絡設備），支持通用對象數據傳輸格式（傳輸任意對象屬性），提供丟包檢測與重傳機制，確保實時數據傳輸的高效、實時、可靠。同時消息總線支持傳輸對象化數據，可采用JSON、BSON格式傳輸通用對象化數據，具有易擴展、易維護、使用方便等特點，有效減少了開發使用難度。

（3）可靠服務總線

服務總線用于系統內部和外部的遠程服務功能調用，服務功能包括：事件、文件、數據庫訪問、語音報警、權限、閉鎖等，服務的定位通過訪問實時庫獲取，簡單快速，通過服務接口定義可快速生成服務接口和調用接口代碼，屏蔽底層數據打包/解包、網絡傳輸細節，服務總線同時提供安全認證機制。

（4）非結構化對象數據庫

系統實時數據庫和歷史數據庫均支持非結構化對象存儲，其中實時數據庫運行時常駐本機內存，對于配置30萬點以上大型電站系統，經測試，實時數據庫可實現高達百萬次/秒的數據訪問和處理。系統提供統一、透明的數據庫訪問接口，可滿足各類應用業務系統的數據儲存與管理需要。

（5）智能報警

針對電站海量數據報警處理需求，智能一體化平臺采取一系列智能報警技術手段對原始設備信號進行加工處理，將最有價值的信息及數據分析結果提供給用戶。通過相關量分析與報警控制策略產生相關量故障信號。用戶可采用腳本語言對報警產生的條件進行限定，也可對現場產生的多個信號進行邏輯運算、算術運算或濾波等處理，產生更加能反映現場狀況的信號，并根據分類賦予它們高、低不同的報警控制級別。

（6）開放的第三方應用接入

iP9000的平臺定位，決定了其不僅可以部署在安全區I完成監控系統功能，也可以用于構建水情水調、在線監測與診斷等其他應用，作為開發與運行支撐平臺，iP9000平臺具有高開放性，支持各類APP的開發，同時也可作為第三方應用的開發平臺和大數據基礎平臺，實現橫向數據整合，縱向跨區服務。

7 iP9000的最新進展

針對水電廠自動化、信息化系統普遍存在信息孤島與互聯、互通、互動瓶頸，缺乏智能應用和支持平臺，中水科技在完成iP9000智能一體化平臺開發并于2018年在清江公司集控中心投入運行后，根據水利水電及新能源電站實際應用需求進一步開展了平臺和智能智慧化應用軟件的開發工作，特別采用當前流行的數據診斷分析技術與方法，基于iP9000智能一體化平臺面向對象的信息模型設計，實現了面向服務架構（SOA）的水電廠設備診斷分析應用功能的跨平臺應用集成。目前iP9000智能一體化平臺已應用于三峽左岸電站計算機監控系統改造、白鶴灘水電站計算機監控系統及主設備在線監測趨勢分析系統建設、三峽梯調電調自動化系統升級改造、金沙江下游梯級昆明調控中心電調自動化系統建設、巴西伊利亞、朱比亞電站及集控中心系統升級改造工程。

8 結束語

數字化、智能化、智慧化是智能化建設中的不同層面，數字化是智能化和智慧化的支撐和基礎，但智能化、智慧化并不完全依賴于數字化，并不是一定要先實現數字化才能開展智能化和智慧化建設，應根據實際應用需要和具體條件在不同層面開展建設試點工作，過程層數字化改造不是必選項，在當前缺乏現場智能設備的條件下，重點是基于智能一體化平臺開展水電廠智能化和智慧化建設。