智能化水電廠在水電SIS實施過程中的探索

張士軍，方有清，張元元

（浙江華電烏溪江水力發電廠，浙江 衢州 324000）

1 背景

浙江華電烏溪江水力發電廠（簡稱“烏溪江水電”）的前身黃壇口水電廠，投產于1958年，其下轄湖南鎮電站和黃壇口電站，為梯級水電站，企業走過了50多年的發展歷程，積累了豐富的生產運行和管理經驗，為了擺脫老電廠設備陳舊、自動化、信息化應用落后局面，企業通過九五、十五、十一五的自動化設備技術改造和信息化建設，電廠自動化、智能化水平得到提高，信息化業務系統得到廣泛應用，1996年在湖南鎮電站壩后廠房實施無人值班，1999年實行全廠無人值班（少人值守）的運行方式，黃壇口電站、湖南鎮電站的設備相繼切至梯調中心控制，企業生產經營模式發生了巨大改變，電廠控制自動化、管理信息化有了質的飛躍，企業基本實現了現代化管理。

但隨著我國電力體制改革的深化，廠網分開和電力市場的有序競爭的不斷激烈，電廠作為電網特殊用戶，電網供電側的基石，一方面面臨電網對電廠的設備運行、自動化控制、信息的傳輸等考核要求的進一步提高，需要不斷提高電廠科學技術應用水平；一方面面臨在建設智能電網大環境下，電廠側應該積極做出響應，探索適應本企業實際狀況的智能化電廠發展之路，實現電廠發電的安全、穩定、高效、可靠的目的。

2 現狀

烏溪江水電從九十年代進行計算機監控系統建設以來，先后完成了5號機組狀態檢測系統、電能量系統、電廠工業電視系統、水調自動化系統、大壩自動化系統、安全營銷監管系統以及包括ERP的企業信息管理系統，建成了主干千兆的光纖環型網絡，建設了“安全分區、網絡專用、橫向隔離、縱向認證”的二次安全防護體系，初步建成了實時數據平臺和管理數據中心，信息化建設為企業安全生產提供了現代化管理手段，在企業的安全生產、經營管理中發揮著積極作用。但如何在現有基礎上再上一個臺階，實現數據采集自動化、信息數據精確化、設備運行最優化、調度決策智能化、運行控制自動化、分析決策在線化已成為我廠信息化建設探索研究的課題。水電SIS是智能水電廠重要組成部分和集成信息平臺，我們作為華電集團水電廠試點單位，通過調研、需求分析，開發建立水電SIS系統，探索研究智能化水電廠建設新思路。

3 設計目標

智能化水電廠建設需要穩定、可靠、自愈的網絡通信平臺，還需要安全、穩定、可靠的信息化業務支撐平臺，水電SIS系統在企業完善的網絡通信平臺支撐下，作為企業智能化電廠建設的雛形，在建設過程中，融入了現代化管理理念，是先進技術、管理的融合，系統考慮安全性、開放性、擴展性和標準化，必須具備以下技術特點和功能要求。

（1）建設實時數據庫基礎平臺，采用標準接口，完成現有水電廠各生產實時自動化系統的接口連接，實現全廠生產數據的集成，具備對全廠生產數據的實時采集、海量儲存功能；

（2）在數據集成的基礎上建設畫面組態、趨勢分析、生產統計、基本報表生成和數據歸檔校核、參數設置等基本功能；

（3）基于水電高級應用需求，建設機組運行優化、負荷分配優化、梯級調度、小指標分析、對標等擴展功能；

（4）在整合所有電廠生產實時、管理數據基礎上，進行設備狀態診斷、事故診斷、智能調度、運維協同等智能化應用功能。

4 系統特點

水電SIS系統基于Windows系統操作平臺、PI實時數據庫平臺，采用VC＋＋、ASP.NET作為主要開發語言，采用了當今先進的、主流的微軟.NET技術，能夠很好地保障若干年后仍是主流技術，并可以對諸如操作系統、數據庫系統實現平穩升級。同時還具有可擴展性、安全性、實用性、經濟性、穩定性以及易維護性特點。在系統功能設計中，除常規的SIS基本功能基礎以外，構建系統知識專家庫，建立智能診斷模型和協同工作模塊。

5 系統部署與功能設計

5.1 系統部署

如圖1所示，本結構按照數據的安全級別對網絡的層次進行了劃分，分為控制系統區域（I區）、實時數據平臺區域（II區）和管理應用區域（III區）。I區到II區部署防火墻，II區到III區合理部署為正、反向隔離設備，在保證網絡安全的前提下進行數據有效傳輸。

圖1 烏溪江水電SIS系統結構圖

系統在進行網絡組網時充分考慮企業現有資源，采用千/百兆以太網構建數據通信網絡。通信服務器（前置接口機）與監控等生產控制系統的網絡經過防火墻隔離，系統配置兩臺服務器與一臺磁盤陣列組建集群作為實時數據庫服務器，前置接口機、實時數據庫服務器、工作站構建安全II區數據采集局域網，生產數據通過該局域網存儲到實時數據平臺的數據庫中。

鏡像實時數據庫服務器和關系數據庫服務器利用電廠現有管理信息網絡部署在電廠安全III區，通過正向單向隔離裝置與安全II區的網絡進行隔離。安全II區的實時數據庫將數據經過單向隔離裝置鏡像到安全III區的鏡像實時數據庫，在電廠安全III區的應用服務器（兼作關系數據庫服務器）開發部署水電SIS展現平臺。

5.2 功能設計

作為探索研究過程中的智能化水電廠的一個平臺，水電SIS建設在考慮系統的海量存儲同時，功能設計上分為基本功能、高級應用兩大部分，其主要功能有：

（1）基本功能

1）數據集成

建立水電SIS系統目的之一是整合企業所有實時數據，進一步挖掘數據，為企業生產運行提供輔助服務，提高工作效率。為了整合計算機監控、狀態監測、水調自動化、大壩自動化等系統的業務以及考慮到今后水電廠可能建設其它主設備監測及管理系統數據接入到水電SIS系統，數據集成的接口通信方式在確保系統數據可靠性、實時性的前提下，部署接口程序，并采用標準通信協議，其特點是對實時的業務系統數據接口一般采用IEC 60870-5-101/104協議，對關系數據庫類型的業務系統采用ADO/ODBC。

2）生產過程動態監視

動態展示機組運行狀態、實時主接線、流域水情、大壩重要測點以及機組主要生產流程工藝畫面，實時監控機組運行狀態。監視畫面通過生產模擬圖、趨勢圖、棒狀圖和參數分類表等多種監視方式實時顯示全廠電氣圖、生產過程等畫面，以web頁面方式發布到企業內部網絡，管理技術人員在管理信息區可隨時掌握全廠水、機、電設備的運行情況。

監視畫面突出反映生產流程特點，正確顯示生產過程數據、生產趨勢、設備狀態、報警狀態、經濟指標等信息，系統對畫面的操作不會影響底層控制系統的運行。

3）報表與統計

在Web頁面便捷地查看水電廠機、電、水、大壩主要生產要素綜合報表，能在線實時查詢各機組、主變運行日志、開停機記錄以及水情、大壩報表信息，其中有電量日月年報表，雨量、水位日月年實時報表以及電量、水情、大壩觀測各種統計分析報表等。這些報表可根據實際的需求進行定制并可導出到Execl中，為生產人員報送、存檔生產情況提供了極大的便利。

4）設備異常報警

系統通過參數配置，設置越限參數和重要事件參數，如機組跳閘、負荷異常、開關跳閘、軸瓦溫度、水位、雨量超限、通信中斷等，系統后臺實時監測，發現異常通過主畫面聲音、文字閃爍進行報警，提示運行值守人員分析判斷，并以短信方式通知相關人員，達到對異常事件作出最快反應。

5）事故追憶

系統具備對重點部位的實時數據回溯功能，當電廠核心設備出現異常時，系統能夠提供歷史趨勢和畫面回溯兩種方式追憶歷史工況，分析事故出現的原因。

6）人工錄入和數據修正

對于一些無法進行自動采集的數據，系統提供了數據的手工錄入的功能，主要用于錄入：機組啟停的原因、非停等級的確認以及其它需要手工錄入的數據等；同時，對自動采集過程中出現跳變數據，可以進行修正，確保系統數據準確性。

7）接口管理

通過系統維護工具、系統通訊狀態監測工具，可以方便的對系統接口的可靠性、穩定性、異常、數據流向等有關系統接口穩定運行方面進行集中管理、維護。

（2）高級應用

該平臺在高級應用開發過程中，提煉了電廠機電運行、水庫調度、安全監測等方面實際使用管理中理論精華，設計的各項功能具有智能化生產的特點，具有實時跟蹤水電廠運行、跟蹤各項運行指標狀態、實時監測機電設備運行工況以及協同作業等綜合輔助功能。主要功能有：

1）動態計算機組效率和發電水耗，實時監測機組運行工況

提高水電廠經濟效益，關鍵是降低機組的發電單耗和提高機組運行效率，系統根據電廠提供的各臺水輪機組的運行資料，在EXCEL中對機組的效率表進行不同水頭、出力下的公式擬合，利用擬合得到的一系列公式，實時計算出當前水頭下機組實時的最優效率與最優出力值。通過程序實時計算出機組出力所在區間上下兩個邊界的實時效率值，通過差值法即可得出機組當前的實時效率值。在機組單耗計算中，綜合水電廠主流的水耗計算方法以及電廠實際生產中應用的水耗計算公式，對水輪機發電水耗進行實時計算。

該功能不僅給運行人員提供準確實時的機組運行效率數據和機組單耗數據，同時，還可以對這兩個關鍵指標進行年、季、月數據分析，通過對標、對比分析，達到提高機組運行效率和降低水耗的目的。

2）對標管理

對標管理就是通過對電廠機組一些主要參數的對比找出差距，尋找工作中的不足，有針對性地進行技術改造以及作業規范，全面提升自身的素質。系統基于指標計算的結果實現對電廠機組可控參數水耗、機組出力、廠用電率、開停機時間和可靠性等指標的對標管理，對影響能耗的關鍵可控參數，進行對比排名，通過對標挖掘內部潛力、優化運行方式、提高操作水平、降低能耗，或采用節能新技術、新工藝，對設備進行技術改造。

3）負荷優化分配及仿真

烏溪江水電廠發電機組種類繁多，不同條件下運行效率不盡相同。結合各發電機組運行效率資料，建立負荷分配的數學模型，選取合適的數學優化方法，實現全廠范圍內多臺單元機組并列運行過程中的負荷優化分配。該功能還可以根據實際下達負荷，進行仿真操作，通過仿真了解上下水庫運行，及時控制最佳水位運行。

在該功能模塊中，系統可根據當前的生產情況，實時預測未來一段時間內上下游水庫的庫水位變化，可進行模擬仿真功能，進行仿真計算，實現梯級水電廠上下水庫的優化調度，也為電廠生產運行提供了可視化的決策支持。

4）手機短信交互功能

對現有水電SIS系統和短信平臺進行接口對接，通過短信把系統的報警、預警信息及時以短信方式送達相關人員的手機上，同時，可以通過短信方式查詢當前水電廠生產運行情況，如負荷、電量、水情以及大壩主要運行數據，實現與手機交互功能。

5）協同業務管理功能

當生產運行設備產生異常、事故事件時，系統通過手機交互平臺發出短信，檢修、管理技術人員及時獲取相關信息，同時把該事件作為缺陷自動生成缺陷單，進入設備管理檢修維護流程，啟動系統設備快速處理流程，整個過程可以監視，達到提高設備運行周期的效果。

6 系統實施后的效果

烏溪江水電廠原先計算機監控、大壩自動化、水調自動化等生產控制系統各自相對獨立，出于安全的考慮和前期投運系統設計的局限性，各業務系統對實時生產數據的訪問存在困難，實時信息資源的共享性差，各系統數據來源不一致、口徑不統一、數據不全面、數據缺乏統一的管理，數據的整體利用率低下。各系統的客戶端、訪問方式都存在很大差異，給生產管理帶來不便。

水電SIS系統的建設有效解決了上述問題，生產實時信息資源集成在一個統一的數據平臺及應用平臺之上，對生產實時數據進行統一的管理和利用，全面的規劃和開發，為實時生產運行狀況的查看提供了極大的便利。同時，實時生產數據的集成可以在短時間內對生產過程出現的問題做出即時的分析，為電廠提高科學管理水平、提高經濟效益提供決策支持。

主要體現在以下幾點：

1）整合平臺、統一數據接口：電廠生產數據統一整合在水電廠SIS數據平臺之上，為電廠生產數據統一管理、利用提供了全面的平臺支撐，為電廠日后其它專業系統建設的數據獲取提供了統一的接口。

2）實時畫面、動態展示：水電廠SIS結合了計算機監控系統的實時畫面功能，利用PI的靈活、方便的圖形功能，可以在線監視電廠機電設備運行工況過程，隨時分析實時畫面測點數據變化過程曲線，可以非常直觀、便捷地了解現場設備運行健康狀態。

3）精心頁面設計，實現信息綜合發布：借助較為全面的生產實時數據，通過各專業部門業務人員對實際應用的不斷溝通、謀劃和設計，精心布局水電廠業務系統關鍵數據展現畫面，實現各生產系統的基本應用整合在一個應用平臺之上，并通過WEB進行發布，提高了電廠生產管理的信息化水平。

4）實時對標，仿真運行提供輔助服務：通過水電廠SIS平臺，建立的機組效率、水耗實時對標和機組負荷分配的仿真運行，直觀、有效地為現場運行人員提供高效、準確的操作策略，提高了全廠機組發電效率。

5）小指標分析，為設備改進和優化運行提供依據：通過對標管理中的小指標分析統計功能，實時分析、統計關鍵生產運行指標，比如對開停機、廠用電統計分析，查找運行設備之間指標差距，分析影響指標的設備因素和人員因素，為生產管理進一步改進提供決策依據。

6）實時報表、功能齊全：生產數據報表的自動化生成，將電廠生產報表的制定工作從繁瑣的人工方式中解脫出來，同時保證了生產報表的及時性和準確性。

7）在線診斷、手機短信交互、協同工作：該平臺匯聚了水電廠所有生產實時信息，是水電廠安全生產運行的核心，通過智能判斷，通過短信平臺，自動實現異常、故障事件及時傳送，達到及時進行處理，并從設備檢修流程中實現閉環的過程管理。

7 下一步研究方向

水電廠SIS建設僅僅是水電廠智能化建設的雛形，處于二次開發的初級階段，還不具備自動、優化控制功能，僅是一個生產實時業務系統的整合平臺以及依托該平臺進行數據二次開發、提供決策信息；在狀態檢測、智能調節、協同互動等高級功能方面相對薄弱。下一步，我們需要依托該系統，深化功能應用，針對水電廠安全生產方面的數據進行綜合分析，探索從流域降雨、庫水位調節、發電生產到節能減排這一系列的數據關聯分析及仿真應用，進一步為水電廠的電力生產提供豐富多樣的數據決策支持，改善各項經濟運行指標，提高水電廠經濟效益。同時，通過該系統，進行水電廠生產管理提升以及延長資產生命周期協同管理研究，即借助全新通信技術，將關鍵資產狀況信息的數據納入到系統數據平臺之上，使技術人員能夠方便、及時的獲取設備的相關信息，為及時解決設備運行問題提供信息化保障，進而延長資產使用壽命，避免發生代價高昂的中斷事件。