智能水電廠一體化管控平臺技術的探索

甘肅電投河西水電開發有限責任公司 史 毅

在電網智能化建設不斷推進的背景下，要求水電廠經濟運行系統具備更高的自動化、精細化和智能化的特點，傳統水電廠經濟運行系統中的問題無疑被逐一暴露，體系架構不統一、智能化程度低等、運行人員勞動強度大、上下溝通協調不暢，構建一體化管控平臺的經濟運行系統刻不容緩，一方面，可以滿足智能水電廠一體化調控業務的個性化需求，提升服務的智能化；另一方面，可以有效解決解決管控困難系數大、維護流程復雜、綜合決策水平差等問題，實行流域式梯級電站聯合調度、異地遠程集中控制和現地監控結合的調度管理模式，通過有效協調電力運行系統與水庫調度之間的關系，從而實現機組間的負荷優化，達到水量利用最大化，實現最優工況經濟運行，能夠確保電力系統實現安全、穩定、可靠運行的目標，促進智能水電廠穩定、安全可靠的可持續發展。

1 管控平臺設計思路

傳統水電廠生產運行管理主要是依靠計算機監控系統和水調自動化系統。這就出現了電力運行人員在日常工作過程中將重點關注的內容放在計算機監控系統上，集中注意力對電力運行情況進行控制，嚴重忽視了水資源的利用情況；水庫調度人員會將關注重點放在水調自動化系統方面，注重對水資源的合理調度，并個根據實際運行情況編制短期的發電計劃，但是在編制發電計劃的時候并沒有對機組運行的特性、電力系統的負荷需求進行充分的考慮[1]。

智能水電廠經濟運行系統的出現有效改變了傳統電力運行的模式，同時也改變了水庫調度分散管理和獨立優化的模式，能夠站在流域水電站群的角度上考慮水資源的利用需求及電力調度過程的具體需求，對各個模塊之間的協同優化機制進行加強，以此來不斷提高系統運行的整體性和一致性[2]。為了能夠更好地實現這一目標，最關鍵的一步就是需要突破傳統的水電廠計算機監控系統和水調自動化系統運行過程中的局限性，對水電公共信息模型、標準通信總線、全景數據監視及業務集成管控技術進行深入的研究，從而構建完善的統一的一體化管控平臺。其次，基于一體化管控平臺建立完善的水電動態耦合機制，促使預報、調度、運行等模型體系更加完善，在模型基礎上開發全方位的業務支持功能，促使其各項預報功能、調度功能之間都可以實現良好的互動，從而構建完善的閉環調度運行體系，能夠有效提高系統運行的安全性和經濟性。智能水電廠經濟運行系統設計思路見圖1。

圖1 智能水電廠經濟運行系統設計思路

2 總體設計方案

依據電力監控系統安全防護標準，水電廠自動化系統柜可以大致分為兩大區域，生產控制大區和管理信息大區，這兩大區均需要采用單向物理隔離裝置將其隔離。前者可以分為安全Ⅰ區和安全Ⅱ區，這兩個區的隔離需要借助硬件防火墻來實現。各大區業務劃分見圖2。

圖2 水電廠各安全區業務部署示意圖

每個安全區所采用的一體化管控平臺都將作為各種設備應用的重要支撐，在不同類型業務應用過程中二次組件開發過程中需要在安全Ⅰ區和安全Ⅱ區分別構建相應的運行系統，安全Ⅰ區構建計算機監控系統，安全Ⅱ區構建水情水調自動化系統，同時管理信息大區構建各種決策系統和信息化系統[3]。除此之外，在不同的安全分區內分別構建數據庫，利用數據同步機制對不同安全區內的業務數據進行分析、統計，實現不同區域數據的同步化，可以根據具體需求配置構建基于綜合功能的數據中心，能夠適用于全部電廠的運行，對各類業務實現全過程的監控[4]。數據中心以IEC61850系列標準為基礎，在CIM／CIS 標準下實現具備開放式信息集成能力。將計算機監控系統、水調自動化系統、故障信息管理系統等全部集成到安全Ⅱ區的數據中心內，將管理信息大區與生產運行的數據中心內相關的數據進行整合，并將其融入在信息大區數據中。

3 平臺架構

一體化管控平臺可以分為四大層：規范層、數據層、服務層和應用層。規范層主要包括兩部分內容：水電公共信息模型（HCIM）、水電標準通信總線（HSCB）。其中，水電公共信息模型根據水電廠的對象、屬性特征來適當擴展IEC61850（DL/T860）的標準，能夠有效幫助水電廠生產運行設備及相關資源實現統一化的規范標準，可以更好地面向對象組織，水電廠可以實現統一化建模，信息內容自我描述等。HSCB 需要基于兩種標準來實現對單元層設備與一體化數據平臺信息的交互，這兩種標準主要包括IEC61850（DL/T860）和IEC61970（DL/T890），能夠更好地實現系統運行的統一性、開放性。數據層通過包括兩個部分實時數據庫和歷史數據庫，通過采用分布式、跨平臺特性的水電標準通信總線來實現兩者之間信息數據的同步化進行。服務層通過采用分布式的服務組件管理模式能夠實現對各種后臺功能的服務。應用層可以劃分兩個子層，分別為基礎應用和專業應用，前者在實際應用過程中可以實現對畫面、報表、報警等各項功能的可視化，充分發揮各項功能的應用價值；后者可以針對不同類型業務之間所存在的差異性完整可視化，進一步提高各項業務的應用能力。需要特別注意的是，建立基礎規范化平臺機構，并不能僅局限在一體化管控平臺的建立和完善上，還需要與智能水電廠技術體系進行有效的結合，充分發揮智能水電廠一體化管控平臺的應用價值，為智能水電廠的高效運行奠定良好的基礎。其架構見圖3。

圖3 一體化管控平臺總體架構圖

通過構建一體化管控平臺，能夠為經濟運行系統提供統一化的運行支撐平臺。一體化平臺的構建可以使值班人員借助平臺全面掌握平流域的水情和工情，能夠為水庫實現優化調度，合理控制電力系統提供準確的參考信息，實現水電廠I 區的電力運行和II 區水庫調度之間的信息互通、模型共用、功能互動、業務閉環。智能水電廠經濟運行系統運行方式見圖4。除此之外，一體化管控平臺的構建可以有效避免智能水電廠經濟運行系統重復性的開發各種后臺服務可視化的界面及前臺可視化的界面，能夠在很大程度上降低經濟運行系統構建的難度系數，系統運行過程中只需要將重點放在各種智能應用功能組件上，重點對相互協調機制進考慮，以此來降低復雜流域水電站群一體化經濟運行系統構建的難度系數，提高其運行效率。

圖4 智能水電廠經濟運行系統運行示意

4 服務功能

4.1 數據處理

實現對采集數據的檢查和處理，突出數據的完整性、有效性和合法性，并完成對數據庫的實時更新和優化。生成各種事故報警記錄，遇到各類事故可以及時發出事故報警音響，或者起到語音報警、綜合報警服務等作用。根據實時數據完成對各個時間段數據整理編輯、類型統計及異步計算。計算方法、計算周期、計算參數可以按照實際需求進行組態[5]。實現數據雙機冗余或者多機冗余備份。具有腳本計算功能，采用語言或者圖形的方式完成腳本的編輯，腳本在執行過程中能夠實現圖形的監視，支持單步調試功能，并且可以構建以其為標準的平臺為其他相關設備提供腳本引擎服務。

4.2 圖元庫

公共圖元庫，基點、線、面、表格于一體的公共圖元可以作為開發不同專用合理應用圖元的必要條件。計算機監控圖元中包含計算機監控業務中有關發電機組、斷路器等多種圖元內容。水情水調圖元，涉及有關水情水調業務中所需要的各種圖元，例如年線柱圖、計劃分析曲線、多站棒圖等。大壩安全監測圖元，主要作用就是將大壩安全監測業務中所涉及的各種圖形清晰地展示出來，最常應用的包括大壩過程圖、布置圖等。設備狀態監測圖元，作為主設備對業務中所涉及的各種圖元進行監測。

4.3 報表

報表編輯部分可以直接利用報表系統函數庫為報表計算提供時間函數、算數、各種專業計算的函數，可以有效滿足常規報表計算過程中的實際需求。用戶可以直接根據目的要求，直接對不同類型的函數進行適當擴充。報表支持自動完成日報表、月報表的生成。報表模型設置完成后，根據設置的具體信息數據，可以按照時間自動生成所需要的報表。

4.4 權限管理

為不同類型業務提供具有權限管理服務的公共設備，能夠針對不同業務的實際需求提供相應的角色管理、視圖及其映射等多項功能，可以在很大程度上加強對使用者權限的高度保護，保障用戶自身的經濟效益，同時還可以為其提供多方面的權限控制，主要包括菜單、應用、類型、屬性等。

4.5 綜合報警

通過設定統一化的報警協議可以有效實現系統各種信息的集中報警，統一接收并報送一體化管控平臺系統Ⅰ區、Ⅱ區、管理信息大區及所有子系統中所涉及的實時報警信息。能夠完全對報警信元、報警準則、策略方式進行組態[6]；同時實時報警判斷功能還可以采用單值或者多值聯合的方進行；具有歷史報警信息記錄的查詢功能。

4.6 二維GIS 展示

平臺能夠直觀展示平二維GIS 的功能，能夠為用戶提供GIS 服務，可以對地圖進行瀏覽、優化管理圖層、實施監視信息數據、查詢地圖屬性，分析等值線面等，準確查詢和監測不同時段的數據，并提供分析和統計多種數據的功能。

綜上所述，本文對智能水電廠經濟運行系統進行了整體的分析，系統基于一體化管控平臺對水電廠不同類型的業務和功能需求進行分析和設計，有效打破了傳統水電廠生產運行管理模式對水電廠經濟運行的約束和限制，能夠真正完整數據統一化的交互功能，提升水電廠安全經濟運行的水平，提高水資源的利用率。在未來特高壓電網建設、風光電源接入電網規模的大規模擴大及電力體制改革的推進下，逐漸增加了對水電互補調節的具體需求，這就需要對智能水電廠一體化管控平臺的業務方式、水電廠竟報價策略仿真分析、決策支持等方面進行深入的研究，促使水電廠可以緊跟時代步伐，更好地適應新的環境需求，為高效提高智能水電廠一體化管控系統運行的安全性奠定良好的基礎。