智慧梯级水电站建设的探讨

胡 江 钟金华 杨新立

易县是全国水电农村电气化县，位于河北省中西部，地处太行山脉北端东麓，地域广阔，总面积2534 km2，地势西高东低，流域面积200 km2以上的河流有5 条，特别是西部山区落差大，水流急，形成了丰富的水能资源，全县水能资源理论蕴藏量为30.64 万kW，可开发量为23.3 万kW。目前，易县农村小水电运行电站共9 座，均分布于拒马河流域，易县水电站分布见图1。通过水电农村电气化建设形成了大电网覆盖下的相对独立的农村小水电输电网络。

图1 易县水电站分布

1.工程概况

1.1 水电站概况

易县农村小水电运行电站共9 座，总装机容量29860 kW，设计年发电量11552 万kW·h，水轮机25 台，见表1，有2座为坝后式，其余7 座为引水式电站。

表1 水电站参数

1.2 拒马河主要引蓄工程概况

拒马河发源于涞源县，由紫荆关镇玉山铺村流入易县，至南城司乡北辛庄村出境入涞水县，易县境内长44 km，境内流域面积43.8 万m2。拒马河属山区季节性河流，无堤防，河道沟宽谷深，易县境内主河道上建有橡胶坝4 座，分别为玉山铺漂流蓄水坝，以旅游为主；磐石水电站渠首橡胶坝，以发电为主；“五一”引水渠渠首橡胶坝和官座岭引水渠高庄橡胶坝，为跨流域引水工程，以引水为主兼顾发电。

1.2.1 “五一”引水渠

“五一”引水渠将拒马河水引入中易水上游的安格庄水库，引水渠长8.5 km，设计最大引水能力25 m3/s，总落差354 m，建有紫荆关梯级水电站5 座即一二级站、三级站、四级站、五级站、六级站，其中三级站、四级站和五级站建有拦水坝3 座，安格庄水库建有安格庄电厂。

1.2.2 官座岭引水渠

官座岭引水渠在五一引水渠下游19 km 处，引拒马河水至北易水支流的旺隆水库，渠长6.8 km，设计流量6 m3/s，建有官座岭水电站，旺隆水库建有望龙水电站。在建的西陵抽水蓄能电站在官座岭水电站下游，官座岭引水渠为其主要补水水源。具体参数见表2。

表2 拒马河橡胶坝参数

2.智慧梯级水电站建设需求

近几年来，连年干旱少雨，拒马河水量小，河道上旅游项目开发多，各水电站、橡胶坝的水位、水量监测设施设计水平低，使用年限较长，构造简单原始，精准度差。信息的采集依靠人工观测。信息传送方式为人工电话通讯，在汛期极端天气情况下，受通讯设施条件限制，可靠性、安全性无法保证，进而造成信息传送时效性较差，效率较低，水量预测预报信息不完善，科学决策支撑不够。两座跨流域引水工程的调度运用，造成主河道水流变化情况复杂，由于信息不对称，造成上下游各运行单位统一性、协调性较差，水电站发电量持续减少，直接影响经济收入。易县作为千年古县，旅游大县，全域旅游示范县，“五一”引水渠正常引水是易水湖（安格庄水库、4A 级景区）主要水源，官座岭引水渠是清西景区（5A 级景区）水系和县城北易水景观带的重要水源，还是国家重点工程西陵抽水蓄能电站的补充水源，上下游各水利工程的科学合理运营直接关系到县域旅游发展战略和经济发展。

拒马河流域的7 座水电站利用拒马河水发电，独立运营核算，运行方式、日常检修、发生事故无征兆、无预警，形成各运营单位互相干扰，特别是磐石电站，紫荆关四级、五级、六级站前池进水口是虹吸式，经常因上游来水不稳定破坏真空而空载运行，据估算每年直接损失达100 万元以上，经济损失巨大。2 座跨流域引水渠引水还影响另外2 座坝后式水电站的效益。

建设智慧梯级水电站系统，能够加强监测、强化预报、利用智慧水利系统来进行调度决策，对梯级水电站在水力资源综合利用、电能质量提高和负荷调节能力增强具有重要意义，对于各电站发电量的增加还有很大的挖掘潜力。“十四五”规划中水利部要求有条件的电站进行数字孪生改造，建立小水电站群集控中心，实现远程监控、实时调度和集约化管理。因此，建设智慧梯级水电站系统是十分必要的。

3.智慧梯级水电站建设思路和内容

3.1 建设思路及设计原则

易县拒马河流域的各运营单位进行自动化改造及建设，汇总各种数据，通过数字孪生模块计算，远程预告、控制各运营单位的运行工况实现智慧运行。分别改造6 座水电站计算机自动控制系统及建设3 座河道橡胶坝自动化系统，完善各水电站前池进水闸门、泄水闸门、前池水位、尾水水位、厂区视频、前池进水量、拦河坝上橡胶坝、闸门、水位、水资源流量的监测及控制。建设河道橡胶坝综合自动化控制系统，达到远程监控、数据共享、图像远传浏览、智能设备控制的水平。并在易县水电管理处建设电站集控中心，将水电站计算机自动控制系统各种数据信息和视频图像上传至流域集控中心，实现各运营单位的自动化现地控制和调度远程控制。遵循以下设计原则。

一是系统总体框架采用分层、分布、模块式体系结构，各层之间通过以太网或现场总线进行信息传输和资源共享，以便于软硬件的维护、扩展和升级。系统平台、软件技术和硬件产品都采用行业内的成熟产品和技术，立足先进技术，采用主流技术，使系统具有较高的可靠性和较长的生命周期。

二是运行值班方式按“无人值班”（少人值守）的原则设计，按照无人值班的原则预留接口和平台。监控方式采用以计算机监控系统为基础的全站区域集控方案，设置统一的全站计算机监控系统。

三是系统设计界面清晰、操作简便，易于掌握。为了保证数据的准确性及系统运行的安全性，软件开发过程中要充分考虑到容错和纠错机制，提供冗余能力和逻辑检查能力。系统具有冗余容错设计，不会因局部的故障而引起系统误操作或降低系统性能。

四是系统实时性好，抗干扰能力强，适应电站的现场环境。充分考虑到以后的扩展，遵循开放性和可扩展性原则。软硬件的配置采用开放式结构，并在系统资源方面增加适当的冗余，以便今后新建项目时，实现可靠的无缝对接。

3.2 主要建设内容

集控中心建设内容包括自动化集控系统、视频集控系统、LED 大屏显示系统3 个子系统。

3.2.1 自动化集控系统

对各运营单位自动化改造及建设6 座电站自动化集控系统，实现各运营单位的集中监视、集中控制、集中管理、统一调度、提前预警预报，最大程度地实现资源优化和水资源有效利用。电站集控系统配置操作员工作站、服务器、核心交换机、卫星时钟、UPS 电源、集控软件等软硬件设备。

3.2.2 视频集控系统

视频集控系统部署视频监控工作站、视频服务器、视频综合管理平台、视频核心交换机等软硬件设备，用于各运营单位视频监控的接入、管理，对视频监控资源进行整合和集中管理，实现各水电站及橡胶坝运行动态视频信息实时可见、互通共享。为统一调度提供基础信息和依据。

3.2.3 LED 大屏显示系统

集控中心建设安装1 套LED 大屏显示系统，组成一个高分辨率的数字显示系统，用于显示电站集控系统画面和视频监控系统画面。

4.智慧梯级水电站效益

一是提高发电量，增加发电效益。通过上下游水位、流量等监测，结合物联网通信技术，结合水轮机发电机组自动装置，依据水位、流量自动开停机及自动调节负荷，增加发电效益，每年可减少损失100 万元以上。

二是少（无）人值守，减少人员成本。结合物联网和移动互联技术，通过手机端APP 界面或集控中心工作站，实现远程开停机、负荷调节、状态监控、视频监控、机组噪声监控等，实现少（无）人值守。“远程”中控室，减少投资，综合控制集成，可以取消现地监控工作站，将监控工作站移到手机端APP，通过远程终端中控，实现水电站减员增效。

三是在枯水期几座橡胶坝和拦水坝互相调度可达到日调节调峰运行，如实行峰谷电价预计可增收35 万元。

四是雨洪预报测报，实现水电站上游水位预知，减少弃水。通过水文气象、结合集雨面积、来水等数据，通过雨洪预报预警模型实现流域洪水流量过程预报和水位过程预报，通过数字孪生推演提前调控增加发电量。

5.结语

综上所述，建设智慧梯级水电站效益显著，建设智慧梯级水电站系统，构建高效节能、绿色环保、环境舒适的人性化水电站是可行的。但也存在一些问题：县域内各水电站及橡胶坝功能和调度各不一样，为了实现多个水电站的集中运行、管理和监控，接入平台中心，统一调度、运行、标准化管理、监控，实现规模效益，还需多方协调配合；为了实现平台运行管理一体化，需提供安全生产标准化运行管理模块，实现智能安全巡检、报警、事故处理流程化、台账管理标准化、智能办公一体化等，平台的日常运营维护、通信费用需进一步协调等等。