从电厂自动紧急补水看智能化集控的建设.docx

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从电厂自动紧急补水看智能化集控的建设

1引言

华能澜沧江水电股份有限公司集控中心（以下简称集控中心）位于云南省昆明市，2007年6月19日，经中国华能集团公司批准，集控中心正式成立，具体负责公司所属电厂的发电运行指挥和水库运行调度工作，至今已实现对漫湾、小湾、景洪、功果桥、糯扎渡电厂的远程控制功能以及龙开口、瑞丽江一级、石林光伏、徐村等电厂的数据采集和远程监视功能。

为了优化梯级调度，节水增发，扩大经济效益，并进一步节省人力成本，近年来集控中心提出了建设智能化集控的战略目标。

2智能化的概念

笔者认为，所谓智能化并不是一个新鲜的概念。

人与动物最本质的区别之一是“人会制造和使用工具”，但是最原始的人类只能使用最简单的工具，这些工具的动作和运转完全依靠人力（包括体力与脑力）驱动，并且每一步动作都需要人的干预方可进行。

与此相对应，在电厂与集控中心的生产过程中，我们通过继电器回路、集成电路、逻辑程序等软硬件设备，将人类的逻辑或反射机制固化下来，使设备可以根据运行人员的一个指令去执行一系列连续不断的动作（如监控系统自动开停机），或根据某些条件的刺激产生相应的动作（如继电保护跳闸或机组事故自动停机），这些都能算作智能化在电力生产范畴内的普及和应用。

分析智能化在电力生产过程中的各种实例，笔者认为智能化的重点主要在于两个方面，即是数据和逻辑。

数据是智能化的基础，包括实时数据（变量）和固定参数，所谓逻辑则是针对数据的处理和反应机制，因此没有数据，逻辑就无从谈起；逻辑是智能化的核心，决定了一个智能化的功能需要哪些数据，以及不同数据的变化将带来怎样的反射结果，因此离开逻辑，数据就没有了意义。

以机组温度过高触发机械事故停机功能的一部分为例进行说明，当监控系统采集到的机组温度量（实时数据）超过事故停机温度（固定参数），并且机组处于非停机态（实时数据）时，触发机械事故停机流程（逻辑），降低该机组有功功率和无功功率（逻辑），当有功功率和无功功率（实时数据）低于跳闸功率（固定参数）时，分出口断路器（逻辑）。

由此可见，不管是离开了数据还是离开了逻辑，智能化功能都无法实现。

3建设智能化集控的意义

既然智能化在电力生产过程中早已实现并普及，那么提出智能化集控建设的意义何在？

笔者认为，长久以来在电力企业发电过程中的智能化应用与发展，主要侧重于单个系统或单个应用的提升，不管是监控系统的更新换代，还是继电保护从晶体管发展为集成电路继而发展成微机技术，其面对的应用始终是单一且不变的。

因为不管是从数据采集还是逻辑设计方面考虑，面向单一的应用进行开发，确实可以使应用系统的规模和复杂性得到较好的控制。

但因此而带来的问题就是，这样的智能化受技术水平限制较为严重，而且无法去响应综合性的、边缘性的应用需求。

如监控系统主要面向主辅发电设备的监视及控制，水情水调系统主要面向水情数据的采集和梯级水库调度，电能量系统主要面向发电量数据的采集、传送与展示等。

现如今随着集控中心的发展，越来越产生了溢出于单个系统之外的需求，如监控系统数据和电能量数据都属于生产数据，能否进行统一的展示；水库调度数据能否直接应用于监控系统的开停机与负荷调节指导。

原有的做法已经完全无法满足这种需求，因此智能化工作的重点必须由单个系统的改进转向多个系统的融合，不但要进行数据采集，更要进行数据整合，不但要面向单一、专业的应用需求去进行逻辑设计，更要针对新出现的综合性、边缘性的需求去开发设计逻辑。

同样是智能化的发展与建设，智能化集控在原有智能化应用的基础上提出了更高的标准，并且要求我们用全新的思路去理解智能化、发展智能化，而这就是智能化集控建设的意义之所在。

4建设智能化集控的思路

以往在某个应用系统的开发和升级往往是为了响应具体的需求，即设备厂家根据某个发电企业或整个发电行业提出或产生的某种具体而明确的要求，进行新系统的开发或老系统的改进工作。

而智能化集控的建设则是为了满足某种抽象的需求，即尽可能的使用机器去替代或更好的替代目前依然在由人在进行的工作。

而具体需求则无法完全确定，这是因为：

（1）用户的需求永远在不断的变化，特别目前还未被满足的需求往往是综合性、边缘性的，而这种需求的变化性尤其强烈；

（2）用户无法精确描述自己的需求，通常情况下由于用户缺乏对系统具体实现原理和后台机制的了解，无法得知由哪些功能是系统可以做到的，有哪些功能是系统完全无法做到的，于是也就无法在系统的可行范围内精确而充分的去描述自己的需求；

（3）用户不能从抽象需求下充分发掘具体需求，例如更快更好的交通工具是用户的抽象需求，汽车、飞机等实际的交通工具是用户的具体需求，但是在汽车与飞机被发明并推广前，用户完全没有可能去发现自己的这种具体需求。

由于具体需求的不可确定性，智能化集控的各种应用也不可能在系统开发前或系统开发中进行完全的规划。

因此为了尽量避免重复甚至无用的工作，必须在智能化集控的建设过程中将数据整合与逻辑设计完全剥离。

首先是数据的整合，所谓数据整合意味着智能化集控建设要将以往常规系统开发中“我们采集我们所需要那些数据”的观念和做法转变为“我们采集并整合我们有可能采集并整合到的一切数据”，尽可能的做到已有系统（监控系统、水情水调系统、电能量系统、继电保护信息系统等）的基础上做到数据的全面整合。

然后就是在数据充分整合的基础上，持续不断的去开发用户需求，并以此为导向进行逻辑设计与应用开发。

因此笔者认为，在智能化集控的建设过程中，数据整合是关键，数据的整合程度决定了整个系统可用性可能达到的上限，而实际的智能化水平则取决于在数据整合完成以后的用户需求开发水平。

下面笔者将尝试通过集控中心监控系统中的景洪电厂自动补水功能具体论述智能化集控建设在集控中心未来发展过程中所具有重要的意义。

5功能背景

华能澜沧江股份有限公司景洪水电厂（以下简称景洪电厂）于2008年接入集控中心实现远程集中。

景洪电厂地理上位于云南省澜沧江下游河段、西双版纳傣族自治州境内，距下游景洪市5公里，地理位置特殊，为防止电厂负荷大幅波动而导致下游流量变幅超标，进而对下游航运、民众的生产生活、水上工作人员和其它设施产生不良影响，电厂机组带基荷运行，负荷调整缓慢，在符合调整时必须密切监视下游水位及流量变化，当发生机组跳闸且没有备用机组或备用容量不足时，集控运行人员紧急启动补水预案，开启泄洪闸门，维持下游流量平衡，防止出现水位的大起大落。

景洪电厂的泄洪闸门包括左冲砂底孔（以下简称左冲）、右冲砂底孔（以下简称右冲）、1至7号表孔共9个闸门。

6手动补水计算

从2008年至2015年4月，景洪电厂的紧急补水计算完全靠手动完成，当不要补水时，集控中心或景洪电厂运行人员手动计算出损失流量、补水流量以及为了完成补水目标各泄洪闸门需要开至的开度。

计算过程中具体需要使用的参数包括：

1、出库流量；2、当前水位；3、机组耗水率；4、当前机组状态及负荷；5、当前各泄洪闸门开度；6、各泄洪闸门在不同水位下的流量开度对应表（如下图所示，为控制篇幅，仅附表孔闸门的流量开度对应表）。

其中参数1、2、3为水情水调实时数据，参数4、5为监控系统实时数据，参数6为固定参数。

图1表孔闸门各水位下的流量开度对应表

根据上述参数，运行人员具体进行补水计算的步骤如下：

（1）将当前水位（参数2）向下取整，其中取整是为了精简计算过程，向下取整而非向上取整则是为了防止补水不足；

（2）确定事故前流量，由于水情水调系统中的出库流量（参数1）不会在机组跳闸后立刻改变，所以运行人员可以在事故发生后，观察当前的实时出库流量并加以修正，来确定机组跳闸前的流量；

（3）根据机组当前状态以及耗水率确定机组流量，计算公式为x*y/3.6+z*80，式中x为处于发电态机组的有功功率之和，y为耗水率，z为处于空载态及空转态的机组总台数，当机组处于空载或空转态时，默认机组流量为80m3/s，当机组处于停机、检修或不定态时，默认机组流量为0m3/s；

（4）根据各泄洪闸门开度、取整后的水位以及该水位下的各泄洪闸门的流量开度对应表计算出各泄洪闸门在补水前的流量，计算公式为（x-x1）*（y2-y1）/（x2-x1）+y1,式中x为闸门开度，x1为流量开度对应表开度一栏中所有小于x开度中最大的一个，x2为流量开度对应表开度一栏中所有大于x开度中最小的一个，y1、y2分别为取整后水位下开度x1、x2在流量开度对应表中所对应的流量；

（5）将机组流量与各泄洪闸门流量相加，得出事故后（补水前）流量；

（6）将事故前出库流量减去事故后出库流量，得出机组跳闸导致的损失流量；

（7）将损失流量加减460m3/s（允许的补水误差），即为需要补水的上下限，运行人员在需要补水的上下限范围之内（大于损失流量减去460m3/s，小于损失流量加上460m3/s）选择一个值作为补水目标值；

（8）根据现场实际情况和泄洪闸门开启优先级顺序进行判断，将补水目标流量依次分配至各泄洪闸门，景洪电厂的泄洪闸门开启优先级从高到低依次为：

右冲闸门、左冲闸门、5号表孔闸门、4号表孔闸门、6号表孔闸门、7号表孔闸门、3号表孔闸门、2号表孔闸门、1号表孔闸门；

（9）根据分配至各泄洪闸门的流量加上各泄洪闸门补水前的流量计算出各泄洪闸门需要补至的目标流量；

（10）根据各泄洪闸门目标流量、取整后的水位以及该水位下的各泄洪闸门的流量开度对应表计算出各泄洪闸门的补水目标开度，计算公式为（y-y1）*（x2-x1）/（y2-y1）+x1,式中y为泄洪闸门目标流量，y1为流量开度对应表流量一栏中所有小于y流量中最大的一个，y2为流量开度对应表流量一栏中所有大于y流量中最小的一个，x1、x2分别为取整后水位下流量y1、y2在流量开度对应表中所对应的开度。

7自动补水功能

7.1需求分析

通过第6部分内容不难发现，运行人员手动补水计算主要存在以下问题：

（1）计算过程繁琐，考虑到紧急补水往往是在事故发生后进行，此时运行人员需要进行大量的事故应急操作和汇报、联络、分析工作，精力难以兼顾，容易造成慌乱的情况，甚至可能因为人为失误导致事故没有得到妥善处置甚至进一步扩大；

（2）为了精简计算过程往往进行参数取整或近似计算，例如将当前水位的向下取整处理，会导致补水精确度较低，而为了弥补补水精度，防止出现补水不足，运行人员常常会选择一个较大的补水目标值，从而使实际补水量远远大于所需的最小补水量。

因此为了节省人力，减少事故发生时运行人员的工作量，提高补水精度，达到节水发电的目标，存在对自动补水功能的需求。

7.2可行性分析

对手动补水计算的参数和步骤进行分析后可以发现：

（1）补水计算所需的参数分为实时数据和固定参数，实时数据又分别来自监控系统和水情水调系统，其中来自水情水调系统的实时数据可以通过通信方式传输至监控系统，固定参数可以通过数据建模的方式写入监控系统，因此在监控系统中完全可以实现自动补水功能所需要的数据整合；

（2）补水计算的绝大部分步骤都是套用固定公式对参数进行计算，主要包括比例计算（机组流量）、线性计算（通过开度计算流量、通过流量计算开度等）和简单的比较、加减计算，这些计算功能都可以通过监控系统的对象脚本完成；

（3）将流量开度对应表在监控系统中进行建模时，可以根据当前水位两侧水位整值下的流量开度对应表，采用线性拟合算法近似计算出当前水位下的流量开度对应表，以此取代将当前水位向下取整来套用流量开度对应表的做法，进一步提高补水精度。

以当前水位为601.5米为例，根据图1，当表孔闸门开度为1米时对应流量为（147-142）*（601.5-601）/（602-601）+142=144.5m3/s，表孔闸门开度为6时对应流量（1007-980）*（601.5-601）/（602-601）+980=993.5m3/s，式中602、601为水位601.5米两侧的水位整值，147、1007为水位602米下表孔闸门开度分别为1米和6米时的所对应的下泄流量，142、980为水位601米下表孔闸门开度分别为1米和6米时的所对应的下泄流量。

因此在监控系统中完全可以实现补水计算所需的数据整合和逻辑运算，并能在手动补水计算的基础上进一步提高精确度，因此使用自动补水功能取代手动补水计算具有充分的可行性。

7.3功能原理

在集控中心监控系统中通过开发完成后的自动补水功能进行补水计算的全过程如下：

（1）将水情水调系统中的出库流量、当前水位、机组耗水率以通信方式传输至监控系统。

需要注意的是，由于补水计算参数中的事故前流量是由运行人员修正出库流量后得出的，没有固定的算法，因此事故前流量无法自动得出，依然需要由运行人员手动填写。

（2）通过线性拟合算法对当前水位下的三种泄洪闸门（左冲闸门、右冲闸门、表孔闸门）的流量开度对应表进行初步建模，以表孔闸门为例即是计算出当前水位下表孔闸门开度为1米、2米、3米....20米、21米时分别对应的下泄流量。

这一步骤的具体原理在上文已经进行了阐明，所以此处不再赘述。

（3）通过线性拟合算法计算出当前水位下各泄洪闸门的最大有效开度以及最大有效流量。

例如当水位为591米时，根据图1，表孔闸门开度超过12米的情况下，对应下泄流量均为885m3/s，因此可以认为水位为591米时表孔闸门的最大有效开度为12米，最大有效流量则为885m3/s。

同理当水位为596米时，表孔闸门最大有效开度为14米；当水位为597米，表孔闸门最大有效开度为21米。

那么当水位为596.5米时，经过线性计算得出，表孔闸门的最大有效开度为（21-14）*（596.5-596）/（597-596）+14=17.5米，最大有效流量则是1762.5m3/s。

（4）上一步计算结果，对初步建模后的当前水位下的泄洪闸门流量开度对应表进行修正。

依然以当前水位596.5米为例，根据初步建模后的流量开度对应表，当表孔闸门开度为17米时，对应流量为1758.5m3/s；当开度为17.5米时，对应流量为1762.75m3/s；当开度为18米时，对应流量为1767m3/s；当开度为19米时，对应流量为1775.5m3/s；当开度为20米时，对应流量1784m3/s；当开度为21米时，对应流量为1792.5m3/s。

但是由于此时表孔闸门的最大有效开度为17.5米，开度超过17.5米时，对应下泄流量不应该继续增加，因此将表孔闸门流量开度对应表中大于17.5米开度的对应下泄流量修正为当前水位下表孔闸门的最大有效流量1762.75m3/s。

（5）根据机组状态、有功功率、耗水率，计算出当前机组流量。

这一步骤的具体原理在上文已经进行了阐明，所以此处不再赘述。

（6）根据各泄洪闸门当前开度与当前水位下各泄洪闸门的开度流量对应表，计算出当前各泄洪闸门下泄流量。

这一步骤的具体原理在上文已经进行了阐明，所以此处不再赘述。

（7）将当前机组流量和各泄洪闸门当前流量进行求和，得到事故后（补水前）流量。

（8）将事故前流量减去事故后流量，得出机组跳闸损失流量。

（9）将事故损失流量加上100m3/s，得出需要补水上限，此处没有采用手动补水时460m3/s的补水误差，是为了提高计算精度，在满足补水要求的前提下尽量减少泄洪流量，达到节水发电的目标；将事故流量减去400m3/s，得出需要补水下限，此处没有采用手动补水460m3/s的补水误差，是考虑到补水计算过程中采用线性拟合算法所带来的系统误差，防止发生补水不足的情况。

（10）根据当前水位下各泄洪闸门的最大有效流量和当前流量，计算出各泄洪闸门还能分配的补水流量上限（最大有效流量减去当前流量）。

（11）由运行人员选择自动分配方式或手动分配方式，当选择自动分配方式时，系统按照默认的闸门开启优先级顺序（右冲闸门、左冲闸门、5号表孔闸门、4号表孔闸门、6号表孔闸门、7号表孔闸门、3号表孔闸门、2号表孔闸门、1号表孔闸门）和各泄洪闸门的可分配流量上限，将需要补水的下限流量依次分配至各泄洪闸门；当选择手动补水分配时，由运行人员根据实际情况，在需要补水的上下限之间（大于损失流量减去400m3/s，小于损失流量加上100m3/s）选择一个值，手动分配至各泄洪闸门。

此处保留了手动分配方式的原因是，在很多工况下，特别是在优先级较高的泄洪闸门（如右冲、左冲）因为检修等原因无法开启时，可能会出现自动分配方式得出的分配结果无法实现的情况。

（12）将各泄洪闸门的当前流量与各泄洪闸门的补水分配流量求和，得出各泄洪闸门的补水目标流量；

（13）根据各泄洪闸门的补水目标流量和当前水位下的流量开度对应表，计算出各泄洪闸门的补水目标开度。

这一步骤的具体原理在上文已经进行了阐明，所以此处不再赘述。

7.4应用界面

图2景洪自动补水界面1

如上图所示，当前水位为600.24米，耗水率为6.465，各泄洪闸门当前开度和当前流量均为0，二、三、五号机组处于发电态，机组流量共1424.63m3/s。

假定事故前流量为3000m3/s，则可以计算出损失流量为1576.44m3/s，减去400m3/s的补水误差，需要补水下限为1176.44m3/s。

此时补水分配方式为自动，按照左右冲闸门高于表孔闸门、右冲闸门高于左冲闸门的优先级排序进行补水分配，系统给右冲闸门分配流量1070.96m3/s，右冲闸门目标开度为8米，达到了最大有效开度和最大有效流量；剩余补水流量则被系统分配给了左冲闸门。

需要注意的是由于机组有功功率随时发生变化，导致机组流量、事故后流量、损失流量、需要补水下限等计算参数随之而发生变化，因此在自动补水功能的实际运算过程中经常会出现优先级较低的闸门分配流量与当前流量之和同目标流量不一致的情况（如图左冲闸门的分配流量为103.87m3/s，当前流量为0m3/s，目标流量则为106.20m3/s），但由于误差非常小，所以不会干扰到补水工作。

当自动补水分配方式无法实现时（如右冲闸门无法正常开启），就需要将补水分配方式由自动切换为手动，如下图所示：

图3景洪自动补水界面2

需要运行人员手动将需要补水流量分配至各泄洪闸门，如图左冲闸门分配流量200m3/s，目标开度3.43米；1号表孔分配流量500m3/s，目标开度3.56米；5号表孔分配流量300m3/s，目标开度2.15米。

此时已分配补水流量200+500+300=1000m3/s，需要补水下限流量为1174.47m3/s，最少还需补水流量174.65m3/s（这里最少还需补水流量与已分配流量之和同补水下限流量之间存在误差，误差原理及可能造成的影响同上，此处不再赘述）。

接下来运行人员将174.65m3/s的流量分配至还能继续开启的泄洪闸门，即可完成补水分配。

8结束语

从上文可见，景洪电厂自动补水功能虽然是在监控系统中实现的一个较为简单的应用，但是它具备了智能化集控应用的应该具备的所有特点,从而对未来的智能化集控建设工作产生了重要的参考作用：

（1）数据整合，通过将水情水调系统的数据送入监控系统，从而实现了自动补水功能所需数据在监控系统中的整合。

（2）逻辑设计，在监控系统中使用程序完成了数据建模、比例计算、线性计算、优先级排序、求和、比较等计算工作，替代了运行人员手动补水计算过程中的绝大部分人工劳动。

当自动补水功能中的补水分配方式为自动时，运行人员仅仅需要得出并填写事故前流量；当补水分配方式为手动时，运行人员要多做的也仅仅是将画面中的“最少还需补水量”分配至各泄洪闸门的“分配流量”。

（3）需求开发，在自动补水功能开发完成前，从未有运行人员意识或提出过类似需求，而是由笔者在与运行人员的偶然交流中，发现运行人员具有更快、更精确的进行补水计算的潜在需求，并在评估后确认可以通过现有系统的功能开发去响应这项需求。

换言之，景洪电厂自动补水功能的需求不是由用户提出，而是由功能开发者发掘出来的。

与手动补水计算相比，自动补水功能的优越性体现在，通过提高补水精确度，减少运行人员负担，加快事故响应速度，提高发电运行安全系数，带来了较大的经济效益和安全效益。

而以小见大，在数据完全整合、需求充分开发的前提下，今后的智能化集控完全可能实现数十个甚至上百个类似与自动补水功能的应用。

由此可见，智能化集控建设不但具备可行性而且具备必要性，并且定将在节水增发、经济运行、合理竞价、增大发电收益、节约人力成本等各个方面，对集控中心乃至对整个华能澜沧江水电股份有限公司产生深远的意义和不可估量的影响。