梯级水电站集控中心辅助值班机器人架构设计

韩媛媛，赵 全，邹泽华

(1.三峡水利枢纽梯级调度通信中心，湖北 宜昌 443002； 2.智慧长江与水电科学湖北省重点实验室，湖北 宜昌 443002)

0 引 言

随着大规模并行计算、大数据、深度学习算法和人脑芯片技术的发展，人工智能在近30 a里取得了飞速进步，已广泛应用于计算机科学、经济贸易、机器人控制、通信、医学等领域，并取得了丰硕的成果。在信息化、智能化的全面推进下，人工智能技术在电力系统中也得到了充分应用[1]。赵晋全等[2]梳理了人工智能在电力系统调度运行中的应用场景，包括负荷预测、新能源预测、电价预测、故障诊断、稳定评估、优化控制、方式制定等，并结合人工智能的发展趋势，对其在电力系统中的应用做出了分析和展望；杨子等[3]和王海港等[4]分别介绍了调控辅助机器人和配电网虚拟调度员的建设应用；吴小康等[5]提出了基于电网调控全业务链路，构建具有智能监视、大脑思维决策、智能交互、代理操作的三岗机器人(值长、正值、副值)软件。洪臣等[6]对云机器人架构和特征进行了概述，依托云计算技术和无线网络技术的发展，通过云机器人远程卸载和处理计算任务，并运用云计算辅助机器人完成运行视频监控任务、点云库建模任务、传感器信息跟踪及相应效果评估等实时交互任务。在电网调度领域，通过人工智能技术的研究和实践，有效提高了电网调度员的工作效率和电网安全稳定运行水平。相比之下，发电企业的人工智能研究起步较晚。

本文以三峡水利枢纽梯级调度通信中心(以下简称“三峡梯调”)成都调控中心为例，通过借鉴电网调度领域较为成熟的人工智能研究实践成果——虚拟机器人建设，结合当前无线网络技术的发展，采用云机器人架构[6]模式，把大数据、云计算和机器人相结合，提出了辅助值班机器人(以下简称“值班机器人”)架构设计。该成果使值班机器人“人”的形象更加具体，更好地满足了成都调控中心的智能化需求。

1 设计概况

三峡梯调成都调控中心是金沙江溪洛渡-向家坝梯级水电站(以下简称“梯级电站”)的远程集控中心，采用“调控一体化”和“水电合一”的值班方式，承担着溪洛渡-向家坝梯级水电站机电设备和水库的运行监视、控制、调控以及故障应急处置、对外沟通协调、信息报送等生产职责。随着梯级电站防洪、航运、生态、发电、供水等效益的扩展和电力市场的推进，调控任务逐年增加，身处梯级电站安全生产和综合效益发挥最前线的调控值班人员所承受的压力也不断增加[7]。

当前调控值班工作主要存在以下5个痛点：① 自动化系统众多且相对独立，数据多源异构，缺乏必要的归类分析，使用不方便，且需要调控值班人员花费较多的精力进行分析总结；② 针对简陋的机电设备和水库异常的预警机制异常情况下难以快速定位、定性，异常处理的速度和质量依赖调控值班人员的专业能力；③ 业务资料繁多，缺乏快速搜索手段；④ 重复性工作较多，占用值班人员较多的精力和时间；⑤ 成都调控中心作为两级公司(中国长江三峡集团有限公司、中国长江电力股份有限公司)在成都区域的形象窗口，所承担的参观接待任务重，却无较好的辅助讲解手段。针对以上问题，提出了值班机器人的研发构想，利用人工智能技术，将调控工作经验转化为智能处置流程，由值班机器人代理完成部分调控业务，从而提高调控智能化水平，减轻调控值班人员的压力。

2 功能需求

值班机器人定位为辅助值班员，可与调控值班人员进行语音交互，在不参与实际控制的前提下，辅助并代理调控值班人员开展日常工作，把调控值班人员从大量重复性的工作中解放出来，帮助其更加专注于核心能力(事故预想、趋势分析、优化调度、应急响应)提升，使调控值班更加便捷、高效。

在值班机器人功能方面，共设计了智能问答、快速事故指引、日常调度业务辅助、智能参观接待和调度决策优化支持5个功能模块。这5个功能模块按照具体业务再细分为12个功能项：智能索引、智能报表生成、快速事故指引、信息报送、应急补水预案制作、库水位测算、值班日志录入、当班任务提醒及检查、智能参观接待、发电计划智能优化、运行方式智能优化和事故决策支持。5个功能模块的具体介绍如下。

(1) 智能问答模块。该模块包括智能索引和智能报表生成两个功能项，主要实现调控业务资料(含规程、规定、图纸、定值单、结构化表单、标准操作命令票、现场处置方案、技术总结、异常分析报告、电力市场运营考核规则、培训资料和相关公司制度等)的统一管理和智能搜索，以及常用数据调控、报表的智能生成及可视化展示，同时也是智能交互的基础支撑模块。

(2) 快速事故指引模块。该模块主要通过建立典型设备事故判断库及典型水情预警机制，在梯级水电站发生涉网设备故障、水库突发紧急水情等情况时，辅助调控值班人员快速、准确获知异常信息，并提供标准处置流程，为调控值班人员赢得异常处置和调度协调的时间。

(3)日常调度业务辅助模块。该模块包括信息报送、应急补水预案制作、库水位测算、值班日志录入和当班任务提醒及检查共5个功能项，其主要按照调控业务需求，自动代理调控值班人员完成各类重复性的日常工作，并对计划性的工作作出提醒，减少因人为因素造成的信息漏发错发、日常工作遗漏和计划性工作未按时进行等情况。

(4) 智能参观接待模块。该模块可实现由值班机器人代理调控值班人员为来宾进行梯级电站调控业务、两级公司文化的讲解及展示。值班机器人可根据来宾的不同，智能选择文、图、视频等相结合的方式进行讲解，并在讲解过程中联动调度大厅的大屏进行可视化展示。值班机器人讲解过程中，可智能捕捉来宾站位并调整讲解中心位、与来宾进行语音交互、回答来宾提出的问题，全面生动展示梯级水电站“大国重器”的形象和担当。

(5) 调度决策优化支持模块。该模块包括发电计划智能优化、运行方式智能优化和事故决策支持3个功能项，主要通过深度学习、强化学习的方式，总结提炼历年的应急处置经验，由值班机器人自主生成决策处置信息库。当发生异常或故障时，值班机器人不仅能定位异常因素，还能综合故障录波、保护信息、安稳信息、趋势分析等自主判定异常类型，智能生成分析报告，提供标准化的决策处理建议，包括发电计划调整、设备状态调整、稳控方式调整、水电联动等，为调控值班人员进行异常问题处置提供快速全面的支撑。

3 数据需求

根据功能需求，值班机器人所需的数据主要包括3种类型：与电力生产相关的实时、统计、分析数据，与水库运行相关的实时、统计、分析数据，与调控值班相关的文本、图形、视频数据。

这3类数据中，前2类为结构化数据，其源数据主要来自电调监控系统、水调自动化系统、安稳信息系统、故障录波系统、保护信息系统、长江电力报表系统和ePMS系统。在安全分区上，电调监控系统、安稳信息系统部署在安全Ⅰ区，水调自动化系统、故障录波系统、保护信息系统、长江电力报表系统部署在安全Ⅱ区，ePMS系统部署在安全Ⅳ区。在数据采集频率上，从电调监控系统获取的数据至少应满足秒级需求，从水调自动化系统、安稳信息系统、故障录波系统、保护信息系统、长电报表系统、ePMS系统获取的数据至少应满足分钟级需求。在长江电力大数据中心建立后，以上系统的数据均送至大数据中心，且数据更新频率可满足值班机器人功能需求，因此结构化数据可以直接从大数据中心获取。第3类为非结构化数据，其与调控值班相关的文本、图形、视频等资料需要人工维护，应能进行便捷的录入和更新；工业电视视频数据则需从工业电视系统接入。

4 系统架构

4.1 总体架构

根据值班机器人的功能需求、数据需求，综合长江电力数字化、信息化的建设进程，值班机器人采用云机器人的架构模式，即“数据服务平台+辅助调度应用平台+终端”的总体架构，部署在安全Ⅲ区。“数据服务平台+辅助调度应用平台”是值班机器人的大脑，基于长江电力大数据中心和工业互联网平台进行开发，位于宜昌。终端是人机交互的窗口，部署在成都调控中心调度大厅，包括实体机器人和PC端虚拟机器人两部分。大脑和终端通过长江电力信息网互联，人机交互的语音引擎使用长江电力智能语音云平台。值班机器人的总体架构如图1所示。

图1 值班机器人总体架构Fig.1 Overall structure of duty robot

4.2 数据服务平台

值班机器人数据服务平台主要负责数据的采集、分类存储、治理及管理，为各类辅助调度应用提供数据支撑。同时，辅助调度应用也将应用结果数据提交给数据服务平台进行公用和共享。值班机器人的数据架构如图2所示。

图2 值班机器人数据架构Fig.2 Data architecture of duty robot

4.3 辅助调度应用平台

辅助调度应用平台基于B/S架构，根据值班机器人的功能需求进行功能模块和功能项的开发。值班机器人研发过程中可以复用长江电力工业互联网平台已有的指标定义和计算工具、数据分析开发工具和模型运行环境、规则引擎、工作流引擎工具以及可视化报表工具等。

辅助调度应用平台在功能实现过程中需调用的系统或设备包括：智能语音云平台、工业电视系统、EIIS短信平台、大屏控制系统、打印机、传真机等。值班机器人的功能架构如图3所示。

图3 值班机器人功能架构Fig.3 Functional architecture of duty robot

4.4 终 端

为方便调控值班人员使用，值班机器人终端分为实体机器人和PC端虚拟机器人两部分。实体机器人主要负责智能参观接待，通过无线网络接入长江电力信息网，不与外网连接，具有讲解、展示、互动、引领功能，也可通过人机交互调取辅助调度应用平台的其他功能。PC端虚拟机器人部署在调度大厅的值班电脑上，采用网页或客户端的表现形式，可供多人同时在线使用。

5 设计思路及实用性分析

值班机器人架构设计的整体思路：① 确定功能目标；② 理清每项功能的数据需求；③ 根据数据需求确定数据来源；④ 充分利用已有资源搭建值班机器人的系统架构。值班机器人系统架构搭建过程中，充分考虑了先进性、简洁性、安全性、可扩展性、经济实用性、维护便捷性等因素，主要体现在以下5个方面。

(1) 依托基于电力调度领域的自然语言理解、语音交互技术，构建虚拟调度员，通过自动触发或人机对话的方式实现业务开展、功能调用、资料查询等，使调控值班过程更加智能、高效。

(2) 依托于长江电力大数据中心的海量数据，值班机器人所需的结构化数据均可从大数据中心获取，避免了值班机器人跨安全控制区从多系统同时取数带来的网络安全、数据安全问题。值班机器人连接的系统节点变少，不仅使整体架构变得简洁，也大大减少了后期的故障率和维护工作量。

(3) 依托于长江电力工业互联网平台进行值班机器人研发，可以充分利用工业互联网平台的实时计算、集中集成、智能决策、物联接入、服务共享等核心能力，使值班机器人的研发基础更加扎实，且模块化的开发理念也有利于值班机器人后期的程序升级和功能扩展。

(4) 值班机器人的终端包括实体机器人和PC端虚拟机器人两部分，既具有科技感，使值班机器人作为“辅助值班员”的形象更加具体，也能满足各类值班场景的需求。

(5) 值班机器人的整体架构中，服务器、数据通道、安全防护等均使用现有成熟资源，除实体机器人外，未新增其他硬件设备，可有效减少研发成本。

值班机器人系统架构设计中，利用到了大数据中心、工业互联网平台、智能语音云平台等企业级的数字化、智能化基础建设资源。这三类资源中，最关键的是大数据中心，其为值班机器人的各项功能研发提供强大的数据支撑；工业互联网平台使值班机器人的研发更加便捷，但不是必要因素；智能语音云平台是人机交互的关键，如果企业内部没有建设，也可以利用现有的成熟技术，按需搭建专用语音云平台。

6 结 语

近年来，具有智慧特征的梯级水电站调度运行已成为未来水电站调度发展的必然趋势。三峡梯调作为长江干流乌东德、白鹤滩、溪洛渡、向家坝、三峡、葛洲坝这6座梯级水电站的联合优化调度控制中心，在“十三五”期间提出了“流域主导型、市场导向型、决策智慧型、管理创新型”的“四型梯调”建设规划，智慧梯调则是“四型梯调”建设的重要组成部分[8]。值班机器人集成都调控中心数年的调控业务智慧化探索成果于一体，也是三峡梯调向智能化迈进的重要一步，其架构设计直接关系到后期研发的顺利开展和成果的运用推广。

该值班机器人架构设计基于长江电力大数据中心和工业互联网平台展开，其设计思路经过相关专业的论证，目前已进入产品研发阶段。随着大数据、云计算、人工智能等技术的发展，大数据中心、工业互联网平台的建设在企业的智慧化转型中将会越来越普遍。该研究成果可为类似项目建设提供参考。