寺沟口水电站数字化建设

陈慧清，黄 勇，王晨祥，霍云超，郭 园，马月英

（1.青海省门源神牛水电开发有限责任公司，青海 门源 810300；2.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西西安 710000）

0 引言

在互联网模式和数字经济大浪潮下，国家提出了水利信息化的重要战略部署，将网联网技术与水利工程实际相融合，创新传统水利工程的管理模式，提高管理效率，既可以降低管理成本，积极响应国家的能源结构供给侧改革的大战略，同时将新技术应用到水利工程建设中去，紧跟科技前沿。

本文研究对象寺沟口水电站位于青海省门源回族自治县境内，是大通河干流上一座重要的水电站，其主要建筑物有溢流坝、泄洪闸及引水发电建筑物等组成。正常蓄水位为2424 m，总库容500 万m3，最大发电头22 m，总装机12 MW，保证出力2607 kW，多年平均发电量6425 万kW·h。

现状条件下寺沟口水电站管理水平较低，为提升电站管理能力和企业效益，充分保障该区域经济可持续发展，亟需通过生产运维模式改革，建设以智慧运维管控和区域运检中心为支撑的“无人值班，少人值守”的新型管理模式，这都要以水电站的数字化建设为前提，因此本文对寺沟口水电站进行数字化建设。

1 数字电厂的发展及研究

通过对水电站数字化建设的研究探讨，寺沟口水电站数字化改造已具备一定理论依据：一是对部分传统水电站进行数字化建设表明，水电站的数字化建设将极大提高传统水电站的信息化、可视化水平；二是云计算、物联网、大数据平台、5G、三维可视化等技术日趋完善，提供了技术基础；三是国家政策支持，水利信息化建设已成为大浪潮，理论日益完善[1]。

目前，在国家政策的支持下，我国专家学者对水电站数字化深入研究，取得丰硕的研究成果。张宏等对数字化水电站的特点和优势进行了阐述，验证水电站数字化在技术上是可行的[2]；熊保锋等认为水电站数字化建设应以全生命周期管理原则,以数据共享为基础,以智能控制为建设手段，以自动化、互动化、人性化为基本特征，突出安全、高效可靠、绿色环保、和谐友好[3]；桂远乾等根据数字化水电站的设计思想，提出来金沙水电站数字化开关站的设计方案[4]；张红芳等以漫湾水电站为研究对象,提出了适合于漫湾水电站的数字化建设方案，研究结果表明,我国大中型水电站要实现数字化在技术上不光可行，且能是水电站更好地发挥社会精益效益[5]；肖平等以大岗山水电站数字化建设为例，总结了互联网技术应用效果[6]。

综上，数字水电站建设技术上可行，应用效果好，是顺应互联网模式提升管理效率的必然。

2 水电站数字化构架

数字化水电站，是从水电站自身特点出发，以国外先进的管理理论为知识支撑，借助先进的互联网技术手段，建立水电站的全信息数字模型、数据中心、各业务子系统等，来实现水电站的同一平台化、智慧化，提高传统水电站的管理水平[7]。

2.1 水电站全信息数字模型构建

全信息数字模型建设是数字电站建设的基础。全信息数字模型建设包括三维数字化建模、模型属性完善、模型融合集成等。

（1）三维数字化建模。依据数字化相关标准，结合水电站相关资料，利用BIM 技术进行三维数字化逆向建模。建模的内容包括首部枢纽、厂房、生活区、开关站等在内的所有设备设施（水工建筑物、设备、管线等），建模标准及精度严格执行相关标准规范，模型组织结构以方便应用为原则、参照电厂运维管理模式进行划分。

（2）模型属性完善。设备属性完善是数字电站建设的重要步骤，也是电站数字化模型建设的重要内容。对于一个设备，从设计、采购、制造、安装、调试、到运维，都有大量的几何参数和物理参数。只有将这些实际参数和信息附加至相应的三维模型上，模型有了信息，虚拟模型和实际设备才会产生关系，虚拟模型才能用于实际模型的管理。

（3）模型融合集成。水电站结构复杂，由地质、坝工、泄水、厂房、水机、金结、给排水、暖通、消防等多专业组成。不同专业采用的三维建模软件也各不相同，从而导致整个电站的模型是孤立、分散的。因此，需要在各专业三维建模的基础上，通过模型转换工具将不同的三维模型转换成统一格式并进行融合集成。

2.2 水电站全寿命周期管理系统建设

以水电站全信息三维数字模型为载体，设备资产数据为核心，构建水电站全寿命周期管理系统。水电站全寿命周期管理系统包括三维综合展示模块、数字化文档管理模块、数字化设备管理模块、仿真培训模块等构成。

2.2.1 三维综合展示

将水电站所有设施设备三维模型在统一平台上进行展示，并按照统一的空间对象及数据编码规则关联集成设备全面综合信息数据（如设备状态信息、缺陷信息、台账信息、物资信息、文档等），在虚拟现实环境下实现信息数据的集成展示、查询共享、统计分析等。通过三维模型，可快速查询相关设施设备模型的外形及空间位置，同时获取相关的信息数据，辅助电厂运行维护。

2.2.2 数字化文档管理

数据关联是数字电站建设的灵魂，数字化文档管理是数字电站建设的必要内容，通过编码编号将各种非结构化图文档资料与相应的数字化模型关联起来，实现可视化图文档资料管理。整合寺沟口水电站在设计、制造、安装、调试、运维修试过程中的图纸、报告、图片、操作说明、维修手册等图文档资料，在数据梳理及编码编号的基础上，建立图文档与相关数字模型之间的关联关系，以三维模型为载体对图文档资料进行统一管理，实现可视化图文档资料集成管理及应用。

2.2.3 数字化设备管理模块

遵循设备全寿命周期管理理念，将设备巡检、维护、检修、更换、报废全过程产生的数据（结构化、非结构化），以数字模型为载体，通过设备唯一标识码统筹和关联起来，实现设备全寿命周期可视化管理。在三维可视化环境下，对设备状态评估结果、检修计划、检修报告等信息数据与电站设备空间对象进行关联展示、查询与分析。

2.2.4 仿真培训

基于水电站三维数字模型，集成培训知识和考题，在三维可视化环境下建立交互式仿真培训模块。仿真培训包括运行操作培训和检修培训，融入运维检修规程、工作票、操作票、安全措施等。培训系统分为培训和考试两种模式。在培训模式下，系统根据课程内容，在三维可视化环境下，对典型运行操作和检修过程进行仿真演示，并配以语音、文字等内容进行讲解；在考试模式下在，人员可以在仿真平台上进行三维可视化仿真运行操作和机组三维可视化仿真拆装，并对考试情况进行评价。

2.3 水电站动态数据集成

基于水电站全寿命周期管理系统，在虚拟可视化环境下，集成水电站监测、监控等实时数据。利用三维场景与可视化信息集成展示开发维护工具，将水工建筑物缺陷的位置在三维可视化信息集成展示与会商平台上进行标识，并关联缺陷相关的文字描述、图片和记录表格等数据，在三维环境下实现数据的展示、查询、统计与分析等。

2.4 寺沟口水电站数字化建设路线

依据数字化框架，寺沟口水电站数字化建设路线见图1。

图1 寺沟口水电站数字化建设路线

3 寺沟口水电站数字化建设成果

3.1 水电站全信息数字模型

（1）结合寺沟口水电站自身特点，依据《发电工程数据移交》《水电工程设计信息模型数据交付规程》《水电工程三维激光扫描测量规程》等规范标准，结合寺沟口水电站设计图纸、改造记录等历史资料，利用BIM 技术进行建模，其中寺沟口水电站大坝建模见图2。

图2 水电站大坝建模

（2）模型属性完善。将水电站所有设备的几何参数和物理参数附加至相应的三维模型上，属性完善示例见图3。

图3 属性完善示例

（3）模型融合集成。将各专业三维建模成果通过模型转换工具转换成统一格式并进行融合集成，模型融合集成实例见图4。

图4 模型融合集成示例

3.2 寺沟口水电站全寿命周期管理系统建设成果

3.2.1 三维综合展示结果

将寺沟口水电站所有设施设备三维模型集中在统一平台上，通过三维模型，进行可视化展示，三维综合展示模型见图5。

图5 三维综合展示

3.2.2 数字化文档管理成果

通过编码编号将寺沟口水电站各种非结构化图文档资料与相应的数字化模型关联起来，整合寺沟口水电站在设计、制造、安装、调试、运维修试过程中的图纸、报告、图片、操作说明、维修手册等图文档资料，在数据梳理及编码编号的基础上，建立图文档与相关数字模型之间的关联关系，以三维模型为载体对图文档资料进行统一管理，数字化文档管理成果见图6。

图6 数字化文档管理-模型与图纸关联

3.2.3 数字化设备管理模块

将寺沟口水电站设备巡检、维护、检修、更换、报废全过程产生的数据（结构化、非结构化），以数字模型为载体，通过设备唯一标识码统筹和关联起来，数字化设备管理模块成果见图7。

图7 数字化文档管理-模型与图片等多媒体关联

3.2.4 仿真培训

基于寺沟口水电站三维数字模型，集成培训知识和考题，在三维可视化环境下建立交互式仿真培训模块。寺沟口水电站仿真培训的结果见图8。

图8 水轮发电机组仿真培训

3.3 寺沟口水电站动态数据集成展示

集成水电站监测、监控等实时数据，在三维环境下实现数据的展示、查询、统计与分析等，寺沟口水电站动态数据集成成果见图9。

图9 视频监控信息集成管理

4 结论

在数字经济和互联网的大背景下，响应国家水利信息化政策，通过构建寺沟口水电站全信息数字模型和寺沟口水电站全寿命周期管理系统的搭建，将有效提高了寺沟口水电站现有的管理水平，实现寺沟口水电站的数字化，同时充分保障区域经济发展，充分发挥社会经济效益，创新寺口沟水电站传统管理模式，提高传统水电站管理水平。