智能化水电厂在水电SIS实施过程中的探索

张士军，方有清，张元元

（浙江华电乌溪江水力发电厂，浙江 衢州 324000）

1 背景

浙江华电乌溪江水力发电厂（简称“乌溪江水电”）的前身黄坛口水电厂，投产于1958年，其下辖湖南镇电站和黄坛口电站，为梯级水电站，企业走过了50多年的发展历程，积累了丰富的生产运行和管理经验，为了摆脱老电厂设备陈旧、自动化、信息化应用落后局面，企业通过九五、十五、十一五的自动化设备技术改造和信息化建设，电厂自动化、智能化水平得到提高，信息化业务系统得到广泛应用，1996年在湖南镇电站坝后厂房实施无人值班，1999年实行全厂无人值班（少人值守）的运行方式，黄坛口电站、湖南镇电站的设备相继切至梯调中心控制，企业生产经营模式发生了巨大改变，电厂控制自动化、管理信息化有了质的飞跃，企业基本实现了现代化管理。

但随着我国电力体制改革的深化，厂网分开和电力市场的有序竞争的不断激烈，电厂作为电网特殊用户，电网供电侧的基石，一方面面临电网对电厂的设备运行、自动化控制、信息的传输等考核要求的进一步提高，需要不断提高电厂科学技术应用水平；一方面面临在建设智能电网大环境下，电厂侧应该积极做出响应，探索适应本企业实际状况的智能化电厂发展之路，实现电厂发电的安全、稳定、高效、可靠的目的。

2 现状

乌溪江水电从九十年代进行计算机监控系统建设以来，先后完成了5号机组状态检测系统、电能量系统、电厂工业电视系统、水调自动化系统、大坝自动化系统、安全营销监管系统以及包括ERP的企业信息管理系统，建成了主干千兆的光纤环型网络，建设了“安全分区、网络专用、横向隔离、纵向认证”的二次安全防护体系，初步建成了实时数据平台和管理数据中心，信息化建设为企业安全生产提供了现代化管理手段，在企业的安全生产、经营管理中发挥着积极作用。但如何在现有基础上再上一个台阶，实现数据采集自动化、信息数据精确化、设备运行最优化、调度决策智能化、运行控制自动化、分析决策在线化已成为我厂信息化建设探索研究的课题。水电SIS是智能水电厂重要组成部分和集成信息平台，我们作为华电集团水电厂试点单位，通过调研、需求分析，开发建立水电SIS系统，探索研究智能化水电厂建设新思路。

3 设计目标

智能化水电厂建设需要稳定、可靠、自愈的网络通信平台，还需要安全、稳定、可靠的信息化业务支撑平台，水电SIS系统在企业完善的网络通信平台支撑下，作为企业智能化电厂建设的雏形，在建设过程中，融入了现代化管理理念，是先进技术、管理的融合，系统考虑安全性、开放性、扩展性和标准化，必须具备以下技术特点和功能要求。

（1）建设实时数据库基础平台，采用标准接口，完成现有水电厂各生产实时自动化系统的接口连接，实现全厂生产数据的集成，具备对全厂生产数据的实时采集、海量储存功能；

（2）在数据集成的基础上建设画面组态、趋势分析、生产统计、基本报表生成和数据归档校核、参数设置等基本功能；

（3）基于水电高级应用需求，建设机组运行优化、负荷分配优化、梯级调度、小指标分析、对标等扩展功能；

（4）在整合所有电厂生产实时、管理数据基础上，进行设备状态诊断、事故诊断、智能调度、运维协同等智能化应用功能。

4 系统特点

水电SIS系统基于Windows系统操作平台、PI实时数据库平台，采用VC＋＋、ASP.NET作为主要开发语言，采用了当今先进的、主流的微软.NET技术，能够很好地保障若干年后仍是主流技术，并可以对诸如操作系统、数据库系统实现平稳升级。同时还具有可扩展性、安全性、实用性、经济性、稳定性以及易维护性特点。在系统功能设计中，除常规的SIS基本功能基础以外，构建系统知识专家库，建立智能诊断模型和协同工作模块。

5 系统部署与功能设计

5.1 系统部署

如图1所示，本结构按照数据的安全级别对网络的层次进行了划分，分为控制系统区域（I区）、实时数据平台区域（II区）和管理应用区域（III区）。I区到II区部署防火墙，II区到III区合理部署为正、反向隔离设备，在保证网络安全的前提下进行数据有效传输。

图1 乌溪江水电SIS系统结构图

系统在进行网络组网时充分考虑企业现有资源，采用千/百兆以太网构建数据通信网络。通信服务器（前置接口机）与监控等生产控制系统的网络经过防火墙隔离，系统配置两台服务器与一台磁盘阵列组建集群作为实时数据库服务器，前置接口机、实时数据库服务器、工作站构建安全II区数据采集局域网，生产数据通过该局域网存储到实时数据平台的数据库中。

镜像实时数据库服务器和关系数据库服务器利用电厂现有管理信息网络部署在电厂安全III区，通过正向单向隔离装置与安全II区的网络进行隔离。安全II区的实时数据库将数据经过单向隔离装置镜像到安全III区的镜像实时数据库，在电厂安全III区的应用服务器（兼作关系数据库服务器）开发部署水电SIS展现平台。

5.2 功能设计

作为探索研究过程中的智能化水电厂的一个平台，水电SIS建设在考虑系统的海量存储同时，功能设计上分为基本功能、高级应用两大部分，其主要功能有：

（1）基本功能

1）数据集成

建立水电SIS系统目的之一是整合企业所有实时数据，进一步挖掘数据，为企业生产运行提供辅助服务，提高工作效率。为了整合计算机监控、状态监测、水调自动化、大坝自动化等系统的业务以及考虑到今后水电厂可能建设其它主设备监测及管理系统数据接入到水电SIS系统，数据集成的接口通信方式在确保系统数据可靠性、实时性的前提下，部署接口程序，并采用标准通信协议，其特点是对实时的业务系统数据接口一般采用IEC 60870-5-101/104协议，对关系数据库类型的业务系统采用ADO/ODBC。

2）生产过程动态监视

动态展示机组运行状态、实时主接线、流域水情、大坝重要测点以及机组主要生产流程工艺画面，实时监控机组运行状态。监视画面通过生产模拟图、趋势图、棒状图和参数分类表等多种监视方式实时显示全厂电气图、生产过程等画面，以web页面方式发布到企业内部网络，管理技术人员在管理信息区可随时掌握全厂水、机、电设备的运行情况。

监视画面突出反映生产流程特点，正确显示生产过程数据、生产趋势、设备状态、报警状态、经济指标等信息，系统对画面的操作不会影响底层控制系统的运行。

3）报表与统计

在Web页面便捷地查看水电厂机、电、水、大坝主要生产要素综合报表，能在线实时查询各机组、主变运行日志、开停机记录以及水情、大坝报表信息，其中有电量日月年报表，雨量、水位日月年实时报表以及电量、水情、大坝观测各种统计分析报表等。这些报表可根据实际的需求进行定制并可导出到Execl中，为生产人员报送、存档生产情况提供了极大的便利。

4）设备异常报警

系统通过参数配置，设置越限参数和重要事件参数，如机组跳闸、负荷异常、开关跳闸、轴瓦温度、水位、雨量超限、通信中断等，系统后台实时监测，发现异常通过主画面声音、文字闪烁进行报警，提示运行值守人员分析判断，并以短信方式通知相关人员，达到对异常事件作出最快反应。

5）事故追忆

系统具备对重点部位的实时数据回溯功能，当电厂核心设备出现异常时，系统能够提供历史趋势和画面回溯两种方式追忆历史工况，分析事故出现的原因。

6）人工录入和数据修正

对于一些无法进行自动采集的数据，系统提供了数据的手工录入的功能，主要用于录入：机组启停的原因、非停等级的确认以及其它需要手工录入的数据等；同时，对自动采集过程中出现跳变数据，可以进行修正，确保系统数据准确性。

7）接口管理

通过系统维护工具、系统通讯状态监测工具，可以方便的对系统接口的可靠性、稳定性、异常、数据流向等有关系统接口稳定运行方面进行集中管理、维护。

（2）高级应用

该平台在高级应用开发过程中，提炼了电厂机电运行、水库调度、安全监测等方面实际使用管理中理论精华，设计的各项功能具有智能化生产的特点，具有实时跟踪水电厂运行、跟踪各项运行指标状态、实时监测机电设备运行工况以及协同作业等综合辅助功能。主要功能有：

1）动态计算机组效率和发电水耗，实时监测机组运行工况

提高水电厂经济效益，关键是降低机组的发电单耗和提高机组运行效率，系统根据电厂提供的各台水轮机组的运行资料，在EXCEL中对机组的效率表进行不同水头、出力下的公式拟合，利用拟合得到的一系列公式，实时计算出当前水头下机组实时的最优效率与最优出力值。通过程序实时计算出机组出力所在区间上下两个边界的实时效率值，通过差值法即可得出机组当前的实时效率值。在机组单耗计算中，综合水电厂主流的水耗计算方法以及电厂实际生产中应用的水耗计算公式，对水轮机发电水耗进行实时计算。

该功能不仅给运行人员提供准确实时的机组运行效率数据和机组单耗数据，同时，还可以对这两个关键指标进行年、季、月数据分析，通过对标、对比分析，达到提高机组运行效率和降低水耗的目的。

2）对标管理

对标管理就是通过对电厂机组一些主要参数的对比找出差距，寻找工作中的不足，有针对性地进行技术改造以及作业规范，全面提升自身的素质。系统基于指标计算的结果实现对电厂机组可控参数水耗、机组出力、厂用电率、开停机时间和可靠性等指标的对标管理，对影响能耗的关键可控参数，进行对比排名，通过对标挖掘内部潜力、优化运行方式、提高操作水平、降低能耗，或采用节能新技术、新工艺，对设备进行技术改造。

3）负荷优化分配及仿真

乌溪江水电厂发电机组种类繁多，不同条件下运行效率不尽相同。结合各发电机组运行效率资料，建立负荷分配的数学模型，选取合适的数学优化方法，实现全厂范围内多台单元机组并列运行过程中的负荷优化分配。该功能还可以根据实际下达负荷，进行仿真操作，通过仿真了解上下水库运行，及时控制最佳水位运行。

在该功能模块中，系统可根据当前的生产情况，实时预测未来一段时间内上下游水库的库水位变化，可进行模拟仿真功能，进行仿真计算，实现梯级水电厂上下水库的优化调度，也为电厂生产运行提供了可视化的决策支持。

4）手机短信交互功能

对现有水电SIS系统和短信平台进行接口对接，通过短信把系统的报警、预警信息及时以短信方式送达相关人员的手机上，同时，可以通过短信方式查询当前水电厂生产运行情况，如负荷、电量、水情以及大坝主要运行数据，实现与手机交互功能。

5）协同业务管理功能

当生产运行设备产生异常、事故事件时，系统通过手机交互平台发出短信，检修、管理技术人员及时获取相关信息，同时把该事件作为缺陷自动生成缺陷单，进入设备管理检修维护流程，启动系统设备快速处理流程，整个过程可以监视，达到提高设备运行周期的效果。

6 系统实施后的效果

乌溪江水电厂原先计算机监控、大坝自动化、水调自动化等生产控制系统各自相对独立，出于安全的考虑和前期投运系统设计的局限性，各业务系统对实时生产数据的访问存在困难，实时信息资源的共享性差，各系统数据来源不一致、口径不统一、数据不全面、数据缺乏统一的管理，数据的整体利用率低下。各系统的客户端、访问方式都存在很大差异，给生产管理带来不便。

水电SIS系统的建设有效解决了上述问题，生产实时信息资源集成在一个统一的数据平台及应用平台之上，对生产实时数据进行统一的管理和利用，全面的规划和开发，为实时生产运行状况的查看提供了极大的便利。同时，实时生产数据的集成可以在短时间内对生产过程出现的问题做出即时的分析，为电厂提高科学管理水平、提高经济效益提供决策支持。

主要体现在以下几点：

1）整合平台、统一数据接口：电厂生产数据统一整合在水电厂SIS数据平台之上，为电厂生产数据统一管理、利用提供了全面的平台支撑，为电厂日后其它专业系统建设的数据获取提供了统一的接口。

2）实时画面、动态展示：水电厂SIS结合了计算机监控系统的实时画面功能，利用PI的灵活、方便的图形功能，可以在线监视电厂机电设备运行工况过程，随时分析实时画面测点数据变化过程曲线，可以非常直观、便捷地了解现场设备运行健康状态。

3）精心页面设计，实现信息综合发布：借助较为全面的生产实时数据，通过各专业部门业务人员对实际应用的不断沟通、谋划和设计，精心布局水电厂业务系统关键数据展现画面，实现各生产系统的基本应用整合在一个应用平台之上，并通过WEB进行发布，提高了电厂生产管理的信息化水平。

4）实时对标，仿真运行提供辅助服务：通过水电厂SIS平台，建立的机组效率、水耗实时对标和机组负荷分配的仿真运行，直观、有效地为现场运行人员提供高效、准确的操作策略，提高了全厂机组发电效率。

5）小指标分析，为设备改进和优化运行提供依据：通过对标管理中的小指标分析统计功能，实时分析、统计关键生产运行指标，比如对开停机、厂用电统计分析，查找运行设备之间指标差距，分析影响指标的设备因素和人员因素，为生产管理进一步改进提供决策依据。

6）实时报表、功能齐全：生产数据报表的自动化生成，将电厂生产报表的制定工作从繁琐的人工方式中解脱出来，同时保证了生产报表的及时性和准确性。

7）在线诊断、手机短信交互、协同工作：该平台汇聚了水电厂所有生产实时信息，是水电厂安全生产运行的核心，通过智能判断，通过短信平台，自动实现异常、故障事件及时传送，达到及时进行处理，并从设备检修流程中实现闭环的过程管理。

7 下一步研究方向

水电厂SIS建设仅仅是水电厂智能化建设的雏形，处于二次开发的初级阶段，还不具备自动、优化控制功能，仅是一个生产实时业务系统的整合平台以及依托该平台进行数据二次开发、提供决策信息；在状态检测、智能调节、协同互动等高级功能方面相对薄弱。下一步，我们需要依托该系统，深化功能应用，针对水电厂安全生产方面的数据进行综合分析，探索从流域降雨、库水位调节、发电生产到节能减排这一系列的数据关联分析及仿真应用，进一步为水电厂的电力生产提供丰富多样的数据决策支持，改善各项经济运行指标，提高水电厂经济效益。同时，通过该系统，进行水电厂生产管理提升以及延长资产生命周期协同管理研究，即借助全新通信技术，将关键资产状况信息的数据纳入到系统数据平台之上，使技术人员能够方便、及时的获取设备的相关信息，为及时解决设备运行问题提供信息化保障，进而延长资产使用寿命，避免发生代价高昂的中断事件。