大數(shù)據(jù)融合下的智慧水利樞紐集成技術(shù)

盧陳濤

（浙江安防職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 溫州 325000）

珊溪水利樞紐集供水、發(fā)電、灌溉、防洪和生態(tài)等功能，如何實(shí)現(xiàn)所屬各生產(chǎn)單位“無人值班、少人值守”智能化調(diào)度目標(biāo)，提高溫州飛云流域的水能利用率，最終達(dá)到遠(yuǎn)程集約化運(yùn)行的現(xiàn)代化管理目標(biāo)，頂層規(guī)劃是重中之重。本文從工程實(shí)際情況出發(fā)，在各部門現(xiàn)有的運(yùn)行生產(chǎn)基礎(chǔ)之上，通過分析論證智能調(diào)度一體化平臺建設(shè)，以“運(yùn)管一體化”為主導(dǎo)思想，提出“信息標(biāo)準(zhǔn)化、系統(tǒng)整體化、決策智能化”特征的智能一體化管控平臺建設(shè)規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)水利樞紐安全運(yùn)行的重大目標(biāo)。

1 工程概況

珊溪水利樞紐工程是溫州市境內(nèi)飛云江干流控制性大型綜合利用水利工程，屬國家重點(diǎn)建設(shè)工程。工程包括珊溪水庫工程和趙山渡引水工程兩個部分，珊溪水庫控制流域3831 km2，水庫正常蓄水位142 m，最大壩高132.5 m，總庫容18.24億m3。趙山渡引水工程包括引水樞紐工程和輸水渠系工程，輸水渠系全長62 km，設(shè)計流量36 m3/s，年供水量8億m3。珊溪水利樞紐工程主要以灌溉和供水為主，兼有發(fā)電、防洪以及改善下游濱海平原河網(wǎng)水質(zhì)等綜合效益。

2 珊溪水調(diào)平臺存在的問題

目前，珊溪水利樞紐各生產(chǎn)單位主要采用各自獨(dú)立的運(yùn)行管理模式，獨(dú)立完成發(fā)電監(jiān)控、工程安全監(jiān)測、引水供水監(jiān)控、生產(chǎn)管理等業(yè)務(wù)。由于不同的業(yè)務(wù)均建立各自的運(yùn)行系統(tǒng)和管理模式，存在系統(tǒng)重復(fù)投資和生產(chǎn)現(xiàn)場人員多、各個崗位都缺人的嚴(yán)重現(xiàn)象，沒有實(shí)現(xiàn)集約化管理，與“無人值班、少人值守”智能化管控的目標(biāo)相去甚遠(yuǎn)。

（1）信息不能有效共享，水資源不能有效利用。不能充分利用珊溪水庫、趙山渡水庫的不同特性，實(shí)現(xiàn)上下游水庫聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度，協(xié)調(diào)完成引供水、防洪、發(fā)電等綜合任務(wù)，從而最大限度地發(fā)揮水調(diào)電調(diào)最優(yōu)配合，創(chuàng)造工程的綜合效益。

（2）調(diào)度系統(tǒng)設(shè)置獨(dú)立重復(fù)。由于不同的業(yè)務(wù)均建立各自獨(dú)立的自動化系統(tǒng)，因此自動化系統(tǒng)重復(fù)投資多，運(yùn)行維護(hù)成本較大。比如自動化的備品備件不能共享使用，造成的浪費(fèi)現(xiàn)象等。

（3）傳統(tǒng)的運(yùn)行管理模式已落后。隨著高科技的應(yīng)用和大數(shù)據(jù)時代的到來，各種智能化產(chǎn)品應(yīng)用得到普及，獲取的信息量大，人們的思維模式和生活需求發(fā)生了本質(zhì)的變化，對智能化、便捷化的生活、工作需求變得尤為凸顯，改變目前運(yùn)行管理模式是社會發(fā)展的大趨勢[1]。

3 智能化調(diào)度平臺建設(shè)思路

基于珊溪公司的自動化系統(tǒng)現(xiàn)狀，為達(dá)到智能化建設(shè)的目標(biāo)，需要完成以下任務(wù)：建立一體化平臺，實(shí)現(xiàn)通信平臺網(wǎng)絡(luò)化、樞紐信息數(shù)字化、信息共享標(biāo)準(zhǔn)化、高級應(yīng)用一體化、多系統(tǒng)間的聯(lián)動化、現(xiàn)地控制智能化。系統(tǒng)按照縱向分層、橫向分區(qū)的原則，以珊溪水利樞紐桐浦基地落成為契機(jī)，建設(shè)珊溪水利樞紐智能化，實(shí)現(xiàn)樞紐調(diào)度系統(tǒng)集中運(yùn)行；通過兩個發(fā)電廠的信息共享，達(dá)到水資源的優(yōu)化調(diào)度，保證供水和發(fā)電的穩(wěn)定性。最終形成珊溪公司具體的生產(chǎn)、業(yè)務(wù)調(diào)度中心，為引供水、防汛抗洪、發(fā)電調(diào)度、機(jī)組檢修等工作做出決策。

（1）統(tǒng)籌調(diào)度，集約管理。建立水利樞紐集中管理機(jī)構(gòu)，建立統(tǒng)一的水利樞紐調(diào)度集中控制，通過集約管理，全面實(shí)現(xiàn)水電機(jī)組、閘門的遠(yuǎn)程控制與調(diào)度、大壩安全管理、水情調(diào)度以及安全生產(chǎn)集中管理，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程集中控制、優(yōu)化系統(tǒng)調(diào)度、增加水資源高效利用，進(jìn)而使珊溪水利樞紐工程運(yùn)行管理工作從分散的點(diǎn)邁入統(tǒng)一、全面的科學(xué)管理，構(gòu)建珊溪水利樞紐運(yùn)行管理新模式[2]。

（2）實(shí)現(xiàn)集中管控，降低經(jīng)營成本。目前各生產(chǎn)單位自動化系統(tǒng)缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，在調(diào)度控制、專家決策、聯(lián)合監(jiān)控、圖像監(jiān)控、安全防護(hù)、信息通信等功能缺乏統(tǒng)一規(guī)范，未能從全局高度對珊溪公司各生產(chǎn)單位自動化系統(tǒng)的資源進(jìn)行整合。各生產(chǎn)單位的自動化系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，沒有統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，數(shù)據(jù)采集、存儲、處理缺少統(tǒng)一設(shè)計，各生產(chǎn)單位的自動化系統(tǒng)間數(shù)據(jù)共享不足。通過珊溪水利樞紐智能一體化的建設(shè)，可在桐浦基地實(shí)施珊溪公司下轄生產(chǎn)單位的日常生產(chǎn)監(jiān)控以及水庫優(yōu)化調(diào)度業(yè)務(wù)，有效減少各生產(chǎn)單位的現(xiàn)場調(diào)度、運(yùn)行人員數(shù)量，提升珊溪公司水電生產(chǎn)管理的科技水平。依托智能化管控一體平臺實(shí)現(xiàn)珊溪公司兩座水力發(fā)電廠和渠系集約管理，提高業(yè)務(wù)效率。

（3）統(tǒng)籌水電聯(lián)調(diào)，提高生產(chǎn)效益。通過構(gòu)建經(jīng)濟(jì)運(yùn)行系統(tǒng)，建立科學(xué)的優(yōu)化調(diào)度模型和高精度的水文預(yù)報模型，可對各電廠的整體調(diào)度和發(fā)電過程進(jìn)行有效優(yōu)化控制，充分發(fā)揮各電站的水力補(bǔ)償和電力補(bǔ)償作用，通過優(yōu)化梯級電站間水量分配，洪水資源化利用、機(jī)組高效率區(qū)運(yùn)行等技術(shù)手段，有效提高樞紐工程的發(fā)電效益。

4 智能化調(diào)度平臺規(guī)劃內(nèi)容

（1）數(shù)據(jù)采集總線。建設(shè)靈活、可擴(kuò)展、符合國際標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集總線。珊溪水利樞紐智能化建設(shè)的數(shù)據(jù)采集涉及生產(chǎn)運(yùn)行中各種類型的設(shè)備與裝置，如水力發(fā)電廠、引水渠系計算機(jī)監(jiān)控設(shè)備、勵磁繼電保護(hù)裝置、閘門遠(yuǎn)控系統(tǒng)、在線監(jiān)測設(shè)施等，將各類關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)在一體化運(yùn)行平臺共享，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同源化，避免同源不同值問題。按照統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，各系統(tǒng)在平臺交換數(shù)據(jù)，達(dá)到數(shù)據(jù)利用高效性。

（2）應(yīng)用管理平臺。以數(shù)據(jù)中心為核心，構(gòu)建插件式、開放、可擴(kuò)展動態(tài)應(yīng)用管理平臺。珊溪水利樞紐智能化建設(shè)的各現(xiàn)地自動化系統(tǒng)，負(fù)責(zé)現(xiàn)地不同類型的信息管理與運(yùn)行控制，并將實(shí)時的運(yùn)行數(shù)據(jù)匯總在中心平臺。數(shù)據(jù)中心提供標(biāo)準(zhǔn)的電廠模型化資源，提供實(shí)時、歷史數(shù)據(jù)分析處理服務(wù)。作為珊溪公司智能調(diào)度的數(shù)據(jù)源，為珊溪公司建立插件式、開放、可擴(kuò)展動態(tài)應(yīng)用管理平臺，將各種應(yīng)用作為服務(wù)插件進(jìn)行總體整合，形成各類基礎(chǔ)應(yīng)用動態(tài)組合，智能決策總體分析面向調(diào)度服務(wù)的體系架構(gòu)。

（3）自診斷智能化功能。融合多類專家知識庫與分析模型，實(shí)現(xiàn)診斷、適應(yīng)、自愈的智能化功能。水電廠生產(chǎn)運(yùn)行涵蓋調(diào)度運(yùn)行、專家決策、梯級監(jiān)控、水庫調(diào)度、圖像監(jiān)控、信息通信等各應(yīng)用領(lǐng)域。機(jī)組正常運(yùn)行、水庫調(diào)度，以及工程安全監(jiān)測，全過程存在多種狀態(tài)診斷、調(diào)度決策、安全分析等綜合分析決策應(yīng)用，目前已具備多類專家知識庫或分析模型支持其智能化的建設(shè)。

（4）應(yīng)用安全體系。強(qiáng)化以安全防護(hù)為基礎(chǔ)的應(yīng)用安全體系。安全防護(hù)是水電站運(yùn)行的前提與基礎(chǔ)，提供必要的運(yùn)行安全防護(hù)措施是智能化水利樞紐運(yùn)行的必要條件。建立一種包括監(jiān)控后臺、現(xiàn)地所有站控層的一體化防護(hù)。監(jiān)控后臺、遠(yuǎn)動防護(hù)閉鎖規(guī)則具有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型、統(tǒng)一的閉鎖規(guī)則組態(tài)、統(tǒng)一閉鎖邏輯判斷。簡化防護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，兼顧站控層各種設(shè)備的需求。此外將門禁系統(tǒng)、無線巡檢系統(tǒng)、消費(fèi)系統(tǒng)、生產(chǎn)管理系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一組織，生成電子地圖，實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)的聯(lián)動功能。

（5）信息發(fā)布平臺。構(gòu)建統(tǒng)一的可識別的信息發(fā)布平臺。珊溪水利樞紐調(diào)度平臺建設(shè)應(yīng)包含分析模型資源、監(jiān)控數(shù)據(jù)等各類生產(chǎn)運(yùn)行調(diào)度環(huán)節(jié)，并通過平臺統(tǒng)一進(jìn)行展示發(fā)布。運(yùn)行調(diào)度系統(tǒng)利用二維三維GIS 技術(shù)、通過信息發(fā)布平臺進(jìn)行生產(chǎn)運(yùn)行過程信息的圖形化、圖像化展示與發(fā)布[3]。針對整個珊溪公司的各種資源設(shè)施，建設(shè)數(shù)字化平臺，以三維大壩、三維水電廠、三維輸水渠系為基礎(chǔ)，進(jìn)行數(shù)字化整合，實(shí)現(xiàn)二維、三維信息互動，利用資源信息實(shí)現(xiàn)三維數(shù)字化水電廠的快速資源定位與模擬仿真，形成統(tǒng)一的珊溪公司智能化可視化信息發(fā)布應(yīng)用管理平臺。

（6）梯級管控目標(biāo)。以梯級調(diào)度為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)梯級一體化管控目標(biāo)。溫州珊溪水利樞紐智能化建設(shè)的業(yè)務(wù)應(yīng)充分考慮珊溪公司的調(diào)度特點(diǎn)，利用梯級調(diào)度模型，結(jié)合上下游水庫特性，發(fā)揮梯級調(diào)度的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)上下游電站的調(diào)度智能化、一體化，使梯級電站整體效益最大化[4]。

5 創(chuàng)新與展望

（1）構(gòu)建具備水、電耦合機(jī)制的樞紐經(jīng)濟(jì)調(diào)度模式。構(gòu)建完整的“調(diào)度-執(zhí)行-反饋-修正-再調(diào)度-再執(zhí)行”在線閉環(huán)調(diào)度與控制體系，依賴計算機(jī)24 h不間斷運(yùn)行的能力，及時反饋調(diào)度方案在執(zhí)行過程中的偏差，并自動對原調(diào)度方案進(jìn)行實(shí)時修正。通過信息交互、策略共享以及實(shí)時反饋等機(jī)制，形成涵蓋非實(shí)時水庫調(diào)度和實(shí)時電力運(yùn)行的動態(tài)系統(tǒng)，能夠?qū)Ω黝愑绊懸蛩刈龀黾皶r、正確的響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)樞紐的動態(tài)優(yōu)化調(diào)度。同目前傳統(tǒng)的梯調(diào)優(yōu)化調(diào)度相比，流域經(jīng)濟(jì)運(yùn)行可以提高水能利用率、減少棄水量、增加發(fā)電量，通過聯(lián)合的水文補(bǔ)償和電力補(bǔ)償，提高聯(lián)合保證出力和調(diào)峰能力以外，還能夠大幅度提高水庫調(diào)度與電力運(yùn)行的自動化水平，在保護(hù)發(fā)電機(jī)組及其輔助設(shè)備的同時顯著提高供電質(zhì)量，并且提高實(shí)際調(diào)度過程與預(yù)想調(diào)度過程的一致性，促使電力運(yùn)行更加平穩(wěn)。

（2）流域遠(yuǎn)程集中“運(yùn)管一體化”調(diào)控模式。目前，珊溪公司的各生產(chǎn)單位仍然采用現(xiàn)場屬地原則，各水電廠分散的運(yùn)行管理方式不僅降低了樞紐梯級電站的運(yùn)行能力，更使水資源造成嚴(yán)重浪費(fèi)。溫州珊溪水利樞紐應(yīng)以運(yùn)營一體化的調(diào)控平臺，對下轄電廠（渠系）進(jìn)行統(tǒng)一遙測、遙信、遙控、遙調(diào)和遙視功能的同時，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、科學(xué)化、集約化的支撐體系

（3）基于虛擬服務(wù)器的計算機(jī)設(shè)備體系。溫州珊溪水利樞紐智能一體化管控平臺將接入珊溪、趙山渡、高湖等電站以及引水渠系，種類較多。為完成溫州珊溪水利樞紐智能一體化管控平臺遠(yuǎn)程集中監(jiān)控系統(tǒng)與各電廠（渠系）計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的通信，按照傳統(tǒng)模式，通常采用以下兩種方案：第一種方案是每個生產(chǎn)現(xiàn)場通信分別配置一套冗余的通信機(jī)名，第二種方案是由兩臺冗余的實(shí)時數(shù)據(jù)庫服務(wù)器完成與其他廠站的通信。對于第一種方案而言，溫州珊溪水利樞紐智能一體化管控平臺遠(yuǎn)程集中監(jiān)控系統(tǒng)共需配置約6 臺廠站通信機(jī)，硬件設(shè)備投資較大且設(shè)備利用率不高；對于第二種方案而言，由于各水電廠（渠系）通信功能均由兩臺實(shí)時數(shù)據(jù)庫服務(wù)器完成，系統(tǒng)運(yùn)維時各電廠（渠系）數(shù)據(jù)庫相互影響，給樞紐生產(chǎn)安全帶來一定隱患。因此，采用國產(chǎn)虛擬服務(wù)器構(gòu)建溫州珊溪水利樞紐智能一體化管控平臺安全I(xiàn)區(qū)計算機(jī)設(shè)備體系。通過采用虛擬化技術(shù)，不需要為每個電廠均配置一套冗余的通信服務(wù)器，而只需配置一套冗余通信服務(wù)器即可。通過采用虛擬化技術(shù)，物理主機(jī)將被虛擬化為各類資源池，當(dāng)資源池里某個節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，虛擬機(jī)自動前移到另一物理主機(jī)上。因此，系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性也將得到進(jìn)一步提高。此外，由于各虛擬通信服務(wù)器之間完全隔離，可以按照廠站為單元開展系統(tǒng)運(yùn)維，將系統(tǒng)運(yùn)維工作對遠(yuǎn)程集中監(jiān)控業(yè)務(wù)的影響程度降到最低。

（4）基于調(diào)度一體化智能平臺體系。溫州珊溪水利調(diào)度管控平臺應(yīng)構(gòu)建水調(diào)自動化、遠(yuǎn)程控制、大壩安全監(jiān)測等應(yīng)用于生產(chǎn)管理的調(diào)度一體化管控平臺體系。根據(jù)統(tǒng)一的通信總線，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用、服務(wù)、數(shù)據(jù)一體化設(shè)計。構(gòu)建安全區(qū)域I、II 及管理信息區(qū)域的智能調(diào)度平臺，開展各類信息業(yè)務(wù)，解決自動化和信息化系統(tǒng)管控困難、各自獨(dú)立、調(diào)度水平不高等問題[3]。

6 智能規(guī)劃后效益分析

通過機(jī)組和水庫最優(yōu)工況運(yùn)行，可以提高設(shè)備經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平，使水資源利用最大化，提高經(jīng)濟(jì)效益。通過提高機(jī)組運(yùn)行自動化水平和安全水平，可為電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行提供更加可靠的電源保障。

（1）優(yōu)化聯(lián)合調(diào)度效益。通過珊溪、趙山渡兩廠聯(lián)合運(yùn)行和引水渠系及水資源的綜合利用，提高珊溪公司經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平。

（2）減少棄水，增加發(fā)電、供水效益。通過水利樞紐的聯(lián)合調(diào)度，按水能和電能的綜合平衡來考慮各電廠發(fā)電量，使水庫的棄水減到最少。投入經(jīng)濟(jì)調(diào)度與控制系統(tǒng)（EDC）功能后，可以做到充分利用水資源，合理分配各電廠電量，使上游水電廠發(fā)電的水量在下游水電廠的發(fā)電環(huán)節(jié)中得到最大利用，下游水電廠的棄水降到最低。

（3）減少機(jī)組頻繁啟停產(chǎn)生的效益。通過梯級水電廠的EDC 和AGC 聯(lián)合運(yùn)行，不僅考慮了單個電廠機(jī)組間躲避振動區(qū)，同時考慮電廠之間機(jī)組聯(lián)合躲避振動區(qū)的問題，既滿足了電網(wǎng)要求又保證了電廠安全、穩(wěn)定運(yùn)行需要的各種安全閉鎖條件以及常規(guī)控制和開停機(jī)控制的完整結(jié)合，對提高設(shè)備的使用能力，延長設(shè)備的使用壽命，減少機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行時間，減少機(jī)組的頻繁啟停所造成的損害，效益顯著。

（4）減員增效產(chǎn)生的效益。智能化建設(shè)完成后，實(shí)行集中管理將大幅度提高電廠運(yùn)行效率，人工費(fèi)用大大降低，減輕現(xiàn)場工作人員的勞動強(qiáng)度，減少現(xiàn)場的運(yùn)行人員、維護(hù)人員數(shù)量。

（5）建設(shè)電能量、供水量系統(tǒng)產(chǎn)生的效益。電能量、供水量系統(tǒng)的建設(shè)，可使企業(yè)準(zhǔn)確地對電能量供水量計量，提供準(zhǔn)確發(fā)電量、上網(wǎng)電能量和供水量數(shù)據(jù)，對結(jié)算和收費(fèi)提供可靠的依據(jù)。

7 結(jié)語

溫州珊溪水利樞紐通過搭建智能一體化管控平臺，進(jìn)行集控中心中控室和機(jī)房工程設(shè)計、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。通過系統(tǒng)的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)溫州珊溪水利樞紐下屬電站和渠系的遠(yuǎn)程監(jiān)控五遙（遙信、遙測、遙控、遙調(diào)、遙視）功能，以及水調(diào)電調(diào)、引水供水集中調(diào)度功能。從而實(shí)現(xiàn)決策支持系統(tǒng)建設(shè)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)系統(tǒng)化、經(jīng)營管控規(guī)范化、領(lǐng)導(dǎo)決策智能化。以智能一體化管控平臺為基礎(chǔ)，進(jìn)行現(xiàn)地系統(tǒng)智能化改造，包括計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、防雷系統(tǒng)、繼電保護(hù)系統(tǒng)等，完善相應(yīng)系統(tǒng)的統(tǒng)一接口，按照“數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化”要求，達(dá)到整個水利樞紐的智能化目標(biāo)。