基于设备一体化的水电大数据应用平台设计与实现

张泽彬，邱 巍，严戴志，李 龙

(1.国电大渡河公司龚嘴水力发电总厂，四川 成都 610000，2.成都嘉捷信诚信息技术有限公司，四川 成都 610000)

智慧电厂是以“设备智能巡检、故障精准排查、系统协同联动”为目标，以自动控制为基础，以数据管理为核心，整合运行管理历史和人工经验，引导管理系统自主管理、自我演进，实现设备控制更加自主、生产管理更加智能、风险决策更加科学的全新电力生产组织形态与管理模式[1].龚电总厂通过设备一体化管控技术研究及应用建设，优化电站综合生产管理及设备管理，提升龚电总厂安全管理能力和应急响应能力，推动管理体制合理变革，提高电厂设备安全运行管理水平，最终将龚电总厂建设成为安全可靠、经济高效、友好互动、绿色环保、“智能自主、人机协同”的“智慧电厂”，达到龚电总厂生产运行管理及设备安全管理的现代化管理目标，在满足“智慧大渡河”建设要求的电站端的技术实施和运行管理方面成为行业标杆，达到国内领先水平.

1 研究现状

现阶段我国新建或经改造的水电站普遍实现了“无人值班、少人值守”的模式.具备国际先进水平的监控、保护和监测等自动化系统得到了广泛的应用[2].大数据、人工智能等先进数字科技也为智慧电厂建设提供了可靠支持.

我国的智慧水电厂的发展中，多为通过传感器构建监控网络，实现实时监控、报警等功能，针对设备一体化管控技术的研究较少.虽然本地自动化程度在不断提高，但由于信息不完善和共享能力弱，系统中的多个自动化系统分散、局部和孤立，无法形成实时的有机统一整体，因此整体智能水平较低[3-4].在运营管理中，系统未能形成与电厂运营管理相融合的“智能自主、人机协同”的智慧电厂管理模式[5]，对于运营管理人员而言不能有效支持自主业务流程设计，功能较为单一，效率较低.

2 总体设计方案

水电大数据应用平台系统技术架构采用分布式分层式的应用框架规划，不仅保障平台具有灵活性、开放性，也非常契合工业化数据智能领域中探索式应用开发的真实特点，确保未来更多更丰富的应用接驳到平台中，形成具有迭代演进能力的工业大中台体系，并保护早期投资不浪费，建设不重复，存量系统不累赘[10-19].

系统总体技术架构图如图1所示，总体设计思路分为“一体、三端、五中心、N+系统”，一体为厂站级一体化平台，三端为业务管理端(运营端、运维端、移动端)，五中心为五大赋能中心，分别是模型管理中心、流程管理中心、表单管理中心、消息管理中心以及任务调度中心；N大子系统为支撑电站运行的各大业务服务子系统，包括基础服务子系统、综合管理子系统、应急指挥子系统、智慧经营子系统、设备管理子系统、安全中心子系统等.

图1 系统总体技术架构图Fig.1 The overall technical architecture of the system

(1)一体:厂站级一体化平台

该平台以龚电总厂设备管控平台为基础，实现厂站级业务与数据的一体化融合，平台构建起数据与业务之间快速流转的通道，打通数据与业务之间的壁垒，实现数据价值的快速提升.

(2)三端:平台能力全覆盖

为满足用户分权分域的管理需求，将系统操作端分为运维端、运营端和移动端，不同类型的用户通过不同权限，能够更加方便的操作平台各项功能，同时系统各项组件报表均支持web和手机端的显示.

表1 三端用户操作类型及权限Table.1 Three terminal user operation types and permissions

(3)五中心:五大能力中心

水电大数据应用平台的设计的目的是一个赋能平台，将底层基础设施资源、计算节点、数据管道、数据治理、数据处理、流式计算等服务作为管理对象，进行实时资源调整、节点分配、流程编排、策略管理.实现系统资源的实时监控，动态扩展收缩，资源回收、故障修复等，为资源分配、服务配置、系统上线的自动化提供支持.

●模型管理中心:提供基于数据的自助式分析建模，模型中心为用户提供常见的条件逻辑、循环逻辑、数值计算、逻辑计算、延时处理、中间变量等.

●流程管理中心:提供自定义的用户业务流程，实现在线流程配置，方便业务人员快速配置各类审批流程.

●表单管理中心:提供自定义的数据表单服务，实现了流程与表单的分离设计，并支持任务节点灵活配置，既保证了业务流程的保密性，又减少了开发人员的工作量.

●任务调度中心:提供丰富的任务定时调度服务，帮助用户快速设定消息提醒、任务触发，快速完成日常性工作任务.

●消息管理中心:提供自定义告警消息模块，实现消息的定义、发布与推送.

(4)N系统:广泛接入的业务系统

通过组合各大中心的能力，提供业务相关的各类系统的快速构建，目前系统支撑协同接入的业务服务系统，包括基础服务子系统、综合管理子系统、应急指挥子系统、智慧经营子系统、设备管理子系统、安全中心子系统等.

●综合管理子系统建立一套满足龚电总厂日常业务管控的智能综合管理应用模块.主要包括工作督办、常用报表、流程表单、标准化系统、通知管理、培训管理、考勤管理7个方面，将传统业务管理模式实现在线数字化，为人员绩效数字化打好基础，为管理变革做出积极探索.

●应急指挥子系统通过搭建应急预案管理和智能应急指挥中心两大模块来完成对应急事项的反应和智能处理.应急预案管理通过对预案的编写、维护和使用，以便快速响应应急事件.智能应急指挥中心则结合应急预案系统，通过移动APP可对数据进行采集和调度指挥，更高效完成对应急事项处理，避免因为处理延时造成的成本损失.

●智慧经营子系统以数据中心的数据为源数据，以系统数据自动采集和手工数据录入/导入相结合的方式保证数据源的完整性，并从电站经济运行、生产关键指标、电力市场信息、两站设备运行状况信息统计、电量信息统计等多个方面建立起智慧经营决策指标体系，全方位为总厂的经营生产、管理决策提供支撑.

●设备管理子系统主要包括设备监视、设备手册、设备评价、设备检修、设备报警、设备查询及设备联动等管理模块，功能上主要是实现设备运行数据的自动采集、设备数据的定期统计分析、设备分析报告自动生成、主辅设备自动评价、设备检修管理等功能.

●安全中心子系统主要包括两票管理、人员安全履职、人员违章管理等模块，通过对人员履职行为量化，自动督办及提醒，预判安全管理薄弱环节，强化工作重点督导，提升安全管理效能.

3 系统数据流设计

系统总体分为三部分，龚嘴电站数据采集部分，铜街子电站数据采集部分以及一体化平台部分.其中两站数据采集部分负责将各站的数据汇聚到一体化平台，并将原始数据保存到各站数据存储服务器中[9].龚电总厂数据属于典型的时间序列数据，具有产生频率快、严重依赖于采集时间、测点多信息量大等特点.按照数据来源，将系统数据流分为设备数据流和业务数据流.设备数据流:主要描述设备数据在系统内部的流转，包括设备数据的采集，汇聚，预处理，分析以及监控告警等数据的流向；业务数据流:主要描述业务数据在系统内部的流转，包括生产管理系统数据接入、综合管理数据、业务流程管理等数据流 向.

图2 系统设备数据流设计Fig.2 Data flow design of system equipment

平台通过数据接入子系统将设备监控数据从两站汇聚到数据中心，通过数据预处理模块解析设备点表信息，关联设备树中设备标签里，将关联后的数据写入到时序数据库中，用于实时数据分析.同时，通过数据转存模块，将原始数据和预处理后的数据写入到数据湖中，实现数据资产的积累，为后续数据挖掘提供数据支撑.

数据进入实时数据库后，由设备管理子系统中的设备定时分析模块进行分析处理，设备分析模块通过模型中心构建设备定时分析模型，通过调度中心实现1H，1D，14D，30D等粒度的数据分析任务.数据分析结果写入到关系数据库中，为流程中心、表单中心提供数据基础.

4 应用开发设计

平台设计的目的是一个赋能平台，为了帮助运营管理人员在平台上通过“自助式”的方式实现自定义的功能模型，平台提供基础的数据应用服务，将底层基础设施资源、计算节点、数据管道、数据治理、流式计算等服务作为管理对象，进行实时资源调整、节点分配、流程编排、策略管理.实现系统资源的实时监控，动态扩展收缩，资源回收、故障修复等，为资源分配、服务配置、系统上线的自动化提供支持.

图3 系统应用开发设计Fig.3 Application develop of the system

平台提供基于数据的自助式分析建模，模型中心为用户提供常见的条件逻辑、循环逻辑、数值计算、逻辑计算、延时处理、中间变量等，运营管理人员可通过具体生产业务，自助建立模型(预警、分析、联动)、业务流程、定期工作、数据表单、任务调度、应急预案、设备信息管理等工作任务.

5 结语

本文基于龚电总厂设备一体化管控平台系统建设项目，设计开发了一种基于设备一体化的水电大数据应用平台，进一步对安全I区、Ⅱ区、Ⅲ区系统进行数据集成，利用统一工具平台采集业务数据，提供数据清洗、处理、分析、建模、治理、存储、数据输出服务，协助业务团队开展技术研究和深入应用，沉淀信息资产形成知识积累，并通过数据中台为业务应用提供服务，最终实现了数据集中化，应用共享化.随着智慧电厂的大力发展，基于设备一体化的数据管控平台也必将会在水电站领域获得越来越多的应用.