王桂平，張 煦，韓長(zhǎng)霖，文正國(guó)，張衛(wèi)君，龔傳利，董 靜

（1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100038；2.北京中水科水電科技開(kāi)發(fā)有限公司，北京 100038）

1 研究背景

我國(guó)重要江河水能資源多采用流域梯級(jí)的開(kāi)發(fā)方式，相近河段的梯級(jí)電站一般由同一發(fā)電實(shí)體運(yùn)營(yíng)，梯級(jí)電站在水位調(diào)節(jié)、水能利用、水庫(kù)容量、防洪供水等方面相互依托，相互影響。為實(shí)現(xiàn)對(duì)梯級(jí)電站群的統(tǒng)一調(diào)控，通過(guò)合理安排梯級(jí)水電站的運(yùn)行方式，最大限度發(fā)揮電站群的發(fā)電、防洪、供水、航運(yùn)等綜合效益，許多發(fā)電公司建設(shè)了梯級(jí)電站集控中心（調(diào)控中心）。實(shí)踐證明，梯級(jí)電站統(tǒng)一集控效益顯著。國(guó)電投湖南五凌水電集控中心，實(shí)現(xiàn)對(duì)3個(gè)流域13個(gè)梯級(jí)水電站群的集中控制，電站現(xiàn)場(chǎng)采用 “無(wú)人值班”運(yùn)行模式，各水電站現(xiàn)場(chǎng)僅有少量員工參與運(yùn)行值守和檢修工作，減少了人員和運(yùn)維成本，同時(shí)利用流域調(diào)度和水電、火電、抽水蓄能的互補(bǔ)特性，顯著提高發(fā)電了效益。三峽集團(tuán)成都金沙江下游梯級(jí)調(diào)度中心電調(diào)自動(dòng)化系統(tǒng)，對(duì)金沙江下游的溪洛渡（18臺(tái)700 MW）、向家壩（8臺(tái)770 MW）兩巨型電站進(jìn)行遠(yuǎn)方 “調(diào)控一體化”管理，兩座巨型電站的常規(guī)控制、AGC/AVC及優(yōu)化調(diào)度均在成都的調(diào)控中心完成，運(yùn)行長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠，充分發(fā)揮了電站群的規(guī)模優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了益差互補(bǔ)，提高了電力輸出的穩(wěn)定性，獲得良好經(jīng)濟(jì)效益[1]。

近年來(lái)，國(guó)家強(qiáng)化對(duì)樞紐工程防洪調(diào)洪、供水保障、生態(tài)調(diào)度等綜合效益的要求，同時(shí)大力推進(jìn)智能電網(wǎng)、智慧水利建設(shè)，在此背景下，流域電站群優(yōu)化調(diào)度、網(wǎng)源協(xié)調(diào)、信息共享、智能決策的需求也不斷提升。原有梯級(jí)集控中心水調(diào)、電調(diào)等系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行的方式，已無(wú)法完全滿(mǎn)足新要求。為此，三峽梯調(diào)成都調(diào)控中心等工程運(yùn)行單位，從優(yōu)化管理模式上開(kāi)展創(chuàng)新實(shí)踐，采取 “水電一體”、“調(diào)控一體化”的運(yùn)行管理模式，并取得一定成效[2]；天津大學(xué)等高校，將發(fā)電、泄洪、通航等目標(biāo)的聯(lián)合協(xié)同實(shí)時(shí)調(diào)控作為特大水電樞紐安全運(yùn)行的前沿及重點(diǎn)研究問(wèn)題，提出應(yīng)實(shí)現(xiàn) “數(shù)據(jù)采集自動(dòng)化、信息預(yù)測(cè)精確化、安全預(yù)警在線(xiàn)化、調(diào)度決策最優(yōu)化、運(yùn)行控制一體化”的智能調(diào)控運(yùn)行目標(biāo)[3]；國(guó)電大渡河公司牽頭編制的 《梯級(jí)水電廠(chǎng)智慧調(diào)度技術(shù)導(dǎo)則》（T/CEC284—2019），提出智慧調(diào)度系統(tǒng)應(yīng)具備氣象預(yù)報(bào)、水文預(yù)報(bào)、洪水調(diào)度、中長(zhǎng)短期發(fā)電調(diào)度、實(shí)時(shí)發(fā)電調(diào)控等功能。這些研究工作為開(kāi)展梯級(jí)站水電集控智能一體化平臺(tái)研究提供了重要支撐，但從現(xiàn)況來(lái)看，國(guó)內(nèi)外已有應(yīng)用技術(shù)未能從業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)底層進(jìn)行對(duì)象化建模，在梯級(jí)電站多業(yè)務(wù)整合、跨安全區(qū)數(shù)據(jù)高效傳輸、多源異構(gòu)數(shù)據(jù)處理方面存在較多缺陷。

針對(duì)這一問(wèn)題，本文結(jié)合三峽梯調(diào)金沙江下游昆明調(diào)控中心、清江梯調(diào)水電調(diào)集控中心系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)實(shí)踐，開(kāi)展梯級(jí)水電站群智能調(diào)控技術(shù)研究，采用一體化平臺(tái)技術(shù)架構(gòu)為主要技術(shù)路線(xiàn)，重點(diǎn)解決多系統(tǒng)跨安全區(qū)數(shù)據(jù)共享、多業(yè)務(wù)一體化運(yùn)行、海量數(shù)據(jù)通信等問(wèn)題，為水利水電行業(yè)智慧化發(fā)展提供技術(shù)參考。

2 梯級(jí)水電站智能集控的技術(shù)需求

流域梯級(jí)水電站集控中心的業(yè)務(wù)目標(biāo)主要包括：

（1）通過(guò)對(duì)流域水電站群進(jìn)行集中運(yùn)行控制，實(shí)現(xiàn)電站側(cè)的 “無(wú)人值班、少人值守”，減少或取消現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行人員，改善運(yùn)行人員的工作生活環(huán)境；通過(guò)人員集中管理，精簡(jiǎn)和優(yōu)化調(diào)控運(yùn)行隊(duì)伍，集控中心選拔高水平運(yùn)行人員負(fù)責(zé)各站的運(yùn)行控制，提高安全運(yùn)行能力；采用一個(gè)運(yùn)行人員管理一個(gè)工作臺(tái)監(jiān)視控制多個(gè)水電站，即 “一人一席多廠(chǎng)”的運(yùn)行管理方式，進(jìn)一步精簡(jiǎn)隊(duì)伍，減少運(yùn)營(yíng)成本。

（2）通過(guò)共享水文、氣象等信息，協(xié)調(diào)上下游水庫(kù)調(diào)度過(guò)程，實(shí)現(xiàn)梯級(jí)水電站聯(lián)合優(yōu)化調(diào)控，提高流域電站群發(fā)電量和發(fā)電效益，達(dá)到流域水能資源優(yōu)化利用、水資源綜合高效利用。同時(shí)，也可根據(jù)防洪、生態(tài)、通航等目標(biāo)，集中統(tǒng)一調(diào)控上下游電站，更好發(fā)揮綜合效益[4]。

（3）通過(guò)對(duì)全流域電站群生產(chǎn)與管理數(shù)據(jù)的統(tǒng)一匯聚，構(gòu)建流域大數(shù)據(jù)中心，打通不同業(yè)務(wù)子系統(tǒng)之間、不同電站之間的數(shù)據(jù)壁壘，簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)交互與數(shù)據(jù)維護(hù)的復(fù)雜度，提高其可靠性，為深度利用數(shù)據(jù)提供基礎(chǔ)保障。

（4）通過(guò)對(duì)流域水電站群生產(chǎn)與管理信息的共享、生產(chǎn)要素的統(tǒng)籌調(diào)度、專(zhuān)家智力資源的匯聚等，全面改進(jìn)過(guò)去不同電站、不同專(zhuān)業(yè)間低效協(xié)調(diào)的問(wèn)題。構(gòu)建智能應(yīng)用一體化運(yùn)行模式，形成調(diào)度運(yùn)行中心、遠(yuǎn)程診斷中心及防洪、生態(tài)、售電等業(yè)務(wù)的決策支持中心。

受限于原有設(shè)計(jì)思路和技術(shù)能力，傳統(tǒng)流域梯級(jí)電站集控中心各業(yè)務(wù)缺少統(tǒng)一的基礎(chǔ)技術(shù)平臺(tái)，信息共享、功能協(xié)同難度大，多目標(biāo)調(diào)控、決策支持等目標(biāo)實(shí)現(xiàn)質(zhì)量不高。近年來(lái)，有關(guān)研究單位聚焦一體化業(yè)務(wù)平臺(tái)開(kāi)展了大量研究，形成了以北京中水科水電科技開(kāi)發(fā)有限公司iP9000智能一體化平臺(tái)為代表的一批重要成果，成功應(yīng)用于新一代集控中心建設(shè)項(xiàng)目。

3 梯級(jí)水電站集控智能一體化解決方案

3.1 梯級(jí)水電站集控智能一體化平臺(tái)總體架構(gòu)針對(duì)梯級(jí)水電調(diào)多專(zhuān)業(yè)、多業(yè)務(wù)協(xié)同需要，為實(shí)現(xiàn)各專(zhuān)業(yè)應(yīng)用間數(shù)據(jù)、服務(wù)和功能的快速調(diào)用，集控中心智能一體化平臺(tái)采用了面向服務(wù)（SOA）架構(gòu)，并按分層分布的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)（如圖1）。環(huán)境層、數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、應(yīng)用基礎(chǔ)層和應(yīng)用層采用松散耦合的服務(wù)封裝，不同層次之間通過(guò)簡(jiǎn)單、精確定義的服務(wù)接口進(jìn)行交互。

圖1 梯級(jí)水電站集控智能一體化平臺(tái)總體架構(gòu)

基于該架構(gòu)，一體化平臺(tái)提供系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理、消息管理、事件管理等公共服務(wù)，以分布式消息總線(xiàn)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的高效傳輸，以分布式服務(wù)總線(xiàn)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用之間在消息、事件和功能調(diào)用上的動(dòng)態(tài)互連互通[5]，具有良好的開(kāi)放性和擴(kuò)展性。水電調(diào)各業(yè)務(wù)應(yīng)用在平臺(tái)上以獨(dú)立的分布式服務(wù)組件模式呈現(xiàn)，通過(guò)一體化平臺(tái)的服務(wù)定位獲得所需服務(wù)。

根據(jù)梯級(jí)水電站集控業(yè)務(wù)特定要求，規(guī)范和完善平臺(tái)各層的功能、技術(shù)設(shè)計(jì)。

（1）環(huán)境層：由相互獨(dú)立的分布于不同安全分區(qū)的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)平臺(tái)及操作系統(tǒng)軟件組成。其中，由于電力調(diào)度通信對(duì)實(shí)時(shí)性、可靠性要求很高，安全Ⅰ區(qū)采用冗余熱備通信服務(wù)器集群；安全Ⅲ區(qū)匯集各業(yè)務(wù)系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)，寫(xiě)庫(kù)負(fù)載重、數(shù)據(jù)量大，采用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)集群。按照電力生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)安全要求，環(huán)境層全面支持國(guó)產(chǎn)化服務(wù)器、國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)和國(guó)產(chǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)。

（2）數(shù)據(jù)層：實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)的匯集，并按業(yè)務(wù)特征構(gòu)建對(duì)象化數(shù)據(jù)模型。針對(duì)水電梯級(jí)集控業(yè)務(wù)，對(duì)梯級(jí)水電站設(shè)備、大壩、閘門(mén)等工程實(shí)體，以及梯級(jí)水庫(kù)、河段水雨情等河流實(shí)體建立對(duì)象化模型。模型描述了管理對(duì)象的特性、功能、邏輯和從屬關(guān)系等，支持電力標(biāo)準(zhǔn)（如IEC61850）、電站標(biāo)識(shí)系統(tǒng)（如KKS）、水文調(diào)度等數(shù)據(jù)模型，為集控一體化應(yīng)用提供基礎(chǔ)支撐。針對(duì)水電工程噪聲分析、視頻分析等應(yīng)用需求，支持非結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，將視頻、音頻監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為對(duì)象化模型的屬性。

（3）服務(wù)層：實(shí)現(xiàn)文件、畫(huà)面、數(shù)據(jù)、日志等基礎(chǔ)服務(wù)，以及3D模型、地圖等水電調(diào)專(zhuān)用服務(wù)，提供服務(wù)的查詢(xún)、定位、訪(fǎng)問(wèn)代理。數(shù)據(jù)傳輸采用分布式消息總線(xiàn)和服務(wù)總線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)環(huán)境下的消息傳遞、事件回調(diào)、進(jìn)程控制、文件訪(fǎng)問(wèn)等。

（4）應(yīng)用基礎(chǔ)層：提供通信配置、數(shù)據(jù)管理、模型維護(hù)、人機(jī)界面集成、指令和計(jì)算定義等功能。其中，人機(jī)界面集成工具采用對(duì)象化圖元，與數(shù)據(jù)模型相互對(duì)應(yīng)，可反復(fù)組合調(diào)用，便于電站同構(gòu)單元操作界面的實(shí)現(xiàn)；針對(duì)水電調(diào)多業(yè)務(wù)界面一體化需要，提供網(wǎng)頁(yè)容器控件，便于成熟的第三方應(yīng)用界面直接調(diào)用。

（5）應(yīng)用層：梯級(jí)調(diào)控中心各業(yè)務(wù)一體化應(yīng)用，包含電站遠(yuǎn)程集中控制、水情測(cè)報(bào)與水庫(kù)調(diào)度、流域梯級(jí)電站經(jīng)濟(jì)調(diào)度、故障診斷、工程安全監(jiān)測(cè)等應(yīng)用。支持移動(dòng)終端、數(shù)據(jù)大屏、3D虛擬現(xiàn)實(shí)等人機(jī)交互與信息發(fā)布[6]。

3.2 梯級(jí)水電站集控智能一體化方案總體設(shè)計(jì)采用以一體化平臺(tái)為基礎(chǔ)構(gòu)建梯級(jí)水電集控系統(tǒng)，將原來(lái)分散部署、獨(dú)立運(yùn)行的電站遠(yuǎn)程監(jiān)控、水庫(kù)調(diào)度、大壩監(jiān)測(cè)、電能計(jì)量、防汛指揮等不同業(yè)務(wù)系統(tǒng)整合到統(tǒng)一的一體化平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)匯集、服務(wù)共享、功能互通。對(duì)各業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，平臺(tái)從數(shù)據(jù)底層構(gòu)建水利水電工程數(shù)據(jù)模型，支持大規(guī)模復(fù)雜對(duì)象管理與調(diào)度控制，便于各業(yè)務(wù)應(yīng)用軟件的標(biāo)準(zhǔn)化、平臺(tái)化。

針對(duì)梯級(jí)水電站群集控中心應(yīng)用需求和電網(wǎng)安全防護(hù)要求，采用跨網(wǎng)絡(luò)安全分區(qū)部署的方案（如圖2），即電力系統(tǒng)安全Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)、Ⅲ/Ⅳ區(qū)統(tǒng)一部署一體化平臺(tái)基礎(chǔ)組件，分別與梯級(jí)電站各安全區(qū)應(yīng)用系統(tǒng)（或設(shè)備）進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)采集或控制功能，分區(qū)域部署不同的業(yè)務(wù)應(yīng)用[7]。其中，安全Ⅰ區(qū)部署完整的梯級(jí)水電站計(jì)算機(jī)集控系統(tǒng)，具備電站通信、操作控制、歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能，并接收電網(wǎng)調(diào)度指令，對(duì)各梯級(jí)電站進(jìn)行統(tǒng)一的自動(dòng)優(yōu)化調(diào)控；安全Ⅱ區(qū)部署梯級(jí)集控中心非實(shí)時(shí)生產(chǎn)系統(tǒng)，包括水情水調(diào)系統(tǒng)、電能量系統(tǒng)、保護(hù)信息主站、在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、故障錄播系統(tǒng)等，各系統(tǒng)采集梯級(jí)電站相應(yīng)系統(tǒng)或設(shè)備數(shù)據(jù)，水調(diào)系統(tǒng)向電站下達(dá)調(diào)度方案；Ⅲ/Ⅳ區(qū)部署各生產(chǎn)管理系統(tǒng)，匯聚Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，采集梯級(jí)電站安防、工業(yè)電視、大壩監(jiān)測(cè)、巡檢、機(jī)器人等系統(tǒng)數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)統(tǒng)一匯集的基礎(chǔ)上，構(gòu)建診斷分析、決策智慧、大屏綜展、生產(chǎn)信息發(fā)布等基于大數(shù)據(jù)分析的綜合業(yè)務(wù)系統(tǒng)。

圖2 梯級(jí)水電站集控智能一體化部署方案

各安全分區(qū)內(nèi)，根據(jù)部署的業(yè)務(wù)應(yīng)用對(duì)計(jì)算、存儲(chǔ)、人機(jī)界面和遠(yuǎn)程通信的需求，部署相應(yīng)的服務(wù)器和工作站。一體化平臺(tái)統(tǒng)一為梯級(jí)水電集控各業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)同步、消息傳送、指令交換功能，支持跨安全區(qū)傳輸交換，并提供統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)。防火墻、隔離裝置等網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備對(duì)各業(yè)務(wù)應(yīng)用來(lái)說(shuō)是透明的。

3.3 梯級(jí)水電站集控智能一體化高級(jí)應(yīng)用軟件一體化平臺(tái)提供的通用服務(wù)、通信接口、數(shù)據(jù)庫(kù)工具、人機(jī)界面工具、計(jì)算分析工具等共性基礎(chǔ)功能，可快速搭建各類(lèi)高級(jí)智能應(yīng)用并實(shí)現(xiàn)交互，原則上各應(yīng)用只需開(kāi)發(fā)業(yè)務(wù)邏輯部分。面向梯調(diào)業(yè)務(wù)多目標(biāo)調(diào)控和決策需求，主要開(kāi)發(fā)以下業(yè)務(wù)服務(wù)和智能應(yīng)用：

（1）水調(diào)智能應(yīng)用。采用面向?qū)ο蟮姆椒ń⑺{(diào)數(shù)據(jù)模型，形成遙測(cè)采集、報(bào)汛數(shù)據(jù)采集、報(bào)汛數(shù)據(jù)上傳、網(wǎng)調(diào)數(shù)據(jù)上傳、雨量等值面計(jì)算、防洪調(diào)度、發(fā)電調(diào)度等水調(diào)業(yè)務(wù)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)與電調(diào)、氣象數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交互，形成梯級(jí)水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度方案。

（2）經(jīng)濟(jì)調(diào)度控制（EDC）。建立非實(shí)時(shí)優(yōu)化策略模塊和實(shí)時(shí)優(yōu)化分配模塊。非實(shí)時(shí)優(yōu)化策略模塊完成耗水計(jì)算、水位過(guò)程計(jì)算、機(jī)組性能分析，形成負(fù)荷優(yōu)化分配方案。實(shí)時(shí)模塊以此為基礎(chǔ)，跟蹤電網(wǎng)設(shè)定值，計(jì)算流域電站各運(yùn)行機(jī)組經(jīng)濟(jì)運(yùn)行負(fù)荷。

（3）自動(dòng)發(fā)電控制（AGC）。建立自動(dòng)發(fā)電控制對(duì)象化模型，根據(jù)電網(wǎng)給定的總負(fù)荷曲線(xiàn)和各電站運(yùn)行工況，將梯級(jí)總有功給定值分配至流域各電站或直接分配至發(fā)電機(jī)組。

（4）其他相關(guān)智能應(yīng)用?；谄脚_(tái)數(shù)據(jù)服務(wù)，形成流域機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)與健康評(píng)估系統(tǒng)、大壩狀態(tài)監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)、電站群運(yùn)行智能分析報(bào)告、流域?qū)崟r(shí)水情工情發(fā)布系統(tǒng)、流域綜合決策指揮（展示）系統(tǒng)、梯調(diào)信息發(fā)布APP等。

3.4 與現(xiàn)有技術(shù)方案的比較傳統(tǒng)梯調(diào)集控方案下，水調(diào)、電調(diào)各系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，業(yè)務(wù)融合困難。部分國(guó)內(nèi)廠(chǎng)商的界面一體化方案，多采用共享數(shù)據(jù)庫(kù)或通信方式，各應(yīng)用之間未從數(shù)據(jù)底層構(gòu)建連接關(guān)系，每增加一個(gè)應(yīng)用均需與已有應(yīng)用系統(tǒng)各自建立新的數(shù)據(jù)交互方案，擴(kuò)展性差。一體化平臺(tái)采用了全新實(shí)現(xiàn)方法，即從底層數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建對(duì)象化模型，建立數(shù)據(jù)模型間的組織聯(lián)系和邏輯關(guān)系，以對(duì)象化作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)與功能組織的紐帶，應(yīng)用圖元與數(shù)據(jù)模型相互對(duì)應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了的從數(shù)據(jù)到應(yīng)用的全對(duì)象化建模，統(tǒng)一了從實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)到高級(jí)應(yīng)用、決策支持的建模標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)用之間實(shí)現(xiàn)互動(dòng)或增加業(yè)務(wù)應(yīng)用時(shí)，無(wú)需重新描述和構(gòu)建復(fù)雜數(shù)據(jù)邏輯關(guān)系，從本質(zhì)上實(shí)現(xiàn)了水電調(diào)各業(yè)務(wù)的一體化融合，克服了傳統(tǒng)方案的不足。

而國(guó)外具有對(duì)象化特征的主流工業(yè)數(shù)據(jù)平臺(tái)，如GE的Predix、Siemens的MindSphere等，則主要側(cè)重設(shè)備情報(bào)管理、工業(yè)大數(shù)據(jù)分析等功能。iP9000兼具上述功能，并融合了實(shí)時(shí)控制、綜合展示、非工業(yè)專(zhuān)業(yè)數(shù)據(jù)（如水雨情數(shù)據(jù)）分析等功能，在多業(yè)務(wù)復(fù)雜交互、跨安全區(qū)系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)等方面有較大改進(jìn)，功能覆蓋范圍更廣，更符合水電集控實(shí)際應(yīng)用需求。

4 梯級(jí)水電站集控智能一體化關(guān)鍵技術(shù)

面向梯級(jí)水電集控多業(yè)務(wù)、跨區(qū)部署、信息融合、業(yè)務(wù)一體化、提高報(bào)警有效性、優(yōu)化調(diào)控運(yùn)行、提高可靠性等需求出發(fā)，重點(diǎn)開(kāi)展了以下關(guān)鍵技術(shù)研究：

4.1 多源異構(gòu)海量數(shù)據(jù)處理技術(shù)梯級(jí)集控一體化平臺(tái)需要接入多電站各類(lèi)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)，多源、異構(gòu)、海量的特征顯著，要求平臺(tái)能高效、實(shí)時(shí)、可靠地進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分發(fā)和應(yīng)用處理。平臺(tái)采用以下解決方案：

（1）針對(duì)大型水電控制系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)高速訪(fǎng)問(wèn)的性能要求，平臺(tái)采用全冗余實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，即每個(gè)節(jié)點(diǎn)均擁有完整的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，快速為本地提供各類(lèi)應(yīng)用計(jì)算需要的全部數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)本地服務(wù)，分布高速計(jì)算。同時(shí)，采用了雙總線(xiàn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同步，保證各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的一致性。

（2）針對(duì)集控繁雜的應(yīng)用需求，平臺(tái)支持同時(shí)部署和使用多個(gè)不同類(lèi)型的歷史數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)各種應(yīng)用的結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。一體化平臺(tái)采用透明化訪(fǎng)問(wèn)技術(shù)，即由平臺(tái)向各應(yīng)用提供統(tǒng)一抽象的數(shù)據(jù)庫(kù)訪(fǎng)問(wèn)接口，屏蔽不同數(shù)據(jù)庫(kù)之間的差異。對(duì)于保存時(shí)間較長(zhǎng)及數(shù)據(jù)量較大的歷史事項(xiàng)表，通過(guò)建立表空間和索引表，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分區(qū)，提高了查詢(xún)和存儲(chǔ)效率。此外，歷史數(shù)據(jù)庫(kù)基于分布式集群技術(shù)，可動(dòng)態(tài)擴(kuò)充數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力和訪(fǎng)問(wèn)性能。

4.2 對(duì)象化智能報(bào)警技術(shù)梯級(jí)水電集控集中了電站群各系統(tǒng)產(chǎn)生的大量報(bào)警信號(hào)，其中包含許多無(wú)效報(bào)警，給運(yùn)行管理帶來(lái)壓力和困擾。針對(duì)該問(wèn)題，平臺(tái)改進(jìn)傳統(tǒng)集控系統(tǒng)單一的源信號(hào)報(bào)警方式，采取了多種技術(shù)方案對(duì)原始報(bào)警信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，減少誤報(bào)和無(wú)效報(bào)警，將最有價(jià)值的信息及數(shù)據(jù)分析結(jié)果提供給用戶(hù)。主要技術(shù)包括：

（1）報(bào)警信號(hào)智能分級(jí)策略。開(kāi)發(fā)了智能分級(jí)處理機(jī)制和組態(tài)工具，用戶(hù)可根據(jù)需要編制對(duì)象智能報(bào)警策略，報(bào)警事件可按集控人工干預(yù)、電站現(xiàn)場(chǎng)核查的緊急程度進(jìn)行分類(lèi)分級(jí)[8]，同一報(bào)警事項(xiàng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行工況不同可呈現(xiàn)不同分級(jí)。

（2）對(duì)象化關(guān)聯(lián)報(bào)警策略?；谠O(shè)備對(duì)象樹(shù)中對(duì)象間、指標(biāo)間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，對(duì)重要報(bào)警信號(hào)，平臺(tái)可預(yù)設(shè)關(guān)聯(lián)信號(hào)、畫(huà)面及應(yīng)急處理文檔。重要報(bào)警信號(hào)出現(xiàn)在報(bào)警窗體時(shí)，通過(guò)一鍵操作定位關(guān)聯(lián)信號(hào)狀態(tài)及對(duì)象畫(huà)面，便于快速分析解決問(wèn)題。

（3）基于特征參數(shù)分析的報(bào)警信息壓縮技術(shù)。監(jiān)控系統(tǒng)建立報(bào)警發(fā)生頻率計(jì)算處理模型，提取實(shí)時(shí)報(bào)警信息發(fā)生的頻率特征參數(shù)。當(dāng)頻率特征參數(shù)超過(guò)閾值時(shí)，報(bào)警窗口執(zhí)行壓縮策略，報(bào)警窗口內(nèi)只報(bào)送單條壓縮后的報(bào)警信息，操作員處理報(bào)警事項(xiàng)時(shí)，可人工解除或展開(kāi)壓縮后的報(bào)警信息；當(dāng)報(bào)警發(fā)生頻率降低至閾值以下時(shí)，自動(dòng)恢復(fù)為常規(guī)報(bào)警。通過(guò)該技術(shù)避免報(bào)警信號(hào)抖動(dòng)、次要重復(fù)報(bào)警對(duì)重要報(bào)警的湮沒(méi)。

（4）建立平臺(tái)級(jí)報(bào)警分類(lèi)系統(tǒng)。面向水電調(diào)各類(lèi)不同應(yīng)用，統(tǒng)一構(gòu)建平臺(tái)級(jí)報(bào)警分類(lèi)系統(tǒng)，用于對(duì)平臺(tái)上新產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)進(jìn)行分類(lèi)和管理，并分發(fā)至Oncall、巡檢、智能決策、設(shè)備聯(lián)動(dòng)、移動(dòng)APP等智能應(yīng)用，智能應(yīng)用可以圖元閃爍、畫(huà)面推送、語(yǔ)音、短消息提示等不同方式提醒運(yùn)行人員或相關(guān)責(zé)任人注意。平臺(tái)提供報(bào)警定義、報(bào)警匯總、報(bào)警日志等功能。智能報(bào)警處理的邏輯流程如圖3所示：

圖3 智能報(bào)警處理邏輯流程

4.3 高可靠的數(shù)據(jù)通信與同步技術(shù)梯級(jí)水電集控中心承擔(dān)流域電站群的遠(yuǎn)程調(diào)度控制，事關(guān)電網(wǎng)和流域安全，對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信的可靠性要求極高。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)集控多業(yè)務(wù)一體化功能，也要求分布于多個(gè)安全區(qū)的各業(yè)務(wù)應(yīng)用之間可靠交互數(shù)據(jù)和指令。主要解決方案包括：

（1）基于一體化平臺(tái)的服務(wù)集群調(diào)度技術(shù)，由多臺(tái)服務(wù)器構(gòu)建通信集群，將各通信對(duì)象可定義為單獨(dú)的服務(wù)模塊，每個(gè)通信服務(wù)單獨(dú)預(yù)設(shè)主機(jī)切換隊(duì)列，互不影響。當(dāng)通信服務(wù)所在主機(jī)發(fā)生故障時(shí)，可按預(yù)先設(shè)置的主機(jī)隊(duì)列切換策略進(jìn)行故障切換處理，避免了傳統(tǒng)雙主機(jī)熱備方案可能產(chǎn)生的雙主、無(wú)主等問(wèn)題，大幅提高了對(duì)電站通信的容錯(cuò)性、可靠性。

（2）針對(duì)于電站側(cè)不同廠(chǎng)家開(kāi)發(fā)的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了基于IEC104擴(kuò)展協(xié)議的104點(diǎn)對(duì)象的屬性交互核對(duì)協(xié)議，開(kāi)發(fā)了自動(dòng)對(duì)點(diǎn)功能，可在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)進(jìn)行電站與清江梯調(diào)自動(dòng)進(jìn)行點(diǎn)核對(duì)，并生成核對(duì)報(bào)表。針對(duì)電站側(cè)同樣采用iP9000的水電站，采用了單邊點(diǎn)表的方式同步集控和電站的測(cè)點(diǎn)定義。通過(guò)上述方法，避免了人工匹配數(shù)據(jù)造成的結(jié)構(gòu)差異、定義錯(cuò)誤、數(shù)據(jù)錯(cuò)位等問(wèn)題，同時(shí)大大提高了效率。

（3）針對(duì)多種應(yīng)用系統(tǒng)跨安全區(qū)使用數(shù)據(jù)（一般為Ⅲ區(qū)使用Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)數(shù)據(jù)）的需求，一體化平臺(tái)提供了跨隔離的信息自動(dòng)同步機(jī)制，支持各安全分區(qū)之間數(shù)據(jù)的平臺(tái)級(jí)透明傳輸，簡(jiǎn)化不同應(yīng)用跨區(qū)交互實(shí)現(xiàn)。限于隔離裝置傳輸速率和單向連接的特性，數(shù)據(jù)由Ⅰ/Ⅱ區(qū)跨隔離裝置向Ⅲ區(qū)同步時(shí)易出現(xiàn)故障中斷問(wèn)題，平臺(tái)采用多策略故障恢復(fù)技術(shù)（如圖4）：根據(jù)中斷時(shí)間是否超過(guò)預(yù)設(shè)閾值判定是否為長(zhǎng)中斷，如不是長(zhǎng)中斷，故障恢復(fù)時(shí)直接重發(fā)緩存數(shù)據(jù)；如是長(zhǎng)中斷，記錄中斷斷面，故障恢復(fù)時(shí)優(yōu)先恢復(fù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并將斷面至恢復(fù)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)、操作記錄、日志等壓入緩存，逐步向Ⅲ區(qū)同步，避免長(zhǎng)期中斷撐爆緩存的情況。

圖4 跨隔離數(shù)據(jù)同步故障恢復(fù)策略

4.4 多業(yè)務(wù)一體化人機(jī)交互技術(shù)傳統(tǒng)水電集控電調(diào)系統(tǒng)圖形組態(tài)軟件主要提供設(shè)備狀態(tài)指示、運(yùn)行參數(shù)展示、報(bào)警信息顯示、控制指令下達(dá)等圖元，功能相對(duì)簡(jiǎn)單，優(yōu)勢(shì)在于能夠通過(guò)圖形組態(tài)快速構(gòu)建人機(jī)交互界面，但無(wú)法滿(mǎn)足水電集控多業(yè)務(wù)應(yīng)用對(duì)復(fù)雜交互、數(shù)據(jù)分析、地圖展示等功能的需要。一體化平臺(tái)采用面向?qū)ο蟮男畔⒔M織和展示方式，實(shí)現(xiàn)圖元與設(shè)備數(shù)據(jù)模型一一對(duì)應(yīng)，圖元、數(shù)據(jù)庫(kù)、報(bào)警信息可相互檢索；開(kāi)發(fā)了按鈕、選擇框、展示框、表格、曲線(xiàn)等基礎(chǔ)功能圖元，通過(guò)拖拽和參數(shù)配置即可建立圖元之間、圖元與平臺(tái)之間的交互邏輯和數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的業(yè)務(wù)交互功能；開(kāi)發(fā)了WEB窗體組件和三維圖像組件，并可通過(guò)窗體與按鈕、輸入框等圖元的匹配，實(shí)現(xiàn)對(duì)窗體中WEB頁(yè)面的切換和數(shù)據(jù)輸入。利用上述功能，既可快速開(kāi)發(fā)交互復(fù)雜的業(yè)務(wù)應(yīng)用，也可在平臺(tái)界面上快速集成復(fù)雜的第三方業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)，滿(mǎn)足水電調(diào)應(yīng)用需求。

4.5 梯級(jí)水電站智能優(yōu)化運(yùn)行技術(shù)梯級(jí)水電站優(yōu)化運(yùn)行受上級(jí)防汛調(diào)度方案、電力調(diào)度方案、水電工程設(shè)施運(yùn)行狀態(tài)等諸多因素影響，傳統(tǒng)模式下，這些缺乏關(guān)聯(lián)且分布于不同系統(tǒng)信息難以整合，優(yōu)化運(yùn)行方案多數(shù)停留在基于歷史數(shù)據(jù)分析和模型探索，實(shí)用性較差。一體化平臺(tái)融合各類(lèi)數(shù)據(jù)，為水庫(kù)中長(zhǎng)期發(fā)電優(yōu)化調(diào)度數(shù)學(xué)模型提供數(shù)據(jù)基臺(tái)，并提供計(jì)算分析交互界面和機(jī)器學(xué)習(xí)算法配置工具，通過(guò)對(duì)歷史調(diào)度樣本的學(xué)習(xí)，并通過(guò)多業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的驗(yàn)算校核，實(shí)現(xiàn)了調(diào)度決策方案的優(yōu)化。

同時(shí)，建立了分級(jí)對(duì)象化的自動(dòng)發(fā)電控制（AGC）模型，根據(jù)震動(dòng)特性，將機(jī)組的運(yùn)行全區(qū)間離散為最優(yōu)、次優(yōu)、較差、禁止長(zhǎng)時(shí)運(yùn)行等多級(jí)運(yùn)行分區(qū)。AGC工作時(shí)，根據(jù)機(jī)組當(dāng)前運(yùn)行區(qū)間，優(yōu)先選擇最近的最優(yōu)安全運(yùn)行區(qū)進(jìn)行等微增分配，不能分配時(shí)則選擇次優(yōu)，逐級(jí)分配。實(shí)際投運(yùn)后，流域機(jī)組運(yùn)行工況得到了較大的改善。

5 梯級(jí)水電站集控智能一體化關(guān)鍵技術(shù)推廣應(yīng)用案例

2018年，首個(gè)采用iP9000一體化平臺(tái)的清江梯級(jí)水電站智能對(duì)象化水電調(diào)系統(tǒng)投運(yùn)。該系統(tǒng)將下轄的3個(gè)大型梯級(jí)水電站的電調(diào)相關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)和水調(diào)相關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行平臺(tái)化整合，形成發(fā)電設(shè)備控制運(yùn)維、閘門(mén)操作、電力生產(chǎn)調(diào)控、水庫(kù)調(diào)度作業(yè)、洪水演算預(yù)報(bào)、水情預(yù)警等業(yè)務(wù)的一體化，統(tǒng)一監(jiān)視、控制、調(diào)節(jié)、維護(hù)、分析和預(yù)警。一體化平臺(tái)部署了防洪調(diào)度、發(fā)電優(yōu)化調(diào)度、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行評(píng)價(jià)、會(huì)商決策支持等高級(jí)應(yīng)用模塊，并使各業(yè)務(wù)的報(bào)表、運(yùn)行報(bào)告、信息發(fā)布由統(tǒng)一的功能模塊實(shí)現(xiàn)。3年來(lái)，系統(tǒng)運(yùn)行效益顯著。

增強(qiáng)了系統(tǒng)安全性。通過(guò)對(duì)象化智能報(bào)警技術(shù)的應(yīng)用，無(wú)效報(bào)警大幅減少，減輕運(yùn)行人員勞動(dòng)強(qiáng)度同時(shí)提高了設(shè)備異常信息技術(shù)處理效率，提高了安全運(yùn)行水平。

降低了運(yùn)維成本。通過(guò)自動(dòng)對(duì)點(diǎn)功能應(yīng)用，新電站（或改造電站）數(shù)據(jù)接入梯級(jí)集控的調(diào)試時(shí)間從以前的一周縮減到3～5小時(shí)，時(shí)間縮短90%以上同時(shí)，完全杜絕了人工對(duì)點(diǎn)可能產(chǎn)生錯(cuò)誤。通過(guò)多業(yè)務(wù)一體化人機(jī)交互技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了智能運(yùn)維功能，使所有應(yīng)用系統(tǒng)及其軟硬件環(huán)境的監(jiān)視和運(yùn)維通過(guò)一個(gè)界面完成，電調(diào)、水調(diào)報(bào)表及運(yùn)行分析報(bào)告功能集成統(tǒng)一，大大降低軟硬件維護(hù)工作量，減少了運(yùn)維人員配置，較傳統(tǒng)集控每年降低運(yùn)維成本近百萬(wàn)元。

提高了經(jīng)濟(jì)效益。通過(guò)應(yīng)用梯級(jí)水電站智能優(yōu)化運(yùn)行技術(shù)，超前擬算流域段水庫(kù)水位控制目標(biāo)，科學(xué)分配梯級(jí)電站發(fā)電量，減少了棄水，提高了機(jī)組運(yùn)行效率。通過(guò)梯級(jí)電站AGC的投運(yùn)，減少了電站小出力運(yùn)行時(shí)間，改善了運(yùn)行工況，有利于機(jī)組長(zhǎng)久穩(wěn)定運(yùn)行。通過(guò)一體化對(duì)多業(yè)務(wù)綜合決策的支撐，實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)的調(diào)洪仿真、調(diào)度方案預(yù)演，合理重復(fù)利用梯級(jí)庫(kù)容，保障度汛同時(shí)，增加了發(fā)電量。2019—2021年累計(jì)節(jié)水增發(fā)電量10億kW·h。

在清江梯級(jí)水電站對(duì)象化水電調(diào)系統(tǒng)成功投運(yùn)基礎(chǔ)上，2020年以來(lái)，基于iP9000一體化平臺(tái)的智能梯級(jí)水電集控解決方案進(jìn)一步推廣至三峽梯調(diào)金沙江下游昆明調(diào)控中心、三峽梯調(diào)中心、國(guó)網(wǎng)湖南水電集控中心等多個(gè)重要流域梯級(jí)集控中心，取得了良好應(yīng)用效果。其中，三峽梯調(diào)金沙江下游昆明調(diào)控中心是目前全球裝機(jī)規(guī)模最大的流域梯級(jí)調(diào)控中心。通過(guò)應(yīng)用高可靠的數(shù)據(jù)通信與同步技術(shù)，保障了調(diào)控中心與白鶴灘、烏東德兩座巨型水電廠(chǎng)數(shù)據(jù)通信的穩(wěn)定性、可靠性、安全性，實(shí)現(xiàn)了水電調(diào)業(yè)務(wù)一體化、生產(chǎn)運(yùn)行遠(yuǎn)程 “全監(jiān)全控”等功能?；谄脚_(tái)還形成了智能報(bào)警、大屏綜合展示、智能分析報(bào)告、圖形化邏輯分析等智能應(yīng)用體系[9]，功能已通過(guò)驗(yàn)收。采用相同設(shè)計(jì)的三峽梯調(diào)中心同步完成升級(jí)改造，實(shí)現(xiàn)了對(duì)三峽電廠(chǎng)、葛洲壩電廠(chǎng)的遠(yuǎn)程調(diào)控。國(guó)網(wǎng)湖南水電集控中心投運(yùn)后，實(shí)現(xiàn)了水電、水庫(kù)調(diào)度、大壩監(jiān)測(cè)、設(shè)備診斷分析等多系統(tǒng)的數(shù)據(jù)整合、業(yè)務(wù)交互。

6 結(jié)論

本文提出的梯級(jí)水電站集控智能一體化方案，從底層數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建對(duì)象化模型，以對(duì)象化為基礎(chǔ)組織系統(tǒng)功能，針對(duì)多廠(chǎng)站遠(yuǎn)程集中控制等梯級(jí)水電調(diào)控中心特定需求對(duì)一體化平臺(tái)功能進(jìn)行了優(yōu)化，解決了傳統(tǒng)方案中多源異構(gòu)數(shù)據(jù)處理等問(wèn)題，從本質(zhì)上實(shí)現(xiàn)了多業(yè)務(wù)融合。相比國(guó)外同類(lèi)技術(shù)方案，整合了工業(yè)控制、工業(yè)與非工業(yè)數(shù)據(jù)分析等不同平臺(tái)功能，更符合我國(guó)梯級(jí)水電站管理的需求。

在關(guān)鍵技術(shù)中，通過(guò)采用多源異構(gòu)海量數(shù)據(jù)處理技術(shù)，屏蔽了梯級(jí)集控用不同數(shù)據(jù)庫(kù)的差異，便于各類(lèi)應(yīng)用數(shù)據(jù)的匯聚、管理、應(yīng)用和交互；通過(guò)采用對(duì)象化智能報(bào)警技術(shù)，大幅減少無(wú)效報(bào)警，降低了運(yùn)維工作負(fù)擔(dān)，提高了梯調(diào)控中心安全運(yùn)行水平；通過(guò)應(yīng)用高可靠性數(shù)據(jù)通信與同步技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了各類(lèi)應(yīng)用遠(yuǎn)程、跨安全區(qū)的可靠數(shù)據(jù)交互；通過(guò)應(yīng)用多業(yè)務(wù)一體化人機(jī)交互，解決了多業(yè)務(wù)應(yīng)用協(xié)同的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了水電調(diào)業(yè)務(wù)一體化；通過(guò)應(yīng)用梯級(jí)水電站智能優(yōu)化運(yùn)行技術(shù)，提高了上下游電站協(xié)同調(diào)控的水平，改善了流域樞紐群的綜合效益。