张保才
(新疆吉音水利枢纽工程建设管理局,新疆 乌鲁木齐 848000)
吉音水利枢纽智能一体化管控系统的研究
张保才
(新疆吉音水利枢纽工程建设管理局,新疆 乌鲁木齐 848000)
介绍吉音水利枢纽智能一体化管控系统的总体设计方案及水电厂监控、水情水调、大坝监测、生产信息、工业电视、网络通信等子系统,从设计思路、总体架构、分层分区等方面进行详细阐述,对多专业融合的综合管控系统进行探索研究,同时简述项目的实施及系统的运行情况,对水利工程管理单位信息化系统的方案设计具有一定的参考作用。研究表明,一体化管控系统非常适合综合型水利信息化工程。
综合自动化;自动化系统;智能;一体化管控;吉音水利枢纽
吉音水利枢纽工程位于于田县克里雅河干流,是集蓄水灌溉、防洪、发电为一体的水利枢纽工程,设计总库容 0.83 亿m3,水库坝高 125 m,设计安装发电机组 3 台,合计功率 2.4 万kW,年发电量 1.09 亿kW•h。工程建成后,可控制灌溉面积4.715 万 hm2,其中新增灌溉面积 1.330 万hm2,克里雅河防洪标准由 3 年一遇提高到 20 年一遇。
吉音水利枢纽综合自动化系统是一个大型、综合性水利工程信息化工程,涵盖电站计算机监控、水情测报、大坝安全监测、气象监测、视频监视、生产信息管理等多个专业子系统。针对工程专业子系统多的特点,吉音水利枢纽综合自动化系统采用智能一体化管控系统方案(以下简称一体化管控系统)进行建设。区别于传统的水利信息化系统,一体化管控系统采用统一设计、规划的综合一体化的思路,从全局高度对电站所有自动化系统的资源进行整合,通过部署智能一体化管控平台,可有效打破各专业间的信息壁垒,充分提高各子系统间的数据共享,对系统积累的历史数据进行统一的整理、分析和挖掘,建立高效的智能辅助决策系统,提升吉音水电站生产、管理和决策能力。
吉音水利枢纽智能一体化管控系统主要包含电站计算机监控(含五防、辅机、继电保护、交直流一体化电源、机组状态监测)、水情自动测报、大坝安全监测、工业电视、管理信息等专业子系统[1],实现电站运行监控、水库水情测报、大坝安全监测及建设管理局运行管理信息化等功能。
1.1设计思路
一体化管控系统基础数据源为现地级自动化系统提供的数据,以 IEC 61850 标准实现数据建模,在现地数据传输层实现标准化的信息传送,各现地级自动化系统或智能化设备以应用节点的形式加入标准协议的现地数据通信总线,并共享总线中的信息数据,数据总线针对重要和特殊的应用提供传输冗余机制,通过数据总线实现各类水电站运行调度数据的共享,保证数据的统一。
对于不直接接入一体化管控平台的系统,数据经过现场统一总线传输后,由各系统负责分析处理,以 IEC 61970 标准分别传输至智能一体化管控平台数据中心,并由统一的平台数据中心存储和发布,为进一步实现数据深度整合、综合分析决策提供数据支撑。
整个智能一体化管控系统采用 C/S 与 B/S 结合的架构,基于 C/S 架构的应用侧重于核心的基础业务及智能决策,服务层各服务组件对汇总的实时数据与资源信息进行分析处理,最终形成满足智能一体化管控平台需求的信息结果,用户可以客户端形式进行灵活方便的查询,并根据分析结果指导枢纽安全生产运行;基于 B/S 架构的应用侧重于综合数据展示及分析查询等,为上级主管部门或领导提供决策依据。
信息交互方面,智能一体化平台具有基于IEC 61970 标准的面向服务的信息交流接口,充分满足电力调度通信安全性及稳定性要求。智能一体化平台将调度所需的各种实时数据及综合分析的优化调度方案上传至上级电力调度部门,并接收电力调度下发的调度运行指令及数据反馈信息,实现整个系统与各外联部门间的信息交互。
1.2总体架构
一体化管控系统严格按照电力监控系统二次安全防护要求设计,整个系统划分为生产控制(安全I,II 区)和管理信息(安全 III 区)2 个大区,2 个大区之间采用满足电力信息安全要求的物理隔离装置连接。安全 I 区为实时数据业务区,是生产控制核心区域;安全 I 和 II 区间网络采用防火墙连接,通过设置相应安全策略,确保核心区的信息安全。
电站计算机监控子系统位于安全 I 区,水情自动测报和大坝安全监测子系统位于安全 II 区,I 和 II 区的历史数据设置统一的数据存储服务器并配置数据库软件,支撑整个生产控制大区的数据存储管理,II 区的水情测报和安全监测子系统统一设置 1 套数据采集服务器,用于支撑水情测报和安全监测专业的数据采集;工业电视、MIS 子系统位于安全 III 区,III 区设置 1 套数据存储服务器,用于存储管理信息区、同步生产控制区的数据。充分考虑不同应用间的信息共享,整个系统将同一安全区的各专业软件统一融合,硬件统一建设,采用标准化通信接口,便于系统对外接口和后期业务扩展。
一体化管控系统纵向上划分为现地层和厂站层。安全 I 区现地层由电站计算机监控、继电保护、微机五防、状态监测、调速、励磁等子系统组成;安全 II 区现地层由现地水情测报、安全监测等子系统组成;生产控制区由工业电视、MIS 等相对独立的子系统组成。厂站层建立在管理局调度中心,集中部署集控、经济调度与控制、状态监测、水调、大坝监测等功能模块,将生产控制大区与管理信息大区间的数据充分交互融合,从而实现对全厂生产运行过程的综合智能化决策分析和应用。
一体化管控系统总体结构如图 1 所示。
图1 系统总体结构
2.1一体化管控平台
智能一体化管控平台包括数据资源、基础支撑、基础应用 3 部分平台。在数据、模型、信息集中的基础上,利用模型分析、数据挖掘等先进技术,通过基于一体化管控平台的高级应用组件对产生的历史和实时数据进行分析处理,提供洪水预报、水库防洪优化调度、短期发电计划、电站经济运行评价等多个高级应用组件,为生产运行和水库调度提供辅助决策。
2.1.1数据存储
数据资源平台实现模型与数据的一体化管理,对外提供统一的数据访问服务,包括如下存储类型:
1)实时数据库。实时数据库管理着整个吉音枢纽综合自动化系统所有的实时运行数据,使得综合分析有足够的历史数据实现,将各个应用、存储单元所属的相关数据进行一致化和标准化,事件处理性能好,具备高速的并发检索效率,支持分布部署。
2)历史数据库。主要完成事务型和流程型的业务逻辑,同时作为标准化模型的实际存储,实现对象数据模型和关系模型之间的映射。
3)文件数据库。用户在管理数据信息时大体分成块级和文件 2 类数据。块级数据大多为支持用户关键业务应用的数据库类型,一般存储在实时或关系数据库中;另一类数据则是分散在各个网络节点的文件类型。
4)数据访问接口。综合自动化系统提供符合IEC 61970 标准的服务组件接口,所属的所有应用,不论在 I,II 区,或是 III 区,都以统一和标准的方式进行数据库访问,为各系统和应用程序提供标准及非标准但是常用的接口,从而实现各系统之间以数据存储中心为中心的星型数据交换结构。同时,一体化管控平台还将成为一个集成开发环境,方便用户对系统功能的扩展。
2.1.2模型管理
数据模型设计时遵照 IEC 61850 模型标准,参考 IEC 61970 CIM 模型标准、D5000 水电数据模型、SL 323—2011《实时雨水情数据库表结构与标识符》、SL 324—2005《基础水文数据库表结构及标识符标准》、SL 325—2014《水质数据库表结构与标识符》、安全监测相关行业习惯,扩充其在水利工程信息自动化相关专业领域的属性和模型;同时,设计时尽量考虑兼容传统计算机监控、水情测报、安全监测等自动化系统积累的相关业务模型和经验。
应用建模负责系统内网络架构、用户配置、权限管理、数据通信方式的维护和管理,通过基础信息建模,将吉音水电站实际生产运行系统中的相关特性有效地组织起来,在统一的人机界面中进行管理,并将信息录入历史库中,同时为实时数据、公共数据交换、综合报警等服务应用提供信息服务。
2.1.3基础业务支撑
基础支撑平台基于消息、流程、权限等基础技术的应用组件集合,主要用于提供各类后台服务,具备组件发布、进程监控、权限日志等功能。
1)人机界面展示功能。公共人机界面框架包含展现形式和图元库 2 部分。支持 B/S 和 C/S 2 种架构体系,通过 Web 和专业系统等应用容器,既能实现同一画面在 2 种体系下展现形式一致,也能根据 2 种体系特点开发不同的人机交互。基于点、线、面、表格等公共图元库,开发厂站监控、水情水调、大坝安全、生产运行应用等各类专业应用图元,实现图元库的共享,既能提高界面的展现能力,也能加速应用开发。
2)图形组件功能。通用图形提供丰富多彩的监视、查询和分析画面,图形界面既可展示实时动态数据、图形,又可对历史数据进行综合分析比较以图形、列表显示,各图元集都基于智能一体化管控平台,具有统一的人机界面,而且具有良好的扩展性和灵活性。
3)报表组件功能。提供报表计算和编辑功能,实现对报表的调度、打印和管理。报表的数据来源于实时、历史、应用数据,以及人工输入及其他报表输出,与实时、历史数据库连接。数据库中数据的改变自动反映在报表中,生成新的报表,每次生成的报表均可以保存。报表能够全面支持 B/S 及 C/S架构,部署方式简单灵活。
4)数据采集与处理功能。处理系统之间的各类数据交换和通信,以及对外网络的通信,由多个进程构成,按照 7×24 h 连续工作设计,同时提供及时准确的通信日志记录,供系统意外时恢复数据和分析通信情况时使用。
数据处理软件主要实现对采集来的各种不同类型的数据依据应用要求进行自动加工处理,结果供其它子系统调用或再加工。
5)跨大区数据传输功能。包括正向和反向 2 种安全隔离数据传输功能。正向安全隔离数据传输要求能够实现 II 区系统数据通过正向隔离装置传输到安全 III 区的功能,传输软件应能符合《电力二次系统安全防护规定》,正向安全数据传输软件实现数据库动态同步、手工数据补传、网上实时数据同步、报警、辅助配置工具、数据同步及验证等功能。
反向安全隔离数据传输要求能够实现 III 区系统数据通过反向隔离装置传输到安全 II 区的功能,传输软件符合《电力二次系统安全防护规定》。反向安全数据传输软件实现外系统(水文、气象系统)数据库动态同步、调度系统数据同步、报警、召测信息等功能。
6)系统服务功能。后台服务具备如下功能:a.内核管理,通过内核与系统总线的结合,管理内部组件的动态增加、删除,聚合服务模块;b. 服务管理,在内核之上,提供企业级应用服务功能,主要有群集、远程调用、安全性、事务处理、缓存、持久化应用等;c. 代理管理,在应用之上,提供所有对外统一的服务接口,通过统一的注册管理、动态寻址,实现灵活的服务配置管理。
7)服务总线。服务总线(Service Bus)是一种体系结构模式,支持通信各方间服务交互的虚拟化和管理,充当 SOA 中服务提供者和请求者之间的连接服务的中间层。各模块仅负责各自业务,通过体系结构的管理内核实现动态注册、应用调度、事务管理、生命周期控制等功能,是一个灵活的服务管理框架,可促进可靠而安全的系统集成,同时减少应用程序接口的数量、大小和复杂度。
8)安全保证。主要包括以下 3 方面安全:a. 应用安全,针对应用系统的结构特性,在软件架构、安全功能、程序控制安全 3 方面考虑,并在架构、功能和程序控制中,落实身份鉴别、访问控制、安全审计、剩余信息保护、通信完整性、通信保密性、抗抵赖、软件容错和资源控制等安全内容;b.数据信息安全,依托数据备份与恢复系统;c. 系统安全,包括用户身份鉴别、强制访问控制、系统安全审计、用户数据完整性和保密性保护、客体安全重用、恶意代码防范等。
9)日志管理。为了保证系统的正常运行,实时了解系统的运行状态信息,采用日志服务整合系统的运行状态信息。系统日志管理包括系统日志的记录、查看,日志文件的备份。
10)任务管理。定时任务管理模块完成定时任务的触发,作为后台进程从数据表中读取有关的定时任务,不断检查所定义的定时任务是否达到触发条件,并从系统中获取现在应该在哪个节点执行该定时任务。在满足所设定的条件时,在指定的应用(节点)下执行设定的任务。
11)网络管理与服务。实现系统内部的网络总线管理,为系统内各模块和应用提供透明的数据通道。具有网络诊断功能,包括多网段状态检测,以及网段故障自动切换、恢复等;能实现节点管理功能,包括节点状态检测、管理、对时、心跳的发送;实现进程信箱注册及管理,提供后台服务的客户端和服务端功能,负责系统内各节点间高可靠性数据的交互。
12)实时数据管理与服务。实时数据存储在内存中,支持各种实时应用访问服务,为系统内其他进程提供数据共享服务。实时数据库是历史数据库的门户系统,进入系统的数据先经过实时库的相关处理和筛选后再录入系统历史库中,通过这种方式,能够较好地对数据进行统一处理。
13)历史数据管理与服务。历史数据库及其管理系统支持建立分布式分类数据库并对其进行有效的管理,能够适应各类商用数据库和文件数据读取、组装和持久化操作,数据库的各种性能指标应能满足系统功能和性能的要求。
14)二次开发接口支持。智能一体化管控平台同时提供遵循基于 IEC 61970 标准的面向服务的应用接口;提供服务 API,支持在此基础上进行二次开发,可满足后续应用系统开发的需求。
2.1.4基础应用
基础应用平台实现计算机监控、水调自动化、大坝安全监测、机组状态监测等基本业务功能,以及业务间协同互动的应用组件集合,主要用于提供各类人机交互界面。
运行人员可在中控室通过一体化软件平台实现电站运行、水库水雨情、大坝安全监测、气象监测等信息的综合监视;完成电站机组开、停机运行及负荷调节操作,闸门远程启闭控制,并联动相关视频摄像机,同步观看设备运行画面;基于一体化平台的高级应用组件根据来水情况实施水库优化调度和电站经济运行;查询水、电运行的所有历史信息,生成、打印生产运行报表。同时,新疆吉音水利枢纽工程建设管理局各处室可通过办公电脑,以浏览器的方式查询电站、水库、坝区等主要运行数据及信息。
2.1.5多系统联动
工业电视系统将信息送到智能一体化管控平台的数据 Ⅲ 区,并接受智能一体化管控平台的联动信息。智能一体化管控平台画面与工业电视系统主站连接,可以将遥信变位、遥测越限、闸门控制、电力五防操作等系统信息,或者智能辅助系统中的门禁、消防、巡检、环境监测等系统的信息,传输给工业电视系统,工业电视系统联动切换相应的摄像头,推出所需的画面,提醒运行人员辅助决策。同时工业电视系统可以通过图象,判别刀闸或 GIS 设备状态,向智能一体化管控平台反馈结果,辅助倒闸操作、设备检修和巡检等高级应用。
2.2水电厂监控子系统
水电站计算机监控子系统用于实现闸门、库区及电站自动化设备的监视与控制。除基本的数据采集与处理、监视与报警、控制与调节、系统自诊断与恢复、数据记录与存储、人机接口、通讯传输等功能外,水电厂远程监控模块还具备 AGC(自动发电控制)功能,为电站制定安全、科学、经济的运行计划提供辅助决策。系统总体网络拓扑结构如图 2 所示。
图2 水电厂监控子系统
吉音水电站计算机监控子系统依照“无人值班”(少人值守)的设计原则,采用开放式分层、分布式系统结构进行设计[2],设置 3 台操作员工作站,1 台工程师站,1 台厂内通信服务器,2 台和省调/地调通信的通信服务器,2 台与和田远控中心的远程通信服务器。
为保证上下位机通信的可靠性,整个网络系统采用双星型以太网结构,网络传输速率≥100 Mbit/s且为自适应式,采用 TCP/IP 协议和国际标准开放系统规约,例如 IEC 60870-5-104。该层网络为冗余热备,传输介质为光纤及双绞线。
机组状态监测、继电保护和微机五防系统采用现场总线的通讯方式,与水电站计算机监控系统进行数据交换,最终在计算机监控系统中展示信息。
2.3水情水调子系统
水情自动测报系统通过对吉音水利枢纽控制流域雨水情、水库运行等信息的自动采集处理,实现对流域雨水情信息、水库运行状态的实时监视及数据统计与分析,为开展水文预报、防洪和发电调度提供可靠支持。
2.3.1任务
水情测报系统充分考虑项目所在流域的资料条件、产汇流规律、测站分布、洪水预见期、水文预报方法、防洪控制断面,以及已建或在建水利水电工程位置等因素,规划设计本工程水情自动测报系统的站网布设。各站点采用自报式工作体制进行数据上传。
基于各种通信方式的特点,结合水情测报站点所在地的通信、交通、气候等环境特点,本工程通信采用 GPRS、北斗卫星、光纤等 3 种方式混合组网。水情测报系统结构如图 3 所示。
图3 水情测报子系统
2.3.2功能
水情测报系统主要包括采集、存贮、传输、数据接收与处理、水文预报、报警、防护、扩展等功能。根据设计要求,必要时中心站需具有水文电报的接收和译电,并和遥测数据合并使用的功能;水库工程的水文自动测报系统可扩展水库调度功能;基于计算机网络的远程查询功能。
2.4大坝监测子系统
大坝安全监测系统由各种监测仪器(传感器)、数据采集单元(MCU)、计算机系统(中央控制装置、安全信息管理系统)及通信和电源线路等组成。监测中心站采集预埋在水工建筑物中的各类传感器的运行信息,通过对信息数据的分析处理实现从监测数据、断面到整个工程的数据监视和异常告警,分析工程的运行和安全状况,为工程的维护决策和运行管理提供依据。安全监测系统结构如图 4 所示。
大坝安全监测子系统共设 14 个观测房,结合本工程测点断面分布较散,断面间及断面与监控中心距离较远的特点,整个监测系统采用水工电缆和光纤通信相结合的有线通信方式设计。大坝、表孔溢洪洞、底孔泄洪洞、发电洞、厂房、观测站之间及至中心站(管理处)采用光纤方式通信,观测房内各数据采集终端采用水工电缆方式通信。
监测系统的软件主要实现系统管理、数据自动采集、数据处理、数据管理与维护、图形报表绘制、数据分析、测值预测预报等功能[3]。
2.5生产信息管理子系统
对电厂生产过程实施信息化、流程化及无纸化管理,提高管理效率,实现信息的高度共享。包括发电运行、生产技术、安全管理,以及信息发布、电厂巡检、指纹身份识别、系统管理维护等方面的功能模块。
图4 安全监测子系统
2.5.1实时数据处理
通过对监测数据的分类、筛选及处理,将原始数据整合为符合智能一体化管控平台存储要求的数据格式,实现与智能一体化管控平台的数据对接,并对主要的监控数据进行实时显示。
2.5.2发电运行管理
发电运行管理必须严格按照预定流程进行,使发电运行管理各项工作走向正规化,厂领导、职能及发电运行部门能及时了解和掌握发电运行情况。日常生产记录备案,以备相关部门及领导查询,做到有据可依,有据可查,责任落实到人。应包括缺陷、操作票、工作票、值班记录、日常工作等管理系统,主要完成对发电运行部的日常生产管理。
2.5.3生产技术管理
生产技术管理系统主要包括:设备作业交代,生产物资管理,电量信息编辑查询,计划、合同管理,技术监督管理,设备台账,图纸资料管理,技术标准、规程、规范,生产技术通知,设备、定期工作、科技科协和生产任务管理等子系统。
2.6工业电视子系统
视频图像监控系统监控中心设置在管理处办公楼内,所有摄像前端与监控中心之间的信号传输采用视频电缆或光缆。电站视频监视系统设置在坝区、电厂、管理处等几个区域,根据不同区域,在坝区、电厂、管理处 3 个区域共设 4 台网络硬盘录像机 NVR(三用一备),相对集中地汇集每个区域的视频信息,并通过网络交换机互联,采用内部 IP 网络进行数据传输。电站监控中心通过 1 台工作站监视视频图像及 1 台流媒体服务器往管理处进行实时数据流转发。
管理处办公楼采用大屏进行视频显示。前端图像数字信号通过交换机传到管理处,管理处设置解码器将数字信号转成模拟信号接入大屏矩阵中,再通过矩阵,上大屏显示。工业电视系统结构如图 5所示。
2.7网络通信子系统
吉音水利枢纽工程综合自动化系统的计算机网络以高速主干网作为信息通信的主干通道,连接各监控子网和调度中心的服务器、工作站,并且带宽可以满足视频信号的传输与处理,由两级网络构成:第一级为和田地调通信网络,第二级为电厂监控中心计算机网络。计算机网络以高速主干网按千兆网结构进行建设。
电厂与和田地调间通信网络主通道采用光纤通信,光端设备按 SDH 622 Mbit/s/2.5 Gbit/s 的传输标准配置,设备类型为分插复用设备(ADM),保护配置采用 1 + 1 保护(热备份),配置 2 套 PCM 设备(省调、地调各 1 套),可提供多种中继、音频接口,64 kbit/s 及以下数据接口,满足电力调度通信要求[4]。
图5 工业电视子系统
电厂监控中心网络分为生产控制区和管理信息区 2 个大区。生产控制区承载电厂监控和与电厂生产密切相关、安全性要求比较高的业务,又分为I 区(控制区)和 II 区(非控制区),I 区主要负责水电站监控业务,设置 4 台核心交换机组成双星型网络;II 区主要负责水情水调、大坝监测等业务,设置 1 台共用的核心交换机组成单星型网络。管理信息区承载一些安全性要求没有生产控制区高的业务,如视频图像监控、生产管理信息系统等,共用1 台核心交换机。
经过分析,吉音水利枢纽智能一体化管控系统较传统水利信息化系统具有以下优势:
1)标准化。基于一体化设计思路,提出了水电厂资源建模的统一命名规范和系统模型、应用通信标准,充分考虑不同应用间的信息共享,同时兼顾不同专业间的信息安全。平台软件采用模块化管理,针对不同专业仅需配置不同的专业模块,同时使用标准、开放的接口,利于后续业务扩展。
2)统一化。采用同一平台实现对监控、监测、监视等不同业务的统一管理,可避免不同业务之间的条块分割,达到资源有效整合、信息高度共享的目标,非常适合水利、发电及调度一体化运行管理模式;采用统一的软硬件平台和基础设施建设,不仅避免了硬件设备重复建设,节省用户投资,同时系统操作简便统一,利于水利行业用户掌握,有效精简不同专业的运维人员,最大程度实现人员、资源的优化配置和统筹管理。
3)智能化。一体化管控架构利于不同专业系统的深度整合,基础应用平台和智能化决策高度协调统一,便于开展各专业及跨专业间的高级应用。通过电厂运行监控及水资源调度等应用领域的专家知识库、分析模型、应用算法,实现生产运行、调度、辅助决策的智能化,全面提高工作效率,提升管理水平。
在一体化管控系统实施过程中,应注重系统的实用性,人机界面须充分考虑多专业运维人员的从业习惯,便于水利行业用户掌握。
一体化管控系统在满足吉音水利枢纽电站计算机监控、水情测报、大坝安全监测、气象监测、视频监视、信息管理等基础功能外,还基于一体化的软硬件配置及系统软件构架,为打破不同专业间的壁垒,实现跨专业综合分析、辅助决策及电网调度数据上报等高级应用创造了良好的条件,在确保防洪安全和保证供水的基础上,提高了枢纽综合利用效益。
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Research of Intelligent Integrated Management and Control System in Jiyin Water Conservancy Hub
ZHANG Baocai
(JiYin Water Conservancy Project Construction Management Bureau of Xinjiang Uygur Autonomous Region,Urumqi 848000, China)
The article introduces the subsystems of general design scheme, hydropower plant monitoring,hydrological forecasting, dam monitoring, production information, industrial television and network communications of the intelligent integrated management and control system in Jiyin water conservancy hub. It elaborates from the terms of design ideas, system architecture and hierarchical partition, explores the integrated management control system for multi-field fusion, briefly introduces the project implementation of and the system operation. This paper gives some references in project design of informatization system for water conservancy project management unit. The research shows that the integrated management and control system is very suitable for integrated water conservancy informatization engineering.
integrated automation; automation system; intelligent; integrated management and control; Jiyin water conservancy hub
TV21
A
1674-9405(2016)04-0064-09
10.19364/j.1674-9405.2016.04.014
2016-02-23
张保才(1967-),男,河南郾城人,高级工程师,从事水利工程管理工作。