水電廠計算機監控技術回顧與展望

王德寬，王桂平，文正國，韓長霖，張衛君，王崢瀛，陳小松

（北京中水科水電科技開發有限公司，北京100038）

過去的10年，隨著我國電力體制的改革不斷深入，巨型機組水電站建設進入高峰期，流域梯級水電“調控一體化”模式的出現，國家對水利的投入不斷加大，以及大數據、互聯網、云技術的蓬勃發展，不斷促進以智能化、智慧化為標志的水利、水電與新能源計算機控制技術的發展。中水科技在不斷完善H9000 V4.0系列計算機監控系統的同時，勇于創新，開發了以iP9000智能一體化平臺為標志的眾多新技術和新產品，形成了行業自動化、信息化成套解決方案，為水利水電行業不斷變化的需求提供了有力的技術支撐。

本文主要回顧近10年來中水科技在計算機監控領域的技術進步，以及在信息化、故障診斷、智慧化及虛擬現實等技術領域的拓展，并對相關技術的未來發展趨勢進行展望。

1 巨型電站群監控與梯級遠程“調控一體化”技術

2005年，中水科技結合三峽右岸水電站計算機監控系統工程，開發了全新的H9000V4.0系統[1]后，結合三峽地電、溪洛渡、向家壩、瀑布溝等電站自動化工程，特別是2012年結合金沙江下游梯級電站成都遠程“調控一體化”控制系統工程[2]的實施，開發了許多新功能，進一步豐富完善了H9000 V4.0系統的功能和性能，滿足了多機組大容量巨型電站監控及遠程“調控一體化”對控制系統安全性、穩定性和實時性等方面的要求。

1.1 梯級遠程“調控一體化”新技術

金沙江下游梯級成都“調控一體化”控制系統的技術進步主要包括：

（1）首次實現了由溪洛渡、向家壩兩電站構成的世界上最大的梯級水電站的遠程“調控一體化”及現地“無人值班”（少人值守），被控對象包括26臺770MW以上巨型機組、500kV開關站及泄洪閘門等，遠程調節與控制的成功率為100%。

（2）國際上首次研制成功基于多服務器、多規約、多鏈路、相互校驗的M-SPC高可靠性集群通信技術，各鏈路數據冗余傳送，負載均衡，相互校驗，無縫切換，通道多規約可選；首次研制成功通信雙緩存異步處理技術，提升通信能力約10倍；首次發明104規約通信單邊點表技術。顯著提高了集控中心與電站通信的實時性、安全性與可靠性[3]。

（3）首次研制成功配置信息異地在線同步技術，解決了廣域多站大型控制系統數據庫描述文件、通信點表、畫面、報表、計算庫、閉鎖庫等配置信息同步的難題，提高了系統維護效率，避免了人工維護與同步產生的失誤，確保廣域多站控制系統之間配置信息的高效同步與系統安全。

（4）研制成功了面向設備對象、基于相關量分析的實時智能報警技術[4]。將海量信號按設備對象分組，建立信號與設備的關聯樹，通過報警流程、條件報警、延遲報警等手段，進行智能分析與推理，做到“該報必報，絕不多報”，避免次要報警對重要報警的湮沒，把重要報警信號從海量報警中挖出來，顯著減輕運行人員勞動強度。

（5）設計發明了獨立的接機調試平臺和“調控一體化”同步接機技術，實現了集控中心與電站同步、同臺接機調試，顯著提高了集控中心接機效率，創造了同類系統兩年投運26臺巨型機組且無誤操作的世界記錄[5]。

（6）在國網、南網的多電網調度模式下，實現發電計劃的統一管理[6]，以梯級總勢能消耗最小為目標，采用雙適應度粒子群優化算法、協同進化、多進程等技術，尋求發電效益最大化，同時解決優化過程中廠間負荷大幅度轉移等問題，實現梯級巨型電站“調控一體化”多調度、多廠站AGC聯合應用。

（7）根據向家壩的特殊運行工況，在國際上首次研制成功SGJC大型水利樞紐發電航運安全與閘門實時優化遠程控制技術[7]，在樞紐出庫流量急劇變化時，SGJC采取自動、半自動方式確定補水及閘門優化控制方案，同時首次實現了集控中心遠程自動控制閘門補水，確保樞紐下游水位及其變幅滿足航運安全的要求。

（8）實現遠程多電站閘門群成組預校驗聯控。首次實現梯級多電站閘門群成組預校驗聯控下令，經過閘門聯控命令單預校驗后，實時下發成組控制指令，同時動態監測閘門動作過程，自動實時檢測操作結果，當發現閘門動作過程與下達指令不符時，第一時間停止該命令單操作。命令單預校驗技術提高了閘門成組操作的成功概率。成組聯控、動態監測、自動反饋等技術有效地保障了遠程控制的效率與安全。

（9）在集控中心遠程實現水利樞紐發電航運多目標實時優化控制。在發電流量急劇變化時，采取半自動或人工的方式，迅速對稱開啟可用閘門向下游進行泄流，實時控制樞紐下游水位變幅，變非恒定流為準恒定流。發電航運優化調度與自動發電控制（AGC）相互配合，對未來短期機組流量進行短期預測，盡量減少棄水。目前，在大江大河上實現此類遠程實時自動控制功能尚屬首例。

1.2 大型梯級水電站遠程集控閘門控制新技術[8]

對于庫容小、水頭低的貫流式機組水電站，上游來水過大或線路跳閘、機組甩負荷等情況時，水位迅速上漲，有可能導致水漫大壩、水淹廠房風險。

2016年，在五凌電力實現了水電站泄洪閘門與動態負荷及水位自動聯動功能。即：水位過高時，自動開啟閘門，并根據水調系統來水過程線和負荷計劃曲線，以發電效益最高為目標，生成未來24h閘門啟閉計劃，以自動或半自動方式，下發至閘門LCU執行，未來條件成熟時，操作人員不干預，由程序自動滾動生成啟閉計劃，并自動完成閘門啟閉，實現水庫優化調度。

1.3 抽水蓄能電站計算機監控新技術[9]

2016年，結合廣東清遠抽水蓄能電站監控系統項目，針對抽水蓄能電站的特點，依據模塊化、靈活性、獨立性、可擴性的原則，首次成功開發了基于H9000 V4.0的抽水蓄能電站計算機監控系統，現場運行情況良好，受到南方電網公司的書面嘉獎。有關蓄能監控新技術如下：

首次開發了完整的安全可靠的抽水蓄能機組控制流程；首次采用KKS編碼技術，信號編碼及控制流程的可讀性、可維護性強；首次開發了控制流程仿真測試軟件，直接嵌入LCU控制器，完成了蓄能機組全工況的自動仿真測試；首次采用軟SOE與硬SOE結合的方式，實現了系統全部狀態點和報警點的事件記錄，滿足了電站安全運行分析的要求；研發了抽蓄機組AGC、PJC及AVC功能，實現了蓄能機組的自動啟停、發電與抽水的工況轉換，負荷及電壓的調節。

1.4 H9000 V4.0 的推廣 應用

H9000 V4.0的成功開發，顯著提高了中水科技的市場競爭力。近10年來，中水科技積極參與市場競爭，參與“一帶一路”建設，先后完成了國內外200余套各類水利水電與新能源電站計算機監控系統工程，海外業績亦由中小型上升到大型及巨型水電站。其中：

（1）完成溪洛渡、向家壩、瀑布溝、梨園等40余套300MW及以上裝機的大型水電廠監控系統，在巨型水電站計算機監控領域業績全球最佳；同期還高質量完成了我國抽水蓄能國產化標志性工程——南方電網清遠抽水蓄能電站監控系統。

（2）完成20余套監控系統出口海外，特別是2017年，與國際水電巨頭同臺競標取得勝利，一舉中標巴西伊利亞、朱比亞兩座大型水電站及梯級集控中心監控系統的建設與改造工程，承擔委內瑞拉古里電站計算機監控系統改造工程，完成緬甸耶瓦水電站計算機監控系統改造。

（3）完成流域梯級水電廠集控系統30余套，其中包括金沙江梯級水電站成都遠方集控中心電調自動化系統、五凌電力集控中心電調自動化系統，特別是2018年簽約三峽梯級電站電調自動化系統，替換進口國外公司系統。

2 iP9000智能一體化平臺技術及其應用

針對水電及新能源領域自動化、信息化存在的一系列重大技術難題，如眾多自動化、信息化系統普遍存在信息孤島與互聯、互通、互動瓶頸，缺乏智能應用，缺乏決策支持平臺，等等，2011年以來，中水科技先后提出了智能水電廠自動化系統總體構想與總體規劃[9-10]，并于2015年整合內部資源，發揮監控、水情水調、狀態診斷、信息化等多專業的綜合優勢，提出了基于面向服務架構（SOA）的iP9000智能一體化平臺[11]架構，于2018年完成開發并在清江公司集控中心投入運行。該平臺力求以一種標準、通用、開放、可配置的平臺技術，滿足廣大水利水電及新能源用戶的不同需求，在平臺通用性、安全性、可擴展性、可定制化、可維護性以及與第三方系統的互動性等方面能力有顯著的提升。

iP9000智能一體化平臺的主要技術進步和特點[12]如下：

（1）面向對象。系統采用面向對象思維進行設計，數據、畫面、報警均采用面向對象的組織形式。

（2）支持非結構化數據、可在線維護的數據庫，支持任意類型的對象化數據、文件和圖像、視頻、音頻等非結構化數據的存儲。可在線編輯、修改、擴充數據庫的點、屬性、結構及表，可在線升級數據庫。支持高達百萬次/s的數據訪問和處理。

（3）標準化的公共服務。

（4）高度一體化的業務集成。系統基礎平臺提供安全I、II、III/IV區內統一的系統管理、數據分析、圖形、報表等功能支撐接口，完成各個應用的數據采集、數據同步、數據交換、對外通信、模型管理、文件管理。

（5）面向對象的人機聯系和可視化。

（6）圖-模-庫一體化。

（7）開放的第三方應用接入。

3 智能應用技術

iP9000為水利水電自動化、信息化及智能化應用提供了良好的開發、運行、維護與管理平臺。隨著平臺應用的不斷豐富，iP9000將顯示更強的生命力。

目前，中水科技已開發完善了下列成熟的iP9000智能應用。

3.1 三維仿真培訓與虛擬控制技術

2008年以來，虛擬培訓仿真和虛擬現實等新技術進步顯著，在智慧水利及智慧流域建設中大放異彩，處于國內行業領先地位。

2014年，完成了OTS2000系統三維虛擬現實技術開發，并于2015年成功應用于湖南省電力公司水電仿真培訓系統中[13]。OTS2000系統由H9000平臺提供的數據服務，建立仿真對象數學模型、三維模型，構建虛擬化的水電廠運行環境，實現水電流域全景及水電廠生產過程的全仿真，提供模擬設備操作、事故故障處理、檢修拆裝操作等功能，實現“教-學-練-考-評”一體化的培訓功能[14]。

2015年，按照面向對象及模塊化思想設計，開發出圖形化仿真建模軟件SimuStudio。目前已形成豐富的水電廠算法模型庫，包括有關主機設備元件模型，主要有水、機、電主系統，電氣主接線系統，輔機系統，電氣二次系統和廠用電系統等。軟件以圖形的方式描述仿真任務模塊，開發人員及用戶通過圖形可視化方式可快速開發、集成及調試仿真系統模型；軟件支持包括SimuLog語言在內的多種仿真建模語言，可以對算法模型庫進行擴充及模型算法的修正。

2017年，研究多通道投影、基于MEMS傳感器的人體動作捕捉及虛擬人驅動、AR等新技術，實現系統對多種VR/AR設備的自適應。建成虛擬現實及控制仿真實驗室，有關技術在智慧大渡河建設中得到推廣應用。

3.2 智能設備運行監視與智能狀態診斷技術

結合三峽右岸電站監控系統項目，2008年研發了iSMA2000 V1.0狀態監測分析系統，系統在線監測電廠各設備的運行狀況，分析設備的運行趨勢，以豐富的專家經驗支持電廠運行，并提供檢修指導[15]，具有泵設備遠程診斷分析功能[16]。系統已在三峽、瀑布溝、梨園、五凌電力等項目成功應用。

2018年，結合大渡河設備運行監測分析系統建設項目，開發iSMA2000 V6.0監測分析系統[17]，采用面向多維向量的協同推理機制，深入挖掘設備縱向和橫向數據，引入基于人工神經網絡的設備診斷分析模型算法，實現了設備狀態識別、故障預測及非機理性故障的自修復，大幅提升設備診斷分析的準確性和可靠性，具有健康感知、安全感知和性能感知能力，很好地滿足了電廠設備的智能分析需要。

3.3 智能數據設備管控[18]

2016年，開發了設備智能管控子系統。該子系統可跨安全I區、II區、III區部署，對各安全區網絡中的有關服務器、交換機、路由器、隔離裝置、縱向加密、動能環境系統、對時系統及操作系統、數據庫、應用中間件等進行監控，掌握系統運行狀態，及時準確定位故障，自動生成分析報表，建立和分派運維任務，提升系統維護管理效率。該功能已在五凌集控、向家壩電站等成功應用。

4 展望

隨著我國智慧化戰略貫徹實施、技術的不斷進步和水利、水電及新能源對運行管理要求的不斷提高，計算機監控相關技術將向下列方向發展：

（1）感知泛在化、數據資源整合化，水利、水電及新能源工程運行管理水平將進一步提高。

（2）大數據、人工智能技術將推動故障診斷技術大幅提升。

（3）虛擬數字流域或電廠將變為現實，仿真及人工智能將全面改變運行-維護管理模式。

（4）隨著“云、大、物、移、智”的普及，控制系統的網絡安全技術大有可為。