基于物联网技术的智慧水电云监管平台的设计与应用

周忠育，张仁贡

(1.浙江省瑞安市林溪水电站，浙江 温州 325213；2.浙江同济科技职业学院，浙江 杭州 311231)



基于物联网技术的智慧水电云监管平台的设计与应用

周忠育1，张仁贡2

(1.浙江省瑞安市林溪水电站，浙江 温州 325213；2.浙江同济科技职业学院，浙江 杭州 311231)

针对农村水电站安全监管面临的问题，采用基于物联网、移动互联网、云技术等技术开发的智慧水电云监管平台，可使农村水电站逐步实现安全生产标准化管理.这一平台包括智慧水电站运行监控云平台、智慧水电站安全管理云平台两部分，实际应用表明，该系统很好地提高了水电站生产的安全性，在可靠性、安全性、可拓性之外，节约了投资成本，使整个系统更加符合实际需求，减少了水电站运行管理的成本.

智慧水电;农村水电;物联网技术;监管平台

0 引 言

目前，农村水电站依然存在以下一些问题：①生产设备老化问题.如设备老化或未定期检修导致运行状态不佳引起的安全事故；②专业人员缺乏问题.由于农村水电普遍缺少专业运行操作人员，甚至有些大型水电站由于职工梯队建设不合理，导致老员工大批退休新员工又难以及时接手导致人才断档，而缺乏专业运行人员容易导致因操作不规范引起的安全运行事故；③安全意识缺乏问题.现阶段水电站业主单位非常重视电站安全，但运行管理人员并没有没有把安全意识普遍放在最重要的位置，普遍安全意识淡薄，操作粗心麻痹，从没发生过事故就以为事故离自身很远不以为意，殊不知水电站运行安全责任重大，一旦引起安全事故，轻者造成重大经济损失，重则将造成涉及人民生命的重大安全事故.④环境生态负面问题.很多农村水电站存在不发电不放水的现象，导致下游河道脱水、减水等问题，对下游的生态造成了负面影响，部分农村水电站甚至出现发电尾水水质不达标现象，造成了下游百姓对水电建设意见较大.⑤发电效率低下问题.很多农村水电站为径流式电站，水电站未依据上游或前池水位自动调节发电功率，造成发电效率低，长期以往发电效益损失较大[1].

2015年李克强总理在政府工作报告中提出的“互联网+”行动计划，“推动移动互联网、云计算、大数据、物联网等新一代互联网技术与各行各业结合”，这为行业及农村水电站解决一系列问题提供很好的思路.[2]

本论文从智慧水电站的角度，论述如何采用移动互联网、云计算、大数据、物联网等现代技术构建现代化的水电站.

1 农村水电站自动化沿革

在中国，水电站总装机容量5万kW以下的水电站称为农村水电站，农村水电站的自动化大致经历了以下三个阶段：

第一阶段：为20世纪70年代以前，基本为传统的机电电磁技术.

第二阶段：大约为90年代期间，为计算机监控技术在农村水电站移植试点阶段，模仿大中型水电厂的监控模式，将大中型水电厂的模式直接搬到农村水电站上来，将用于变电站中的综合自动化模式略加修改搬到农村水电站上来[3-4].

第三阶段：2001年以来，尤其是2002年5月国家水利部在湖南郴洲召开的“全国农村水电现代化建设工作现场会”，并在当年由于水利部颁发了水电(2003)170号文以来，在全国农村水电领域展开了全面推广现代化技术的工作，少数厂家结合农村水电站的特点，研制开发出适合于农村水电站的计算机监控模式，并致力于推广应用.经过十多年的试点，农村水电站自动化水平已到一个关键的攻坚阶段.但是，目前农村水电站自动化依然采用大中型水电站的监控模式，上位机和下位机的分层分布式系统被广泛应用，一些农村水电站设有工程师工作站，但却没有一个工程师.总体来说，农村水电站的自动化系统依然造价很高，不必要的控制柜、保护柜以及其他自动化元件很多.

农村水电站作为农村基础设施的重要组成部分，农村水电站得到了快速的发展，但由于在农村水电建设的历史上是重建设、轻管理，建设资金缺乏，技术力量不强[5].在设计、设备选型、设备管理、资金投入、人才水平等方面与大电网有较大的差距，因此迫切需要加强全面的安全管理和切实可行的自动化系统.云计算、大数据、物联网、移动化互联网等技术的推出，为农村水电站自动化升级带来了契机.

2 总体构架

智慧水电运用了云计算、大数据、物联网、移动化互联网等技术，将农村水电站的自动化水平上升到第四阶段，不但解决了农村水电站的自动化套用大中型电站，投资高，冗余功能多的弊病，而且融合了安全生产标准化管理的内涵.

智慧水电站的总体构架(见图1).智慧水电站综合运用了云计算、大数据、物联网、移动化互联网等技术，采用标准智慧化解决方案，软件运行模式为Saas架构，具有较高延展性，设有感知、互联、智能、应用四个层次.

3 核心技术

本系统所涉及的开发技术很多，例如现场总线技术、现地控制开发技术、工业以太网开发技术等普通技术本文不再累述，本文重点论述云技术、大数据服务技术、物联网技术、移动互联网(+)、云视频监控等国际最先进技术在系统开发中的应用.

3.1 基于云技术的大数据库开发

通过基于ISO/OSI互联标准的C/S、B/S架构体系模式的研究及云服务架构的研究，结合access control(A/C)的技术研究.构架基于大数据服务的数据库，用以存储水电站状态监控和视频监控的历史数据，便于查新和统计.通过该技术实现云端的大数据备份和存储，水电站的视频数据和状态数据是海量的，很难采用本地服务器进行长期存储和维护，因此通过云端和存储设备的链接进行存储功能开发与实现非常重要.采用云技术结合大数据库开发技术，在云服务器上开发云数据库，采用基于ORACLE的云端数据库开发，在云端部署云数据引擎，接收视频和状态数据，并向执行器发送数据信号；由云服务商提供云安全监管和容灾，即安全又可靠；与移动终端建立联接，为移动终端提供云数据服务.

数据库采用云服务的大数据库系统，节约了服务器、网络等投资成本，也使得数据更加安全可靠，是最新技术的数据实现.本系统采用云服务的大数据库开发技术，在提高系统可靠性、安全性、可拓性的方面之外，节约了投资成本，使整个系统更加符合基地的实际需求(见图2).

图1 智慧水电站的总体构架图

从图2可知，移动互联智能控制系统、远程视频监控系统等将视频数据和状态数据传入到大数据库系统中，云工作站通过云令牌和云链路将数据传输到云工作站，实现状态和视频的统一管理，同时大数据库能够为移动终端提供数据服务.

3.2 基于物联网的节点装置开发

随着物联网技术的发展，其应用也越来越广泛，尤其是智能家居等领域，本文将物联网技术引入到农村水电站自动化中，开发了物联网节点装置，该装置获得了国家专利.该专利产品将视频监控和状态监控数据的统一接入，并集成了移动互联网(+)技术，将视频和状态数据统一无线传输到云端数据库中，结构(见图3).

从图3可知，视频信号通过视频输入模块、状态参数通过以太网传输模块、无线信号(包含视频流和状态数据)通过无线信号接收模块，分别接入到节点装置，通过中央处理器的处理后，将视频、状态等信号输出到控制和显示装置.

3.3 移动互联(+)技术

本系统基于移动互联(+)技术的开发，包括客户层、软件层和基础层.客户层包括智能手机、平板电脑、电子书、MID、用户、数据库管理员等；软件层包括云数据库、触发器、云数据库引擎、应用层、通讯接口、进程、界面组件等(见图4).

从图4可知，应用层包括视频流传输模块、多节点协调模块、状态管理器、报警阀值设置模块、算法集成组件等.该层是核心层，它提供了视频监控、状态监控、报警、巡检、设备管理等不同应用与服务.

图2 基于云技术的大数据库平台设计图

图3 物联网节点装置结构图

图4 移动互联(+)技术构架

从图4可知，基础层包括物联网节点装置、物联网、PLC、工作站、服务器、视频处理器、智能采集设备等，同时这些设备与智能传感器联接，包括水电站各种电量智能设备(电压、电流、功率)、非电量智能监测设备(水位、温度、压力等)、脉冲参数采集传感器、前端摄像系统等.PLC、工作站、服务器、视频处理器、智能采集设备等设备之间也可通过各种需要相互链接.物联网节点装置将信号通过移动3G或4G网络将数据传输到云服务器的云数据库，为各种应用提供基础(见图4).

基础层包含了PLC、工作站、智能采集设备(包括摄像装置、各种智能传感器、专家库系统、智能检测装置、智能保护装置等)、服务器等.这些设备水电站不一定全部具备，但无论如何，其数据接口可以通过物联网节点装置或物联网控制屏，将信号传输到云端.

云服务层包含触发器、云数据引擎、云数据库、云数据库管理系统、云状态监管层、云视频流层、云监管层、云专家库、云经验层、各种云接口、界面组件(包括APP、微信)等.

客户层包括云数据库设计人员、云数据库管理员、云层管理员、工程师、专家、移动平台等.

3.4 云视频监控技术

为了加强安全监管，采用基于移动互联的云技术构架远程视频监管系统，该系统在移动平台上实现的视频监控与集成，通过基于移动互联的远程智能控制系统实现控制功能，同时具有手机远程启动报警装置[6]，防止闲人进入水电站安全监管区域，保障水电站的安全.

基于H.264视频编解码压缩技术的无线视频通讯.通过高清视频编解码压缩技术与无线通讯技术相结合，利用相对窄带的3G通道传输视频编码后的数据，将信号传输到移动终端，使行业监管人员随时随地能够监管到水电站安全生产监视点的情况[7].

对于偏远的山区、电信网络不通的农村水电站，可采用5.8G无线视频监控，采用5.8G无线通信的方式可以将成本直接降低1/3.5.8G通信，频率高，传播距离极长，在无遮挡情况下可以达到2～3 km，可以通过5.8 G网桥，无须布线对一个较大区域实现无线监控，布局图(见图5).

图5 无线太阳能供电型5.8G网桥视频监控系统

4 智慧平台组建与开发

通过以上技术的研究与突破，浙江同济水能水资源研究所和浙江禹贡信息科技有限公司校企联合开发，成功开发了农村智慧水电站云监控平台V4.0，该平台属于国家专利产品，其实质是在将农村水电站的自动化水平提升到现代的“工业4.0”版本.

农村智慧水电站云监控平台V4.0主要有由两大部分组成，即智慧水电站运行监控云平台和智慧水电站安全管理云平台(见图6).

图6 农村智慧水电站云监控平台V4.0结构图

智慧水电站运行监控云平台主要包括视频监控云系统、雷达水位测报云系统、自动发电控制云系统、事故故障报警云系统、机组状态监测云系统、升压站监控云系统、公用设备状态监控云系统、微机保护云系统等10多个云系统组成.其功能实现了随时随地采用手机等终端，远程监控水电站的视频和状态两个方面.若集团公司管理群多水电站，可以将中控室设在城市里面，配合无线远程大屏幕切换系统，可同时监控N个水电站，减少了运行维护成本.

智慧水电站安全管理云平台是专门结合农村水电站安全生产标准化管理而定制的互联网(+)平台，主要包括安全巡检云系统、设备管理及评级云系统、安全工器具管理云系统、备品备件管理云系统、两票管理云系统、五防云系统、运行台帐管理云系统、维护检修台帐管理云系统、检修工具及物资管理云系统等10多个云系统组成，这些系统采用手机终端很方便地进行录入和管理，与农村水电站安全生产标准化管理相配套，在平时管理中即可自动形成记录和台帐，采用安全生产标准化所规定的表格形式，形成报表并打印.

5 案例分析

目前，农村智慧水电站云监控平台V4.0版本已经推广应用到浙江省、四川省、湖南省、安徽省、河南省、广州省等7个农村水电站较发达省份的30多个示范点.现以浙江省瑞安市林溪水电站为例进行平台的应用说明.

该电站位于浙江省瑞安市的一个偏远山区，离县城有20 km有余.该电站2015年开始创建水利部一级农村水电站安全生产标准化管理电站，2015年10月开始，水电站实施安装智慧水电云监控平台V4.0，实现了在县城的无线视频监控、雷达水位测报，事故故障报警，安全巡检管理等.在手机端随时随地进行监控与管理(见图7).

图7 智慧云监控平台V4.0手机端主界面

首先，根据林溪水电站的实际情况，构架和开发了基于阿里云服务的数据库系统，将林溪水电站及水库大坝的监测历史数据导入到云数据库中；其次，开发了基于物联网技术的各种云服务软件，这些软件与原有的自动化系统进行接口对接；再次，开发了手机端APP和微信公共号，与云服务器进行数据交换，方便用户随时随地进行安全监管.最后，安装调试后，进行的用户的体验和培训.

该系统安装应用后，得到电站很高的评价，附近几个电站参观学习后，也纷纷安装了该平台.

目前浙江省应用智慧水电云监管平台及部分相关产品的还有：温州永嘉金溪水电站、温州瑞安赵山渡水电站、温州文成珊溪水电站、温州泰顺仙居水电站、台州天台龙溪水电站、台州仙居北岙水电站、宁波奉化亭下水库电站、宁波奉化横山水库电站、宁波鄞州皎口水电站、绍兴诸暨石壁水电站、杭州临安里畈水电站等水电站.

[1] 方辉钦.现代水电厂计算机监控技术与试验[M].北京：中国电力出版社，2004.

[2] 林成华,洪成文,杨 艺.传承与颠覆:互联网+时代大学教育基金会管理变革及其策略思考[J].现代教育论丛,2015(6):59-65.

[3] 徐金寿，张仁贡.水电站计算机监控技术与应用[M].杭州：浙江大学出版社，2011.

[4] 游大海.中国农村水电站自动化的现状与发展趋势[J].中国农村水电及电气化,2005(12):61-65.

[5] 张仁贡.农村水电站电能生产动态不确定性优化调度模型[J]．农业工程学报，2011，27(5):275-278．

[6] 王尚宏，张 倩.闸门远程监控技术的应用研究[J].电子设计工程，2014(4):94-96.

[7] 邱 滢.浅谈赵山渡引水工程的安全监测及其自动化[J].城市建设,2012(15):14-16.

Design and Application of Cloud Monitoring Platform for Smart Hydropower Based on Internet of Things

ZHOU Zhong-yu1, ZHANG Ren-gong2

(1.Linxi Hydropower Station of Ruian, Wenzhou 325213, China; 2.Zhejiang Tongji Vocational College of Science and Technology, Hangzhou 311231, China)

Aiming at the problems existing in safety monitoring of rural hydropower stations in Zhejiang Province, a wisdom hydropower cloud monitoring platform, combined with wisdom operation monitoring platform and wisdom safety management platform, is developed based on modern computer technology, such as Internet of Things, cloud technology, mobile Internet and so on, in order to realize standardization management of safety production for rural hydropower stations. The practice shows that the wisdom platform ensures the security and reliability of the operation of rural hydropower stations with lower initial investment and managing cost.

smart hydropower; rural hydropower; Internet of Things; supervision platform

2016-01-20

浙江省水利厅科技项目(RC1421); 浙江省农村水电安全监管监控系统建设可行性研究项目

周忠育(1969-)，男，浙江瑞安人，工程师，研究方向：水电站运行与管理.

TV736

A

1008-536X(2016)06-0069-08