水电站综合信息平台技术与应用

殷继明，沈才山，熊韬

(广西长洲水电开发有限责任公司，广西梧州543002)

随着水电站成功投运微机调速器、微机励磁调节器、微机继电保护、直流电源系统微机控制器、水机可编程自动化控制等，水电站生产管理系统也逐渐应用计算机开展自动化和信息化建设，除水电站自动化监控系统正在实施外，相关的大坝安全监测系统、水情测报系统等已投入运用。它们在提高行业管理水平，确保水电站安全、经济、优质运行，提高企业效益方面起到了很大的作用。但是目前大多还停留在单个独立系统运行状态，各系统相互独立，还没有形成资源信息共享，不能最大限度发挥各系统的作用。因此建立一个综合信息平台，整合信息资源，利用计算机网络技术，把各监测子系统组成局域网络，采用数据库管理系统，把各子系统数据集中管理，应用Web技术搭建综合信息发布系统。

1 数字化水电站建设的内涵

数字化水电站是以网络为基础、水力联系和电力联系为纽带、能源转换控制设备为载体、安全经济运行为目标，融合仿真、控制和信息三位一体技术实现水电站的运行控制和管理的系统平台。一般要求具有五大核心功能:过程监控、优化分析、操作指导、事故诊断、负荷分配。数字化水电站采用流程工业的CIMS理论来设计数字化水电站的体系结构，在水电站先进控制系统和安全高效的网络平台、数据库平台基础上，基于国际最新的理论和研究成果整合电厂管控一体化系统，用先进的管理思想和信息技术对电厂的经营和生产管理系统进行全面设计，使信息技术与工业技术、管理技术全面融合，全面提升水电站的生产和管理水平，增强企业竞争力。

1.1 数字化水电站设计思想和层次结构

通过对CIMS企业通用模型的研究并结合水电站的实际情况，架构了一个具有4个层次，两个支持系统的层次结构模型，四个层次分别是直接控制层、管控一体化层、生产管理层、经营决策层；两个支持系统是数据库支持系统和计算机网络支持系统。见下图1。

(1)直接控制层:

该层是指生产过程的数据采集和直接控制(SCADA-DCS)，包括单元机组、单元主变、单元线路以及油、气、水等辅助控制系统LCU构成的DCS。目前技术的发展是以现场总线为代表的先进控制系统。基于高性能DSP和嵌入式系统的前端控制装置通过现场过程总线形成分布SCADA-DCS系统。

图1 数字化水电站设计结构图

(2)管控一体化层:

该层为厂级监控系统(SIS)，它完成厂级生产过程的监控，结合管理层的信息，对控制系统进行整体优化和分析，为过程控制层提供操作指导，该层是管理和控制之间联系的桥梁，是对传统控制系统概念的延伸，是目前学术和工程界研究的热点。

(3)生产管理层:

生产管理层主要为全厂生产调度提供服务，以状态检修为中心，以设备为基础，以完成发电量为目标，优化水电站各机组的生产计划和策略，实现全厂的安全高效经济生产，该层是数字化水电站管理信息的基石。

(4)经营决策层:

根据区域内电力市场信息，综合考虑防洪、航运等约束条件下的收益最大目标，以水库为对象，寻求整体最优,对水电站的经营、生产、目标和发展规划提出决策支持。该层是数字化电厂的系统入口和决策枢纽。

(5)数据库支持系统:

以关系数据库和实时数据库为基础的面向数据主题的水电站数据仓库构成了数字化水电站的数据库支持系统，实现数字化水电站信息的分析、提炼、集成和应用，为水电站的高级分析决策提供支持。

(6)计算机网络支持系统:

以ATM和千兆以太网为代表的先进组网技术为核心，结合Qos保障、系统-网络-终端三级安全策略、目录管理统一认证等先进技术，构成数字化水电站的计算机网络支持系统。

1.2 数字化水电站的功能结构

数字化水电站应是在数据仓库基础上的对电厂物流、资金流、信息流进行综合分析的集成系统，其功能体系应涵盖电厂生产经营和决策等各个方面，追踪国际最新的研究和技术进展，数字化水电站应包括厂级监控信息系统(SIS)即管控一体化系统、电厂企业资源规划系统/资产管理系统(ERP/EAM)、发电报价决策系统。前者融合了多种管控数据对水电站的控制系统进行最优决策，解决水电站传统控制系统和管理系统的数字鸿沟；后者以计划预算为入口，以设备状态检修为中心，对水电站的资产进行全面管理；而发电报价决策系统以最优上网电价为目标，对全厂的经营活动进行最优经济决策。

图2 功能结构图

1.3 系统特点

通过对水电站的需求分析，在系统结构及运行机制上仿人类社会的组织和行为机理，采用计算机网络等先进技术，并与电厂监控、状态监测、诊断维修、水情测报等自动化系统相集成，进而使数字化水电站具备如下特点:

(1)秉承CIMS/ERP的哲理，系统的设计思想和层次结构具有理论的严密性和实际可操作性。

(2)采用动态企业建模技术、软件重构技术、面向对象技术设计，保证水电站运作流程变化后的系统适应。

(3)通过系统配置工具(包括系统建模工具、模型仿真工具、实施工具)使系统快速实施，并保证系统有良好的扩展性和软件模块的可重用性。

(4)可行的优化算法可使水电站的各个系统在仿真优化的前提下按最佳方案运行，从而保证了系统的先进性和可靠性。

(5)先进的组网技术和信息平台为系统连续稳定运行提供可靠支撑。

(6)先进的数据仓库和数据挖掘技术能自动地进行挖掘分析工作，剖析任意层面数据的内在联系，最终确定企业业务的发展趋势和规律。

数字化水电站所具有的仿真功能不仅能对水电站现状进行综合评价与量化分析，而且还可以对水电站未来发展进行动态三维空间描述、预测、并进行虚拟现实的前瞻性分析。以水电站运行系统为对象，建立对象的物质、能量、信息的映射关系及其逻辑链路描述，是本研究数字化水电站的技术创新和技术突破的关键所在。因此，以复杂系统理论、系统工程思想、信息技术原理、现代仿真技术和综合集成方法指导研究工作的分析和实施，以达到数字化水电站设计的目标要求。

2 数字化水电站的建设策略

随着我国电力行业“厂网分开，竞价上网”电力市场的起步和发展，作为一个发电企业，在安全性、可靠性约束条件下，追求利润的最大化是它的主要目标。因此水电站的管理重点从传统的计划生产，逐步过渡到基于科学调度和竞价决策的市场化生产。

传统意义和功能上的水电站计算机控制与信息系统只能起到一个生产过程控制和数据收集的作用，实现生产、运行、管理数据的采集、存储、展现的功能，但存在几个问题:

(1)数据基本上是一种相对的静态，数据分析的功能很少，缺少有效的决策支持，在决策过程中，不可能亲自去查阅大量基本数据，更何况这些数据可能散布在水电站各个部门，于是决策多依靠经验判断，存在很大的盲目性。

(2)对设备的管理通常局限在设备的台账、检修记录、消缺记录等单一静态的记录上，设备从发现缺陷到检修消缺的管理过程缺乏科学的管理流程及对流程的监督考核管理。

(3)缺乏总体数据规划和数据(应用)整合，存在或多或少的“信息孤岛”，部分数据有冗余和二意性，不能融合到整个管理信息平台上。

(4)功能上缺乏与电力市场技术支持系统的接口和相关的辅助服务功能，只实现了单一的接收信息和报价的功能。

在电力市场环境下数字化水电站的建设，从技术层面上看，需要综合采用企业信息门户(EIP)技术、企业应用整合(EAI)技术、企业设备资产管理(EAM)技术、工作流(WorkFlow)技术、数据挖掘(DataMining)技术，决策分析模型等来构架，通过这些技术手段，能将发电企业的全部信息整合在一个统一的平台上，在ERP的思想指导下，运用可定义的工作流，对生产调度、设备运行等原子的业务模块进行规划；用合理的决策分析模型，对企业的生产成本、设备折旧、物资消耗、报价策略进行分析，完成一个发电企业的信息化管理。此外，还需要通过信息安全技术，来保证电力市场中的对手不能了解到本企业的经营状况、发电成本、报价策略和报价信息等数据。

运用ERP思想来重新规划电厂MIS，是现阶段电厂MIS建设的重要手段。ERP(EnterpriseRe-sourcePlanning企业资源计划)。从广义来讲，水电站也是一个生产企业，是一个依赖不确定性河川径流的非线性动力系统，它同样存在信息流、资金流和物质流在企业的流动。将ERP的管理思想和软件结构用于数字化的建设中，是解决电力市场中水电站的新需求的可行方法。ERP是市场竞争全球化形势下一种面向企业供应链的管理方案。为此，长洲电厂数字化水电站建设的实施策略上应作如下考虑:

a)实时运行信息管理:主要依托实时系统，遵循国家电网的二次防护网络要求，从机组监控系统、水情系统、闸门调度系统、电能计量系统、机组在线监测系统提取相关主要信息。主要包括实际出力和计划出力、电网频率、机组主要运行参数、主要经济指标数据等，这些数据主要用于实时监测和考核各机组的实际运行状况，动态掌握全厂各机组的运行效率、变动成本等经济指标。

b)设备状态长期监控管理:依托生产信息管理系统，收集设备的缺陷、技术监督数据、定值数据，根据不同设备的劣化模型，合理的预测、规避设备的风险，制定合理的设备检修计划，使电厂设备安全稳定的运行。同时，根据这些数据可以合理的制定仓库备品备件数量，通过与物资管理系统的数据交互，可以确保电厂安全运行的同时降低仓库库存。在集团化库存的概念下，还能整合各电厂库存资源作为集团仓库，合理的调配各个电厂的资源。

c)办公自动化管理:办公自动化管理不仅仅是实现无纸化办公的初级阶段。通过对具体流程的设置，不仅仅明确了每项工作的步骤，强制的规范了每项工作的流程，同时通过数字签名和防抵赖系统有效的强化了每个环节的负责人的责任感。电厂决策人员也可以了解到每项工作的进展情况，以及相关环节的效率。不仅有利于追踪重要工作的进展近况，而且有利于优化工作流程或环节，提高工作效率。由于与实时系统的数据交换，能够在公共系统中了解整个电厂运行情况，例如:机组工况、水情数据等等。

d)辅助决策支持管理:以往的决策数据是相对独立的，例如水情系统的流量、水位、预报数据，电量系统发电量数据，机组在线监测系统的机组状态分析数据等。通过实时系统的数据交互，可以整合至信息平台，完成对决策数据的管理。可以对这些数据自动的生成报表、曲线，能更加直观的从多维度了解水情、机组状态、发电量之间的关系，预测来年的趋势，做好来年的各项决策。

e)模拟成本效验:给出一个日发电计划，系统根据物资成本，计算出该日发电计划的单位发电成本。

f)接收与报价:提供一个接收网上数据的环境。接收网上竞价的各类数据，并保存在数据库中，供查询和分析。按本省电力市场的运营规则的要求，提供发布和申报上网的数据的环境，可发布机组的基础数据和向电力市场技术支持系统申报各时段的价格。

g)设备资产管理系统:由资产管理、预算、设备、库存、采购、工单及工单申请、计划、任务和预防性维修、职员等模块构成。

图3 工作票流程图

随着我国经济的高速发展和改革开放的深入以及中国加入WTO，水电能源行业的运营模式也发生了很大的变化，逐步引入了新的商业模式；同时电力行业也在进行公司制改革、商业化运营和法制化管理，加强和提升核心业务，积极有效地发展多种产业，努力把电力企业建成控股型、经营型、现代化、集团化管理的国际一流电力企业。在这个过程中，水电站综合信息平台的建设是相当重要的；通过实时系统将机组监控系统、水情系统、闸门调度系统、在线监测系统等相关系统的数据集中整合至MIS网络，通过与生产管理信息系统本身的管理的数据再分析、再处理，形成更具有效的信息、数据集合，给与电厂决策支持，从而达到综合信息平台的功能，即在安全的前提下最终提高电厂的管理效率、生产效率，降低生产成本。

图4 缺陷流程图