智慧水电厂概述

王艺瑶，陈铁华，穆小红

(1.长春工程学院能源动力工程学院，长春 130012； 2.河北丰宁抽水蓄能有限公司，河北 丰宁 068350)

0 引言

随着大数据、互联网+及AR/VR等技术在各个领域不断发展和应用，以及电力体制改革大力实施的背景下，智慧电厂的建设已成为水电厂现代化进程中不可缺少的一环。

国家“十四五规划”中明确指出要加快数字化发展，建设数字中国，要符合未来水电厂发展的管理和要求，传统水电厂必然将转型为智慧化水电厂[1]。相较传统水电厂，智慧水电厂不仅是针对二次系统的数字化和计算机监控系统的升级，也是对水电站机械设备、电气设备的全新升级，引入各种全新设备、新的技术和新的思路并推广应用，水电厂智慧化将会成为未来水电行业主要的研究和发展方向[2]。

1 智慧水电厂总体内容

虽然智慧水电厂的概念提出已久，各大高校、科研机构和电力企业也早已开始对智慧水电厂的建设提出构想，但是各界对智慧水电厂的定义及建设标准还没有达成共识。本文仅从生产、控制、管理、经营4个方面对智慧水电厂进行描述，并对智慧水电厂的涵义和总体架构进行介绍。

1.1 智慧水电厂的涵义

基于工业互联网平台，通过信息化、一体化、互联化技术手段，实现电厂、人员、设备及生产资料的高度结合，使信息资源集中共享、统一调度，并进行智慧管理；通过全新的监测技术、信号传输手段，实现电厂的全方位感知和智能视频监控；通过现代化企业管理系统，实现对经营数据的智能化实时动态分析对比，挖掘数据财富，解决数据孤岛。综合运用大数据、人工智能、物联网等智能化技术手段，最终实现水电厂全生命周期的智慧管理。

智慧水电厂架构如图1所示，包括4个层面：智慧生产、智慧控制、智慧管理和智慧经营。其中智慧生产由3个部分组成，分别是由智能检测、故障预警和风险预控构成的设备监测，基于机器人、高清视频、移动终端和人工巡检联合方式的运行维护检修及设备退役。智慧控制由两个部分组成，分别是智能感知和全息可视，指的是通过多场景巡检机器人和重大设备全景监控实现对现场的智能感知，通过数字孪生技术实现全息可视。智慧管理由3个部分组成，分别是通过安全生产保障、执行、监督体系实现的安全生产管理，对人员管理实施电子两票三制，通过设备管理、资料库、生命周期和设备主人实现对图文档管理。智慧经营是指通过ERP(Enterprise Resource Planning)系统实现财务经营智慧化及通过经营指标报表实现对生产运行的全信息统计。

1.2 智慧水电厂总体架构

1.2.1 智慧生产

水电厂智慧生产结构如图2所示，包括设备监测、运行维护检修及设备退役。以设备为主体，定期综合评价设备的健康运行状态，基于分析结果提出机组或设备的优化运行方式、运维检修策略等，使各设备运行在最佳工况。

图1 智慧水电厂架构图

图2 智慧生产架构图

1.2.1.1 设备监测

包括智能检测、故障预警和风险预控。

智能检测是通过各种智能传感器，对水电机组运行时的数据进行实时监测，自动分析对比，建立数据库和评价体系，实现机组运行过程中数据的可视化与监测过程的智能化。

故障预警是利用实时数据，结合智能检测结果和专家库，对机组运行状态进行评价，实时掌握机组的健康状况，并与其他系统信息共享，形成较完善的设备健康评价体系，为状态检修提供信息依据。

风险预控是对业务活动进行分类，对风险进行评估，划分等级，制订控制措施后，从移动终端发布风险信息。针对将出现的风险提前做好工作安排和部署，在遇到风险时可以有效地避免或使其影响最小化，以保障水电厂的安全稳定运行。

1.2.1.2 运行维护检修

基于机器人、高清视频、移动终端、人工巡检联合的方式，将三维可视化、人工智能、移动应用、定位导航等技术应用于电站设备设施巡检，实现自主导航、自动记录、智能识别、远程诊断等功能。以提升效率为目标，真正实现智能无人巡检体系。

1.2.1.3 设备退役

将设备入厂投产时间录入到系统中，利用专家资料库和数据挖掘分析技术对设备使用年限进行分析，在即将到达使用寿命时进行预警，实现设备的智能退役。

1.2.2 智慧控制

包括智能感知和全息可视。利用智能设备和数字孪生技术提高水电厂在线监测和全面感知的水平。除了常规的状态监控外，引进全新的监测技术、信号传输手段，尽量减少监控盲点，扩大监测范围。

1.2.2.1 智能感知

利用多场景巡检机器人和重大设备全景监控，进行全天的信息采集，通过人工智能对监测内容进行分析，识别出差异数据和异常视频信息，使运行监控更加精准，机组运行更加安全可靠。

1.2.2.2 全息可视

通过数字孪生技术，构建全厂的三维仿真模型，展示整个电厂的物理分布情况及设施运行状态。实现全厂可视化导航与漫游、可视设备拆解与组装以及工艺流程的仿真和设备原理培训等功能[3]。

1.2.3 智慧管理

水电厂智慧管理结构如图3所示，包括安全生产管理、人员管理和图文档管理。通过构建一体化管控平台，实现水电厂安全生产管理、外来人员管理和图文档管理等各类系统信息资源的集中共享、统一调度与智慧管理。

图3 智慧管理架构图

1.2.3.1 安全生产管理

包括安全生产保障体系、安全生产执行体系和安全生产监督体系。

安全生产保障体系：通过安全教育系统对工作人员进行系统性的安全教育培训及考核。通过智能识别等技术，让工作人员接到工作任务后，自动关联到作业区域，该区域自动启动人员定位功能，实现安全生产的全面保障。

安全生产执行体系：通过安全管理平台实现智能操作、智能工作、设备的智能巡检、智能安全工器具、标准化作业系统和交接班管理系统的信息互通，从而提高水电厂的生产安全，防止事故发生。

安全生产监督体系：通过抽取水电厂视频监测系统和机器人巡检数据，结合电厂的历史运行数据，利用机器学习算法构建基于智能视觉的电厂安全监督体系，对电厂设备状态、人员行为、生产安全进行全方位的智能化监测，使电厂安全稳定运行。

1.2.3.2 人员管理

将“两票三制”智能化，与门禁、人员定位、三维可视化、电子围栏、智能监控进行联动，保障现场人员全过程作业安全，实现交接班、巡回检查、设备定期轮换到期智能预警，确保无间断监控机组运行。

1.2.3.3 电子图文档管理

包括设备管理、资料库、设备生命周期管理、设备主人。将云平台、大数据、三维仿真、二维码等现代化计算机技术应用于电厂图纸、资料管理及设备管理，实现图文档资料管理的数字化、智能化、信息化。

设备管理通过在设备上粘贴二维码标识牌，用手机扫描二维码，即可获得该设备的自然信息、运行信息、维护信息等，方便现场人员了解设备状态，提高设备运行管理水平和效率。

资料库是将全厂设备的技术规范、部件清单、检修记录、质量标准、各专业的图纸及技术资料全部信息化，使工作记录和查询方式方便快捷。

设备生命周期管理包括对设备状态和维修记录的管理。实现对电厂水轮发电机组主辅系统包括的全部组成零部件的安装时间、库存数据、更换周期、使用寿命及主要参数进行的全生命周期管理。

设备主人功能通过移动端APP实现，提醒相应的“设备主人”按年度“设备检验计划时间表”要求及时进行相应的检测工作，并将检测结果通过系统进行上报。

1.2.4 智慧经营

包括财务经营、生产运行。在信息化产业的时代背景下，ERP作为一种现代化企业管理系统，逐渐被水电厂采纳应用。通过ERP系统对数据进行全方面的查询及比较分析，为水电厂智慧经营智能化提供了一种新的思想和方法，提高了水电厂的信息化水平、工作效率和市场竞争力。

1)财务经营是指通过ERP系统来实现财务核算、项目管理、物资采购、合同全周期管理的智能化，开展实时动态的分析，能够读取全业务的中心数据，支持大数据分析，多维直观地展示数据分析结果。

2)生产运行通过经营指标报表实现生产的全信息统计。将在系统中获取的经营数据、生产的实时统计数据、运行中手工抄录的数据等多个数据点集成在一个平台上，实现多个系统之间的数据集成及报表的自动分析。

2 关键技术

智慧水电厂的实现需要相关技术手段作为支撑，大数据、互联网及智能技术等的快速发展促进了水电技术的革新。实现智慧水电厂的关键技术概括来讲包括数据处理、机器人技术、数字孪生技术、识别技术、三维可视化技术等。

2.1 数据处理

基于统一标准建立水电厂数据接入模型，采用标准的通用接口实现对不同种类型数据的获取，汇集生产信息系统的所有数据。利用动态镜像传输技术，建立高效数据传输路径，实现跨大区数据传输，实时进行历史数据传输，断点续传。建立数据中心，为所有应用提供数据访问接口，为节省存储空间，数据采用分级压缩。通过开发计算机组态工具进行准确、有效的计算，剔除部分异常数据，然后将数据进行多次归类并计算出特征值，完成数据计算。根据水电站特征性进行运行分析、技术分析、综合分析，设计针对水电站的数据分析算法。所有应用模块均进行组态化设计，包括数据整编、报表、监视画面、报警预案、设备联动、趋势分析等。

2.2 机器人技术

巡检机器人利用激光雷达，实现机器人的自动导航巡检。采用先进的激光导航和视觉识别，使机器人的定位系统更加精准。对厂内导航部署实施无轨化操作，搭载云平台实现可见光和红外相机全方位无死角的视频拍摄，配备手动遥控器，可以控制机器人和云平台的运动。通过红外热诊断技术，准确分析各类设备温度是否异常与各类电流致热性的故障，实时监控各类设备的温度情况。安装声音采集器采集设备的运转声音，机器人通过自主学习和智能学习，不断完善设备异常音频库内容，发现异常可及时通知管理人员。

2.3 数字孪生

数字孪生实际上就是要达到虚实对应，构建电厂实景三维模型云平台，建立电厂完整的室内外实景模型，通过数据建模，利用知识图谱，把各种信息整合成策略，推送到生产过程中，实现生产高效智能化的管控，为电厂多个场景应用提供支持。

2.4 识别技术

人脸识别系统通过安装抓拍设备，将拍摄到的信息以光纤传输的方式传至上端服务器，通过视频结构化分析，提取人员的外形、衣服特征，发现异样信息则发出预警提示。可实现进出厂区人数的记录，为相关人员查找监测提供图像信息。

图像识别技术可以识别场景并进行分类，不同的识别场景有不同类型的设备。按照所需要的场景可分为中控室、开关室、发电机层、水轮机层、库区、尾水、闸门控制室等。对场景进行分类，可以更好地定位巡检范围。图像识别技术也可以对所识别的对象进行分类，不同的识别对象对应着不同的识别算法。按照所需识别的对象可分为指示灯、保护连片、开关把手、按钮、压力表、油位计、油水气阀门等。

二维码识别技术是基于系统、子系统、设备、部件、零配件多级的设备自身编码和扩展编码的结合，既确保了系统设备编码的唯一性，又通过扩展编码来满足与外部系统的兼容性。通过唯一的设备编码将设备资料有效整合，通过扫描二维码可以完成各自的项目访问。

2.5 三维可视化技术

构建电厂实景三维模型云平台，应用无人机倾斜摄影和即时定位与地图构建技术建立完整的厂区内外实景模型，还原电厂厂房、设备结构，实现在云平台上将电厂场景还原、三维设备拆解等功能。开发实景三维服务平台，展现水电厂各区域的基本建设、设备运行情况以及相关注意事项，为电厂多个应用场景提供支持。模拟水电厂人员的工作状态，再现水电厂运行过程中的场景，结合数据传输技术，在三维场景中实时显示关键设备的主要参数，以设备为基础构建主要生产系统集合，分层显示，建立从系统到设备、部件的三维可视化系统。

3 结语

电力发展步入新常态，智慧水电厂也随之提上日程，得到电力企业的重视。本文对智慧水电厂从智慧生产、智慧控制、智慧管理和智慧经营4个方面做出了综合性的概述，引入智能设备、前沿技术与新的理念作为支撑与保障，结合一体化管控平台，打造水电厂设备智能化、信息共享化、监控多维化、管理统一化、数据分析实时化的全生命周期智慧化管理模式，能更好地适应电力生产的发展需要，以推动智慧水电厂的快速发展。