抽水蓄能数字化智能电站建设探索与实践

叶 宏，孙 勇，韩宏韬，刘海涛，王卓瑜

（国网新源控股有限公司，北京市 100052）

0 引言

抽水蓄能是新型电力系统的重要储能技术，也是落实国家“双碳”战略的重要组成部分，截至2020年底，我国已投产抽水蓄能电站总规模 3249 万千瓦。根据《抽水蓄能中长期发展规划（2021～2035年）》要求，到 2025 年，抽水蓄能投产总规模将达6200 万kW以上；到 2030 年，投产总规模将达 1.2 亿kW 左右[1]。

依照规划，未来10年我国将迎来抽水蓄能电站建设高峰，如何在较短时间内高效率、高质量地完成工程投产任务目标，是抽水蓄能行业面临的紧迫问题。本文创新给出数字化智能电站的定义、特征和设计思路，首次提出“一标准、两体系、三中心、四中台、五平台、多试点”的总体架构，为提升抽水蓄能的设计标准化水平、基建管控水平、安全运行水平、企业管理水平，实现抽水蓄能企业数字化转型升级提出一种全新思路。抽水蓄能数字化智能电站的建设，将有力保障规划、建设、运行全过程降本增效，引领行业数字化标准规范体系建立，促进和支撑新型电力系统建设，实现国家总体能源规划投产任务落实。

1 抽水蓄能电站数字化现状

近年来，水利水电行业以及部分电站持续探索新技术应用，如：金沙江溪洛渡水电站建设过程中采用智能温控技术实现大体积混凝土通水冷却的智能闭环控制[2]；白鹤滩水电站面对建设300m级特高拱坝，使用地热水泥混凝土技术，将拱坝混凝土抗裂安全系数由 1.8 提高到 2.0[3]；山店水库大坝填筑施工过程中使用施工机械无人驾驶技术提升施工机械效率[4]；仙居抽水蓄能电站结合物联网技术，GIS+BIM技术在运维阶段把电站的核心业务从设备运行向设备管理转变[5]，“数字孪生”概念建立“全景驾驶舱”“仿真培训”等技术，以实现“无人值班，少人值守”[6]。

抽水蓄能电站全寿命周期可分为规划设计、建设施工与运营管理阶段，目前大部分抽蓄电站建设将这三个阶段相互割裂。在规划设计阶段，存在多个设计平台、多个阶段、多个专业、数字移交缺标准、数字移交深浅不一、三维设计成果体量大、单元工程划分较粗等问题；在建设施工阶段，存在难以适配多个设计平台、缺乏统一三维平台、设计成果需要深化设计、三维应用缺乏通行标准、物联网技术应用差异大、数据自动录入接入困难等问题；在运营管理阶段，存在三维设计成果可视化差、三维设计成果精度不足、三维模型体量大、大部分电站缺三维模型、数字化应用标准缺乏、与生产运行融合不足等问题。总的来说，在抽蓄电站建设运行周期内，没有形成统一科学高效的标准来指导抽蓄电站信息化建设，导致了各抽水蓄能电站存在大量信息化重复投入，且业务系统相互独立，数据相互独立的问题。

2 抽水蓄能数字化智能电站概念

针对当前抽水蓄能电站缺乏标准的数据规范及统一的应用支撑的问题，笔者探索性地提出了“抽水蓄能数字化智能电站”概念。

抽水蓄能数字化智能电站，是以抽水蓄能电站全寿命周期管理为理念，以自动化、网络化、信息化为基础，以数字孪生技术为载体，以BIM正向设计为手段，充分融合数字化技术、信息技术和现代工业技术，具备“全景监控、虚实融合、高度协同、自主管控、安全高效、绿色低碳”特征的少人干预、自主运行的电站（见图1）。

图1 抽水蓄能数字化智能电站特点Figure 1 Feature of digital &intelligent pumped storage plant

抽水蓄能数字化电站的主要特点如下：

（1）全景监控：指能够对抽水蓄能电站“人机物料环”进行全面、完整、实时的感知，实现电站建设运行阶段的全息数据、全程在线和全景导航。

（2）全程管控：指能够对抽水蓄能电站全生命周期各阶段工作进行数字化智能化管控，实现规划设计阶段全程数字化设计与协同、建设施工阶段全程智能化建造与管理、生产运维阶段全程智慧化运行与管控，实现全生命周期数字化智能化管理。

（3）虚实融合：对应物理实体电站创建3D数字虚拟电站，打造叠加时间维度的4D电站，实现二者协同互动，优化实体电站的建设运行。

（4）高度协同：实现各业务应用的数据共享、信息贯通，实现相关业务的智能化联动，能够构建智能化的业务应用场景。

（5）自主管控：实现智能设备与自主运行、智能控制与优化运行、智能管理与分析决策，具备自适应、自趋优的全寿命周期管理模式。

（6）安全高效：通过感知、分析、预警、决策，使设备设施和系统具备较强的事故风险防范能力和系统自愈能力，提升电站本质安全和效益。

（7）绿色低碳：为“双碳”战略目标实现和构建以新能源为主题的新型电力系统提供强有力支撑。

3 抽水蓄能数字化智能电站设计思路

在未形成数据标准和业务标准的情况下，大部分抽水蓄能电站在规划设计、建设施工、运营管理中，全寿命期存在业务重复建设问题（如图2所示），数据存在“孤岛”问题，导致数据关联价值、融合价值无法发挥[7]。

图2 抽水蓄能电站数字化建设模式现状Figure 2 Digital construction of pumped storage plant

在此条件下，中台技术思维应运而生，本次建设的抽水蓄能数字化智能电站，不是简单建立应用共享，其核心在于以微服务架构思路建立的业务服务，不同的电站可根据自身特点调用相应的中台微服务构建自身的业务应用，达到“大中台，小前台”的目的，让电站信息共享、快速创新，其本质是通过数据贯通融合和功能开放共享，实现面向前台的敏捷响应，降低研发成本，加速创新业务孵化。

此外，抽水蓄能数字化智能电站充分考虑未来电站业务管理发展的需求，急需建立虚拟数字电站，借助物联网设备实现虚拟数字化电站与实际电站之间数据、操作指令的双向传输，使得管理者即可通过虚拟数字电站实现对实际电站运行状态直观地了解，也能结合管理需求通过虚拟数字电站对实际电站进行操作控制。

抽水蓄能数字化智能电站采用了“一个数据标准、两个体系支撑、三个中心覆盖、四个中台建设、五个平台应用、多个工程试点”的总体设计思路。建立行业标准，充分拥抱“信息共享”，打破“数据孤岛”，极大限度避免功能“重复投入建设”的问题；借助“虚实结合”管理思路，使得管理者的需求能更好地触达到业务生产运营中。

4 抽水蓄能数字化智能电站架构

按照抽水蓄能数字化智能电站的设计思路，采取了基于“一标准、两体系、三中心、四中台、五平台”总体架构设计（如图3所示）。

图3 数字化智能电站整体架构Figure 3 Structure of pumped storage plant

“一标准”是指抽水蓄能数字化智能电站专用HIM数据标准。大规模海量的专业数据随着数字化智能电站建设应时而生，通过数据标准的建设，形成一套企业级的数据标准体系，将现有业务以及新建业务与数字化智能电站平台有机融合，推动抽水蓄能行业数字化转型升级。

“两体系”是指两个体系支撑。一是数字化智能电站技术体系包括国标、行标和企标，各级标准从规划设计、建设实施以及运营维护等阶段提出数字化和智能化的要求；二是数字化智能电站信息安全体系基于通用等级保护安全设计框架和现有网络安全基础架构，通过构建信息安全技术体系、信息安全管理体系、信息安全运营体系，实现具备一定技术先进性和成熟性的安全保障体系。

“三中心”是指抽水蓄能总部中心、区域中心以及电站中心，即建成的抽水蓄能数字化智能电站在应用、管理层面贯穿三个应用管理中心，从电站设计规划、管理运维的各关注维度实现三级应用。

“四中台”特指数据中台、技术中台、三维中台、业务中台，四中台共同组建抽水蓄能数字化智能电站中台层，相互之间统一通过数据中台对接，从而确保平台在数据资源、算法模型、算力资源、三维引擎、业务应用方面有效组合，对外提供统一标准的应用功能。

“五平台”是指建成的抽水蓄能数字化智能电站具备数字规划设计平台、智能建设管理平台、智慧生产运行平台、安全管控平台和综合管理平台。立足抽水蓄能电站建设的各方面进行智慧建造、智慧管控和智慧运维，实现全流程、全生命周期的协同管理。

以抽水蓄能数字化智能电站设计思路建立了中台业务服务前台应用，将中台进行细分可分为技术中台、数据中台、三维中台和业务中台，以实现前台敏捷开发、快速搭建应用。数据中台打通数据壁垒、业务中台包含前端可复用的服务能力、三维中台构建各种数据的展示支持VR/AR，技术中台提供可复用的核心算法支持。

技术中台以建设形成企业级共享技术服务中心，沉淀跨部门、跨专业等通用技术服务能力为目标，统一输出算法服务、物联网设备管控服务、GIS服务、BIM服务、统一权限服务、统一门户服务等通用技术服务能力，为业务中台、三维中台、数据中台提供灵活高效的技术支撑服务。

数据中台除了拥有传统数据平台的统计分析和决策支持功能外，还会更多聚焦于为前台一线交易类业务提供智能化的数据服务，支持企业流程智能化、运营智能化和商业模式创新，实现“业务数据化和数据业务化”。

三维中台集成了GIS引擎、BIM引擎、可视化引擎对各种数据展示和应用进行支撑，在规划设计阶段和建设施工阶段，主要通过GIS+BIM双引擎结合，来实现对应用的支撑，在生产运营阶段主要通过可视化引擎对厂区、关键设备进行建模，结合数据中台的电站关键设备物联传感设备数据，对建设数字孪生电站提供支持服务。

业务中台将包装和整合服务资源，转化为便于前台使用的可复用、可共享的核心能力，实现后端业务资源到前台易用能力的转化，为前台应用直接调用，减少系统间的交互和团队间的协作成本。

5 抽水蓄能数字化智能电站业务应用

在设计规划阶段提供规划选址、数字报建、数字移交等应用。规划选址通过调用中台GIS分析组件和三维中台展示组件，结合水文数据用算法模拟分析选址点建立抽水蓄能电站位置优劣性，项目规划者可结合当地的人口、经济、环保等数据测算移民成本，环保成本为电站的规划选址提供科学依据；数字报建和数字移交通过中台提供的设计数据和三维中台展示组件对业务进行支撑（见图4）。

图4 抽水蓄能数字化智能电站中台与前台关系Figure 4 The relationship between data center station and front data

在建设阶段提供项目管理、智慧工地、智能施工等应用。项目管理通过中台微服务搭建，包括对进度、物资、质量、安全、供应商、财务、合同、移民安置等业务管理支持；智能施工则是利用大坝混凝土智能通水、混凝土智能温控、混凝土智能振捣、土石坝碾压质量监控、地下工程施工监测、智能机电安装等先进技术进行实现；智慧工地管理则是对工地设备、环境、物料、人员等结合传感设备实现对工地可视化管理。

运维服务阶段提供电站全息管理、智能值守、生产调度管理等应用。电站全息通过将电站模型导入以及关键设备进行建模，结合传感设备数据与控制系统，实现电站的虚拟数字空间，数字空间和实景空间可进行实时数据交互；智能值守通过工程设备管理技术和大数据分析技术实现对设备的无人监控、异常报警、生命周期预测；生产调度则是结合电价、发电机组运行情况、发电总量等通过算法制定合理的发电周期供生产。

上述应用都是利用中台的微服务快速进行搭建的应用，电站可根据本身阶段快速搭建自身应用。通过中台层的建立打通了数据孤岛的壁垒，如在运维阶段，会通过设计阶段数据成果和建设阶段的数据成果BIM数据，作为电站全息的数据来源，使得数据发挥更大价值。

6 抽水蓄能数字化智能电站的实践

分区域建设区域数据中心，建立区域到电站、总部连接区域的，三级联通的网络部署方式（如图5所示），支持多个电站接入的三级网络架构，为电站、区域中心、总部的数据交互、应用协同等各类资源和信息提供跨域基础支撑。各电站所需应用通过业务中台服务快速搭建组装，从而实现电站级业务应用。

图5 抽水蓄能数字化智能电站网络架构Figure 5 The network architecture of digital intelligent pumped storage plant

7 结语

本文针对抽水蓄能行业数字化现状问题，提出了“抽水蓄能数字化智能电站”建设理念，建立了一套抽水蓄能数字化智能电站建设的标准体系，并基于中台技术思想，对外提供统一技术与应用服务，可较大程度上避免电站系统建设重复投入。

抽水蓄能数字化智能电站打通了电站-区域-总部各级数据壁垒，有效解决工程建设全生命周期数据孤岛的问题，并在多个电站进行实践，对建立和推动行业标准有重要意义。