水电厂计算机监控技术回顾与展望

2019-02-16王德宽王桂平文正国韩长霖张卫君王峥瀛陈小松

水电站机电技术 2019年3期

王德宽，王桂平，文正国，韩长霖，张卫君，王峥瀛，陈小松

（北京中水科水电科技开发有限公司，北京100038）

过去的10年，随着我国电力体制的改革不断深入，巨型机组水电站建设进入高峰期，流域梯级水电“调控一体化”模式的出现，国家对水利的投入不断加大，以及大数据、互联网、云技术的蓬勃发展，不断促进以智能化、智慧化为标志的水利、水电与新能源计算机控制技术的发展。中水科技在不断完善H9000 V4.0系列计算机监控系统的同时，勇于创新，开发了以iP9000智能一体化平台为标志的众多新技术和新产品，形成了行业自动化、信息化成套解决方案，为水利水电行业不断变化的需求提供了有力的技术支撑。

本文主要回顾近10年来中水科技在计算机监控领域的技术进步，以及在信息化、故障诊断、智慧化及虚拟现实等技术领域的拓展，并对相关技术的未来发展趋势进行展望。

1 巨型电站群监控与梯级远程“调控一体化”技术

2005年，中水科技结合三峡右岸水电站计算机监控系统工程，开发了全新的H9000V4.0系统[1]后，结合三峡地电、溪洛渡、向家坝、瀑布沟等电站自动化工程，特别是2012年结合金沙江下游梯级电站成都远程“调控一体化”控制系统工程[2]的实施，开发了许多新功能，进一步丰富完善了H9000 V4.0系统的功能和性能，满足了多机组大容量巨型电站监控及远程“调控一体化”对控制系统安全性、稳定性和实时性等方面的要求。

1.1 梯级远程“调控一体化”新技术

金沙江下游梯级成都“调控一体化”控制系统的技术进步主要包括：

（1）首次实现了由溪洛渡、向家坝两电站构成的世界上最大的梯级水电站的远程“调控一体化”及现地“无人值班”（少人值守），被控对象包括26台770MW以上巨型机组、500kV开关站及泄洪闸门等，远程调节与控制的成功率为100%。

（2）国际上首次研制成功基于多服务器、多规约、多链路、相互校验的M-SPC高可靠性集群通信技术，各链路数据冗余传送，负载均衡，相互校验，无缝切换，通道多规约可选；首次研制成功通信双缓存异步处理技术，提升通信能力约10倍；首次发明104规约通信单边点表技术。显著提高了集控中心与电站通信的实时性、安全性与可靠性[3]。

（3）首次研制成功配置信息异地在线同步技术，解决了广域多站大型控制系统数据库描述文件、通信点表、画面、报表、计算库、闭锁库等配置信息同步的难题，提高了系统维护效率，避免了人工维护与同步产生的失误，确保广域多站控制系统之间配置信息的高效同步与系统安全。

（4）研制成功了面向设备对象、基于相关量分析的实时智能报警技术[4]。将海量信号按设备对象分组，建立信号与设备的关联树，通过报警流程、条件报警、延迟报警等手段，进行智能分析与推理，做到“该报必报，绝不多报”，避免次要报警对重要报警的湮没，把重要报警信号从海量报警中挖出来，显著减轻运行人员劳动强度。

（5）设计发明了独立的接机调试平台和“调控一体化”同步接机技术，实现了集控中心与电站同步、同台接机调试，显著提高了集控中心接机效率，创造了同类系统两年投运26台巨型机组且无误操作的世界记录[5]。

（6）在国网、南网的多电网调度模式下，实现发电计划的统一管理[6]，以梯级总势能消耗最小为目标，采用双适应度粒子群优化算法、协同进化、多进程等技术，寻求发电效益最大化，同时解决优化过程中厂间负荷大幅度转移等问题，实现梯级巨型电站“调控一体化”多调度、多厂站AGC联合应用。

（7）根据向家坝的特殊运行工况，在国际上首次研制成功SGJC大型水利枢纽发电航运安全与闸门实时优化远程控制技术[7]，在枢纽出库流量急剧变化时，SGJC采取自动、半自动方式确定补水及闸门优化控制方案，同时首次实现了集控中心远程自动控制闸门补水，确保枢纽下游水位及其变幅满足航运安全的要求。

（8）实现远程多电站闸门群成组预校验联控。首次实现梯级多电站闸门群成组预校验联控下令，经过闸门联控命令单预校验后，实时下发成组控制指令，同时动态监测闸门动作过程，自动实时检测操作结果，当发现闸门动作过程与下达指令不符时，第一时间停止该命令单操作。命令单预校验技术提高了闸门成组操作的成功概率。成组联控、动态监测、自动反馈等技术有效地保障了远程控制的效率与安全。

（9）在集控中心远程实现水利枢纽发电航运多目标实时优化控制。在发电流量急剧变化时，采取半自动或人工的方式，迅速对称开启可用闸门向下游进行泄流，实时控制枢纽下游水位变幅，变非恒定流为准恒定流。发电航运优化调度与自动发电控制（AGC）相互配合，对未来短期机组流量进行短期预测，尽量减少弃水。目前，在大江大河上实现此类远程实时自动控制功能尚属首例。

1.2 大型梯级水电站远程集控闸门控制新技术[8]

对于库容小、水头低的贯流式机组水电站，上游来水过大或线路跳闸、机组甩负荷等情况时，水位迅速上涨，有可能导致水漫大坝、水淹厂房风险。

2016年，在五凌电力实现了水电站泄洪闸门与动态负荷及水位自动联动功能。即：水位过高时，自动开启闸门，并根据水调系统来水过程线和负荷计划曲线，以发电效益最高为目标，生成未来24h闸门启闭计划，以自动或半自动方式，下发至闸门LCU执行，未来条件成熟时，操作人员不干预，由程序自动滚动生成启闭计划，并自动完成闸门启闭，实现水库优化调度。

1.3 抽水蓄能电站计算机监控新技术[9]

2016年，结合广东清远抽水蓄能电站监控系统项目，针对抽水蓄能电站的特点，依据模块化、灵活性、独立性、可扩性的原则，首次成功开发了基于H9000 V4.0的抽水蓄能电站计算机监控系统，现场运行情况良好，受到南方电网公司的书面嘉奖。有关蓄能监控新技术如下：

首次开发了完整的安全可靠的抽水蓄能机组控制流程；首次采用KKS编码技术，信号编码及控制流程的可读性、可维护性强；首次开发了控制流程仿真测试软件，直接嵌入LCU控制器，完成了蓄能机组全工况的自动仿真测试；首次采用软SOE与硬SOE结合的方式，实现了系统全部状态点和报警点的事件记录，满足了电站安全运行分析的要求；研发了抽蓄机组AGC、PJC及AVC功能，实现了蓄能机组的自动启停、发电与抽水的工况转换，负荷及电压的调节。

1.4 H9000 V4.0 的推广应用

H9000 V4.0的成功开发，显著提高了中水科技的市场竞争力。近10年来，中水科技积极参与市场竞争，参与“一带一路”建设，先后完成了国内外200余套各类水利水电与新能源电站计算机监控系统工程，海外业绩亦由中小型上升到大型及巨型水电站。其中：

（1）完成溪洛渡、向家坝、瀑布沟、梨园等40余套300MW及以上装机的大型水电厂监控系统，在巨型水电站计算机监控领域业绩全球最佳；同期还高质量完成了我国抽水蓄能国产化标志性工程——南方电网清远抽水蓄能电站监控系统。

（2）完成20余套监控系统出口海外，特别是2017年，与国际水电巨头同台竞标取得胜利，一举中标巴西伊利亚、朱比亚两座大型水电站及梯级集控中心监控系统的建设与改造工程，承担委内瑞拉古里电站计算机监控系统改造工程，完成缅甸耶瓦水电站计算机监控系统改造。

（3）完成流域梯级水电厂集控系统30余套，其中包括金沙江梯级水电站成都远方集控中心电调自动化系统、五凌电力集控中心电调自动化系统，特别是2018年签约三峡梯级电站电调自动化系统，替换进口国外公司系统。

2 iP9000智能一体化平台技术及其应用

针对水电及新能源领域自动化、信息化存在的一系列重大技术难题，如众多自动化、信息化系统普遍存在信息孤岛与互联、互通、互动瓶颈，缺乏智能应用，缺乏决策支持平台，等等，2011年以来，中水科技先后提出了智能水电厂自动化系统总体构想与总体规划[9-10]，并于2015年整合内部资源，发挥监控、水情水调、状态诊断、信息化等多专业的综合优势，提出了基于面向服务架构（SOA）的iP9000智能一体化平台[11]架构，于2018年完成开发并在清江公司集控中心投入运行。该平台力求以一种标准、通用、开放、可配置的平台技术，满足广大水利水电及新能源用户的不同需求，在平台通用性、安全性、可扩展性、可定制化、可维护性以及与第三方系统的互动性等方面能力有显著的提升。

iP9000智能一体化平台的主要技术进步和特点[12]如下：

（1）面向对象。系统采用面向对象思维进行设计，数据、画面、报警均采用面向对象的组织形式。

（2）支持非结构化数据、可在线维护的数据库，支持任意类型的对象化数据、文件和图像、视频、音频等非结构化数据的存储。可在线编辑、修改、扩充数据库的点、属性、结构及表，可在线升级数据库。支持高达百万次/s的数据访问和处理。

（3）标准化的公共服务。

（4）高度一体化的业务集成。系统基础平台提供安全I、II、III/IV区内统一的系统管理、数据分析、图形、报表等功能支撑接口，完成各个应用的数据采集、数据同步、数据交换、对外通信、模型管理、文件管理。

（5）面向对象的人机联系和可视化。

（6）图-模-库一体化。

（7）开放的第三方应用接入。

3 智能应用技术

iP9000为水利水电自动化、信息化及智能化应用提供了良好的开发、运行、维护与管理平台。随着平台应用的不断丰富，iP9000将显示更强的生命力。

目前，中水科技已开发完善了下列成熟的iP9000智能应用。

3.1 三维仿真培训与虚拟控制技术

2008年以来，虚拟培训仿真和虚拟现实等新技术进步显著，在智慧水利及智慧流域建设中大放异彩，处于国内行业领先地位。

2014年，完成了OTS2000系统三维虚拟现实技术开发，并于2015年成功应用于湖南省电力公司水电仿真培训系统中[13]。OTS2000系统由H9000平台提供的数据服务，建立仿真对象数学模型、三维模型，构建虚拟化的水电厂运行环境，实现水电流域全景及水电厂生产过程的全仿真，提供模拟设备操作、事故故障处理、检修拆装操作等功能，实现“教-学-练-考-评”一体化的培训功能[14]。

2015年，按照面向对象及模块化思想设计，开发出图形化仿真建模软件SimuStudio。目前已形成丰富的水电厂算法模型库，包括有关主机设备元件模型，主要有水、机、电主系统，电气主接线系统，辅机系统，电气二次系统和厂用电系统等。软件以图形的方式描述仿真任务模块，开发人员及用户通过图形可视化方式可快速开发、集成及调试仿真系统模型；软件支持包括SimuLog语言在内的多种仿真建模语言，可以对算法模型库进行扩充及模型算法的修正。

2017年，研究多通道投影、基于MEMS传感器的人体动作捕捉及虚拟人驱动、AR等新技术，实现系统对多种VR/AR设备的自适应。建成虚拟现实及控制仿真实验室，有关技术在智慧大渡河建设中得到推广应用。

3.2 智能设备运行监视与智能状态诊断技术

结合三峡右岸电站监控系统项目，2008年研发了iSMA2000 V1.0状态监测分析系统，系统在线监测电厂各设备的运行状况，分析设备的运行趋势，以丰富的专家经验支持电厂运行，并提供检修指导[15]，具有泵设备远程诊断分析功能[16]。系统已在三峡、瀑布沟、梨园、五凌电力等项目成功应用。

2018年，结合大渡河设备运行监测分析系统建设项目，开发iSMA2000 V6.0监测分析系统[17]，采用面向多维向量的协同推理机制，深入挖掘设备纵向和横向数据，引入基于人工神经网络的设备诊断分析模型算法，实现了设备状态识别、故障预测及非机理性故障的自修复，大幅提升设备诊断分析的准确性和可靠性，具有健康感知、安全感知和性能感知能力，很好地满足了电厂设备的智能分析需要。

3.3 智能数据设备管控[18]

2016年，开发了设备智能管控子系统。该子系统可跨安全I区、II区、III区部署，对各安全区网络中的有关服务器、交换机、路由器、隔离装置、纵向加密、动能环境系统、对时系统及操作系统、数据库、应用中间件等进行监控，掌握系统运行状态，及时准确定位故障，自动生成分析报表，建立和分派运维任务，提升系统维护管理效率。该功能已在五凌集控、向家坝电站等成功应用。