梯级水电站集控智能一体化关键技术的研究与应用

王桂平，张 煦，韩长霖，文正国，张卫君，龚传利，董 静

（1.中国水利水电科学研究院，北京 100038；2.北京中水科水电科技开发有限公司，北京 100038）

1 研究背景

我国重要江河水能资源多采用流域梯级的开发方式，相近河段的梯级电站一般由同一发电实体运营，梯级电站在水位调节、水能利用、水库容量、防洪供水等方面相互依托，相互影响。为实现对梯级电站群的统一调控，通过合理安排梯级水电站的运行方式，最大限度发挥电站群的发电、防洪、供水、航运等综合效益，许多发电公司建设了梯级电站集控中心（调控中心）。实践证明，梯级电站统一集控效益显著。国电投湖南五凌水电集控中心，实现对3个流域13个梯级水电站群的集中控制，电站现场采用 “无人值班”运行模式，各水电站现场仅有少量员工参与运行值守和检修工作，减少了人员和运维成本，同时利用流域调度和水电、火电、抽水蓄能的互补特性，显著提高发电了效益。三峡集团成都金沙江下游梯级调度中心电调自动化系统，对金沙江下游的溪洛渡（18台700 MW）、向家坝（8台770 MW）两巨型电站进行远方 “调控一体化”管理，两座巨型电站的常规控制、AGC/AVC及优化调度均在成都的调控中心完成，运行长期稳定可靠，充分发挥了电站群的规模优势，实现了益差互补，提高了电力输出的稳定性，获得良好经济效益[1]。

近年来，国家强化对枢纽工程防洪调洪、供水保障、生态调度等综合效益的要求，同时大力推进智能电网、智慧水利建设，在此背景下，流域电站群优化调度、网源协调、信息共享、智能决策的需求也不断提升。原有梯级集控中心水调、电调等系统独立运行的方式，已无法完全满足新要求。为此，三峡梯调成都调控中心等工程运行单位，从优化管理模式上开展创新实践，采取 “水电一体”、“调控一体化”的运行管理模式，并取得一定成效[2]；天津大学等高校，将发电、泄洪、通航等目标的联合协同实时调控作为特大水电枢纽安全运行的前沿及重点研究问题，提出应实现 “数据采集自动化、信息预测精确化、安全预警在线化、调度决策最优化、运行控制一体化”的智能调控运行目标[3]；国电大渡河公司牵头编制的 《梯级水电厂智慧调度技术导则》（T/CEC284—2019），提出智慧调度系统应具备气象预报、水文预报、洪水调度、中长短期发电调度、实时发电调控等功能。这些研究工作为开展梯级站水电集控智能一体化平台研究提供了重要支撑，但从现况来看，国内外已有应用技术未能从业务数据底层进行对象化建模，在梯级电站多业务整合、跨安全区数据高效传输、多源异构数据处理方面存在较多缺陷。

针对这一问题，本文结合三峡梯调金沙江下游昆明调控中心、清江梯调水电调集控中心系统设计和开发实践，开展梯级水电站群智能调控技术研究，采用一体化平台技术架构为主要技术路线，重点解决多系统跨安全区数据共享、多业务一体化运行、海量数据通信等问题，为水利水电行业智慧化发展提供技术参考。

2 梯级水电站智能集控的技术需求

流域梯级水电站集控中心的业务目标主要包括：

（1）通过对流域水电站群进行集中运行控制，实现电站侧的 “无人值班、少人值守”，减少或取消现场运行人员，改善运行人员的工作生活环境；通过人员集中管理，精简和优化调控运行队伍，集控中心选拔高水平运行人员负责各站的运行控制，提高安全运行能力；采用一个运行人员管理一个工作台监视控制多个水电站，即 “一人一席多厂”的运行管理方式，进一步精简队伍，减少运营成本。

（2）通过共享水文、气象等信息，协调上下游水库调度过程，实现梯级水电站联合优化调控，提高流域电站群发电量和发电效益，达到流域水能资源优化利用、水资源综合高效利用。同时，也可根据防洪、生态、通航等目标，集中统一调控上下游电站，更好发挥综合效益[4]。

（3）通过对全流域电站群生产与管理数据的统一汇聚，构建流域大数据中心，打通不同业务子系统之间、不同电站之间的数据壁垒，简化数据交互与数据维护的复杂度，提高其可靠性，为深度利用数据提供基础保障。

（4）通过对流域水电站群生产与管理信息的共享、生产要素的统筹调度、专家智力资源的汇聚等，全面改进过去不同电站、不同专业间低效协调的问题。构建智能应用一体化运行模式，形成调度运行中心、远程诊断中心及防洪、生态、售电等业务的决策支持中心。

受限于原有设计思路和技术能力，传统流域梯级电站集控中心各业务缺少统一的基础技术平台，信息共享、功能协同难度大，多目标调控、决策支持等目标实现质量不高。近年来，有关研究单位聚焦一体化业务平台开展了大量研究，形成了以北京中水科水电科技开发有限公司iP9000智能一体化平台为代表的一批重要成果，成功应用于新一代集控中心建设项目。

3 梯级水电站集控智能一体化解决方案

3.1 梯级水电站集控智能一体化平台总体架构针对梯级水电调多专业、多业务协同需要，为实现各专业应用间数据、服务和功能的快速调用，集控中心智能一体化平台采用了面向服务（SOA）架构，并按分层分布的原则进行设计（如图1）。环境层、数据层、服务层、应用基础层和应用层采用松散耦合的服务封装，不同层次之间通过简单、精确定义的服务接口进行交互。

图1 梯级水电站集控智能一体化平台总体架构

基于该架构，一体化平台提供系统管理、数据采集、数据管理、消息管理、事件管理等公共服务，以分布式消息总线实现实时数据的高效传输，以分布式服务总线实现应用之间在消息、事件和功能调用上的动态互连互通[5]，具有良好的开放性和扩展性。水电调各业务应用在平台上以独立的分布式服务组件模式呈现，通过一体化平台的服务定位获得所需服务。

根据梯级水电站集控业务特定要求，规范和完善平台各层的功能、技术设计。

（1）环境层：由相互独立的分布于不同安全分区的计算机基础平台及操作系统软件组成。其中，由于电力调度通信对实时性、可靠性要求很高，安全Ⅰ区采用冗余热备通信服务器集群；安全Ⅲ区汇集各业务系统历史数据，写库负载重、数据量大，采用数据存储集群。按照电力生产网络安全要求，环境层全面支持国产化服务器、国产操作系统和国产数据库。

（2）数据层：实现实时数据、历史数据的汇集，并按业务特征构建对象化数据模型。针对水电梯级集控业务，对梯级水电站设备、大坝、闸门等工程实体，以及梯级水库、河段水雨情等河流实体建立对象化模型。模型描述了管理对象的特性、功能、逻辑和从属关系等，支持电力标准（如IEC61850）、电站标识系统（如KKS）、水文调度等数据模型，为集控一体化应用提供基础支撑。针对水电工程噪声分析、视频分析等应用需求，支持非结构数据，将视频、音频监测数据作为对象化模型的属性。

（3）服务层：实现文件、画面、数据、日志等基础服务，以及3D模型、地图等水电调专用服务，提供服务的查询、定位、访问代理。数据传输采用分布式消息总线和服务总线，实现异构环境下的消息传递、事件回调、进程控制、文件访问等。

（4）应用基础层：提供通信配置、数据管理、模型维护、人机界面集成、指令和计算定义等功能。其中，人机界面集成工具采用对象化图元，与数据模型相互对应，可反复组合调用，便于电站同构单元操作界面的实现；针对水电调多业务界面一体化需要，提供网页容器控件，便于成熟的第三方应用界面直接调用。

（5）应用层：梯级调控中心各业务一体化应用，包含电站远程集中控制、水情测报与水库调度、流域梯级电站经济调度、故障诊断、工程安全监测等应用。支持移动终端、数据大屏、3D虚拟现实等人机交互与信息发布[6]。

3.2 梯级水电站集控智能一体化方案总体设计采用以一体化平台为基础构建梯级水电集控系统，将原来分散部署、独立运行的电站远程监控、水库调度、大坝监测、电能计量、防汛指挥等不同业务系统整合到统一的一体化平台，实现数据汇集、服务共享、功能互通。对各业务数据，平台从数据底层构建水利水电工程数据模型，支持大规模复杂对象管理与调度控制，便于各业务应用软件的标准化、平台化。

针对梯级水电站群集控中心应用需求和电网安全防护要求，采用跨网络安全分区部署的方案（如图2），即电力系统安全Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ/Ⅳ区统一部署一体化平台基础组件，分别与梯级电站各安全区应用系统（或设备）进行通信，实现采集或控制功能，分区域部署不同的业务应用[7]。其中，安全Ⅰ区部署完整的梯级水电站计算机集控系统，具备电站通信、操作控制、历史数据存储等功能，并接收电网调度指令，对各梯级电站进行统一的自动优化调控；安全Ⅱ区部署梯级集控中心非实时生产系统，包括水情水调系统、电能量系统、保护信息主站、在线监测系统、故障录播系统等，各系统采集梯级电站相应系统或设备数据，水调系统向电站下达调度方案；Ⅲ/Ⅳ区部署各生产管理系统，汇聚Ⅰ区、Ⅱ区的生产数据，采集梯级电站安防、工业电视、大坝监测、巡检、机器人等系统数据，在数据统一汇集的基础上，构建诊断分析、决策智慧、大屏综展、生产信息发布等基于大数据分析的综合业务系统。

图2 梯级水电站集控智能一体化部署方案

各安全分区内，根据部署的业务应用对计算、存储、人机界面和远程通信的需求，部署相应的服务器和工作站。一体化平台统一为梯级水电集控各业务系统提供数据同步、消息传送、指令交换功能，支持跨安全区传输交换，并提供统一的网络安全防护。防火墙、隔离装置等网络安全设备对各业务应用来说是透明的。

3.3 梯级水电站集控智能一体化高级应用软件一体化平台提供的通用服务、通信接口、数据库工具、人机界面工具、计算分析工具等共性基础功能，可快速搭建各类高级智能应用并实现交互，原则上各应用只需开发业务逻辑部分。面向梯调业务多目标调控和决策需求，主要开发以下业务服务和智能应用：

（1）水调智能应用。采用面向对象的方法建立水调数据模型，形成遥测采集、报汛数据采集、报汛数据上传、网调数据上传、雨量等值面计算、防洪调度、发电调度等水调业务服务，实现与电调、气象数据的实时交互，形成梯级水库优化调度方案。

（2）经济调度控制（EDC）。建立非实时优化策略模块和实时优化分配模块。非实时优化策略模块完成耗水计算、水位过程计算、机组性能分析，形成负荷优化分配方案。实时模块以此为基础，跟踪电网设定值，计算流域电站各运行机组经济运行负荷。

（3）自动发电控制（AGC）。建立自动发电控制对象化模型，根据电网给定的总负荷曲线和各电站运行工况，将梯级总有功给定值分配至流域各电站或直接分配至发电机组。

（4）其他相关智能应用。基于平台数据服务，形成流域机组状态监测与健康评估系统、大坝状态监测分析系统、电站群运行智能分析报告、流域实时水情工情发布系统、流域综合决策指挥（展示）系统、梯调信息发布APP等。

3.4 与现有技术方案的比较传统梯调集控方案下，水调、电调各系统独立运行，业务融合困难。部分国内厂商的界面一体化方案，多采用共享数据库或通信方式，各应用之间未从数据底层构建连接关系，每增加一个应用均需与已有应用系统各自建立新的数据交互方案，扩展性差。一体化平台采用了全新实现方法，即从底层数据库构建对象化模型，建立数据模型间的组织联系和逻辑关系，以对象化作为系统数据与功能组织的纽带，应用图元与数据模型相互对应，实现了的从数据到应用的全对象化建模，统一了从实时数据到高级应用、决策支持的建模标准。应用之间实现互动或增加业务应用时，无需重新描述和构建复杂数据逻辑关系，从本质上实现了水电调各业务的一体化融合，克服了传统方案的不足。

而国外具有对象化特征的主流工业数据平台，如GE的Predix、Siemens的MindSphere等，则主要侧重设备情报管理、工业大数据分析等功能。iP9000兼具上述功能，并融合了实时控制、综合展示、非工业专业数据（如水雨情数据）分析等功能，在多业务复杂交互、跨安全区系统联动等方面有较大改进，功能覆盖范围更广，更符合水电集控实际应用需求。

4 梯级水电站集控智能一体化关键技术

面向梯级水电集控多业务、跨区部署、信息融合、业务一体化、提高报警有效性、优化调控运行、提高可靠性等需求出发，重点开展了以下关键技术研究：

4.1 多源异构海量数据处理技术梯级集控一体化平台需要接入多电站各类业务系统的实时数据与历史数据，多源、异构、海量的特征显著，要求平台能高效、实时、可靠地进行数据存储、分发和应用处理。平台采用以下解决方案：

（1）针对大型水电控制系统对数据库高速访问的性能要求，平台采用全冗余实时数据库技术，即每个节点均拥有完整的实时数据库，快速为本地提供各类应用计算需要的全部数据，实现本地服务，分布高速计算。同时，采用了双总线技术实现数据同步，保证各节点数据的一致性。

（2）针对集控繁杂的应用需求，平台支持同时部署和使用多个不同类型的历史数据库，实现各种应用的结构化、非结构化、半结构化数据存储。一体化平台采用透明化访问技术，即由平台向各应用提供统一抽象的数据库访问接口，屏蔽不同数据库之间的差异。对于保存时间较长及数据量较大的历史事项表，通过建立表空间和索引表，对数据进行分区，提高了查询和存储效率。此外，历史数据库基于分布式集群技术，可动态扩充数据存储能力和访问性能。

4.2 对象化智能报警技术梯级水电集控集中了电站群各系统产生的大量报警信号，其中包含许多无效报警，给运行管理带来压力和困扰。针对该问题，平台改进传统集控系统单一的源信号报警方式，采取了多种技术方案对原始报警信号进行预处理，减少误报和无效报警，将最有价值的信息及数据分析结果提供给用户。主要技术包括：

（1）报警信号智能分级策略。开发了智能分级处理机制和组态工具，用户可根据需要编制对象智能报警策略，报警事件可按集控人工干预、电站现场核查的紧急程度进行分类分级[8]，同一报警事项根据现场设备运行工况不同可呈现不同分级。

（2）对象化关联报警策略。基于设备对象树中对象间、指标间的关联关系，对重要报警信号，平台可预设关联信号、画面及应急处理文档。重要报警信号出现在报警窗体时，通过一键操作定位关联信号状态及对象画面，便于快速分析解决问题。

（3）基于特征参数分析的报警信息压缩技术。监控系统建立报警发生频率计算处理模型，提取实时报警信息发生的频率特征参数。当频率特征参数超过阈值时，报警窗口执行压缩策略，报警窗口内只报送单条压缩后的报警信息，操作员处理报警事项时，可人工解除或展开压缩后的报警信息；当报警发生频率降低至阈值以下时，自动恢复为常规报警。通过该技术避免报警信号抖动、次要重复报警对重要报警的湮没。

（4）建立平台级报警分类系统。面向水电调各类不同应用，统一构建平台级报警分类系统，用于对平台上新产生报警信号进行分类和管理，并分发至Oncall、巡检、智能决策、设备联动、移动APP等智能应用，智能应用可以图元闪烁、画面推送、语音、短消息提示等不同方式提醒运行人员或相关责任人注意。平台提供报警定义、报警汇总、报警日志等功能。智能报警处理的逻辑流程如图3所示：

图3 智能报警处理逻辑流程

4.3 高可靠的数据通信与同步技术梯级水电集控中心承担流域电站群的远程调度控制，事关电网和流域安全，对实时数据通信的可靠性要求极高。同时，实现集控多业务一体化功能，也要求分布于多个安全区的各业务应用之间可靠交互数据和指令。主要解决方案包括：

（1）基于一体化平台的服务集群调度技术，由多台服务器构建通信集群，将各通信对象可定义为单独的服务模块，每个通信服务单独预设主机切换队列，互不影响。当通信服务所在主机发生故障时，可按预先设置的主机队列切换策略进行故障切换处理，避免了传统双主机热备方案可能产生的双主、无主等问题，大幅提高了对电站通信的容错性、可靠性。

（2）针对于电站侧不同厂家开发的计算机监控系统，设计了基于IEC104扩展协议的104点对象的属性交互核对协议，开发了自动对点功能，可在系统正常运行时进行电站与清江梯调自动进行点核对，并生成核对报表。针对电站侧同样采用iP9000的水电站，采用了单边点表的方式同步集控和电站的测点定义。通过上述方法，避免了人工匹配数据造成的结构差异、定义错误、数据错位等问题，同时大大提高了效率。

（3）针对多种应用系统跨安全区使用数据（一般为Ⅲ区使用Ⅰ区、Ⅱ区数据）的需求，一体化平台提供了跨隔离的信息自动同步机制，支持各安全分区之间数据的平台级透明传输，简化不同应用跨区交互实现。限于隔离装置传输速率和单向连接的特性，数据由Ⅰ/Ⅱ区跨隔离装置向Ⅲ区同步时易出现故障中断问题，平台采用多策略故障恢复技术（如图4）：根据中断时间是否超过预设阈值判定是否为长中断，如不是长中断，故障恢复时直接重发缓存数据；如是长中断，记录中断断面，故障恢复时优先恢复实时数据，并将断面至恢复点之间的数据、操作记录、日志等压入缓存，逐步向Ⅲ区同步，避免长期中断撑爆缓存的情况。

图4 跨隔离数据同步故障恢复策略

4.4 多业务一体化人机交互技术传统水电集控电调系统图形组态软件主要提供设备状态指示、运行参数展示、报警信息显示、控制指令下达等图元，功能相对简单，优势在于能够通过图形组态快速构建人机交互界面，但无法满足水电集控多业务应用对复杂交互、数据分析、地图展示等功能的需要。一体化平台采用面向对象的信息组织和展示方式，实现图元与设备数据模型一一对应，图元、数据库、报警信息可相互检索；开发了按钮、选择框、展示框、表格、曲线等基础功能图元，通过拖拽和参数配置即可建立图元之间、图元与平台之间的交互逻辑和数据关联，实现复杂的业务交互功能；开发了WEB窗体组件和三维图像组件，并可通过窗体与按钮、输入框等图元的匹配，实现对窗体中WEB页面的切换和数据输入。利用上述功能，既可快速开发交互复杂的业务应用，也可在平台界面上快速集成复杂的第三方业务应用系统，满足水电调应用需求。

4.5 梯级水电站智能优化运行技术梯级水电站优化运行受上级防汛调度方案、电力调度方案、水电工程设施运行状态等诸多因素影响，传统模式下，这些缺乏关联且分布于不同系统信息难以整合，优化运行方案多数停留在基于历史数据分析和模型探索，实用性较差。一体化平台融合各类数据，为水库中长期发电优化调度数学模型提供数据基台，并提供计算分析交互界面和机器学习算法配置工具，通过对历史调度样本的学习，并通过多业务实时数据的验算校核，实现了调度决策方案的优化。

同时，建立了分级对象化的自动发电控制（AGC）模型，根据震动特性，将机组的运行全区间离散为最优、次优、较差、禁止长时运行等多级运行分区。AGC工作时，根据机组当前运行区间，优先选择最近的最优安全运行区进行等微增分配，不能分配时则选择次优，逐级分配。实际投运后，流域机组运行工况得到了较大的改善。

5 梯级水电站集控智能一体化关键技术推广应用案例

2018年，首个采用iP9000一体化平台的清江梯级水电站智能对象化水电调系统投运。该系统将下辖的3个大型梯级水电站的电调相关应用系统和水调相关应用系统进行平台化整合，形成发电设备控制运维、闸门操作、电力生产调控、水库调度作业、洪水演算预报、水情预警等业务的一体化，统一监视、控制、调节、维护、分析和预警。一体化平台部署了防洪调度、发电优化调度、经济运行评价、会商决策支持等高级应用模块，并使各业务的报表、运行报告、信息发布由统一的功能模块实现。3年来，系统运行效益显著。

增强了系统安全性。通过对象化智能报警技术的应用，无效报警大幅减少，减轻运行人员劳动强度同时提高了设备异常信息技术处理效率，提高了安全运行水平。

降低了运维成本。通过自动对点功能应用，新电站（或改造电站）数据接入梯级集控的调试时间从以前的一周缩减到3～5小时，时间缩短90%以上同时，完全杜绝了人工对点可能产生错误。通过多业务一体化人机交互技术的应用，实现了智能运维功能，使所有应用系统及其软硬件环境的监视和运维通过一个界面完成，电调、水调报表及运行分析报告功能集成统一，大大降低软硬件维护工作量，减少了运维人员配置，较传统集控每年降低运维成本近百万元。

提高了经济效益。通过应用梯级水电站智能优化运行技术，超前拟算流域段水库水位控制目标，科学分配梯级电站发电量，减少了弃水，提高了机组运行效率。通过梯级电站AGC的投运，减少了电站小出力运行时间，改善了运行工况，有利于机组长久稳定运行。通过一体化对多业务综合决策的支撑，实现更加精准的调洪仿真、调度方案预演，合理重复利用梯级库容，保障度汛同时，增加了发电量。2019—2021年累计节水增发电量10亿kW·h。

在清江梯级水电站对象化水电调系统成功投运基础上，2020年以来，基于iP9000一体化平台的智能梯级水电集控解决方案进一步推广至三峡梯调金沙江下游昆明调控中心、三峡梯调中心、国网湖南水电集控中心等多个重要流域梯级集控中心，取得了良好应用效果。其中，三峡梯调金沙江下游昆明调控中心是目前全球装机规模最大的流域梯级调控中心。通过应用高可靠的数据通信与同步技术，保障了调控中心与白鹤滩、乌东德两座巨型水电厂数据通信的稳定性、可靠性、安全性，实现了水电调业务一体化、生产运行远程 “全监全控”等功能。基于平台还形成了智能报警、大屏综合展示、智能分析报告、图形化逻辑分析等智能应用体系[9]，功能已通过验收。采用相同设计的三峡梯调中心同步完成升级改造，实现了对三峡电厂、葛洲坝电厂的远程调控。国网湖南水电集控中心投运后，实现了水电、水库调度、大坝监测、设备诊断分析等多系统的数据整合、业务交互。

6 结论

本文提出的梯级水电站集控智能一体化方案，从底层数据库构建对象化模型，以对象化为基础组织系统功能，针对多厂站远程集中控制等梯级水电调控中心特定需求对一体化平台功能进行了优化，解决了传统方案中多源异构数据处理等问题，从本质上实现了多业务融合。相比国外同类技术方案，整合了工业控制、工业与非工业数据分析等不同平台功能，更符合我国梯级水电站管理的需求。

在关键技术中，通过采用多源异构海量数据处理技术，屏蔽了梯级集控用不同数据库的差异，便于各类应用数据的汇聚、管理、应用和交互；通过采用对象化智能报警技术，大幅减少无效报警，降低了运维工作负担，提高了梯调控中心安全运行水平；通过应用高可靠性数据通信与同步技术，实现了各类应用远程、跨安全区的可靠数据交互；通过应用多业务一体化人机交互，解决了多业务应用协同的问题，实现了水电调业务一体化；通过应用梯级水电站智能优化运行技术，提高了上下游电站协同调控的水平，改善了流域枢纽群的综合效益。