智能水电厂的架构与功能

王 昕，梁 凌，李庚达，李继清，李建昌，方志宁

（1.国电新能源技术研究院有限公司，北京市 102209；2.华北电力大学，北京市 102206；3.国电电力发展股份有限公司，北京市 100101）

0 引言

水电作为一种清洁、低碳、可再生能源，在保障我国能源供应、优化能源结构、促进新能源开发、实现电力可持续发展、提高流域防洪能力、改善供水及通航条件、减少温室气体排放等诸多方面发挥着重要作用，能够取得显著的经济效益和社会效益。近年来，随着我国社会经济的快速发展，水电以其显著的可靠性、经济性和灵活性特点迅猛发展，截至2019年底，全国水电装机容量为3.56亿kW，占发电装机总容量的19.2%[1]。根据国家能源局发布的《水电发展“十三五”规划》，2020年水电总装机容量将达到3.8亿kW，预计2025年全国水电装机容量达到4.7亿kW[2]。

近年来，我国相继发布了《关于推进“互联网+”智慧能源发展的指导意见》[3]、《新一代人工智能发展规划》[4]等指导文件，明确指出“促进能源和信息深度融合”，同时提出我国新一代人工智能全面长远的发展计划。自21世纪以来，科学技术迅猛发展，系统优化、决策支持系统和专家系统等相关理论已达到满足实际工程应用需求的水平，传感器技术、测控技术、计算机技术、通信技术等相关技术也取得长足的进步。能源互联网建设、新型电力市场机制促进电力行业发展进步，传统发电企业必须运用新技术、新方法和新手段积极应对改革发展和社会进步。在此背景下，“智能发电”应运而生，人工智能技术在电力能源领域的应用不断扩展[5-6]。作为最为成熟可靠的水能利用方式，“智能水电”属于“智能发电”的重要组成部分。随着水电在中国能源结构中占据地位的日益重要，有序推动“智能水电”的关键共性科学问题的探索，实现水电厂安全、高效运行，提高其与电网和需求侧的友好互动，是构建“智能水电”系统的重要保障。

自20世纪80年代起，经过近40年的发展，水电自动化技术已经形成了以现地自动化、厂站计算机监控、流域远程集中监控、流域水情测报、流域水调自动化和大坝工程安全监测为主的水电自动化技术体系及产品系列，基本满足水电厂“无人值班，少人值守”的运行要求[7]，在水利水电运行管理中发挥着重要作用。国内自2010年提出“智能水电厂”概念，许多机构对智能水电厂体系架构、关键技术开展初步探索。刘观标等[8]从水电厂厂内自动化以及流域水电调度系统的统一规划和设计入手，提出了对水电厂智能化建设的一些思路；王德宽等[9]基于国内在智能水电厂方面刚刚起步，建议优先开展智能水电厂的概念、目标、功能、系统配置及系统间互动的研究，有利于推动计算机监控系统、机组状态检修、水电厂经济运行等方面研究的展开；张金华等[10]基于白山发电厂的应用情况，提出了八项智能一体化关键技术，为水电厂开展智能化规划设计及一次设备智能化深入研究提供了依据。DL/T 860（对应IEC 61850）针对水电厂提出的DL/T 860-7-410协议，为数字化水电站的建设提供了强大而灵活的技术工具，解决了水电厂数字化和智能化建设中的互联和互操作等关键问题[11]；国家能源局于2016年初正式颁布了《智能水电厂技术导则》行业标准，阐述了智能水电厂的自动化和信息化的各项要求，推动中国水电自动化技术的进步，促进水电厂智能化发展，引领世界水电的发展方向[12]。因此，近些年来，针对智能水电厂的研究则侧重对标准体系的研究和标准适用性的思考。芮钧等[13-14]详细阐述了智能水电厂技术标准体系研究及标准现状，基于IEC 61850标准体系编制多项国家标准，并指出IEC 61850标准应用于水电厂时还面临着与之配套的智能电子装置缺乏、检测与评估体系不完善等不足，需要开展更为细致、深入的研究工作。

综上所述，虽然目前国内已开展许多关于智能水电厂系统和技术的研究，但尚未提出适用于水电厂智能化的完整技术体系及相应的研究成果，而现有的水电厂智能化研究仅限于水电调度运行的局部性技术领域，如水电智能调度、AGC/AVC控制优化，智能协调防御等[15]。现有水电厂自动化系统存在一体化程度低、标准差异性大、源网协调能力差、电力安全防护较弱、信息孤岛现象严重、智能决策能力不足等问题[16-17]，难以实现效益最大化，制约了水电产业的发展与壮大，难以适应我国“互联网+”智慧能源的发展战略。因此，应该积极开展水电厂智能化关键技术研究，综合应用最新的理论和技术研究成果，合理调配水资源，提升水电厂的生产管理水平和层次、源网协调能力及智能决策能力，保障水电厂安全、可靠、经济、高效运行。

1 智能水电厂概念

水电厂智能化建设作为智能电网建设的起始环节，目标是提高水电厂主设备运行可靠性和流域水能利用率，优化流域电站综合生产管理，提升水电厂安全管理能力和应急响应能力，推动管理体制合理改革，支撑智能电网的发展。通过建设智能化水电厂，有效提高水能利用效率，实现水电厂最优化运行，促进水电行业向一体化、智能化的高效运行管理模式转变。同时，与电网建立深层次智能协调，配合电网实现水电、抽水蓄能、火电以及风电的协调并举[18]，提升电网调峰调频能力，确保电网安全稳定运行，提高新能源的消纳能力。

因此，智能水电厂应以设备智能化、信息数字化、接口标准化、运行最优化、管理一体化、源网协调化、业务交互化、决策智能化为基础，实现生产管理信息采集、测量、控制、保护、测量、检测等功能全自动完成；以一体化管控平台为核心，实现水电厂自动化或信息系统集成；支持经济调度运行、状态检修决策支持、防洪决策支持、智能化巡检、设备健康管理等高级应用和服务，实现生产管理安全规范、经济高效、清洁环保、友好互动。

2 智能水电厂架构

智能水电厂系统是以一体化管控平台为核心，采用分层分区原则，以智能设备和智能基础系统为基础，以智能高级应用和公共服务为支撑，以信息安全为保障，实现水电厂运行安全规范、经济高效、清洁环保、友好互动目标的智能化分布式结构。

2.1 智能水电厂系统结构

智能水电厂的自动化系统应划分为过程层、单元层、厂站层[9]，根据电力监控系统安全防护规定划分为生产控制大区和管理信息大区，生产控制大区可以分为控制区（安全区Ⅰ）和非控制区（安全区Ⅱ）[19]，如图1所示。

电力生产过程中具有实时监控功能的系统或其中的监控功能部分属于安全区Ⅰ，对于智能水电厂来说，包括自动发电控制、自动电压控制、实时监控等系统；电力生产过程中需在线运行但不具备控制功能系统属于安全区Ⅱ，对于智能水电厂来说，包括水文预报、发电调度、防洪调度、状态监测等系统；生产控制大区以外的电力企业管理业务系统的集合均属于管理信息大区，对于智能水电厂来说，包括防汛决策、状态检修决策、大坝安全分析评估、智能调度管理等系统。

过程层中部署各类智能机电设备及其所属的智能组件以及独立的智能电子装置，实现电力生产过程数据采集与指令执行；单元层中部署各类智能化的现地监测、控制和保护设备，实现使用一个单元的数据并且作用于该单元机电设备的功能；厂站层中部署各类计算机、网络硬件设备以及一体化管控平台、智能应用组件，实现厂站级运行监视、分析评估、自动发电控制、自动电压控制等功能。

2.2 智能水电厂功能体系

智能水电厂基于系统结构构建包括一体化管控平台、智能设备、智能基础系统、智能高级应用、公共服务和信息安全的功能体系，如图2所示。

一体化管控平台支持各类智能应用组件的接入或集成，同时下达控制命令，并提供二次开发接口及解决方案，为水电厂智能化的生产运行提供一个分布式应用管理部署方案；智能设备主要体现在智能硬件设备以及即插即用的标准化接口；智能基础系统主要体现在与智能硬件设备相匹配的智能系统软件、智能辅助软硬件；智能高级应用是建立在智能设备和智能基础系统之上的高级应用软件系统；公共服务以大型数据库系统、大数据云平台为基础，整合机组全生命周期数据，全厂人力、财务、设备数据，以及电网、集团、市场信息，为水电厂的、生产、管理、安全和服务提供决策支持；信息安全是在“安全分区、网络专用、横向隔离、纵向认证”的基本原则上[19]，实施边界安全防护和综合安全防护。

图1 智能水电厂系统结构示意图Figure 1 Sketch map of smart hydropower plant system structure

图2 智能水电厂功能体系示意图Figure 2 Sketch map of smart hydropower plant function system

3 智能水电厂功能详述

3.1 一体化管控平台

一体化管控平台集数据中心、基础服务、一体化应用为一体，为水电厂智能化、统一化的生产管理奠定了基础。该平台为各功能模块提供统一的数据访问接口，即插件式功能接口，采用可视化技术实现水电厂智能化生产运行数据信息同步和组件部署管理。

3.2 智能设备

智能设备是指在电厂传统设备基础上，运用先进测量、数据采集与处理、人工智能等技术，使设备具备数据采集与处理、通信传输及本体自诊断等完整功能，包括智能监测设备和智能控制设备。

智能设备能够接收和执行控制指令，自动完成符合相关运行方式变化要求的设备控制；具有一定的自适应能力，可以根据电厂当地电磁、温度、湿度、海拔等环境因素自动调节运行状态；具有自恢复能力，可以根据设备故障信息进行分析诊断，排除故障，恢复运行状态。

3.3 智能基础系统

智能基础系统包括基础支撑系统和基础监测系统。基础支撑系统包括全厂防雷系统、统一的同步对时系统、稳定可靠电源系统、灵活安全网络系统。基础监测系统包括：①水电厂现地监控系统，实现对水电厂生产过程的数据采集以及设备控制、调节功能；②大坝安全监测系统，实现对各安全监测项目的数据采集、传输、处理、存储，故障报警及初步诊断功能；③水情自动测报系统，实现水雨情数据的采集、传输、处理、存储及相关维护管理功能；④自动气象站系统，实现气象数据的采集、传输、处理、存储及相关维护管理功能；⑤状态监测系统，实现对水电主设备运行过程中的振动、摆度、压力脉动等状态信息的实时采集和在线监测，并进行分析诊断。

3.4 智能高级应用

智能高级应用系统主要包括经济调度运行、状态检修决策支持、防汛决策支持、大坝安全分析评估与决策支持和智能调度管理等功能模块。

3.4.1 经济调度运行

经济调度运行是指在满足安全和电能质量的前提下，合理利用能源和设备，以最低的发电成本保证对用户可靠地供电。对于智能水电厂来说，该模块能够实现水文预报和发电计划、洪水预报和防洪调度、EDC、AGC和节能考核功能，为水电厂安全经济运行提供支持；能够收集和应用水电厂气象、环境、水情、水工建筑物、机组等相关信息，提高水文预报精度和实现经济调度；具备针对厂站实时运行状态（如水位、负荷、净流量等）的调度方案仿真分析功能；具备水文预报精度评定、节水增发电考核等运行评价功能；实现洪水预报、中长期预报、发电计划、防洪调度业务流程的连贯和互通，实现水电厂一体化的预报调度功能。

3.4.2 状态检修决策支持

该模块能够实现水电主、辅设备实时数据的监测、采集、清洗、计算、分析及诊断，能够提供统一的数据编码和接口，并能够依据设备特性应用模式识别、机器学习和专家系统等方法，提供适当的诊断模型；能够进一步依据诊断结果给出操作指导，为检修维护提供支撑。

3.4.3 防汛决策支持

该模块以提高防汛指挥调度水平为目标，扩大数据信息的应用和共享范围，提升防汛抢险应急指挥决策能力和效率；能够接收实时水雨情信息、气象信息、大坝监测信息和闸门信息等数据，为防汛决策提供数据支撑；支持构建地理信息、防汛业务等数据库，支持构建水雨情、工情、灾情和气象雷达数据汇集平台，支持建立防汛值班管理，定期发布水雨情信息和洪水报警；能够对洪水损失的风险程度进行评估，为防洪减灾方案的制定和实施提供依据。

3.4.4 大坝安全分析评估与决策支持

该模块具备大坝安全监测基础资料、人工巡视记录、检测结果的输入输出、存储管理和检索传输功能；资料相互之间的包含、交叉、对应、关联关系也应纳入基础资料范畴；具备监测成果数据各类图形、报表的定制、生成和输出功能；具备监测及分析成果数据对比分析、统计分析、相关分析、回归分析功能，创建监测量物理模型；具备监测量预测预报、监测成果数据异常判别、监测部位或监测断面异常识别、大坝整体安全稳定状况综合评估及决策建议功能。

3.4.5 智能调度管理

该模块具备适应调度值班要求的调度日志、智能操作票、智能检修票、水电厂智能化稳定监控模型管理等高级应用；采用分层分级管理机制和分布式查询机制，实现基础信息、数据、权限等基本功能的分级维护和广域范围的调度管理信息共享；采用调度管理流程跨机构流转机制，支撑新设备启动管理、调度运行安全分析等业务流程上下贯通。

3.5 公共服务

3.5.1 智能化巡检

该模块通过收集不同的空间物理信息实现巡检人员自动定位和设备识别，并提供工作指导、路线规划、预警提示等服务；通过监测环境参数，读取并分析设备运行数据，实现实时报警并上传分析结果；通过智能手持终端、智能可穿戴设备、巡检机器人、值班机器人等智能设备实现“无人值班，少人值守”。

3.5.2 安全预警与管控

该模块通过监控中心统一的监控界面实现对各安防系统的信息（交直流电源数据、温湿度、安防、门禁、消防、设备运行数据）进行集中采集和实时监视，实现各安防系统联动，发生异常情况立即报警；通过智能音视频技术、状态监测分析技术、手持智能终端技术，实现现场操作与远程监控的有机结合；通过智能安全帽、智能安全梯、智能安全绳、智能钥匙、智能安全工器具柜等智能设备，实现对人身、设备及环境的安全监管。

3.5.3 远程服务

该模块通过建设集团大数据中心，实现电厂数据“全量采集、按需上传”的功能；通过采用人工智能、互联网、大数据等技术，建立远程专家系统，分析上传数据；分析结果对生产运行进行优化指导、辅助决策，为水电厂生产运行、故障诊断、设备检修和人员管理提供生产决策支持。

3.5.4 移动应用

该模块具备数据共享和查询的功能，实现移动终端与常规业务系统的数据共享及互动化的图形、图标展现；通过安全生产App软件，为工作人员提供安全目标管理、组织机构管理、安全投入管理、隐患治理、风险辨识、职业健康、应急管理、规定动作、安全活动、奖励考核、教育培训、信息发布等功能；通过班组管理App软件，显示班组（或部门、公司）人员的工作、学习等活动内容，实现班组工作计划的实时跟踪与闭环，并提供按班组类型、按专业区分的个性化工作内容发布和管理功能。

3.5.5 设备健康管理

该模块通过对重要设备的运行历史数据进行特征挖掘，结合设备固有属性等历史档案，建立基于多种典型工况下的设备特征模型，作为设备健康诊断的基础；通过比对实时状态监测数据与特征模型，形成健康诊断分析报告，从多个维度给出综合评估；通过收集、整理设备从设计、建设到运行等各个时期的数据，建立设备健康状态管理知识库，最终为电厂生产运行、检修和管理人员提供生产决策支持。

3.5.6 三维可视化应用

该模块通过利用全景信息，实现从全量数据中辨识和筛选有效数据；通过虚拟现实可视化技术，实现对电厂运行信息的形象、直观和集成展示；通过三维数据建模、大数据分析等技术，为水电厂的设备、部件、管件、结构及其相互间的协调运行管理，提供分析和决策依据；通过三维建模技术，实现工艺流程、工作原理、工况仿真、生产流程模拟、标准操作、运行故障分析等培训功能。

3.6 信息安全

信息安全是在“安全分区、网络专用、横向隔离、纵向认证”的基本原则上[14]，实施边界安全防护和综合安全防护。边界安全防护包括横向安全隔离、硬件工控防火墙、认证、加密、访问控制、VPN、专线、硬件加密等安全装置、安全技术。综合安全防护包括物理安全、硬件安全、软件安全、网络与访问控制、主机加固、应用系统、备用和容灾、安全审计、灾难恢复与应急响应、安全管理、安全防护评估等软、硬件安全措施。

4 结束语

本文完整介绍了智能水电厂的概念、体系架构和功能层次。总体系统以一体化管控平台为核心，采用分层分区原则，融合智能设备、智能基础系统、智能高级应用，结合公共服务和信息安全，为发电企业带来更高的设备安全性与利用率、更高的资源经济性与利用率、更高的流域安全性与厂网协调性、更强的管理决策能力，实现水电厂安全可靠、经济高效、集成开放、友好互动、绿色环保。