电厂安全生产管控一体化平台系统架构方案

曾 厉 常 青

(珠海优特电力科技股份有限公司 广东 珠海 519000)

电厂安全生产管控一体化平台系统架构方案

曾 厉 常 青

(珠海优特电力科技股份有限公司 广东 珠海 519000)

针对目前电厂安全生产存在的问题，为了落实电厂安全生产作业过程中的风险管理和风险预控措施，堵住安全生产管理的漏洞，预防安全生产事故的发生，提出电厂安全生产管控的整体解决方案。该方案依照安全风险预控管理体系、隐患排查治理体系和应急管理体系的框架，结合电厂安全生产的管理制度、业务流程，以隐患排查和风险管理为源头，以安全生产作业过程中“两票三制”的业务为主线，以技术防范手段为抓手，强制落实作业过程中风险预控措施，防范作业过程中的安全风险，保证安全生产作业过程中人和设备的安全，提升电厂安全生产的管理水平。

安全生产 作业过程 过程管控 风险管控 预控措施 应急管理 安全监督 系统架构

0 引 言

随着科学技术的迅速发展,安全生产管理水平和技术防范手段有了很大的改进与提升。但是，目前安全生产形势仍然不能乐观，一些重特大安全生产责任事故还时有发生，如:2013年6月3日吉林德惠“6·3”特大火灾爆炸事故、2013年11月22日山东青岛爆炸事故、2014年8月2日江苏昆山爆炸事故、2015年8月12日天津港爆炸事故、2015年3月13日华能北京热电厂大火事故、2016年3月3日大唐长山电厂人身伤亡事故、2016年8月10日中电酒泉风力发电有限公司触电死亡事故等。这些事故损失非常惨重，它不仅给国家和人民的生命财产造成重大损失，而且也给社会造成巨大影响，非常值得人们去反思。

《中华人民共和国安全生产法》(2014年)明确提出“安全第一，预防为主，综合治理”的管理方针和“以人为本，安全发展”的理念，明确了安全是一条不可逾越的红线[1]。在2015年1月7日，国家能源局发布了国能安全〔2015〕1号《国家能源局关于加强电力企业安全风险预控体系建设的指导意见》文件。在文件中明确要求电力企业应具有安全生产风险可持续改进的管理思想理念，对我们如何构建一套管理有效、技术先进、方法合理的安全风险预控管理体系具有明确指导作用和现实意义。

电力是国民经济的重要基础产业，其生产是一个流程化和持续性的过程，电厂作为电力系统的重要生产环节，其安全生产对于电力系统稳定运行具有非常重要的作用。但是，由于电厂的生产设备之间关联关系复杂，在安全生产过程中存在工作人员少、作业任务重、危险点多、监管困难和技术防范措施不完善等客观因素，给电厂安全生产管理带来了很大挑战。具体问题有：(1)设备运维方面：生产区域作业人员监管、作业范围、作业时间与作业对象管控等；(2)检修作业方面：工作票与现场安全措施的管控、检修安全措施的监管等；(3)运行作业方面：运行操作的安全、两票的安全措施在作业过程中准确和完整地落实等；(4)安全监测与监督方面：危险源监测(氨站、氢站、油库、煤场、设备重点温度等)、作业过程监视与监督、活动人员的监视与跟踪等。上述这些问题的监督监管都难以落实，而且如果在作业过程中一旦出现疏漏，就有可能引发安全生产事故。

随着社会的进度和科学技术的发展，电力行业监控与管理手段也在逐步完善，如能量管理系统(EMS)、数据采集与监控(SCADA)、广域测量系统、调度管理系统、电力市场系统、脱硫监测系统、信息化生产管理平台系统，以及电厂的DCS系统及SIS系统等都得到了进一步的发展，但是，在企业内部大多数系统应用系统之间均为信息孤岛[2]。由于各系统之间缺乏充分和有效的信息传递与共享，从而导致了系统之间信息和业务处理不能互联互动，不利于系统事故监控、预警与诊断，使得各系统的功能和效能都得不到充分发挥。

电气防误基于电网公共信息模型(CIM)，分析CIM中的设备模型和拓扑关系，按照一定的布局和布线算法自动生成设备接线图；针对电气一次设备和二次设备间隔分别建立模型，通过一次设备间隔模型的组合图元，防误规则属性自动生成一次设备接线图，一次设备属性和防误操作逻辑；通过一次间隔模型和二次间隔模型的设备类型实现图-库-规则-操作票自动生成[3]。该方案只实现了电气设备的防误操作，而对非电气设备运行管理从未涉及，如：锅炉、汽机和辅助系统运行操作等，对电厂的运行管理来说存在不足和缺失。

电厂安全生产所面临的危险往往不是单一的，而是多项危险相互关联。电厂作业的复杂性使得辨识风险源和它的影响范围、不同风险源的相互作用关系和风险源的时空关系成为风险管理的一个重点和难点[4]。文献[4]提出了采用风险知识管理来进行风险管理，构建了电厂风险知识管理系统框架和风险知识表达模型，实现了风险知识推理，落实了电厂风险管理工作中的知识应用，解决了因电厂作业的复杂性而导致风险和预控工作分析难的问题。但是，由于没有采取有效的技术手段来强制落实作业风险预控措施，在电厂安全生产过程中人员失误或疏忽的安全隐患仍然存在，所以还存在有引发安全生产事故的风险。

本文针对电厂安全生产存在的主要问题和管理漏洞，提出构建全面的系统性的电厂安全生产一体化平台(以下简称“管控平台”)解决方案。该方案结合电厂安全生产的管理业务，采用软件和硬件相结合的技术手段管控安全生产过程中人的不安全行为、设备的不安全状态和环境的不安全因素，消除作业过程中的安全隐患，堵塞安全管理制度上的漏洞，从而实现电厂安全生产管理信息化和作业过程管控，提升了电厂安全生产的工作效率和管理水平。

1 系统架构方案

1.1 系统的总体要求

以《中华人民共和国安全生产法》(2014年修订)、《企业安全生产标准基本规范》(中华人民共和国安全生产行业标准 AQ9006-2010)和《国家能源局关于加强电力企业安全风险预控体系建设的指导意见》([2015]1号)为基础，依据电力行业“两票三制”管理制度，结合电厂安全生产的管理流程与标准，以及设备的技术规范，为电厂的安全生产提供一套整体的系统性解决方案。解决安全生产过程中人的不安全行为、设备的不安全状态、环境的不安全因素和管理的不安全漏洞所引发安全生产问题。总体要求：(1) 当发现设备缺陷/隐患/事故时，系统自动告警，并及时发布安全风险信息以及安全预控措施，同时安全监测设备和作业过程联动；(2) 应急管控与安全生产作业和设备状态(如：事故信息、告警信息、预警信息、异常等)互联互动，当出现异常情况或事件时，能快速准确地发布应急预案信息和部署应急救援措施；(3) 以技术手段强制落实作业过程中风险及其预控措施，预防和管控作业过程中人的不安全行为和设备的不安全状态；(4) 为安全管理人员提供一种技术手段，使其实时掌握电厂的安全生产作业情况、设备的实时状态(告警、隐患、缺陷等)、电厂安全风险及预控措施等；(5) 为电厂的安全风险管理、作业过程管控和应急管理的业务互联互动的整体解决方案。

1.2 系统的总体思想

管控平台系统方案以电厂的“两票三制”业务为主线，以电厂作业的执行过程为研究对象，从风险辨识、预防措施、过程控制、应急管理以及整改完善实现安全生产作业过程闭环管理(PDCA)。采用“人防”、“技防”和“物防”的管控思路，综合应用计算机互联网与物联网技术，结合通信、测控、信息处理等技术手段，根据应用环境和专业特点，结合移动终端的业务处理模式，系统提供的功能涵盖了运行、检修和区域安全管理业务范围。管控平台的总体结构如图1所示。

图1 管控平台的总体结构

1.3 系统业务框架

管控平台划分为8个子系统，即基础平台、设备管理、作业管理、风险管控、安全监测、安全监督、应急管控和辅助决策，以及移动APP应用。管控平台的业务框架如图2所示。

图2 管控平台的业务框架

1) 基础平台

提供企业基础数据(含组织架构、人员和设备等)、权限管理(含功能权限、业务权限和流程权限)、图模库业务关系、数据安全、报表取数及报表输出、工作流引擎和移动终端业务信息平台等。

2) 设备管理

包括设备台帐(含作业标准、维护标准和巡检标准)、设备定级；是安全生产作业管理中的基础信息，是其他子系统的核心数据支撑。

3) 作业管理

以设备管理为基础，以“两票三制”的业务作业过程为主线，结合风险管理和安全监测，采用技术手段落实“两票三制”业务的安全措施，如：可视化防误、检修隔离闭锁、验电防误闭锁装置、检修电子围栏、地线闭锁装置等，确保作业过程中人身安全和设备安全，从而防止事故发生。

4) 风险管控

在建立风险知识库(含设备、人员、环境和管理风险知识库)的基础上，按照风险管理的工作程序，即风险识别、风险评估、风险控制、风险监督评价实现风险管理，为作业管理提供安全风险警示，及时采取预控技术措施。

5) 安全监测

针对电厂的重点区域/危险区域或重点设备进行监测，如氨站/氢站/油库的气体浓度监测、氨站/氢站/油库防入侵监测、高温高压设备参数监测、输煤皮带明火探测及温度监测等，如果发现异常及时告警，及时安排工作人员处理，并与作业过程管理联动。

6) 安全监督

为安全管理员提供一种技术手段，能快速准确地提取当前安全生产的作业信息，即：作业安全监督、专项安全监督、作业区域安全监督，提供多种安全监督方式。为全厂的安全生产提供多角度安全监督信息，即：安全风险分类信息、设备告警/缺陷信息、两票的信息、设备状态信息等。

7) 应急管控

是安全生产过程中出现异常或紧急情况下的应急管理手段，包括驱动应急预案、发布应急预案、部署应急救措施；它与作业管理、安全监测和基础平台监控数据互联互动。

8) 辅助决策

结合管控平台安全生产作业过程的业务数据与信息，为安全生产的设备定级评价、安全生产考核、安全生产评价，以及数据的查询统计与分类汇总，为安全生产辅助决策提供数据支撑。

9) 移动APP

实现电厂安全生产过程设备状态和安全生产信息实时查询，设备缺陷、定期工作和“两票”(工作票和操作票)业务的审批流转与统计分析，安全监督信息的查询、作业任务和安全措施的监督，接收设备异常息、应急预案与应急救援发布的实时信息等。

1.4 系统技术架构

安全生产管控一体化平台采用.NET的WCF多层分布式服务技术，基于业务应用组件的开发方法和理念，结合SOA组件模型的技术标准和规范，在ESB的基础上，实现企业应用管控平台系统业务集成和数据集成，使整个平台具有应用业务的灵活式组态和分布式部署特点。管控平台的技术架构如图3所示。

图3 管控平台的技术架构

1) 管控平台分为四层

企业门户、业务应用支撑平台、数据平台和数据采集与集成。

2) 企业门户

为管控平台用户提供统一安全的认证方式，实现单点登录。提供个性化的操作界面：将安全管控平台系统中重点区域监测、安全生产管控、应急管控和安全生产监督应用业务的过程进行集中展现，并提供完整的应用操作界面，从而实现安全生产数据信息的充分共享。

3) 业务应用支撑平台

按照业务应用的需求可分为公共组件和业务组件。公共组件：工作流引擎、数据分析引擎、报表管理引擎、数据通信引擎、图形管理组件等。业务组件：基础数据服务组件、权限管理服务组件、视频服务组件、工作票组件、操作票组件、防误操作组件、检修安全组件、设备状态组件、事件驱动组件、应急管控组件、应急预案组件、应急信息发布组件等。业务应用支撑平台的作用是以公共组件为基础，以业务组件为对象，在ESB服务总线上完成应用业务的组态与管理。

4) 数据平台

安全生产管控平台数据的集中管理。

5) 数据采集与集成

数据采集通过管控平台的安全监测装置把安全监测数据接入平台；集成其他业务系统中的数据(如：DCS、SIS、PMS等)。

1.5 系统业务处理流程

管控平台实际上包括两部分内容，一部分是系统业务流程，另一部分是作业操作过程的技防管控手段。管控平台的业务处理流程如图4所示。

图4 管控平台的业务处理流程

整个过程按照以下步骤实现：

1)设备日常运行管理是企业生产管理的基础工作，主要完成设备定期维护、保养、检修以及设备的定期巡回检查和设备运行状态监视与管理等。

(1) 管控平台建立设备技术标准/巡检标准/作业标准，根据PDCA循环管理机制，依据设备运行状态和实际情况及时修改、完善和补充标准，这是一个动态的PDCA管理过程。部署在计算集中的安全生产管控系统能够根据设定的标准对相关设备、装置进行监测，以发现是否有设备出现问题并需要进行缺陷处理。设备状态监测：接收监控系统(如：DCS、SIS等)的监控信息，对监控设备对象的关键参数(如：温度、压力等)与安全生产管控系统的中的安全监测、风险管控和业务流程关联与联动。

(2) 安全监测：针对不同的生产设备和区域采用不同的监测手段，如：在氨站主要监测危险品车辆和人员进出以及氨气泄漏；煤场主要是温度、烟雾和明火监测等，从而实现安全监测与风险管控和业务流程关联与联动。

(3) 风险管控：依据风险管控的知识库，根据设备的状态、缺陷、异常、预警和告警的信息，自动生成设备的风险和预控措施，指导和辅助设备运行管理。

(4) 移动终端APP：实时在线查询和浏览安全生产管控系统发布的设备状态信息和作业信息，如：定期工作、设备缺陷、工作票和操作票业务审批等。

2) 设备消缺管理，根据设备的运行状态、设备缺陷的性质与内容，建立设备消缺作业任务单，根据作业任务单的内容和要求，开工作票和操作票。

(1) 状态监测：监测设备缺陷/异常的变化发展趋势，协助判断设备的缺陷/异常的性质，辅助人工决策，如：温度监测、绝缘监测、设备状态变化(越线告警、关/开、断/合)等。

(2) 风险管控：依据风险管控的知识库，根据设备缺陷的性质和运行方式，生成设备缺陷的风险及管控措施，指导和辅助设备缺陷管理。

(3) 移动终端APP：可以在线查询、浏览和跟踪设备缺陷的处理过程。

3) 根据检修计划安排，建立设备检修作业任务单，根据作业任务单的内容和要求，开工作票，然后根据工作票安全措施的要求，开操作票，落实检修安全措施。

4) 根据工作票和操作票安全措施的要求，在作业现场部署安全措施，实现作业过程中的风险管控，保证作业过程中作业对象、作业地点的准确性和安全措施的强制执行。

5) 在安全生产作业过程中，当设备出现异常事故/事件时，根据设备的状态、事故现象(如：火警、烟雾等)会驱动相应的监测设备，发送事故预警信息，并启动应急管控的功能，根据设备的异常事故/事件，启动相应的应急预案，发布应急救援信息。安全监督管理人员能够通过移动终端获取应急预案，并根据应急预案对现场进行相应的应急部署安排。

2 系统关键技术

2.1 风险知识库的建模与应用

按照风险管理的工作程序，即风险识别、风险评估、风险控制、风险监督评价实现电厂的风险管理。通过对风险分析评估，归纳总结出风险知识库与其对应应急预案，包括风险点、风险辨识规则库、风险定级规则库、风险预控措施库、应急预案库等。

风险知识库建模过程中的参考了GB/T23694-2009、GB/T27921-2009、GB/T24353-2009、GB/T 28001-2011、AQ/T9006-2010等标准文件，以及国家电网公司颁布的《安全风险辨识防范手册》。然后经过层次分析法计算现场作业风险评估结果等，再结合电厂的安全风险管理规定进行修订和补充，建立电厂安全风险知识库。

将风险知识库中的风险点辨识内容按工作任务、工作性质、设备及环境等属性进行信息化处理，然后结构化为表征量的逻辑表达式，即可得到辨识规则。风险知识库与业务关联关系如图5所示。

图5 风险知识库与业务关联关系

2.2 图模库一体化技术的应用扩展

电力网络的拓扑建模和分析是电力系统分析和计算软件的基础。国际电工委员会在IEC61970标准中提出了公共信息模型(CIM)，而CIM是一个抽象模型，已被各国接受为电力系统模型的工业标准。图模库一体化是指在绘制电力图形的同时实现图形电力设备对象的绘制和数据库的一致性操作，并完成电力连接拓扑模型的建立[5-8]。

采用图模库一体化、CIM模型和拓扑分析技术在管控平台中实现作业任务中安全措施和风险预控措施的智能分析是系统中非常关键技术。本文中的图模库一体化技术和拓扑分析方法在公共信息模型(CIM)基础上进行应用业务功能的扩展，实现了对电厂系统图(含电气、锅炉、汽机和辅助系统)的数字化管理和建模。在此基础上完成了工作票安全措施的完整性智能分析和操作票步骤及内容的防误逻辑判断，保证工作票的安全措施和操作票的操作内容与顺序的准确性和完整性，实现方案如下：

(1) 实现系统图形与设备实时数据库模型相互对应，达到设备状态可视化管理，设备模型通过绘图参数、数据参数、状态参数和推理参数来描述；设备模型是从图形图元建模到设备拓扑建模的映射，通过获取设备模型的参数及其设备连接关系，可以生成设备连接拓扑模型。

(2) 根据设备变化的状态(状态1→状态2)条件，依据系统图模关系数据库和设备状态实时库，通过拓扑分析算法，生成符合安全操作规则的操作序列，并与现场的闭锁装置关联。该算法不仅实现电气系统的拓扑分析，同时也实现锅炉、汽机和辅助系统的拓扑分析。

(3) 根据检修设备对象或作业区域，依据系统图模关系数据库和设备状态实时库，通过拓扑分析算法，生成工作票的安全措施满足所有检修边界必须有明显的物理断开点。在检修隔离孤岛内电气设备必须接地，并与边界物理断开点闭锁装置关联。

(4) 根据作业任务、系统图模关系数据库和设备状态实时库，通过拓扑分析算法，生成作业任务的风险预控措施。

2.3 基于ESB的SOA应用

SOA是一种构造分布式系统的方法，其目的是提高可重用性，并便捷地共享系统之间的数据。SOA是一个组件模型，它将应用程序的不同功能单元的服务，通过服务间定义的接口和契约集成联系起来。SOA是一种体系架构方法，用于定义、链接和集成具有清晰边界且功能方面自包含的可重用业务服务[9-11]。

构建SOA平台的目标，要求实现服务的可扩展，且能以组件化的方式集成与部署，并方便快捷地实现对外发布。对任何传输协议提供技术支持，并可进行相应的协议转换。ESB就是对SOA服务进行集成与管理的核心架构[12]。ESB是从面向服务体系架构(SOA)的基础上发展而来，是在SOA的基础上提出的构件化集成的产品，是基于SOA解决方案时企业所使用的基础架构的关键部分[13]。基于开放的标准消息总线，用于通过标准的接口和适配器，来提供各程序和组件之间的互操作功能[14]。它在相互独立的异构环境中支持的消息、服务和基于事件的交互，它是一个基础的设施，在服务消费者和服务提供者之间提供集成与连接的一个通道，避免服务消费者与服务提供者之间直接，降低应用程序之间关联的复杂性。实现如下功能：

(1) 集成企业各系统业务与数据的资源：主要是面向各类业务系统的业务和数据，它是整个应用集成与数据集成，包括管控平台本身的数据与业务，以及其他系统的数据与业务。

(2) ESB总线是管控平台整个框架的核心，它承担着管控平台系统底层数据通信、资源分配和服务注册等核心功能，管控平台通过在ESB 的注册机制实现多业务模块之间松耦合的业务集成。通过服务提供者和使用者之间消息的格式、路由请求和转发、实现封装服务到总线的联接以及提供注册服务和服务管理。

(3) 统一认证和统一用户：通过对各类业务系统用户、角色和组织结构的统一管理，实现各种应用系统间的单点登录和退出。用户登录到一个系统后，再转入到其他业务系统时不需要再次登录，简化了用户的操作，也保证了用户在不同的业务系统中身份的唯一性。

(4) 统一流程、图形和报表引擎：主要实现业务的业务流程、图模库的数据及规则和报表的样式及内容的管理等。它是基于ESB提供的服务来实现满足管控平台的各类业务应用。

(5) 支持PC客户端和移动终端设备的应用业务操作处理(即：企业门户和移动门户)：在企业门户上以WEB方式实现安全生产业务信息的处理和安全生产数据的查询统计与分析，以及数据图文展示，还可包括用户功能自定义、权限管理、业务流程的配置和基础数据的管理等功能集成。在移动设备上实现实现安全生产业务的审批、查阅与处理以及安全生产数据浏览。

3 工程应用

管控平台2014年1月在国电集团安徽蚌埠电厂召开项目启动会议，2015年10月项目上线试运行，2015年12月项目验收完成。在试运行期间，根据用户的要求和现场运行实际状况，我们对系统的功能和一些业务细节进行了完善，对系统的性能进行了优化和提升，对系统的操作习惯和交互界面进行了调整。现在系统运行稳定，满足蚌埠电厂安全生产管理的要求，，实现了蚌埠安全生产管理的信息化和作业过程管控。达到了如下的效果：

(1) 管控平台集成了DCS、SCANDA等监控系统的实时数据，整合了现有各应用系统的数据和业务资源，消除了企业应用各系统之间的信息“孤岛”，为企业的安全生产管理提供信息化的统一平台。

(2) 应用各系统的实时数据，为安全生产作业过程管理提供及时的预警、预报与预防信息，及时采取安全生产预控措施，提升安全生产管理的实时性和高效性。

(3) 强化和夯实了安全生产作业过程的人员行为管控和安全措施强制执行，防范在安全生产作业过程中由人的不安全行为和设备的不安全状态而引发安全生产事故。

4 结 语

基于SOA理念的组件化设计思想，应用了ESB总线技术，结合电厂安全生产管理的业务，成功研发了管控平台，并在电厂获得到了实际应用与推广。它实现了电厂安全生产管理要从传统的“事后管理”到现在的“事前风险预控”和“作业过程管控”的转变。通过“两票三制”业务的信息化和流程化管理，并采用技术手段落实生产作业过程中的安全监督和预控措施的管控，实现了对人的不安全行为、设备不安全状态和环境不安全因素的管控，并将各种安全风险与隐患消灭在萌芽状态，防范了安全生产事故的发生，保障了电厂的安全生产，提升了电厂的安全生产管理水平。该平台不仅具有很好的经济效益，而且具有很好的社会效益。

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SAFETYPRODUCTIONMANAGEMENTANDCONTROLINTEGRATEDPLATFORMSYSTEMARCHITECTUREFORPOWERPLANT

Zeng Li Chang Qing

(ZhuhaiUnitechPowerTechnologyCo.,Ltd.,Zhuhai519000,Guangdong,China)

In view of the current power production safety problems, such as to implement the risk management and the risk control measures in the safety production operation process of power plant, blocking the production safety management loopholes and to prevent the occurrence of accidents in production, this essay puts forward the overall solution of safety production management and control for power plant. According to security risk management system, hidden investigation and management system and emergency management system, this solution combines with the power plant safety management systems and business processes, and uses hidden investigation and risk management as the source, with "Two Tickets and Three Systems" Business as the main line in the work process of the production safety. However, this solution with the technical means of prevention as the starting point, forces the implementation of risk control measures in the operation process, and prevents the security risk in the process of operation. And it ensures the safety of people and equipment in the process of production, by improving the safety production of the power plant management level.

Safe production Operation process Process control Risk management and control Preventive measures Emergency management Safety supervision System architecture

TP3

A

10.3969/j.issn.1000-386x.2017.10.028

2016-12-09。曾厉，工程师，主研领域：计算机软件架构及系统集成。常青，工程师。