面向智慧水电厂的iP9000智能一体化平台

王德宽，张 煦，文正国，张卫君

（北京中水科水电科技开发有限公司，北京100038）

党的十九大把“数字中国”、“智慧社会”作为加快建设创新型国家的重大举措，提出“推动互联网、大数据、人工智能和实体经济深度融合”。水电行业作为实体经济的重要领域，多年来围绕“智慧化”、“智能化”，开展了大量研究工作。早在10多年前，国内企业结合巨型电站建设和IEC61850等标准的提出，推动了自动控制系统的通信服务接口、高可靠性控制、数据建模等技术发展；2010年以来，结合大数据的发展，开展了机电设备大数据状态诊断等方面的研究。最近几年，在十九大报告总体要求和国家能源局《关于推进“互联网+”智慧能源发展的指导意见》的基础上，行业内的技术企业和专家，以及一些互联网公司和高校，针对如何建设智慧水电厂，推动“云、大、物、移、智”等新型信息化技术与行业技术的结合，提出了大量的方案和建议，一定程度上为智慧水电厂建设提供了技术发展思路，但同时，一些方案脱离了水电行业运维管理实际和专业应用技术发展阶段，难以落地和发挥作用，也使智慧水电厂建设出现了一定程度的乱象。

作为水电自动化解决方案的主要研制单位之一，近年来，北京中水科水电科技开发有限公司（以下简称“中水科技”）一方面积极开展水电行业智慧应用的研究，一方面也慎重思考，通过与广大用户、设计单位和新型互联网企业的大量交流，反复梳理技术思路，逐步形成以iP9000智能一体化平台为核心的智慧水电厂总体解决方案。

1 智慧水电厂的特征与建设需求

1.1 智慧水电厂的特征

随着自动化、信息化和管理科学技术的发展，水电厂的管理模式不断创新，从早期的计算机参与自动控制，到应用高可靠性计算机监控系统和自动化设备实现“无人值班，少人值守”，再到各类专业应用软件支撑运行检修决策，不断向“少人”和“智能”的方向演进。智慧水电厂，是以“OT+IT”、“云、大、物、移、智”等新型信息化技术为背景提出的新型水电厂管理模式，具有以下显著特征：

（1）具备统一存储、管理、整合、分析水电厂各安全区、各系统产生的海量数据的能力，包括视频、音频等非结构化数据。

（2）充分应用大数据、人工智能等新技术手段，形成具有数据分析和推理能力的智能软件，支持运行、维护与管理的决策。

（3）各应用软件基于统一平台提供的服务，互联互通，相互协调，实现多系统或多种设备的联动运行。

（4）具有丰富、高展示度的业务界面，能够有效提取归纳业务要素，根据管理、运行、维护等不同应用需求提供交互界面，应用虚拟现实等展示技术再现工程管理环境。

（5）过程层设备数字化、网络化水平得到提升，传统传感器与视频分析、MEMS、RFID等新型感知技术相结合，形成实时、全面、精准的传感网络。

1.2 构建智慧水电厂的3个维度

智慧水电厂建设是一项复杂的系统工程，需从新型IT技术的运用、水电厂管理科学的进步和行业应用技术的发展等不同维度思考。其中，行业应用技术是本节重点讨论的内容。

（1）IT技术要素。云计算、大数据、物联 网、移动互联网、人工智能等新型IT技术的发展，为智慧水电厂建设提供了基础技术保障。近几年，以“BAT”、华为等为代表的企业，推动新型IT技术快速发展。但应引起注意的是，新型IT技术必须与行业需求深度融合才能发挥作用，应避免概念化、空心化。

（2）管理模式要素。技术进步驱动企业组织形态和管理模式不断变革、创新，管理模式的进步也促进了新技术的应用和发展。近年来，不少发电企业在管理模式方面开展了许多有益的创新和实践，减少管理层级，优化管理机构，实现业务量化、数据化，逐步探索满足智慧电厂要求的运管模式。

（3）行业应用技术要素。行业应用技术是管理模式执行的手段，是耦合行业需求和新型IT技术的纽带，是驱动智慧水电厂建设的关键。水电厂在安全经济运行、设备状态诊断与预警、多业务信息共享与联动、生产系统建模与仿真、生产数据可视化等方面需求明确，要求不断提高。

1.3 智慧水电厂的应用技术需求

从行业应用需求出发，应用技术发展目标有下述5个方面：

（1）监测传感的泛在化。通过传感技术革新，提高物联化水平，实现对电厂生产和经营管理的全方位监测。

（2）数据的整合化、资源化。汇聚、清洗来源广泛的各类业务数据，为不同应用统一提供数据接口服务，实现数据的有效共享；同时深度挖掘数据价值，具备数据驱动管理的能力。

（3）工程运行的智能化。实现跨系统协同控制功能，自动分析电网调度、设备运行、电力市场、气象等条件，提高工程经济运行水平；关键信号和报警信息能够按照级别、分工等自动推送到人，并自动驱动相应的业务流程、提供应急策略。

（4）分析决策的自动化。能够运用大数据处理技术，综合计算机监控、视频、机组状态监测等数据，实现对各机组健康、安全、性能等状态预测分析，发挥早期预警、预测作用，并自动向管理人员提供决策建议。

（5）业务管理的标准化。发电运行管理指标全面数据化、标准化，提高设备、生产、维护、检修、计划财务等行为的一致性；应用移动终端、APP等多种应用方式，保障信息共享和业务快速处理。

综合5个方面的应用需求，可以知道，智能化水电厂的研究重点包括：智能传感器，具备数据管理分析能力和水电厂运行核心业务的智能一体化平台，以及各类智能应用软件。根据业务基础，中水科技主要将研究重点放在智能一体化平台和智能应用软件上，近几年不断加深研究，并已形成广泛适用的智慧水电厂解决方案，即“iP9000智能一体化平台+智能应用”，这一方案对包括传感器在内的硬件环境完全兼容，完全适用于新建和改造电厂。

2 iP9000智能一体化平台的设计思路

2.1 平台的目标定位

作为满足智慧水电厂应用核心需求的软件系统产品，iP9000智能一体化平台定位于实现“3种平台”功能，为智慧水电厂构建“4个环境”，形成符合行业现状和发展趋势的综合解决方案。

（1）“3种平台”。即iP9000智能一体化平台同时具备计算机监控系统平台、高级应用软件平台和大数据平台的功能。

（2）“4个环境”。iP9000平台为智慧水电厂应用提供运行环境、集成环境、维护环境和开发环境。

2.2 总体设计原则

基于系统的定位和适用环境，iP9000系统设计遵循的主要原则为：安全性原则、开放性原则、一体化原则和兼容性原则。

2.3 平台的总体架构

iP9000智能一体化平台按照SOA架构设计，分为环境层、数据层、服务层、应用基础层和应用层。平台基于松散耦合的服务封装，服务之间通过简单、精确定义接口进行交互，具有很强的灵活性，可为各类智能应用提供服务支撑（图1）。

图1 iP9000智能一体化平台总体架构

（1）环境层：由相互独立的分布在安全I区、安全II区和信息管理大区（安全III区）的计算机基础平台及操作系统软件组成。在I、II区一般采用计算机集群设备，III区可采用云平台方式。

（2）数据层：实现iRTDB实时库、历史数据库、文件系统级的元数据汇集，提供通用的数据服务（API、ODBC、CORBA、WEB Service）接口。数据结构参考CIM和IEC 61850模型建立水电设备数据模型，基于面向对象方法设计，构建完整的设备对象树。

（3）服务层：实现服务对象的查询、定位和访问，实现文件、画面、数据、事件、自诊断、日志等基础服务。数据传输采用服务总线，实现跨平台的消息传递、文件操作、进程管理、网络对象管理、事件异步回调等。

（4）应用基础层：为业务系统的各类应用提供数据采集、数据处理、人机界面集成、指令控制、数据库管理、模型管理、计算定义等功能。

（5）应用层：实现各业务的一体化应用，并形成“一体化平台、多种界面、无限应用”的体系。

2.4 平台的部署模式

根据业务需求和安全要求不同，不同安全区加载的应用有所区别，系统提供跨安全I、II、III分区的信息自动同步机制，支持在满足安全规范下的不同分区之间数据与信息的平台级透明传输，简化了不同系统和应用的跨区交互实现。iP9000智能一体化平台典型部署模式如图2所示。

数据库采用分布式集群技术，通过各类的通用PC服务器即可搭建高性能、可扩展的历史数据库，具有易维护、快速故障恢复等优点，支持TB级海量历史数据的存储。

图2 iP9000智能一体化平台典型部署模式

3 iP9000智能一体化平台的功能特点

由于采用了全新的设计思路与技术体系，与水电行业原有自动化业务平台相比，iP9000智能一体化平台具备了以下技术特征：

3.1 面向对象的数据模型

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，实现图-模-库一体化。

数据建模采用设备对象树的结构，支持采用IEC61850标准、KKS全称电厂标识系统对水电厂进行信息的对象化描述和建模。

人机界面采用一个对象对应一组组合图元，实现所关联数据对象的主要状态显示和报警显示，支持图元、数据库、报警信息的相互检索。棒图、曲线、专题图等亦可采用对象化图元的组织方式，可以容器控件接入第三方应用。

3.2 面向多业务的一体化集成工具

iP9000平台设计了丰富的应用、界面和数据库的开发支撑功能，具有IPM人机界面、DETOOL数据库维护等多种便捷的集成工具软件，协助用户在平台上构建和部署自己的应用和接口，可提供面向多业务的集成工具和开发环境。

此外，平台提供数据分析算法编辑器，可通过简单易用的脚本软件定义任意规则、任意算法，满足多业务、跨专业数据分析的需求。

3.3 支持非结构化数据，可在线升级

iP9000智能一体化平台构建的iRTDB实时数据库和基于开源技术的iHistDB历史数据库，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，满足各类应用业务系统的数据管理需要。

可在线编辑、修改、扩充数据库的指标、属性及结构，实现升级，提高系统的可维护性和可用率，便于后续功能的拓展。数据库提供统一、透明的访问接口，保护用户已有的第三方应用的连续性。

3.4 标准化的公共服务

平台提供标准服务的描述、代理和管理的方法，满足应用功能对服务的查询、监控、定位和访问，通过公共服务总线支持应用之间在消息、事件和服务的级别上动态的互联互通。

3.5 具备智能监视、智能报警等功能

iP9000设计了一套智能化的监视与报警机制，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、分层级报警等手段，进行智能分析与推理，避免次要报警对重要报警的湮没。

用户也可根据运行经验定制智能监视策略，经逻辑、数值或统计学运算后，进行报警。如油气水系统，根据泵启停次数、时间变化，液位、液压趋势等规律的变化监视并判断设备的运行状态，在运行异常时给出报警信息。

3.6 成熟的工控安全和网络安全机制

平台提供基于对象级的细粒度数据访问和设备操作的权限控制与验证机制，支持主机和操作员的责任区域范围定义。对控制过程提供双席认证机制，提高控制安全和可靠性。

针对网络安全监测的要求，iP9000可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管，并对平台自身进行诊断，及时发现异常情况，降低系统和网络安全风险。

4 基于iP9000平台的智能应用

4.1 iP9000平台构建智能应用的模式

作为一个高度开放的系统，iP9000智能一体化平台可构建或融合各类专业应用，不同业务可根据其复杂程度按如下模式构建或接入平台（图3）：

（1）A模式：iP9000平台在数据库、基础服务、人机联系、应用功能等方面全面支持应用，如水电厂的各类控制系统、数据采集与管理系统、水情与水调等应用系统，可根据用户需求直接进行工程化系统集成。

（2）B模式：iP9000平台在数据库、基础服务、人机联系等方面提供支持，实现统一平台，数据共享，互联互动等，但需开发或移植该类专业应用的核心计算或分析模块。

（3）C模式：对于某些十分复杂、庞大的专业应用，可维持专业应用的软件结构、数据库结构及人机界面不变，通过数据库表的映射，iP9000平台提供数据服务等基础服务，实现平台对数据的统一管理，与专业应用的数据共享。

图3 iP9000智能一体化平台应用集成与实现模式

iP9000平台通过灵活的专业应用的构建方式，可最大限度的集成各方优势专业能力，充分发挥“外脑”优势，为客户提供最佳应用系统。

4.2 基于iP9000平台的几种典型应用

（1）iSMA2000智 能 状 态 分 析 诊 断 系 统。iSMA2000状态监测分析系统基于iP9000平台提供的数据服务、界面工具和数据模型，是一个海量历史数据存储、管理分析系统，具有数据监测、数据挖掘、数据统计与分析处理功能，实现了水电站主设备运行状态的在线监测和故障分析，可及时发现设备可能存在的隐患，为检修决策与故障分析提供技术依据。对历史数据库记录的大量设备运行状态数据进行分析和追忆，可为设备检修提供丰富的状态信息。

（2）智能三维数字化水利工程管理系统。结合三维仿真技术、BIM技术、GIS技术，在iP9000平台提供的数据服务基础研发的智能三维水利工程管理系统，综合展示以水利工程管辖区域基础地理信息系统和工程三维模型为载体，集成工程的基本属性、水文地质、结构图纸等设计成果数据，通过GIS、三维、虚拟现实等展示技术再现工程主要业务的真实管理和决策环境，加载电站监控、水库调度、水雨情监测、视频监控等应用，对各类专题信息以及各子系统处理后的成果信息进行直观形象的展示，对水利工程的全局运行状况、所在流域水雨情信息等进行动态展示。

（3）虚拟数字化水电厂。在虚拟数字化水电厂中可加载水电厂现场实时测量、视频、资产信息、安全管控等实时生产及管理数据，实现虚拟电厂的监视、管理功能;可加载仿真过程数据，实现培训仿真功能。

该系统应用可兼容多种VR/AR设备，如VR头盔，立体操作手柄，人体动作捕捉装置，三维立体眼镜等，营造出沉浸式的虚拟环境，为用户带来身临其境的操作体验。

（4）数据大屏综合展示。iP9000数据大屏综合展示系统基于平台提供的数据整合、数据分析、图模工具等，通过建立覆盖规划、建设、生产、经营全要素指标体系，汇聚生产实时作业数据、视频监控数据、统计分析数据、分析预测数据于一体，以大屏幕和数据可视化技术为载体，用详实客观的数据对企业建设、生产、管理的历史过程、最新状态、发展愿景乃至企业文化进行全景展示。iP9000数据大屏综合展示系统成功应用于三峡、五凌等集团公司总部或集中控制中心，在成为提升企业形象的有力抓手的同时，通过对生产运营以及建设过程从宏观到微观，从整体到局部的实时监视，成为企业决策、指挥的重要平台。

（5）水情水调系统。基于iP9000平台提供的通信服务、数据库和人机界面工具、计算脚本工具、地图服务等，构建水情水调应用系统，通过雨水情数据采集、机组信息采集、闸门开度信息，获取气象信息及上级调度计划，形成防洪和发电调度方案，实现水电调一体化调度管理。

（6）智能Oncall技术。采用分布式多电话短信协同收发技术，实现了设备对象化组态报警及定时发送，“傻瓜式”自定义电话短信查询，以多种策略过滤无效与重复报警，保证数据的实时性与准确性。可按电厂值班表定制动态人员分组，实现数据的定向推送。

（7）iWorkOrder缺陷工单自动生成。能通过对海量监控报警数据进行快速智能筛选，保留真正有用的缺陷数据，自动生成缺陷工单并自动流转。生成缺陷工单速度快，数据准确性高，节省大量人力物力，有效减轻了运维工作强度。

5 结语

iP9000智能一体化平台是面向智慧水电厂，围绕数据资源整合化、工程管理智能化、系统互联互通等行业需求进行设计和开发的新产品，不仅可以构建功能强大、安全可靠、高速高效的新一代水电厂计算机监控系统，同时为水电厂各智能应用的开发和接入提供了一个很好的统一开放的数据管理、开发维护、运行管理平台。“iP9000+智慧应用”的解决方案，全完满足当前技术条件下智慧水电厂建设的需求，并保留了智能传感器等后续新技术的应用空间。该平台第1套应用在清江公司梯调中心已成功投运并稳定运行。下阶段，中水科技将与广大用户、同行密切合作，进一步丰富平台的智能应用，打造iP9000的朋友圈，为推进我国智慧水电厂技术的发展而努力。