作者：张勇传　周建中　

1　数字化水电站建设的意义

     新能源和再生清洁能源的开发利用研究是能源可持续发展的重要战略方向，关系到政治、经济和社会发展以及生态环境等诸多方面。随着矿石燃料能源的大量采用，引发了资源趋向枯竭、环境严重污染、影响经济和国防安全等重大危险，成为涉及国际关系中许多冲突或突发事件的焦点。水电能源可持续发展问题已经成为主导国家关系、影响国家能源安全、制约国家国民经济发展的重要问题。能源结构如何趋于合理化，使再生和清洁能源的开发、转换、传输及其与传统能源互补的稳定与优化运行问题的重要性突现出来。在可持续战略能源高效利用的研究与开发中，一个极富挑战性的问题是如何实现流域大范围水患灾害防治和水电能源最优规划、开发、运行和管理，从而使水电能源系统在现实世界中最优运作。与这一目标相联系的关键问题在于探索流域水电能源复杂巨系统运行机理和揭示其自然规律，尤其是通过河网水系中水电站物理特征的描述，实现河网水系信息要素的网络化，以解决未来流域水电能源开发利用过程中存在的重大科学和技术问题，从而在根本上消除有限能源资源日益严重紧缺和对环境污染的困扰。我国矿石燃料能源资源的利用面临着严峻的形势，不合理的能源结构、转换和利用效率不高、环境污染等严重影响着国民经济的可持续发展。因此，使我们不得不在战略的高度重新审视可持续发展中的能源问题，而水电能源及其数字化工程是未来流域和跨流域联合开发的前瞻领域。面对未来能源形势的挑战，必须高度重视可持续战略性能源、尤其是水电能源的合理开发、高效利用以及流域水旱灾害防治，为我国能在复杂的国际环境中持续、稳定、健康发展奠定坚实基础。

      然而，迄今为止，数字流域工程的复杂性研究及其关键科学问题的认识和理解仍存问题，都还有许多亟待研究的理论和急需解决的科学与技术问题，特别是水电站信息化建设的进程涉及许多理念和技术，必须对其进行深入系统研究。数字化水电站的研究与实践，必须通过科技创新，使其不断发展、完善、优化，满足未来社会发展对水电能源资源的需求，满足环境保护的要求。因此，数字化水电站的建设是一项十分紧迫的任务。

      重视对水电能源问题的科技创新，是世界工业发达国家科技政策的基本内容。数字化水电站的实现，正是针对全世界共同面临的可持续发展问题以及国家重大需求而建设的。在国内，水电企业正面临着前所未有的深刻变化：电力市场化、业务流程重组、管控一体化等，这些变化改变了水电厂企业运作的规律；另一方面，新技术不断涌现并迅速应用于发电企业，如现场总线控制技术、信息技术等加速了水电站信息化建设的步伐。可见，采用信息技术提升水电站竞争力时水电站发展的必由之路，数字化水电站的建设具有重要的战略意义。

      2　数字化水电站建设的内涵
      作为国民经济的关键部门与基础产业，我国电力行业近年以"厂网分开、竞价上网"、打破垄断、引入竞争等为核心内容进行了改革，新的市场竞争机制逐步建立。电力行业信息化进入门槛高的问题已经从政策体系上慢慢缓释，使众多IT厂商看到了希望。毫无疑问，信息化将成为我国电力行业实现跨越发展的高速路，而在这条高速路建设的过程中，谁来充当信息化的新引擎呢？很显然，由于我国水电开发的规模和特点，以及以西南巨型水电站群为中心的水电与全国互联电力系统的逐步形成，使得数字化水电站的地位和作用凸现出来。
国内数字化技术的广泛使用，尤其是在水电能源领域的应用，尚处在起步阶段。我国的水电建设已经具有相当大的规模，设计、建设了一批世界级的大型水利水电工程，但与国际先进水平的差距表现在：水能资源的开发程度低，防灾减灾手段弱；进行流域梯级最优规划及优化调度的工作尚不普遍和深入，尤其是数字化技术与先进国家差距较大；在大型水电站控制以及安全经济运行采用先进的数字化技术等方面的问题更急待发展和开发。

      数字化水电站是以网络为基础、水力联系和电力联系为纽带、能源转换控制设备为载体、安全经济运行为目标，融合仿真、控制和信息三位一体技术实现水电站的运行控制和管理，一般要求具有5大核心功能:：过程监控、优化分析、操作指导、事故诊断、负荷分配。数字化水电站采用流程工业的CIMS理论来设计数字化水电站的体系结构，在水电站先进控制系统和安全高效的网络平台、数据库平台基础上，基于国际最新的理论和研究成果整合电厂管控一体化系统，用先进的管理思想和信息技术对电厂的经营和生产管理系统进行全面设计，使信息技术与工业技术、管理技术全面融合，全面提升水电站的生产和管理水平，增强企业竞争力。
2.1　数字化水电站设计思想和层次结构
通过对CIMS企业通用模型的研究并结合水电站的实际情况，架构了一个具有四个层次，两个支持系统的层次结构模型，四个层次分别是直接控制层、管控一体化层、生产管理层、经营决策层；两个支持系统是数据库支持系统和计算机网络支持系统。

过程控制层
该层是指生产过程的数据采集和直接控制（SCADA-DCS），包括单元机组、单元主变、单元线路以及油、气、水等辅助控制系统LCU构成的DCS。目前技术的发展是以现场总线为代表的先进控制系统。基于高性能DSP和嵌入式系统的前端控制装置通过现场过程总线形成分布式SCADA-DCS系统。

管控一体化层
该层为厂级监控系统（SIS），它完成厂级生产过程的监控，结合管理层的信息，对控制系统进行整体优化和分析，为过程控制层提供操作指导，该层是管理和控制之间联系的桥梁，是对传统控制系统概念的延伸，是目前学术和工程界研究的热点。

生产管理层
生产管理层主要为全厂生产调度提供服务，以状态检修为中心，以设备为基础，以完成发电量为目标，优化水电站各机组的生产计划和策略，实现全厂的安全高效经济生产，该层是数字化水电站管理信息的基石。

经营决策层
根据区域内电力市场信息，综合考虑防洪、航运等约束条件下的收益最大目标，以水库为对象，寻求整体最优,对水电站的经营、生产、目标和发展规划提出决策支持。该层是数字化电厂的系统入口和决策枢纽。.

数据库支持系统
以关系数据库和实时数据库为基础的面向数据主题的水电站数据仓库构成了数字化水电站的数据库支持系统，实现数字化水电站信息的分析、提炼、集成和应用，为水电站的高级分析决策提供支持。.

计算机网络支持系统
以ATM和千兆以太网为代表的先进组网技术为核心，结合Qos保障、系统-网络-终端三级安全策略、目录管理统一认证等先进技术，构成数字化水电站的计算机网络支持系统。

2.2　数字化水电站的功能结构
数字化水电站应是在数据仓库基础上的对电厂物流、资金流、信息流进行综合分析的集成系统，其功能体系应涵盖电厂生产经营和决策等各个方面，追踪国际最新的研究和技术进展，数字化水电站应包括厂级监控信息系统(SIS)即管控一体化系统、电厂企业资源规划系统/资产管理系统(ERP/EAM)、发电报价决策系统。前者融合了多种管控数据对水电站的控制系统进行最优决策，解决水电站传统控制系统和管理系统的数字鸿沟；后者以计划预算为入口，以设备状态检修为中心，对水电站的资产进行全面管理；而发电报价决策系统以最优上网电价为目标，对全厂的经营活动进行最优经济决策。

2.3　系统特点
通过对水电站的需求分析，在系统结构及运行机制上仿人类社会的组织和行为机理，采用计算机网络等先进技术，并与电厂监控、状态监测、诊断维修、水情测报等自动化系统相集成，进而使数字化水电站具备如下特点：
（1）秉承CIMS/ERP的哲理，系统的设计思想和层次结构具有理论的严密性和实际可操作性。
（2）采用动态企业建模技术、软件重构技术、面向对象技术设计，保证水电站运作流程变化后的系统适应。
（3）通过系统配置工具（包括系统建模工具、模型仿真工具、实施工具）使系统快速实施，并保证系统有良好的扩展性和软件模块的可重用性。
（4）可行的优化算法可使水电站的各个系统在仿真优化的前提下按最佳方案运行，从而保证了系统的先进性和可靠性。
（5）先进的组网技术和信息平台为系统的稳定运行提供可靠支撑。
（6）先进的数据仓库和数据挖掘技术能自动地进行挖掘分析工作，剖析任意层面数据的内在联系，最终确定企业业务的发展趋势和规律。

数字化水电站所具有的仿真功能不仅能对水电站现状进行综合评价与量化分析，而且还可以对水电站未来发展进行动态三维空间描述、预测、并进行虚拟现实的前瞻性分析。以水电站运行系统为对象，建立对象的物质、能量、信息的映射关系及其逻辑链路描述，是本研究数字化水电站的技术创新和技术突破的关键所在。因此，以复杂系统理论、系统工程思想、信息技术原理、现代仿真技术和综合集成方法指导研究工作的分析和实施，以达到数字化水电站设计的目标要求。

3　电力市场环境下数字化水电站的发展策略
随着我国电力行业"厂网分开，竞价上网"电力市场的起步和发展，五大发电集团的成立，电厂、电力集团成为一个独立企业，参与市场竞争。作为一个发电企业，在安全性、可靠性约束条件下，追求利润的最大化是它的主要目标。因此水电站的管理重点从传统的计划生产，逐步过渡到基于科学调度和竞价决策的市场化生产。

追求水电站的最大化利润的方法，从宏观来看，也无非就是两条路：开源和节流。开源是指在每天的电力市场交易竞价中，通过科学的分析本厂的发电成本，预测电网的需量，估计同类电厂的报价，从而报出最有竞争力的价格，实现电厂售电和电价的最大化。节流是指加强电厂的内部科学管理、深挖潜力、降低成本、节能降耗、合理安排机组的启停和检修，将机组的启停次数、机组的检修时间尽量的缩小，实现电厂的成本的最小化。当企业的销售收入最大化，成本最小化时，利润也就趋于最大化。

在电力市场环境下的数字化水电站建设的总体目标，应该围绕企业利润最大化这个企业目标，为这个企业目标服务。将这个企业目标落实到数字化水电站实现技术上，通过数字化水电站系统的建设，为水电站的经营管理者服务，在管理和技术上提供开源和节流手段和工具，使水电站能真正为发电企业提高效益这个目标服务。

传统意义和功能上的水电站计算机控制与信息系统只能起到一个生产过程控制和数据收集的作用，实现生产、运行、管理数据的采集、存储、展现的功能，但存在几个主要的问题：

（1）数据基本上是一种相对的静态，数据分析的功能很少，缺少有效的决策支持，水电站运行管理者在决定申报电量和电价时，不可能亲自去查阅大量基本数据，更何况这些数据可能散布在水电站各个部门，于是决策多依靠经验判断，存在很大的盲目性。
（2）对设备的管理通常局限在设备的台帐、检修记录、消缺记录等单一静态的记录上，设备从发现缺陷到检修消缺的管理过程缺乏科学的管理流程，以及对流程的监督考核管理。
（3）缺乏总体数据规划和数据（应用）整合，存在或多或少的"信息孤岛"，部分数据有冗余和二意性，不能融合到整个管理信息平台上。特别是水电站的生产实时信息，如DCS、SCADA、SIS，水调水情监控等信息，不能充分的为MIS所用，不能为决策和数据挖掘服务。
（4）功能上缺乏与电力市场技术支持系统的接口和相关的辅助服务功能，只实现了单一的接收信息和报价的功能。

在当前的电力市场环境下，数字化水电站的发展的目标是"充分利用水电站的生产和经营的数据，合理规划生产管理流程，实现计算机辅助管理和辅助决策，为水电站的经营目标服务"。从需求来看，要求数字化水电站能以企业内部网为依托，以经济分析、成本管理和报价辅助决策为目标，在对大量生产、经营、交易实时和历史数据信息进行有效组织和控制的基础上，运用最新的计算机技术、电力经济分析方法和决策分析模型实现了生产经营指标动态分析、投入产出比较、电价趋势分析、预报以及报价方案分析、评估等功能。这样，传统的水电站计算机监控和MIS系统已经不能满足新形势下水电站的需求，作为独立的发电企业，水电站对综合信息系统的集成、处理和应用提出了更高的要求，水电站迫切需要将先进的管理思想和管理模式引入电厂MIS，来强化管理流程。通过数据整合的技术，将水电站生产SCADA的实时系统数据引入到MIS中，形成一体化的管理信息系统平台。同时要求在传统的水电站MIS系统的基础上，能完成根据设定的条件和数学模型，对生产和运行的数据进行分析，让数据流起来，通过采用数理统计方法、非线形多元矩阵、人工神经元网络、决策树等辅助决策模型对数据流进行处理。从而得出各类优化目标下的辅助决策，甚至给出推荐的上网电量和电价。减少盲目性，提高竞价的科学性和合理性。另一方面，能通过灵活的流程定义，将设备检修、消缺等典型工作进行规范，增加设备资产管理方面的功能，加强对设备的监测和跟踪，通过项目管理、物料管理，采购管理、人员管理，来提高设备检修的效率，减少设备检修的时间，达到对设备资产运行状态的动态考核。

因此，在电力市场环境下数字化水电站的建设，从技术层面上看，需要综合采用企业信息门户（EIP）技术、企业应用整合（EAI）技术、企业设备资产管理（EAM）技术、工作流（WorkFlow）技术、数据挖掘（DataMining）技术，决策分析模型等来构架，通过这些技术手段，能将发电企业的全部信息整合在一个统一的平台上，在ERP的思想指导下，运用可定义的工作流，对生产调度、设备运行等原子的业务模块进行规划；用采用合理的决策分析模型，对企业的生产成本、设备折旧、物资消耗、报价策略进行分析，完成一个发电企业的信息化管理。此外，还需要通过信息安全技术，来保证电力市场中的对手不能了解到本企业的经营状况、发电成本、报价策略和报价信息等数据。

运用ERP思想来重新规划电厂MIS，是现阶段电厂MIS建设的重要手段。ERP（EnterpriseRe-sourcePlanning企业资源计划）作为新一代MRPⅡ，其概念由美国GartnerGroup于90年代初首先提出，仅经过几年的时间，ERP已由概念发展到应用，并被认为是当前最先进的管理思想。最初ERP的思想主要应用于传统的制造业，它一般分为财务、仓库、采购、分销、制造等模块。从广义来讲，水电站也是一个生产企业，是一个依赖不确定性河川径流的非线性动力系统，它同样存在信息流、资金流和物质流在企业的流动。将ERP的管理思想和软件结构用于数字化的建设中，是解决电力市场中水电站的新需求的可行方法。ERP是市场竟争全球化形势下一种面向企业供应链的管理方案。它以MRPII为核心，进行企业业务流程重组（BPR），利用计算机网络技术，实现供需链管理（SCM）。

比较现实的解决思路是在现有的水电站MIS设计、实施中，以发电企业成本控制，辅助决策为中心，参照和借鉴ERP的核心思想，围绕着调度、配送、维护、销售、采购、电力市场调节的发／输／配计划和金融／财务一体化的主线，合理规划信息流、资金流和物资流，来设计发电企业的管理信息系统，全面提高传统MIS对企业业务的参与度，使MIS能真正为发电企业的生产和经营服务，最终提高企业的管理水平，增强企业市场竞争能力，使企业的利润最大化。为此，数字化水电站建设的实施策略上应作如下考虑：

实时运行信息管理：主要包括实际出力和计划出力查询、电网频率和边际电价查询、机组主要运行参数查询、动态经济指标计算、运行偏差分析等，这些功能主要用于实时监测和考核各机组的实际运行状况，动态掌握全厂各机组的运行效率、变动成本等经济指标。

动态经济分析：生产指标动态分析、经营指标动态分析、成本综合分析、电价综合分析、启停损耗统计。其中经营指标动态分析又包括：利润指标分析、单位项目分析、投入产出比较。成本综合分析又包括：成本构成分析、成本变化预测分析、保本电量与电价、电价倒推成本、单位固定成本分析、成本项目变动趋势。电价综合分析又包括：日均价走势分析、月均价走势分析。

报价辅助决策：基本技术经济参数查询、机组功率与变动成本对照、中短期目标电价参考、开停机辅助分析、电价趋势分析、负荷需求趋势分析、系统边际电价预测、申报方案（数据）分析、历史报价对比分析。

交易信息管理：申报计划审批、申报数据记录、计划出力记录、实际出力记录、上网电量记录、申报数据查询、计划出力查询、实际出力查询、上网电量查询和交易分析，其中交易分析又包括：竞争电价统计分析、电价、成本对照、日发电计划分析、日实际发电分析。
模拟成本效验：给出一个日发电计划，系统根据物资成本，计算出该日发电计划的单位发电成本。

接收与报价：提供一个接收网上数据的环境。接收网上竞价的各类数据，并保存在数据库中，供查询和分析。按本省电力市场的运营规则的要求，提供发布和申报上网的数据的环境，可发布机组的基础数据和向电力市场技术支持系统申报各时段的价格。

设备资产管理系统：由资产管理、预算、设备、库存、采购、工单及工单申请、计划、任务和预防性维修、职员等模块构成。

随着我国经济的高速发展和改革开放的深入进行以及中国加入WTO，水电能源行业的运营模式也发生了很大的变化，逐步引入了新的商业模式；同时电力行业也在进行公司制改组、商业化运营和法制化管理，加强和提升核心业务，积极有效地发展多种产业，努力把电力企业建成控股型、经营型、现代化、集团化管理的国际一流电力企业。在这个过程中，水电站信息化建设的任务越来越迫切；如何通过科研、设计、制造实现水电站在发电生产和经营活动中积极有效地采用现代信息技术，促进行业的发展，成为大家共同思考的一个问题。因此"数字化水电站"的概念，会成为满足未来社会需求的完整的集成解决方案。