黃帆

清江智能對象化水電調平臺設計思路簡析

黃帆

（湖北清江水電開發(fā)有限責任公司，湖北 宜昌 443000）

探討了水電站（群）的水、電調優(yōu)化與智能控制系統(tǒng)的設計思路，提出了智能對象化水電調平臺的架構、功能、實現(xiàn)方法。

水電站控制系統(tǒng)；智能化；對象化；清江

1　概述

智能化是隨計算機技術發(fā)展而興起的一門學科，是指由現(xiàn)代通信與信息技術、計算機網(wǎng)絡技術、行業(yè)技術、智能控制技術匯集而成的針對某一個方面的應用。智能化的主要目的是用智能設備或應用代替人進行部分工作，減少人的日常工作勞動，給人們的工作生活帶來便利性和舒適性，提高系統(tǒng)的安全性和可靠性。

電力系統(tǒng)智能化——智能電網(wǎng)發(fā)展迅速，智能電網(wǎng)調度控制系統(tǒng)（D5000）、數(shù)字化變電站已在全國廣泛應用，而智能水電廠的發(fā)展還在起步階段，已落后于電力系統(tǒng)的智能化水平。隨著流域水電開發(fā)蓬勃發(fā)展，水電站的運行管理模式也由單站控制發(fā)展為水電站群的集中控制。原有的發(fā)電調度、水庫運行調度、洪水調度、降雨與天氣預警等各專業(yè)逐步融合，運行值班人員和管理人員面對設備的數(shù)量、信息量成倍增加，所需的知識面跨度越來越大，增加了決策難度。因此，為提升水電站群的運行管理水平，降低運行人員勞動強度，完善與智能電網(wǎng)的廠網(wǎng)協(xié)調能力，水電廠的智能化迫在眉睫。

2　水電站智能化

水電站智能化是采用先進的傳感器、信息、通信、控制、智能等技術，以電站設備參量數(shù)字化和標準化、規(guī)范化信息平臺為基礎，實現(xiàn)水電站或水電站群實時全景智能監(jiān)測、自動運行控制、電站各模塊（監(jiān)控、水調、設備診斷等）之間協(xié)同互動、與站外系統(tǒng)（如電網(wǎng)）協(xié)同互動等功能，以實現(xiàn)提高水電站群的安全運行水平、優(yōu)化水資源利用、減少人工干預、支撐電網(wǎng)安全運行等目標。水電站智能化必須解決的3個問題：數(shù)字化、信息共享和協(xié)同互動。

對于站控層以下，二次系統(tǒng)近年發(fā)展迅速，微機保護、微機調速器、數(shù)字勵磁控制等設備大量使用，基本實現(xiàn)了數(shù)字化。由于水電站站內各二次系統(tǒng)專業(yè)差異大，異構情況突出，各系統(tǒng)自成體系，大量信息重復布線采集，系統(tǒng)間信息無法共享，也談不上系統(tǒng)間協(xié)同互動。

水電站監(jiān)控的發(fā)展從繼電器有觸點控制、半導體無觸點控制、微機控制到現(xiàn)在廣泛采用計算機控制，水電站監(jiān)控實現(xiàn)了數(shù)字化和信息共享。監(jiān)控系統(tǒng)已采集了電站大部分二次系統(tǒng)信息，實現(xiàn)了二次系統(tǒng)基本信息的數(shù)字化和共享。

水電站電力生產(chǎn)過程包括氣象預報、水情測報與來水預報、水庫與發(fā)電調度、發(fā)電運行控制、發(fā)電設備運行監(jiān)視等，水電站智能化不應僅僅局限于二次系統(tǒng)，應該覆蓋電力生產(chǎn)的主要過程?，F(xiàn)有電站一般建有多個專業(yè)應用系統(tǒng)，各個應用系統(tǒng)通過專用接口或綜合數(shù)據(jù)平臺實現(xiàn)信息共享，但信息共享效率低下，互操作困難。

水電站智能化主要包含兩個層次：設備智能化和電站監(jiān)控與決策支持智能化。設備智能化一般指一次設備采用基于IEC61850標準智能設備，具有數(shù)據(jù)采集、在線監(jiān)測、故障判斷和通信等功能，二次設備網(wǎng)絡化，以滿足信息共享和互操作性需求。

電站監(jiān)控與決策支持智能化，即站控端軟件智能化，通過構建全站信息共享平臺，應用遵循相應的互操作標準來解決內部應用之間高效信息共享和協(xié)同互動問題；通過標準的服務接口解決與外部系統(tǒng)的信息共享和協(xié)同互動問題；在此基礎上開發(fā)相應的智能決策應用來提高電站的智能化水平。清江智能對象化水電調平臺主要解決電站監(jiān)控與決策支持智能化問題。

3　清江智能水電調平臺設計思路

以“安全、可靠、高效、智能、協(xié)同”的先進理念為指導，從流域水電站群優(yōu)化運行決策的全局重構自動化系統(tǒng)整體架構，采用統(tǒng)一、開放的國際通信標準和信息建模標準，設計建造一套智能對象化水電調平臺系統(tǒng)，將原來分散的電調和水調的監(jiān)視、控制、預警和作業(yè)系統(tǒng)進行優(yōu)化設計和基于統(tǒng)一平臺開發(fā)，利用先進的面向對象方法對數(shù)據(jù)庫組態(tài)，對監(jiān)視、報警和預警進行智能的優(yōu)化，形成高度一體化且開放的智能調度與控制系統(tǒng)。

3.1對象化技術

面向對象（ObjectOriented,OO）是軟件開發(fā)方法。面向對象的概念和應用已超越了程序設計和軟件開發(fā)，擴展到如數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、交互式界面、應用結構、應用平臺、分布式系統(tǒng)、網(wǎng)絡管理結構、CAD技術、人工智能等領域。面向對象是一種對現(xiàn)實世界理解和抽象的方法，是計算機編程技術發(fā)展到一定階段后的產(chǎn)物。面向對象的信息建模方法是IEC61850通信協(xié)議的核心技術之一，遵從IEC61850標準則必須采用面向對象建模。清江智能水電調平臺采用面向對象的技術構建，實時與歷史數(shù)據(jù)庫、人機界面、報警、操作等均采用面向對象的組織形式，即與對象相關的屬性均通過對象封裝，通過對象可以索引其所有屬性，界面元素也采用面向對象方法進行組織。

3.2面向服務的架構

系統(tǒng)應用采用面向服務（SOA）架構，確保應用規(guī)范化，確保系統(tǒng)可擴展和可管理。應用服務是用戶直接使用的與業(yè)務有關的各服務集合，主要包括：實時控制與經(jīng)濟運行控制應用、水庫調度與經(jīng)濟優(yōu)化應用和決策支持與信息發(fā)布應用等相關服務組件，相關服務組件需提供服務接口供其他應用調用。

共性基礎功能服務化，減輕應用服務的開發(fā)難度和工作量。所有的應用只需關注業(yè)務邏輯，數(shù)據(jù)傳輸與存儲由系統(tǒng)平臺完成，人機交互由人機界面服務實現(xiàn)，也就是說讓應用服務開發(fā)人員投入更多的精力做專業(yè)的事，把人機界面等繁瑣的計算機編程交給計算機程序員。

3.3應用支撐平臺

應用支撐平臺作用是實現(xiàn)資源的有效共享和應用服務的互連互通，為應用系統(tǒng)的功能實現(xiàn)提供技術支持、多種服務及運行環(huán)境，是實現(xiàn)應用系統(tǒng)之間、應用系統(tǒng)與其他平臺之間進行信息交換、傳輸、共享和應用協(xié)同互動的核心。

統(tǒng)一的數(shù)據(jù)服務平臺。平臺完成系統(tǒng)實時、歷史數(shù)據(jù)存儲和管理，采用面向對象的方法組織整合實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、報警、調節(jié)與控制操作；平臺完成數(shù)據(jù)、報警在各節(jié)點間的同步與傳輸（含II、III區(qū)同步），向應用提供透明數(shù)據(jù)訪問，各應用不再關心數(shù)據(jù)來源、存儲位置；提供通用的數(shù)據(jù)服務訪問的本地接口，通過對象可索引得到該對象的數(shù)據(jù)屬性、報警屬性和操作屬性。

統(tǒng)一應用平臺。提供統(tǒng)一軟件接口規(guī)范和軟件管理規(guī)范，為相關服務軟件提供松耦合的運行環(huán)境；系統(tǒng)高級應用采用面向服務（SOA）架構，確保應用規(guī)范化，確保系統(tǒng)可擴展、可管理和應用協(xié)同互動。

統(tǒng)一的智能報警平臺。報警的生成、傳輸、存儲均由平臺完成，必須保證各工作站界面報警信息完全一致；平臺具備智能報警功能，各報警對象可組態(tài)智能報警策略，并根據(jù)報警策略完成智能分級報警，如正常SOE點動作（停機斷路器動作）的報警可報狀變，而機組運行過程中的冷卻水中斷可報事故；報警的組織應按對象進行，應用可以根據(jù)對象對報警進行查詢。

統(tǒng)一控制、調節(jié)指令傳輸總線。具備閉鎖條件檢查、預警功能；具備上下限、震動區(qū)參數(shù)管理功能，具備指令值越限檢查；對指令發(fā)出后的執(zhí)行全過程進行管理，調節(jié)指令丟失時限時重發(fā)，指令傳輸異常應及時報警。此功能與傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)控制、調節(jié)功能的最大區(qū)別是增加了指令傳輸與執(zhí)行過程自管理功能，能自管理也是智能化系統(tǒng)的基本特征。

3.4智能設備運行監(jiān)視

智能設備運行監(jiān)視服務是一個開放的設備監(jiān)視智能策略實現(xiàn)平臺，根據(jù)積累專家知識開發(fā)相關設備對象（如軸承、水輪機等）智能設備監(jiān)視策略，實現(xiàn)對設備的運行狀況進行監(jiān)視，策略可考慮環(huán)境、工況等相關因素。需具備多變量、多時間尺度的數(shù)據(jù)處理與分析功能，具備設備運行過程監(jiān)視功能。此功能與智能報警最大的區(qū)別是需對運行過程進行分析，而智能報警只根據(jù)相關狀態(tài)進行智能報警。

3.5經(jīng)濟調度控制（EDC）

梯級EDC優(yōu)化軟件劃分為兩個模塊，非實時優(yōu)化策略交互模塊和實時優(yōu)化分配模塊。非實時優(yōu)化策略交互模塊主要功能為負荷分配指導曲線的優(yōu)化、耗水計算、水位過程計算、安全優(yōu)化評價、敏感性分析。在實現(xiàn)時可同時采用確定性模型和隨機模型的多種算法進行優(yōu)化。為避免不確定因素（天氣、電網(wǎng)）和負荷預測偏差導致優(yōu)化結果脫離實際，通過采用人機交互形式，給定或修改部分優(yōu)化曲線，進行多方案試算和人工復核并比較，形成符合實際情況的優(yōu)化方案。

實時優(yōu)化分配模塊主要功能是快速跟蹤電網(wǎng)的設定值，按照預定的優(yōu)化方案迅速把負荷分配到機組。實時優(yōu)化分配模塊盡量采用確定性模型的優(yōu)化算法，算法應該收斂快速，簡單可靠，分配結果是可模擬、可重復的。實時優(yōu)化分配模塊的優(yōu)化應該以非實時優(yōu)化模塊確定的指導曲線為依據(jù)，對各站的發(fā)電情況按照指導曲線進行復核平衡，制定下一時段的實時調整優(yōu)化分配方案。

3.6自動發(fā)電控制（AGC）

AGC需具備常規(guī)策略所有功能，如躲振動區(qū)、電網(wǎng)和機組安全策略、優(yōu)化分配等；具備調頻和優(yōu)化兩種工作方式，可手動設定或由智能策略確定工作方式，調頻方式快速調節(jié)并盡量降低調節(jié)頻次，優(yōu)化方式時使機組位于最優(yōu)工況；具備AGC調節(jié)監(jiān)視和評價功能，對機組調節(jié)性能進行監(jiān)視、統(tǒng)計和評價，如調節(jié)速率、次數(shù)、調節(jié)量等。

3.7水庫水情智能預警

對水庫運行過程進行監(jiān)視，根據(jù)擬定的策略，充分考慮機組運行、發(fā)電計劃、水情、氣象預報和其他相關因素，對水位過程線、水位、雨量及流量進行演算、監(jiān)視，發(fā)生過程異?；蚰硞€敏感因子越限時立即報警；具備人機交互仿真演算功能和反演功能。

3.8防洪調度

以實時洪水預報成果為基礎，根據(jù)水庫特征、工程與電網(wǎng)情況以及上級防汛部門的要求等，制定水庫防洪調度方案、風險分析以及提供防洪形勢分析與防洪決策的輔助計算，為水庫防洪調度會商提供支持，并利用圖形報表向用戶提供實時防洪調度方案信息。具備洪水調度過程演算、仿真功能，具備預評估、敏感性分析和后評價功能。

3.9發(fā)電優(yōu)化調度

根據(jù)流域梯級水電站的運行及來水預測情況，根據(jù)經(jīng)濟調度原則，在滿足安全生產(chǎn)及樞紐工程調節(jié)性、水電站水力電力聯(lián)系等約束條件下，制作短、中、長期（也可以自行靈活設定計算日期）發(fā)電計劃或水庫調度方案，在梯級水電站之間進行發(fā)電流量或負荷的合理分配，使得梯級總發(fā)電量最大、總發(fā)電效益最大或者耗水量最小。具備方案的預評估、敏感性分析和后評價功能，后評價側重于尋找影響因子。

3.10人機界面

人機界面為單純的人機交互功能，它負責系統(tǒng)所有功能的人機交互。人機界面采用面向對象的信息組織和展示方式，一個對象對應一組組合圖元；應具備所關聯(lián)對象的主要狀態(tài)顯示和報警顯示，主要有圖形變化、顏色變化和閃爍、字符顯示、數(shù)字顯示、直方圖等；具備可選的左鍵菜單，右鍵菜單，支持圖表聯(lián)動。

3.11智能維護

智能維護主要包含系統(tǒng)軟件版本控制、系統(tǒng)配置管理、系統(tǒng)數(shù)據(jù)組態(tài)和數(shù)據(jù)引用管理；系統(tǒng)軟件版本和系統(tǒng)配置采用統(tǒng)一管理，系統(tǒng)軟件和配置變化時應自動同步，存在問題時報警并禁止相關功能。系統(tǒng)數(shù)據(jù)組態(tài)和數(shù)據(jù)引用管理主要是對數(shù)據(jù)版本、關聯(lián)關系和引用關系進行管理，當數(shù)據(jù)屬性發(fā)生更改時，應能自動查找所有引用對象（含應用、圖、通信配置等）并告警，并由維護人員逐條確認后進行修改。

3.12智能診斷

智能診斷功能主要負責系統(tǒng)所有軟、硬件診斷，智能診斷涵蓋網(wǎng)絡、硬件、系統(tǒng)平臺、各應用軟件等全部系統(tǒng)軟、硬件。系統(tǒng)所有的硬件、軟件均等同于設備進行管理，建立相應的診斷模型，診斷數(shù)據(jù)作為系統(tǒng)設備數(shù)據(jù)采集；智能診斷的軟件獲取軟、硬件狀態(tài)信息，進行診斷和分析，在相關模塊運行異常時進行報警；智能診斷功能在相關應用異常時應評價其影響范圍，并自動采取應對措施。

4　總結與展望

4.1關鍵技術總結

基礎平臺一體化設計，通過統(tǒng)一的數(shù)據(jù)服務平臺、統(tǒng)一應用平臺、統(tǒng)一的智能報警平臺、統(tǒng)一控制調節(jié)指令傳輸與管理、統(tǒng)一人機界面來實現(xiàn)信息交換、傳輸、共享和應用協(xié)同互動。

采用對象化技術建模和組織信息，與IEC61850標準無縫融合，信息自描述性好。

可組態(tài)、可編程的智能平臺，智能設備運行監(jiān)視、智能報警、水庫水情智能預警等智能平臺的采用可提高系統(tǒng)智能水平。

交互式高級應用決策平臺，EDC、發(fā)電調度、洪水調度等采用交互式平臺技術。并對決策進行預評估、敏感性分析和后評價全過程管理。

應用業(yè)務過程管理，應用軟件必須對與功能相關的業(yè)務過程進行管理，出現(xiàn)異常時報警并采取相應措施，提高應用軟件自管理能力，保障業(yè)務的可靠性。如AGC必須對指令執(zhí)行過程進行管理。

智能診斷，系統(tǒng)網(wǎng)絡、軟件、硬件等資源建立自診斷對象模型，視作系統(tǒng)設備對象進行管理。

智能維護，對系統(tǒng)軟件版本控制、系統(tǒng)配置、系統(tǒng)數(shù)據(jù)組態(tài)和數(shù)據(jù)引用關系秘書化管理。

4.2展望

隨計算機技術、電網(wǎng)智能化以及人工智能技術的發(fā)展，相關設備、系統(tǒng)都會向智能化方向發(fā)展，水電站智能化具有很好的發(fā)展前景。無人駕駛的汽車馬上可以上路，電影中的科幻場景將成為現(xiàn)實。在不久的將來，運行人員甚至可以對系統(tǒng)發(fā)語音指令（例如：主站，請檢查一號機組運行狀況），可以利用虛擬現(xiàn)實與浸入式體驗系統(tǒng)進行可聽、可視巡檢。

TV736

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1672-5387（2016）08-0001-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.08.001

20116-06-29

黃帆（1971-），男，高級工程師，從事水電站技術管理工作。