鄭健兵，花勝強

（南瑞集團公司/國網(wǎng)電力科學研究院，江蘇省南京市 211106）

智能水電廠一體化管控平臺關鍵技術研究

鄭健兵，花勝強

（南瑞集團公司/國網(wǎng)電力科學研究院，江蘇省南京市 211106）

智能水電廠以一體化管控平臺為核心來構建水電廠各類自動化控制系統(tǒng)和信息管理系統(tǒng)，以實現(xiàn)各業(yè)務子系統(tǒng)間標準統(tǒng)一、數(shù)據(jù)共享、綜合決策等目標。本文由此闡述了智能水電廠一體化管控平臺的系統(tǒng)架構及組成，并分別介紹了平臺各個關鍵子模塊的功能，從而為智能水電廠的實施和建設提供堅實的基礎性支撐。

智能水電廠；一體化管控平臺；數(shù)據(jù)中心；基礎服務

0 引言

現(xiàn)有水電廠已構建遠程集中監(jiān)控、水調自動化、大壩安全監(jiān)測等許多面向各類業(yè)務應用的自動化系統(tǒng)，以及生產管理信息系統(tǒng)和各類決策支持系統(tǒng)。若采用獨立構建各自系統(tǒng)的方式，則將導致各類自動化系統(tǒng)及管理信息類系統(tǒng)接口不一致性，使得系統(tǒng)的整體性和協(xié)調性不足，各類業(yè)務應用之間數(shù)據(jù)信息共享困難，業(yè)務流程之間無法形成有效互動，后續(xù)系統(tǒng)運維成本居高不下，無法滿足電廠集約化生產運行管理的需求。

為此，考慮基于一體化管控平臺構建上述各類自動化系統(tǒng)和管理信息系統(tǒng)，解決自動化系統(tǒng)和信息化系統(tǒng)各自孤立、管控困難、維護復雜、智能決策水平差以及重復投資等問題。一體化管控平臺是基于水電公共信息模型（HCIM）、插件式應用組件等技術，由數(shù)據(jù)中心、基礎服務、基礎應用構成，實現(xiàn)水電廠生產運行一體化管控的軟件平臺。數(shù)據(jù)中心是指存儲并管理模型和數(shù)據(jù)的計算機軟硬件設施，實現(xiàn)模型與數(shù)據(jù)的一體化管理，并對外提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)訪問服務?；A服務提供消息通信、工作流管理、權限日志、數(shù)據(jù)計算分析、綜合報警、任務調度、進程管理等各類后臺服務功能?；A應用是實現(xiàn)計算機監(jiān)控、水調自動化、大壩安全監(jiān)測等水電廠基本業(yè)務功能以及業(yè)務間協(xié)同互動的應用組件集合，用于提供各類人機交互界面[1-3]。

1 總體設計

根據(jù)電力監(jiān)控系統(tǒng)安全防護規(guī)定，水電廠自動化系統(tǒng)分為生產控制大區(qū)和管理信息大區(qū)，大區(qū)之間采用單向物理隔離裝置進行隔離。其中，生產控制大區(qū)分為安全Ⅰ區(qū)和安全Ⅱ區(qū)，兩個區(qū)之間采用硬件防火墻隔離，各大區(qū)業(yè)務劃分如圖1所示[3]。

各安全區(qū)均采用一體化管控平臺作為各類應用的基礎性支撐，通過面向各類業(yè)務應用的二次組件開發(fā)，分別構建安全Ⅰ區(qū)的計算機監(jiān)控系統(tǒng)、安全Ⅱ區(qū)的水情水調自動化系統(tǒng)，以及管理信息大區(qū)的各類決策支持系統(tǒng)及信息化系統(tǒng)。此外，在各安全分區(qū)內分別構建數(shù)據(jù)中心，利用數(shù)據(jù)同步機制進行不同分區(qū)業(yè)務數(shù)據(jù)的雙向同步，可根據(jù)需要配置構建面向全電廠、全業(yè)務過程的綜合數(shù)據(jù)中心。數(shù)據(jù)中心以IEC 61850系列標準為基礎，基于CIM/CIS標準，具備開放式信息集成能力。計算機監(jiān)控系統(tǒng)、水調自動化系統(tǒng)、繼電保護及故障信息管理系統(tǒng)、電能量采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)將集成到安全Ⅱ區(qū)的數(shù)據(jù)中心內，將管理信息大區(qū)與生產運行控制有關的各系統(tǒng)數(shù)據(jù)整合到管理信息大區(qū)數(shù)據(jù)中心[4-6]。

2 平臺架構

圖1 水電廠各安全區(qū)業(yè)務部署示意圖Fig. 1 Hydropower plant business deployment diagram

一體化管控平臺嚴格遵循公開的國際標準，實現(xiàn)面向設備對象、具備數(shù)據(jù)自描述能力的信息建模，構建統(tǒng)一、開放的水電標準通信總線，實現(xiàn)不同電力二次安全分區(qū)之間的可靠數(shù)據(jù)信息同步機制。平臺采用面向服務（SOA）的體系架構，提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)存儲、訪問、監(jiān)視和預警平臺，實現(xiàn)水電廠全景數(shù)據(jù)監(jiān)視，為電調、水調等各類業(yè)務提供基礎應用服務組件管理與發(fā)布服務，并實現(xiàn)不同業(yè)務之間的友好互動，對外提供標準化的二次開發(fā)接口，實現(xiàn)與第三方模型及業(yè)務系統(tǒng)的相互接入與有效協(xié)同，為不同安全區(qū)內的各類自動化系統(tǒng)提供統(tǒng)一的軟件運行平臺[3]。其架構如圖2所示。

圖2 一體化管控平臺總體架構圖Fig. 2 integrated management platform overall structure

3 數(shù)據(jù)中心

一體化管控平臺數(shù)據(jù)中心是一個整合了平臺、信息及應用的系統(tǒng)樞紐。數(shù)據(jù)中心的整合涉及多種異構數(shù)據(jù)源，故不僅僅是將多個應用系統(tǒng)連接起來，也應將應用軟件的數(shù)據(jù)交換標準化。整合的目標主要涵蓋三個方面：數(shù)據(jù)整合、內容整合、應用整合。數(shù)據(jù)整合是指整合集控中心各系統(tǒng)及電站的電力生產信息、電量信息、水情氣象、樞紐信息、生產管理信息、工程建設信息、設備物資信息等，以實現(xiàn)內部多系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)共享和透明傳輸?shù)男枰?，同時具備數(shù)據(jù)的統(tǒng)計、展示及其他二次利用開發(fā)功能。內容整合則是為規(guī)范公司以及各部門、下級單位的信息發(fā)布以及維護，實現(xiàn)各種內容的信息發(fā)布，規(guī)范統(tǒng)一信息發(fā)布、統(tǒng)一用戶權限管理。最后，應用整合是全面整合與生產運行相關的各應用模塊，并實現(xiàn)用戶統(tǒng)一登陸入口。

3.1 數(shù)據(jù)采集與處理

數(shù)據(jù)采集符合電力系統(tǒng)二次安全防護總體要求，支持隔離裝置穿越，支持各種常規(guī)采集方式。同時，平臺提供采集標準以方便和規(guī)范未來新建系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接入。此外，平臺提供數(shù)據(jù)封裝能力，接入各種結構化數(shù)據(jù)和非結構化數(shù)據(jù)并對最終用戶隱藏接入系統(tǒng)的物理位置，從而使多個分布式應用系統(tǒng)看起來就像一個應用數(shù)據(jù)提供者。應用系統(tǒng)從總線獲取數(shù)據(jù)時無需關心數(shù)據(jù)來自哪個系統(tǒng)，也不用了解該系統(tǒng)的連接協(xié)議等信息，接入總線的系統(tǒng)相對數(shù)據(jù)應用系統(tǒng)保持透明。

3.2 信息對象建模及管理

由于水電廠設備種類繁多，數(shù)據(jù)各異，因此需要建立完整統(tǒng)一的信息對象模型。一體化管控平臺遵循IEC 61850標準，針對自動監(jiān)控、水情測報、水庫調度、安全監(jiān)測、狀態(tài)檢測等專業(yè)領域所需要的設備、數(shù)據(jù)建立模型，形成標準、穩(wěn)定、唯一的數(shù)據(jù)表示和訪問的路徑，構建水電監(jiān)控、調度專業(yè)的標準化模型庫。此外，平臺與各個系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換的接口采用IEC 61970系列標準，這樣平臺可實現(xiàn)生產運行控制相關系統(tǒng)的整合，確保整個電廠的信息單點維護、自動同步、統(tǒng)一使用[6]。

3.3 標準通信總線

基于IEC 61850/61970國際標準建立水電廠統(tǒng)一、標準的數(shù)據(jù)模型，建立橫跨安全Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)、管理信息大區(qū)以及集控與廠站之間的數(shù)據(jù)交換總線，同時提供對實時數(shù)據(jù)庫、關系數(shù)據(jù)庫等標準接口，從而實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)、水情水調、狀態(tài)監(jiān)測、生產管理、大壩監(jiān)測以及OA等系統(tǒng)的信息交換與共享。各業(yè)務單元如監(jiān)控、水情、狀態(tài)檢測等的數(shù)據(jù)以IEC 61850-1的MMS通信。以Web Service標準接入大壩安全監(jiān)測、生產管理系統(tǒng)、門禁管理系統(tǒng)、工業(yè)電視系統(tǒng)、消防系統(tǒng)等數(shù)據(jù)。在傳輸數(shù)據(jù)業(yè)務中支持DL/T 634.5104—2009中規(guī)定的協(xié)議以及DL 476—1992水調擴展協(xié)議，并滿足其他系統(tǒng)要求的標準協(xié)議[6-7]。

3.4 實時數(shù)據(jù)庫

由于一體化管控平臺面對的業(yè)務應用覆蓋水電廠全領域，數(shù)據(jù)采集和存儲規(guī)模都有級別的提升，且目前也提出了實時運行數(shù)據(jù)不采用周期性采樣存儲而是按照實際時間序列連續(xù)存儲的更高要求，這都將導致數(shù)據(jù)存儲規(guī)模急速增長。此外，歷史數(shù)據(jù)的存儲組織策略以及查詢檢索策略也隨著業(yè)務的推進而變得相當復雜。在這種形勢下，數(shù)據(jù)存儲中心必須面對海量的實時運行數(shù)據(jù)以及歸檔歷史數(shù)據(jù)，對這些數(shù)據(jù)進行高效的進行處理、壓縮、歸檔都迫切要求設計和實現(xiàn)海量高速實時數(shù)據(jù)庫。

一體化管控平臺中的實時數(shù)據(jù)庫軟件，可在線采集、存儲每個監(jiān)測設備提供的實時數(shù)據(jù)，并提供清晰、精確的數(shù)據(jù)分析結果，既便于用戶瀏覽當前生產狀況，對工業(yè)現(xiàn)場進行及時的反饋調節(jié)，也可回顧過去的生產情況。

3.5 歷史數(shù)據(jù)庫

對于數(shù)據(jù)存儲中心而言，雖然實時數(shù)據(jù)庫在處理、存儲海量數(shù)據(jù)上具有得天獨厚的優(yōu)勢，但其仍然不可能完全取代傳統(tǒng)的關系數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)中心需要的模型信息、告警信息、圖表信息等的存儲仍然離不開傳統(tǒng)的關系數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)中心關系型數(shù)據(jù)庫主要完成事務型和流程型的業(yè)務邏輯，也作為標準化模型的實際存儲，實現(xiàn)對象數(shù)據(jù)模型和關系模型之間的映射。

3.6 數(shù)據(jù)查詢與管理

一體化管控平臺提供的查詢方式包括以下幾種：

（1）基于標準的查詢，包括基于IEC 61970標準的CIM模型及Web Service接口查詢、標準的SQL接口查詢、SVG標準的圖形文件接口查詢等，并提供查詢的二次開發(fā)接口。

（2）基于圖形化界面的查詢，包括基于CS與WEB兩種方式。

（3）查詢支持組合查詢、條件查詢等各種查詢方式，支持各種方式的再利用如保存等。

一體化管控平臺數(shù)據(jù)管理的功能包括：

（1）數(shù)據(jù)診斷，能夠對數(shù)據(jù)的冗余、錯誤、缺失等常見的數(shù)據(jù)問題進行歸納，分類及診斷定位。

（2）數(shù)據(jù)修復，能夠對集中存儲的主數(shù)據(jù)進行修補、建立關聯(lián)、更新等。

（3）質量報告，能夠根據(jù)數(shù)據(jù)的診斷結果提供數(shù)據(jù)質量報告清單。

3.7 跨區(qū)數(shù)據(jù)同步

數(shù)據(jù)中心能夠支持基于正向安全隔離和反向安全隔離傳輸規(guī)范，以全量和增量兩種方式，根據(jù)業(yè)務需要實現(xiàn)相關數(shù)據(jù)在安全Ⅰ區(qū)、安全Ⅱ區(qū)和管理信息大區(qū)之間的同步。

4 基礎服務

4.1 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理主要實現(xiàn)對采集來的各種不同類型的數(shù)據(jù)依據(jù)應用要求進行自動加工處理，其結果供其他子系統(tǒng)調用或再加工，功能如下所述：

（1）對采集的數(shù)據(jù)進行完整性、合法性、有效性、齊次性檢查和處理，并更新實時數(shù)據(jù)庫。

（2）生成各類事故報警記錄，發(fā)出事故報警音響，語音報警，啟動綜合報警服務等。

（3）基于實時數(shù)據(jù)的各種整編和統(tǒng)計類型的時段數(shù)據(jù)同步和異步計算。

（4）計算方法、計算周期、計算參數(shù)等可以按需組態(tài)。

（5）實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙機、多機冗余備份。

（6）具備腳本計算的功能，可通過語言和圖形方式編輯腳本，腳本的執(zhí)行過程可圖形監(jiān)視，并支持單步調試功能，并可基于標準為平臺其他組件提供腳本引擎服務。

4.2 圖元庫

圖元庫包括：

（1）公共圖元庫，基于點、線、面、表格的公共圖元可作為開發(fā)各類專業(yè)應用圖元的基礎。

（2）計算機監(jiān)控圖元，包含了計算機監(jiān)控業(yè)務的全部圖元內容，例如發(fā)電機組、斷路器等。

（3）水情水調圖元，包含了水情水調業(yè)務所需的各種圖元，如年線柱圖、計劃分析曲線、多站棒圖等專業(yè)圖元。

（4）大壩安全監(jiān)測圖元，涵蓋了展示大壩安全監(jiān)測業(yè)務的各種圖形，例如大壩過程圖、布置圖等。

（5）設備狀態(tài)監(jiān)測圖元，為主設備狀態(tài)在線監(jiān)測業(yè)務所涉及的各種圖元，例如水輪機剖面圖等專業(yè)圖元。

4.3 報表

報表編輯部分通過報表系統(tǒng)函數(shù)庫提供時間函數(shù)、算術計算、各種專業(yè)計算等函數(shù)，能滿足各種常規(guī)報表計算需要。用戶可按照自己的要求，方便地進行各種類型的函數(shù)擴充。報表支持自動生成日報表、月報表。當報表模型設置完成后，會根據(jù)設置的運行信息，支持按時間自動生成所需的報表。

4.4 權限管理

為各應用提供一組權限管理服務公共組件，能提供用戶、用戶組、角色管理、視圖及其綁定映射等功能，并能夠提供多全方位多粒度的權限控制，包括：菜單、應用、類型、屬性、數(shù)據(jù)、流程、單點登錄、安全策略等方面的權限控制。

4.5 日志管理

系統(tǒng)日志包含應用程序日志、安全日志、Web日志等。應用程序日志記錄各應用程序的運行，記錄信息。可以根據(jù)不同的應用查看該應用的運行日志信息，如報警服務的日志包含各種類型的報警信息。安全日志記錄計算機的啟停、網(wǎng)絡狀態(tài)、用戶登錄登出、用戶操作等信息。Web日志記錄發(fā)布到Web頁面上的運行信息，包含各應用程序發(fā)布到Web上后的運行信息以及單獨配置的Web頁面信息。日志管理包括了日志操作的記錄和查看，及日志文件的備份等。

4.6 工作流管理

工作流就是工作流程的計算模型，其表示的是：對流程中的任務，以什么樣的邏輯或者規(guī)則串接起來，并以什么樣的模型進行表示和計算。

4.7 系統(tǒng)進程管理

進程管理的主要任務是管理和監(jiān)視應用系統(tǒng)中的進程的運行情況，保證整個系統(tǒng)的正常運行。對于系統(tǒng)中所有主要進程，平臺發(fā)現(xiàn)異常后會啟動自恢復，在必要的時候重新啟動進程。另外，平臺可以展示整個系統(tǒng)相關的各個進程的執(zhí)行狀況，比如進程執(zhí)行相關的狀態(tài)（運行、終止等），高級權限的用戶可以手動對進程進行啟停操作。

4.8 定時任務管理

定時任務管理模塊完成定時任務的觸發(fā)，作為后臺進程從配置文件中讀取有關的定時任務，不斷檢查所定義的定時任務是否達到觸發(fā)條件，并從系統(tǒng)中獲取現(xiàn)在應該在哪個節(jié)點執(zhí)行該定時任務。在滿足所設定的條件的時候，在指定的應用（節(jié)點）下執(zhí)行設定的任務。

4.9 網(wǎng)絡對時

支持NTP網(wǎng)絡對時功能，并預留與其他時鐘同步裝置的網(wǎng)絡接口。

4.10 綜合報警

通過統(tǒng)一報警協(xié)議實現(xiàn)系統(tǒng)各類信息集中綜合報警，統(tǒng)一接收并報送一體化管控平臺系統(tǒng)Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)和管理信息大區(qū)所有子系統(tǒng)的實時報警信息；能完全組態(tài)報警信元、報警準則和策略、報警方式；具備單值或多值聯(lián)合實時報警判斷功能；具備歷史報警信息查詢功能。

4.11 二維GIS展示

平臺應該具備二維GIS展示功能，提供GIS服務，具備地圖瀏覽、圖層管理、實時信息監(jiān)視、地圖屬性查詢、等值線面分析、站網(wǎng)數(shù)據(jù)維護等功能，能查詢各個不同時段的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并提供多種數(shù)據(jù)的分析、統(tǒng)計功能。

4.12 二次開發(fā)接口

一體化管控平臺提供遵循IEC 61970標準的通用的數(shù)據(jù)訪問接口，實現(xiàn)電廠各類數(shù)據(jù)庫存儲信息的關聯(lián)和共享。

5 基礎應用

一體化管控平臺的監(jiān)控應用部署在安全Ⅰ區(qū)，功能滿足DL/T 578水電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)基本技術條件。水情水調應用部署在安全Ⅱ區(qū)，功能滿足DL/T 1085水情自動測報系統(tǒng)技術條件。機組狀態(tài)監(jiān)測應用部署在安全Ⅱ區(qū)，功能符合DL/T 1197的規(guī)定。大壩監(jiān)測應用部署在管理信息大區(qū)，功能符合DL/T 5178和DL/T 5259的規(guī)定[3]。

綜合信息展示功能部署在管理信息大區(qū)。能將計算機監(jiān)控、狀態(tài)監(jiān)測、水情水調、大壩安全監(jiān)測等水電廠生產運行數(shù)據(jù)信息以Web方式發(fā)布?？赏ㄟ^分布圖、曲線、棒圖、報表等多種形式發(fā)布各類數(shù)據(jù)信息。能實現(xiàn)基于業(yè)務的用戶個性化配置，根據(jù)當前的登錄用戶呈現(xiàn)與其日常工作相關的業(yè)務內容。各安全區(qū)資源應可任意組態(tài)定制，實現(xiàn)全景信息發(fā)布與管理。能實現(xiàn)水電廠實時監(jiān)控、安全防護、生產管理、防汛決策、大壩安全監(jiān)測、工業(yè)電視、五防、門禁、消防等系統(tǒng)聯(lián)動策略配置，并在此基礎上實現(xiàn)符合應用需求的業(yè)務組件聯(lián)動功能。

6 結束語

通過采用一體化管控平臺，不再需要額外購置數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)所需的計算機、網(wǎng)絡設備、軟件等，使得系統(tǒng)的硬件設備和軟件投資成本明顯減少。此外，一體化管控平臺設計方案可大為簡化系統(tǒng)安裝調試過程，減少不同子項目組之間的協(xié)調工作，縮短項目建設周期。平臺自帶跨區(qū)數(shù)據(jù)同步、數(shù)據(jù)同步狀態(tài)監(jiān)測、通信中斷數(shù)據(jù)補傳等內部機制，后期維護中可通過簡單配置滿足新增數(shù)據(jù)交換需求，出現(xiàn)故障時責任主體更加明確，便于快速分析和排查故障，有效降低系統(tǒng)建設和運維工作量。

一體化管控平臺方案能夠減少數(shù)據(jù)傳輸中轉環(huán)節(jié)，降低數(shù)據(jù)傳輸延時，確保不同安全區(qū)業(yè)務斷面數(shù)據(jù)時標一致性，為高精度數(shù)學模型仿真分析提供合格的數(shù)據(jù)支撐。系統(tǒng)的性能和可靠性得到提高。

當前水電廠的智能化改造已經是行業(yè)的潮流，在水電廠安全Ⅰ區(qū)、安全Ⅱ區(qū)和管理信息大區(qū)部署統(tǒng)一的一體化管控平臺，按照電力系統(tǒng)二次安防規(guī)定在不同的安全區(qū)內部署不同的業(yè)務應用組件，并實現(xiàn)不同安全區(qū)之間業(yè)務的信息交互和業(yè)務互動，已經寫入了行業(yè)標準DL/T 1547—2016《智能水電廠技術導則》中。一體化管控平臺遵循上述標準，具備科學的前瞻性，符合水電智能化技術未來的發(fā)展趨勢。

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2017-03-30

2017-05-24

鄭健兵（1971—），男，研究員級高級工程師，主要研究方向：水電自動化研發(fā)。

花勝強（1982—），男，高級工程師，主要研究方向：水電自動化研發(fā)。

Key Technologies Research of Integrated Management and Control Platform for Smart Hydropower Plant

ZHENG Jianbing，HUA Shengqiang
（NARI Group Corporations/State Grid Electric Power Research Institute，Nanjing 211106，China）

The key to the implementation of smart hydropower plant is to build the various types of automation control system and information management system of hydropower plant with the integrated management and control （IMC）platform as the core to achieve the goal of unified standard，data sharing and comprehensive decision of each business subsystem. Thus this paper expounds system architecture and composition of the IMC platform of smart hydropower plant，and introduces the functions of each key sub-module of the platform，so as to provide a solid foundation for the implementation and construction of smart hydropower plant.

smart hydropower plant； IMC platform； data center；base service

TP27

A學科代碼：520.6070

10.3969/j.issn.2096-093X.2017.03.005