黃帆

清江智能對象化水電調(diào)平臺設(shè)計思路簡析

黃帆

（湖北清江水電開發(fā)有限責(zé)任公司，湖北 宜昌 443000）

探討了水電站（群）的水、電調(diào)優(yōu)化與智能控制系統(tǒng)的設(shè)計思路，提出了智能對象化水電調(diào)平臺的架構(gòu)、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(jī)技術(shù)發(fā)展而興起的一門學(xué)科，是指由現(xiàn)代通信與信息技術(shù)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、行業(yè)技術(shù)、智能控制技術(shù)匯集而成的針對某一個方面的應(yīng)用。智能化的主要目的是用智能設(shè)備或應(yīng)用代替人進(jìn)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(diào)度控制系統(tǒng)（D5000）、數(shù)字化變電站已在全國廣泛應(yīng)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(yùn)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(diào)度、水庫運(yùn)行調(diào)度、洪水調(diào)度、降雨與天氣預(yù)警等各專業(yè)逐步融合，運(yùn)行值班人員和管理人員面對設(shè)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(yùn)行管理水平，降低運(yùn)行人員勞動強(qiáng)度，完善與智能電網(wǎng)的廠網(wǎng)協(xié)調(diào)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(jìn)的傳感器、信息、通信、控制、智能等技術(shù)，以電站設(shè)備參量數(shù)字化和標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化信息平臺為基礎(chǔ)，實現(xiàn)水電站或水電站群實時全景智能監(jiān)測、自動運(yùn)行控制、電站各模塊（監(jiān)控、水調(diào)、設(shè)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(yùn)行水平、優(yōu)化水資源利用、減少人工干預(yù)、支撐電網(wǎng)安全運(yùn)行等目標(biāo)。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(jī)保護(hù)、微機(jī)調(diào)速器、數(shù)字勵磁控制等設(shè)備大量使用，基本實現(xiàn)了數(shù)字化。由于水電站站內(nèi)各二次系統(tǒng)專業(yè)差異大，異構(gòu)情況突出，各系統(tǒng)自成體系，大量信息重復(fù)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(diǎn)控制、半導(dǎo)體無觸點(diǎn)控制、微機(jī)控制到現(xiàn)在廣泛采用計算機(jī)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(yù)報、水情測報與來水預(yù)報、水庫與發(fā)電調(diào)度、發(fā)電運(yùn)行控制、發(fā)電設(shè)備運(yùn)行監(jiān)視等，水電站智能化不應(yīng)僅僅局限于二次系統(tǒng)，應(yīng)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(yīng)用系統(tǒng)，各個應(yīng)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(shè)備智能化和電站監(jiān)控與決策支持智能化。設(shè)備智能化一般指一次設(shè)備采用基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)智能設(shè)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(shè)備網(wǎng)絡(luò)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(gòu)建全站信息共享平臺，應(yīng)用遵循相應(yīng)的互操作標(biāo)準(zhǔn)來解決內(nèi)部應(yīng)用之間高效信息共享和協(xié)同互動問題；通過標(biāo)準(zhǔn)的服務(wù)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(chǔ)上開發(fā)相應(yīng)的智能決策應(yīng)用來提高電站的智能化水平。清江智能對象化水電調(diào)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(diào)平臺設(shè)計思路

以“安全、可靠、高效、智能、協(xié)同”的先進(jìn)理念為指導(dǎo)，從流域水電站群優(yōu)化運(yùn)行決策的全局重構(gòu)自動化系統(tǒng)整體架構(gòu)，采用統(tǒng)一、開放的國際通信標(biāo)準(zhǔn)和信息建模標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計建造一套智能對象化水電調(diào)平臺系統(tǒng)，將原來分散的電調(diào)和水調(diào)的監(jiān)視、控制、預(yù)警和作業(yè)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計和基于統(tǒng)一平臺開發(fā)，利用先進(jìn)的面向?qū)ο蠓椒▽?shù)據(jù)庫組態(tài)，對監(jiān)視、報警和預(yù)警進(jìn)行智能的優(yōu)化，形成高度一體化且開放的智能調(diào)度與控制系統(tǒng)。

3.1對象化技術(shù)

面向?qū)ο螅∣bjectOriented,OO）是軟件開發(fā)方法。面向?qū)ο蟮母拍詈蛻?yīng)用已超越了程序設(shè)計和軟件開發(fā)，擴(kuò)展到如數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、交互式界面、應(yīng)用結(jié)構(gòu)、應(yīng)用平臺、分布式系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)管理結(jié)構(gòu)、CAD技術(shù)、人工智能等領(lǐng)域。面向?qū)ο笫且环N對現(xiàn)實世界理解和抽象的方法，是計算機(jī)編程技術(shù)發(fā)展到一定階段后的產(chǎn)物。面向?qū)ο蟮男畔⒔７椒ㄊ荌EC61850通信協(xié)議的核心技術(shù)之一，遵從IEC61850標(biāo)準(zhǔn)則必須采用面向?qū)ο蠼?。清江智能水電調(diào)平臺采用面向?qū)ο蟮募夹g(shù)構(gòu)建，實時與歷史數(shù)據(jù)庫、人機(jī)界面、報警、操作等均采用面向?qū)ο蟮慕M織形式，即與對象相關(guān)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?qū)ο蠓椒ㄟM(jìn)行組織。

3.2面向服務(wù)的架構(gòu)

系統(tǒng)應(yīng)用采用面向服務(wù)（SOA）架構(gòu)，確保應(yīng)用規(guī)范化，確保系統(tǒng)可擴(kuò)展和可管理。應(yīng)用服務(wù)是用戶直接使用的與業(yè)務(wù)有關(guān)的各服務(wù)集合，主要包括：實時控制與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行控制應(yīng)用、水庫調(diào)度與經(jīng)濟(jì)優(yōu)化應(yīng)用和決策支持與信息發(fā)布應(yīng)用等相關(guān)服務(wù)組件，相關(guān)服務(wù)組件需提供服務(wù)接口供其他應(yīng)用調(diào)用。

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

3.3應(yīng)用支撐平臺

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

統(tǒng)一的數(shù)據(jù)服務(wù)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?qū)ο蟮姆椒ńM織整合實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、報警、調(diào)節(jié)與控制操作；平臺完成數(shù)據(jù)、報警在各節(jié)點(diǎn)間的同步與傳輸（含II、III區(qū)同步），向應(yīng)用提供透明數(shù)據(jù)訪問，各應(yīng)用不再關(guān)心數(shù)據(jù)來源、存儲位置；提供通用的數(shù)據(jù)服務(wù)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(yīng)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(guān)服務(wù)軟件提供松耦合的運(yùn)行環(huán)境；系統(tǒng)高級應(yīng)用采用面向服務(wù)（SOA）架構(gòu)，確保應(yīng)用規(guī)范化，確保系統(tǒng)可擴(kuò)展、可管理和應(yīng)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(diǎn)動作（停機(jī)斷路器動作）的報警可報狀變，而機(jī)組運(yùn)行過程中的冷卻水中斷可報事故；報警的組織應(yīng)按對象進(jìn)行，應(yīng)用可以根據(jù)對象對報警進(jìn)行查詢。

統(tǒng)一控制、調(diào)節(jié)指令傳輸總線。具備閉鎖條件檢查、預(yù)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(jìn)行管理，調(diào)節(jié)指令丟失時限時重發(fā)，指令傳輸異常應(yīng)及時報警。此功能與傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)控制、調(diào)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(shè)備運(yùn)行監(jiān)視

智能設(shè)備運(yùn)行監(jiān)視服務(wù)是一個開放的設(shè)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(guān)設(shè)備對象（如軸承、水輪機(jī)等）智能設(shè)備監(jiān)視策略，實現(xiàn)對設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)視，策略可考慮環(huán)境、工況等相關(guān)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(shè)備運(yùn)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(yùn)行過程進(jìn)行分析，而智能報警只根據(jù)相關(guān)狀態(tài)進(jìn)行智能報警。

3.5經(jīng)濟(jì)調(diào)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(fù)荷分配指導(dǎo)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(jī)模型的多種算法進(jìn)行優(yōu)化。為避免不確定因素（天氣、電網(wǎng)）和負(fù)荷預(yù)測偏差導(dǎo)致優(yōu)化結(jié)果脫離實際，通過采用人機(jī)交互形式，給定或修改部分優(yōu)化曲線，進(jìn)行多方案試算和人工復(fù)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(shè)定值，按照預(yù)定的優(yōu)化方案迅速把負(fù)荷分配到機(jī)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(yīng)該收斂快速，簡單可靠，分配結(jié)果是可模擬、可重復(fù)的。實時優(yōu)化分配模塊的優(yōu)化應(yīng)該以非實時優(yōu)化模塊確定的指導(dǎo)曲線為依據(jù)，對各站的發(fā)電情況按照指導(dǎo)曲線進(jìn)行復(fù)核平衡，制定下一時段的實時調(diào)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(jī)組安全策略、優(yōu)化分配等；具備調(diào)頻和優(yōu)化兩種工作方式，可手動設(shè)定或由智能策略確定工作方式，調(diào)頻方式快速調(diào)節(jié)并盡量降低調(diào)節(jié)頻次，優(yōu)化方式時使機(jī)組位于最優(yōu)工況；具備AGC調(diào)節(jié)監(jiān)視和評價功能，對機(jī)組調(diào)節(jié)性能進(jìn)行監(jiān)視、統(tǒng)計和評價，如調(diào)節(jié)速率、次數(shù)、調(diào)節(jié)量等。

3.7水庫水情智能預(yù)警

對水庫運(yùn)行過程進(jìn)行監(jiān)視，根據(jù)擬定的策略，充分考慮機(jī)組運(yùn)行、發(fā)電計劃、水情、氣象預(yù)報和其他相關(guān)因素，對水位過程線、水位、雨量及流量進(jìn)行演算、監(jiān)視，發(fā)生過程異常或某個敏感因子越限時立即報警；具備人機(jī)交互仿真演算功能和反演功能。

3.8防洪調(diào)度

以實時洪水預(yù)報成果為基礎(chǔ)，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(diào)度方案、風(fēng)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(diào)度會商提供支持，并利用圖形報表向用戶提供實時防洪調(diào)度方案信息。具備洪水調(diào)度過程演算、仿真功能，具備預(yù)評估、敏感性分析和后評價功能。

3.9發(fā)電優(yōu)化調(diào)度

根據(jù)流域梯級水電站的運(yùn)行及來水預(yù)測情況，根據(jù)經(jīng)濟(jì)調(diào)度原則，在滿足安全生產(chǎn)及樞紐工程調(diào)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(shè)定計算日期）發(fā)電計劃或水庫調(diào)度方案，在梯級水電站之間進(jìn)行發(fā)電流量或負(fù)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(yù)評估、敏感性分析和后評價功能，后評價側(cè)重于尋找影響因子。

3.10人機(jī)界面

人機(jī)界面為單純的人機(jī)交互功能，它負(fù)責(zé)系統(tǒng)所有功能的人機(jī)交互。人機(jī)界面采用面向?qū)ο蟮男畔⒔M織和展示方式，一個對象對應(yīng)一組組合圖元；應(yīng)具備所關(guān)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(hù)

智能維護(hù)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(yīng)自動同步，存在問題時報警并禁止相關(guān)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(guān)聯(lián)關(guān)系和引用關(guān)系進(jìn)行管理，當(dāng)數(shù)據(jù)屬性發(fā)生更改時，應(yīng)能自動查找所有引用對象（含應(yīng)用、圖、通信配置等）并告警，并由維護(hù)人員逐條確認(rèn)后進(jìn)行修改。

3.12智能診斷

智能診斷功能主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)所有軟、硬件診斷，智能診斷涵蓋網(wǎng)絡(luò)、硬件、系統(tǒng)平臺、各應(yīng)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(shè)備進(jìn)行管理，建立相應(yīng)的診斷模型，診斷數(shù)據(jù)作為系統(tǒng)設(shè)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(jìn)行診斷和分析，在相關(guān)模塊運(yùn)行異常時進(jìn)行報警；智能診斷功能在相關(guān)應(yīng)用異常時應(yīng)評價其影響范圍，并自動采取應(yīng)對措施。

4　總結(jié)與展望

4.1關(guān)鍵技術(shù)總結(jié)

基礎(chǔ)平臺一體化設(shè)計，通過統(tǒng)一的數(shù)據(jù)服務(wù)平臺、統(tǒng)一應(yīng)用平臺、統(tǒng)一的智能報警平臺、統(tǒng)一控制調(diào)節(jié)指令傳輸與管理、統(tǒng)一人機(jī)界面來實現(xiàn)信息交換、傳輸、共享和應(yīng)用協(xié)同互動。

采用對象化技術(shù)建模和組織信息，與IEC61850標(biāo)準(zhǔn)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(shè)備運(yùn)行監(jiān)視、智能報警、水庫水情智能預(yù)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(yīng)用決策平臺，EDC、發(fā)電調(diào)度、洪水調(diào)度等采用交互式平臺技術(shù)。并對決策進(jìn)行預(yù)評估、敏感性分析和后評價全過程管理。

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

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

智能維護(hù)，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(guān)系秘書化管理。

4.2展望

隨計算機(jī)技術(shù)、電網(wǎng)智能化以及人工智能技術(shù)的發(fā)展，相關(guān)設(shè)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(yùn)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(jī)組運(yùn)行狀況），可以利用虛擬現(xiàn)實與浸入式體驗系統(tǒng)進(jìn)行可聽、可視巡檢。

TV736

B

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(shù)管理工作。