基于信息化技术的巨型水电站核心业务创新设计

谢秋华，杨廷勇，张 凯

（中国长江电力股份有限公司，湖北 宜昌443000）

1 引言

随着计算机技术、网络技术和数据库技术等信息技术的不断发展，水电站设备的运维模式发生了巨大的变化，正由传统的人工定时、定点巡检、计划性维修向系统实时自动巡检、智能报警、远程精益运行、设备状态检修过渡，信息化技术的覆盖面、先进性直接决定了电站的工作效率和先进性。因此，巨型电站关键业务，必须以当前成熟的信息化技术为依托，以本质安全、精益运维、高效作业为目标，实施全面信息化设计。

2 巨型电站关键业务设计

2.1 调控一体化相关业务

梯级调度集控监控系统与电站监控系统一般为不同厂家开发，两者通过通信网关机，采用公用协议（如104协议）通信，实现信息交互，属于结构及功能定位均不同的异构系统。异构系统间实现监控画面及事件自动同步非常困难，集控很难实现电站远方全监全控功能，一般实现电站远方重点监控功能。此外，电站和集控都需要运行人员对设备实时监控，增加了运行成本，不是真正意义上的“调控一体化”。

为此，提出一种异构模式下巨型电站调控一体化实现方法，网络结构示意图如图1所示。

工作原理以电站A为例进行说明。电站监控系统采用I、II网双网冗余结构，两网工作原理相同，以I网为例进行说明。电站通信网关机A1、集控通信网关机A3及操作员工作站A1构成A电站监控系统I网，采用A电站监控系统内部协议通信。按照电力监控系统安全防护相关要求，电站和集控通信网关机间分别设置纵向加密装置，广播包不允许穿越纵向加密装置。A1及A3两台通信网关机将各自收到的基于A电站监控系统内部协议的数据包转换成TCP数据包，通过纵向加密装置在电力专网内进行点对点通信，同时将各自收到的TCP数据包还原成基于内部协议的数据包在A电站监控系统内广播，从而实现电站及集控侧A电站监控系统贯通一体，解决了电站远程监控的实时同步问题；集控通信网关机A3还将基于A电站监控系统内部协议的数据包转换成集控监控系统所需格式数据包传输（广播）至集控监控网络，并将集控监控系统遥调指令等信息下发到电站监控系统，实现电站与集控监控系统的数据交互。

与现有方法相比，在没有增加硬件设备、仅略微增加软件投资的前提下，解决了异构系统的自动同步问题，实现了电站远方全监全控功能，同时增加了集控系统远方监控冗余度，提升了系统可靠性。

2.2 在线监测系统网络融合

巨型电站一般都有机组稳定性在线监测系统、油中溶解气体在线监测系统等各种设备状态监测系统，各个系统都是单独组网，采用各自的通信协议自成体系，这一方面造成全电站在线监测系统数据集成异常困难，另一方面造成网络设备重复投资，利用率较低。

为此，提出在线监测系统网络融合，系统结构示意图如图2所示。融合包括以下方面：

（1）全厂组建在线监测光纤网络，网络结构采用星型+环网的冗余结构，主干网采用冗余环网结构，各系统现地单元层采用星型冗余网络结构。

（2）在线监测通信协议采用通用统一协议（如TCP/IP协议），各个在线监测子系统在现地数据采集单元通过光电交换机和统一协议接入在线监测光纤网络。

（3）在线监测上位机设置一个数据中心，进行数据集中存储和信息发布，其它在线监测子系统可以取消上位机数据库、服务器及信息发布相关设备。为保证系统的可靠性，数据中心存储及信息发布要进行必要的冗余配置，并设计灾难恢复策略。

图1 异构模式下巨型电站调控一体化网络结构示意图

图2 在线监测系统网络融合结构示意图

（4）为方便电站维护人员日常使用，数据中心通过正向物理隔离装置与生产大区隔离，放置在信息大区（即MIS区域），通过冗余配置的通信服务器向其传输数据；数据中心设置两台冗余的信息发布服务器，各在线监测子系统通过信息发布服务器进行其WEB系统发布，运维人员可以通过MIS网络访问信息发布服务器，实现对数据中心的访问。

2.3 系统网络化设计

巨型水电站机组调速、励磁、辅助及公用等系统控制一般采用PLC实现，各系统与监控系统之间信号连接主要采用硬接线回路实现。这种方式存在如下缺陷：

（1）各系统间界限不明确，易窜电；

（2）电缆敷设量大，投入高；

（3）盘柜接线复杂；

（4）设备接线改动困难。

随着通信技术的迅猛发展，其稳定可靠性已得到质的提升，就目前工程应用情况来看，通信技术的稳定可靠性与硬接线回路几乎是等同的，基于通信的网络化电站建设具备了实施条件。

巨型电站监控系统与各系统信号连接应以通信为主、硬接线为辅，通信网络设计应按照不同分区分别组网，网络结构采用星型和环网相结合的双网冗余结构：辅助及公用系统设备多，信息量大，设备故障情况下破坏程度相对较小，应单独组建一个网络，监控系统专门设置数据采集服务器直接对其进行数据采集；调速、励磁及保护系统信息量较小，设备故障情况下破坏程度较大，宜单独组建一个网络，可不单独设置数据采集服务器。对于紧急情况下的控制设备如紧急停机电磁阀、快速门等，采用硬接线与监控系统连接，对于常规信息，取消硬接线回路，直接采用通信方式获取。

通信协议宜用Modbus TCP/IP协议，该协议具有相当的先进性和良好的兼容性。基于Modbus TCP/IP的工业以太网更是以稳定、准确、实时的特点得到了全面的发展。

二次系统网络化以后，一方面将使盘柜接线大大简化，另一方面将使二次设备信息极大丰富，使设备远程精益维护成为可能。

2.4 设备智能维护

巨型水电站一般均集成了计算机监控系统、泄洪闸门监控系统、状态监测系统等众多的自动化系统，形成一个庞大分散的计算机网络设备群。自动化系统软、硬件一般位于生产大区，维护人员无法在办公室通过办公网进行设备巡检或分析诊断，维护一般采用人工现场定期巡检方式，工作量庞大繁杂，工作效率低下，故障定位困难，自动化系统的运行维护成为困扰电站安全运行的重要问题。

为此，提出一种基于网络拓扑的设备智能维护方法，该方法将各系统设备按照物理位置划分为不同分区，每个分区设置区域节点服务器，负责本分区内智能设备的信息采集、汇总、网络拓扑发现、重定向等工作，并将采集信息实时上送至节点管理服务器。节点管理服务器是网络设备群数据管理中心，负责各分区节点服务器信息汇总、软硬件管理、网络系统监控、故障管理等，并将汇总信息通过物理隔离装置实时传输到信息大区的系统发布服务器，实现运维人员在办公室通过办公网对计算机网络设备等进行集中监控、管理，消灭信息孤岛和管控死区，协助运维人员预测问题、分析解决问题，提高工作效率，有效保证控制系统的安全稳定运行。系统体系架构示意图如图3所示。

图3 系统体系架构示意图

本方法有如下优点：

（1）通过设备分区，将庞大的设备群划分为若干个分区进行信息采集和设备管理，使信息采集更全面，设备管理更高效。

（2）通过节点管理服务器集成全网信息并传输到信息大区发布服务器，形成动态网络拓扑图，运维人员在办公室能够对全网设备状态全面掌握，使设备维护更直观、便捷，故障定位更精准，从而使设备维护工作量极大降低，工作效率成倍提高。

（3）通过节点管理服务器对全网信息实时监视，能够对设备故障或异常状态实时报警，通知运维人员及时处理，避免事态进一步恶化。

（4）全网信息集成以后，还可以进行资产管理、数据文件管理等工作，进一步提升办公自动化水平。

2.5 数据分析中心

实施在线监测系统网络融合及电厂二次系统网络化后，对全电站各个系统数据及事件信息进行集成、建立电站数据分析中心条件已经成熟。

数据分析中心首先是完成对水电站实时监控信息（计算机监控系统）、在线监测信息（机组振动摆度系统、油中溶解气体系统、局部放电系统、气隙监测等）、调速/励磁等重要智能设备相关信息以及检修、试验过程中的离线数据的整合与集中存储，解决传统模式下“数据孤岛”问题；然后是集中借助大数据挖掘技术，力图将设备历史数据背后隐藏的信息和设备运行规律深刻的理解和有效的利用，从海量数据中挖掘出设备健康状态样本，达到提前发现设备异常工况并将其消灭在“萌芽状态”的目的，克服传统模式下“数据坟墓”的弊端。

数据分析中心集成了全厂所有系统的事件，形成了庞大的事件群，必须采用智能报警技术，一方面减少干扰信号报警，另一方面增强报警针对性，达到用精简的报警语句反映设备故障本质的目的。智能报警从以下方面实施：

（1）细化报警分类，精简报警信息。深入分析每个信号用途，做到重要信号不漏报，无关信号不报警，杜绝不分主次全部纳入报警列表的做法。

（2）为解决设备实时值在报警限值附近上下波动引起刷屏问题，应优先考虑设备定值的合理性，其次参照接点抖动方法处理。

（3）关于接点抖动引起刷屏问题，一方面监控系统要合理设置设备报警死区，另一方面考虑通过设置信号延时等方式对信号进行滤波处理，从信号源头上治理刷屏问题。

（4）应用面向对象思想，报警信息按对象或系统进行定义，梳理各个对象内部报警信息之间的层次递进关系，力图实现精简的报警语句反映设备故障本质的目的。

（5）结合大数据挖掘分析技术，强化设备趋势报警，即实现设备进入异常状态但远未达到监控系统报警或动作阈值时的趋势报警，实现提早发现故障和消除故障的目的。

3 结语

信息技术的飞速发展给水电站设备运维带来了巨大变革，也为新电站关键业务设计增加了更多更好的解决方案，电站关键业务在设计中应本着硬件统筹规划、软件兼容设计、数据高效利用的原则，在传统设计中应用新技术、新方法。随着信息技术的不断发展及其在水电站的深入应用，水电站数据信息系统将高度集成化、智能化、便捷化，助力巨型水电站最终实现“无人值班”的管理模式和“状态检修”的维护模式。