清江智能对象化水电调平台设计思路简析

黄帆

清江智能对象化水电调平台设计思路简析

黄帆

（湖北清江水电开发有限责任公司，湖北 宜昌 443000）

探讨了水电站（群）的水、电调优化与智能控制系统的设计思路，提出了智能对象化水电调平台的架构、功能、实现方法。

水电站控制系统；智能化；对象化；清江

1　概述

智能化是随计算机技术发展而兴起的一门学科，是指由现代通信与信息技术、计算机网络技术、行业技术、智能控制技术汇集而成的针对某一个方面的应用。智能化的主要目的是用智能设备或应用代替人进行部分工作，减少人的日常工作劳动，给人们的工作生活带来便利性和舒适性，提高系统的安全性和可靠性。

电力系统智能化——智能电网发展迅速，智能电网调度控制系统（D5000）、数字化变电站已在全国广泛应用，而智能水电厂的发展还在起步阶段，已落后于电力系统的智能化水平。随着流域水电开发蓬勃发展，水电站的运行管理模式也由单站控制发展为水电站群的集中控制。原有的发电调度、水库运行调度、洪水调度、降雨与天气预警等各专业逐步融合，运行值班人员和管理人员面对设备的数量、信息量成倍增加，所需的知识面跨度越来越大，增加了决策难度。因此，为提升水电站群的运行管理水平，降低运行人员劳动强度，完善与智能电网的厂网协调能力，水电厂的智能化迫在眉睫。

2　水电站智能化

水电站智能化是采用先进的传感器、信息、通信、控制、智能等技术，以电站设备参量数字化和标准化、规范化信息平台为基础，实现水电站或水电站群实时全景智能监测、自动运行控制、电站各模块（监控、水调、设备诊断等）之间协同互动、与站外系统（如电网）协同互动等功能，以实现提高水电站群的安全运行水平、优化水资源利用、减少人工干预、支撑电网安全运行等目标。水电站智能化必须解决的3个问题：数字化、信息共享和协同互动。

对于站控层以下，二次系统近年发展迅速，微机保护、微机调速器、数字励磁控制等设备大量使用，基本实现了数字化。由于水电站站内各二次系统专业差异大，异构情况突出，各系统自成体系，大量信息重复布线采集，系统间信息无法共享，也谈不上系统间协同互动。

水电站监控的发展从继电器有触点控制、半导体无触点控制、微机控制到现在广泛采用计算机控制，水电站监控实现了数字化和信息共享。监控系统已采集了电站大部分二次系统信息，实现了二次系统基本信息的数字化和共享。

水电站电力生产过程包括气象预报、水情测报与来水预报、水库与发电调度、发电运行控制、发电设备运行监视等，水电站智能化不应仅仅局限于二次系统，应该覆盖电力生产的主要过程。现有电站一般建有多个专业应用系统，各个应用系统通过专用接口或综合数据平台实现信息共享，但信息共享效率低下，互操作困难。

水电站智能化主要包含两个层次：设备智能化和电站监控与决策支持智能化。设备智能化一般指一次设备采用基于IEC61850标准智能设备，具有数据采集、在线监测、故障判断和通信等功能，二次设备网络化，以满足信息共享和互操作性需求。

电站监控与决策支持智能化，即站控端软件智能化，通过构建全站信息共享平台，应用遵循相应的互操作标准来解决内部应用之间高效信息共享和协同互动问题；通过标准的服务接口解决与外部系统的信息共享和协同互动问题；在此基础上开发相应的智能决策应用来提高电站的智能化水平。清江智能对象化水电调平台主要解决电站监控与决策支持智能化问题。

3　清江智能水电调平台设计思路

以“安全、可靠、高效、智能、协同”的先进理念为指导，从流域水电站群优化运行决策的全局重构自动化系统整体架构，采用统一、开放的国际通信标准和信息建模标准，设计建造一套智能对象化水电调平台系统，将原来分散的电调和水调的监视、控制、预警和作业系统进行优化设计和基于统一平台开发，利用先进的面向对象方法对数据库组态，对监视、报警和预警进行智能的优化，形成高度一体化且开放的智能调度与控制系统。

3.1对象化技术

面向对象（ObjectOriented,OO）是软件开发方法。面向对象的概念和应用已超越了程序设计和软件开发，扩展到如数据库系统、交互式界面、应用结构、应用平台、分布式系统、网络管理结构、CAD技术、人工智能等领域。面向对象是一种对现实世界理解和抽象的方法，是计算机编程技术发展到一定阶段后的产物。面向对象的信息建模方法是IEC61850通信协议的核心技术之一，遵从IEC61850标准则必须采用面向对象建模。清江智能水电调平台采用面向对象的技术构建，实时与历史数据库、人机界面、报警、操作等均采用面向对象的组织形式，即与对象相关的属性均通过对象封装，通过对象可以索引其所有属性，界面元素也采用面向对象方法进行组织。

3.2面向服务的架构

系统应用采用面向服务（SOA）架构，确保应用规范化，确保系统可扩展和可管理。应用服务是用户直接使用的与业务有关的各服务集合，主要包括：实时控制与经济运行控制应用、水库调度与经济优化应用和决策支持与信息发布应用等相关服务组件，相关服务组件需提供服务接口供其他应用调用。

共性基础功能服务化，减轻应用服务的开发难度和工作量。所有的应用只需关注业务逻辑，数据传输与存储由系统平台完成，人机交互由人机界面服务实现，也就是说让应用服务开发人员投入更多的精力做专业的事，把人机界面等繁琐的计算机编程交给计算机程序员。

3.3应用支撑平台

应用支撑平台作用是实现资源的有效共享和应用服务的互连互通，为应用系统的功能实现提供技术支持、多种服务及运行环境，是实现应用系统之间、应用系统与其他平台之间进行信息交换、传输、共享和应用协同互动的核心。

统一的数据服务平台。平台完成系统实时、历史数据存储和管理，采用面向对象的方法组织整合实时数据、历史数据、报警、调节与控制操作；平台完成数据、报警在各节点间的同步与传输（含II、III区同步），向应用提供透明数据访问，各应用不再关心数据来源、存储位置；提供通用的数据服务访问的本地接口，通过对象可索引得到该对象的数据属性、报警属性和操作属性。

统一应用平台。提供统一软件接口规范和软件管理规范，为相关服务软件提供松耦合的运行环境；系统高级应用采用面向服务（SOA）架构，确保应用规范化，确保系统可扩展、可管理和应用协同互动。

统一的智能报警平台。报警的生成、传输、存储均由平台完成，必须保证各工作站界面报警信息完全一致；平台具备智能报警功能，各报警对象可组态智能报警策略，并根据报警策略完成智能分级报警，如正常SOE点动作（停机断路器动作）的报警可报状变，而机组运行过程中的冷却水中断可报事故；报警的组织应按对象进行，应用可以根据对象对报警进行查询。

统一控制、调节指令传输总线。具备闭锁条件检查、预警功能；具备上下限、震动区参数管理功能，具备指令值越限检查；对指令发出后的执行全过程进行管理，调节指令丢失时限时重发，指令传输异常应及时报警。此功能与传统监控系统控制、调节功能的最大区别是增加了指令传输与执行过程自管理功能，能自管理也是智能化系统的基本特征。

3.4智能设备运行监视

智能设备运行监视服务是一个开放的设备监视智能策略实现平台，根据积累专家知识开发相关设备对象（如轴承、水轮机等）智能设备监视策略，实现对设备的运行状况进行监视，策略可考虑环境、工况等相关因素。需具备多变量、多时间尺度的数据处理与分析功能，具备设备运行过程监视功能。此功能与智能报警最大的区别是需对运行过程进行分析，而智能报警只根据相关状态进行智能报警。

3.5经济调度控制（EDC）

梯级EDC优化软件划分为两个模块，非实时优化策略交互模块和实时优化分配模块。非实时优化策略交互模块主要功能为负荷分配指导曲线的优化、耗水计算、水位过程计算、安全优化评价、敏感性分析。在实现时可同时采用确定性模型和随机模型的多种算法进行优化。为避免不确定因素（天气、电网）和负荷预测偏差导致优化结果脱离实际，通过采用人机交互形式，给定或修改部分优化曲线，进行多方案试算和人工复核并比较，形成符合实际情况的优化方案。

实时优化分配模块主要功能是快速跟踪电网的设定值，按照预定的优化方案迅速把负荷分配到机组。实时优化分配模块尽量采用确定性模型的优化算法，算法应该收敛快速，简单可靠，分配结果是可模拟、可重复的。实时优化分配模块的优化应该以非实时优化模块确定的指导曲线为依据，对各站的发电情况按照指导曲线进行复核平衡，制定下一时段的实时调整优化分配方案。

3.6自动发电控制（AGC）

AGC需具备常规策略所有功能，如躲振动区、电网和机组安全策略、优化分配等；具备调频和优化两种工作方式，可手动设定或由智能策略确定工作方式，调频方式快速调节并尽量降低调节频次，优化方式时使机组位于最优工况；具备AGC调节监视和评价功能，对机组调节性能进行监视、统计和评价，如调节速率、次数、调节量等。

3.7水库水情智能预警

对水库运行过程进行监视，根据拟定的策略，充分考虑机组运行、发电计划、水情、气象预报和其他相关因素，对水位过程线、水位、雨量及流量进行演算、监视，发生过程异常或某个敏感因子越限时立即报警；具备人机交互仿真演算功能和反演功能。

3.8防洪调度

以实时洪水预报成果为基础，根据水库特征、工程与电网情况以及上级防汛部门的要求等，制定水库防洪调度方案、风险分析以及提供防洪形势分析与防洪决策的辅助计算，为水库防洪调度会商提供支持，并利用图形报表向用户提供实时防洪调度方案信息。具备洪水调度过程演算、仿真功能，具备预评估、敏感性分析和后评价功能。

3.9发电优化调度

根据流域梯级水电站的运行及来水预测情况，根据经济调度原则，在满足安全生产及枢纽工程调节性、水电站水力电力联系等约束条件下，制作短、中、长期（也可以自行灵活设定计算日期）发电计划或水库调度方案，在梯级水电站之间进行发电流量或负荷的合理分配，使得梯级总发电量最大、总发电效益最大或者耗水量最小。具备方案的预评估、敏感性分析和后评价功能，后评价侧重于寻找影响因子。

3.10人机界面

人机界面为单纯的人机交互功能，它负责系统所有功能的人机交互。人机界面采用面向对象的信息组织和展示方式，一个对象对应一组组合图元；应具备所关联对象的主要状态显示和报警显示，主要有图形变化、颜色变化和闪烁、字符显示、数字显示、直方图等；具备可选的左键菜单，右键菜单，支持图表联动。

3.11智能维护

智能维护主要包含系统软件版本控制、系统配置管理、系统数据组态和数据引用管理；系统软件版本和系统配置采用统一管理，系统软件和配置变化时应自动同步，存在问题时报警并禁止相关功能。系统数据组态和数据引用管理主要是对数据版本、关联关系和引用关系进行管理，当数据属性发生更改时，应能自动查找所有引用对象（含应用、图、通信配置等）并告警，并由维护人员逐条确认后进行修改。

3.12智能诊断

智能诊断功能主要负责系统所有软、硬件诊断，智能诊断涵盖网络、硬件、系统平台、各应用软件等全部系统软、硬件。系统所有的硬件、软件均等同于设备进行管理，建立相应的诊断模型，诊断数据作为系统设备数据采集；智能诊断的软件获取软、硬件状态信息，进行诊断和分析，在相关模块运行异常时进行报警；智能诊断功能在相关应用异常时应评价其影响范围，并自动采取应对措施。

4　总结与展望

4.1关键技术总结

基础平台一体化设计，通过统一的数据服务平台、统一应用平台、统一的智能报警平台、统一控制调节指令传输与管理、统一人机界面来实现信息交换、传输、共享和应用协同互动。

采用对象化技术建模和组织信息，与IEC61850标准无缝融合，信息自描述性好。

可组态、可编程的智能平台，智能设备运行监视、智能报警、水库水情智能预警等智能平台的采用可提高系统智能水平。

交互式高级应用决策平台，EDC、发电调度、洪水调度等采用交互式平台技术。并对决策进行预评估、敏感性分析和后评价全过程管理。

应用业务过程管理，应用软件必须对与功能相关的业务过程进行管理，出现异常时报警并采取相应措施，提高应用软件自管理能力，保障业务的可靠性。如AGC必须对指令执行过程进行管理。

智能诊断，系统网络、软件、硬件等资源建立自诊断对象模型，视作系统设备对象进行管理。

智能维护，对系统软件版本控制、系统配置、系统数据组态和数据引用关系秘书化管理。

4.2展望

随计算机技术、电网智能化以及人工智能技术的发展，相关设备、系统都会向智能化方向发展，水电站智能化具有很好的发展前景。无人驾驶的汽车马上可以上路，电影中的科幻场景将成为现实。在不久的将来，运行人员甚至可以对系统发语音指令（例如：主站，请检查一号机组运行状况），可以利用虚拟现实与浸入式体验系统进行可听、可视巡检。

TV736

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1672-5387（2016）08-0001-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.08.001

20116-06-29

黄帆（1971-），男，高级工程师，从事水电站技术管理工作。