面向智慧化管理的数字孪生小水电工程建设技术研究

罗小林，隋 欣，张 爽，尹 婧

（中国水利水电科学研究院水电可持续发展研究中心，100038，北京）

为加快推进智慧水利建设，推动新阶段水利高质量发展，水利部印发了《关于大力推进智慧水利建设的指导意见》《智慧水利建设顶层设计》《“十四五”智慧水利建设规划》三个纲领性文件，明确以构建数字孪生流域为核心，加快构建具有预报、预警、预演、预案“四预”功能的智慧水利体系。

数字孪生小水电是小水电智慧化管理的核心和关键，对于推进小水电转型升级、绿色发展具有重要作用。引导基础条件较好的小水电站探索开展数字孪生试点，完善防洪调度、电力优化调度、安全应急管理、生态保障等应用功能，提升“四预”能力，被列入2024年全国农村水利水电工作要点。但是，目前数字孪生小水电建设行业标准缺失，有关数字孪生小水电内涵、特征、总体技术要求等研究不足。本文梳理了当前小水电智慧化管理需求，提出了数字孪生小水电内涵，搭建了数字孪生小水电工程建设技术框架，旨在为推动数字孪生小水电试点示范和行业智慧化管理与高质量发展提供技术支撑。

一、小水电基本情况与面临的新机遇

1.基本情况

小水电是水利基础设施的重要组成部分，是国际公认的清洁可再生能源。我国小水电资源十分丰富，技术可开发量约1.28亿kW，遍及全国1700多个县，居世界首位。截至2023年年底，全国共有小水电站约4.1万座，装机容量超过8100 万kW，占全国水电装机容量的19%；年发电量2300多亿kW·h，占全国水电发电量的17%，可替代8000万t标准煤，减少二氧化碳排放2.44亿t，减排效益巨大。

我国小水电具有点多面广、小而分散的特点，1000 kW 及以上的小水电站约1.3 万座，2000 年以前建成比例为48.8%，民营化程度超过80%，集约化、规范化、现代化水平低，且属地方事权，审批监管的主体责任基本在县及县以下政府，监管能力和手段薄弱（见图1）。

图1 全国小水电数量分布特征

2.新形势下面临的新机遇

随着水利水电进入科学快速发展新阶段，“双碳”战略为小水电绿色转型提供了内生动力，小水电迎来了新的发展机遇。一方面，小水电从粗放向集约发展转变，小水电各级管理部门、业主、地方行业协会对智慧化管理需求巨大。另一方面，云计算、大数据、人工智能技术快速发展为小水电行业提供了先进技术条件；卫星遥感、智能传感器、物联网等现代遥感和监测技术日趋成熟，为小水电在线监测提供了精准感知手段；理论建模、技术创新、软硬件升级整体推进，为小水电智能分析研判和科学高效决策提供了强大技术支撑。因此，在统筹推进高质量发展和实现碳达峰、碳中和目标的大背景下，小水电转型升级面临数字赋能和智慧化管理的新形势、新机遇、新挑战。

二、小水电智慧化管理需求

为破解当前集约化、规范化、现代化水平低的管理瓶颈，梳理了小水电智慧化管理需求，主要包括：

①加强小水电信息化应用体系建设，进一步更新完善小水电站基础信息等，拓展相关业务模块功能，夯实数据底板，优化算法模型，增强分析应用功能。

②健全完善全国小水电管理一张图，继续推动小水电和河流河道信息关联匹配，打造数字化小水电。

③完善小水电信息化管理，加强小水电信息化监管平台建设，推进数据共享和互联互通，强化监督检查、技术复核等在线行业监管应用。

④推进数字孪生小水电工程建设，通过先进的人机交互方式，实现以生态流量监管为目标，具备多种监测功能，可广泛应用于生态流量监测、预报及预警等服务场景；智慧调整水电站的运行方式，实现区域水量联调联控，充分发挥小水电综合效益；实现小水电站电子资产管理、数据分析挖掘及可视化管理。

此外，基于全数据信息模型构建起的数字水电站将直观地展示小水电站全貌，并能够通过可视化的手段对基础设施进行模拟和管理，提高能效指标和生产管控能力，实现小水电企业综合效益的全面提升。因此，数字孪生小水电将是行业管理部门和企业多方共赢的新模式。

三、数字孪生小水电工程建设技术框架

1.内涵与特征

数字孪生小水电是指构建能反映小水电这一物理对象真实特性的数字模型，通过数字模型分析小水电的物理实体，并在数字世界中的不同场景试错，避免在物理世界中做同样行为，降低运行风险和运行成本。为此，数字孪生小水电需要与小水电物理实体形成闭环，前者将决策实时反馈给小水电物理实体，使小水电运行和管理更加科学。

数字孪生小水电与普通小水电所采用的数学模型存在本质区别。数字孪生模型精确反映小水电站的物理结构、运行特性和环境影响，通过模拟应用操作情景和环境条件，实现自我优化和改进。因此，数字孪生小水电模型具有动态性，可与物理小水电共同自演化。此外，数字孪生技术需要持续改进。在实际应用中，通过收集和分析数据，优化数字孪生模型，并根据实际情况进行调整和升级，不断提升小水电站的运行效率和管理水平。

2.基本框架

数字孪生小水电系统是以小水电工程为物理单元、时空数据为底座、数学模型为核心、水利知识为驱动，对小水电工程全要素和建设运行全过程进行数字映射、智能模拟、前瞻预演，与物理小水电工程同步仿真运行、虚实交互、迭代优化，从而实现对物理小水电工程的实时监控、发现问题、优化调度等应用功能的新型基础设施。

数字孪生小水电系统基本框架包括数字孪生平台、信息化基础设施、主要业务应用、网络安全体系（见图2）。其中，数字孪生平台包括数据底板、模型库、知识库等；信息化基础设施包括感知网、信息网、云基础设施；主要业务应用覆盖综合调度、运维管理、安全应急管理、生态流量保障等不同应用场景；网络安全体系包括网络安全组织管理、安全技术、安全运营、监督检查以及数据安全等。

图2 数字孪生小水电系统基本框架

3.业务应用内容

（1）综合调度

综合调度主要包括水情监控与仿真、超前精准预报、洪水调度、防汛安全调度、优化调度等调度场景。主要开展不同气象条件孪生场景同步仿真，小水电工程洪水等超前精准预报和预测分析，电站安全度汛业务的智能预判、预警、可视化分析，对工程安全风险状况进行应急会商，智能分析评估各调度方案的经济性优劣，实现增发电量、安全度汛、保障供水、改善生态环境等调度目标。

（2）运维管理

运维管理主要包括生产运营信息管理、三维可视化监视与智能巡检、数字化运行检修指导、运维仿真培训系统等功能模块。主要完成小水电多维数据感知，通过远程数据采集与调控技术实现集约化运维管理；基于小水电设施设备劣化趋势分析与故障诊断模型，推动“预防修”“精准修”的动态检修运维模式；对水电站基本情况和重要点位定位及三维可视化展示，实施全局监控、可视化管理，建立数据驱动与三维模型的动态映射关系，实现仿真数据与动态模拟预警优化的三维可视化展示等。

（3）安全应急管理

安全应急管理主要包括故障诊断与模拟仿真、日常巡检管理制度信息化、“四遥”（遥测、遥信、遥控、遥调）安全管理集成。主要开展水轮机等大型机组、设备运行状态、故障诊断的数据化、模拟仿真制定日常巡检管理制度，完成制度信息化；通过“四遥”提高资源利用率，减少运维成本，提升安全管理的信息化水平，实现小水电安全管理手段的综合集成。

（4）生态流量保障

生态流量保障主要包括在已建各省级生态流量监管平台的基础上，应用大数据、水利专业模型等信息技术，实现生态流量确定、生态流量泄放、生态流量监管等业务功能。主要用于构建生态流量确定模型等各类可复用的功能模块，对生态流量泄放过程进行全面监测、模拟和优化，为水电站生态流量泄放设施监管提供数字化手段。

4.实践案例

数字孪生概念提出后受到各界广泛关注，在小水电领域也开展了探索实践。湖南省润海水电站构建了一个涵盖发电机组及大坝枢纽的三维虚拟平台，安装了设备运行状态数据自动采集系统，搭建物联网中台，并在可视化人机交互方面进行了初步探索。安徽省霍山县对县域内具备条件的小水电站进行集约化管理，建成视频总站、生态流量监管系统、流域安全监管系统、绿色小水电管理系统、电站集控管理系统、可视化展示等应用模块。江西省上饶市建成小水电集控系统平台，并在智能巡弋巡检、GIS 地图监视、水情水务监测、远地联控、大坝安全及闸门监控、厂区安全及工业电视、设备全生命周期管理等方面开展应用。广西壮族自治区格强水电站构建了三维可视化数字模型和交互系统等。

上述实践案例对小水电站的集约化、信息化和智能化改造，以及小水电统一管理、集中监控、安全生产、生态环保、发电效益提升等方面具有示范作用，对数字化技术的普及推广具有推动作用。但是，这些探索性实践本质上仍是传统小水电管理方式的延伸，未来亟待通过数据底板、模型库、知识库、孪生引擎创新，实现与小水电工程的同步仿真运行、虚实交互、迭代优化，将数字孪生从当前的小水电管理扩展至小水电工程。

四、展 望

数字孪生小水电有助于提升小水电站的运行效率和管理水平，将成为未来小水电行业发展的主要模式之一。针对加快推进数字孪生小水电提出如下建议：

1.建设行业标准

行业标准是指导和规范行业发展与管理的技术手段。数字孪生小水电工程建设是一项复杂的系统工程，亟须加强组织建设、顶层谋划、统筹协调、协同推进。由于数字孪生小水电建设工作处于起步阶段，还存在全国基础数据库缺失，数据底板数据服务能力不足，数据自动化采集设施不完善、高度依赖人工作业，电站设备设施运行情况同步模拟困难等难题亟待攻克。当前，加快出台数字孪生小水电建设技术导则，建立数据采集、交换与模型标准，规范数字孪生小水电应用和管理，明确技术标准、数据安全、隐私保护等方面的要求，为数字孪生技术在小水电智慧化管理中的推广应用提供规范和标准依据。

2.健全保障机制

践行两手发力，充分发挥政府和市场、中央和地方、金融资本和社会资本多方面作用。创新多元化投融资模式，利用各类金融工具，用足用好金融支持优惠政策，提高融资能力；支持和培育一批专业化市场主体，使其参与数字孪生小水电工程建设，形成行业合力。针对小水电特殊功能定位，积极推动建立小水电差异化电价运行机制，激发小水电业主应用推广智慧化管理技术的主动性和积极性。

3.加强科技支撑

数字孪生的本质是建模和仿真技术，核心内容是数字模型和物联网的结合。目前，数字孪生小水电实践集中于管理领域，未来亟须在对复杂小水电系统机理充分认识的前提下，利用人工智能技术对小水电系统建模，确保数字孪生模型更加接近真实系统，而这些核心技术在我国当前数字孪生领域较为缺乏。因此，亟须针对科技创新融合技术开展技术攻关，破解数字孪生小水电的技术瓶颈。

4.推进先行先试

建议加快推进具有良好数据支撑的小水电先行先试建设，充分用好专家库等技术资源，强化数字孪生小水电跟踪指导，加强交流和培训。打造一批典型数字孪生小水电，凝练形成一批可复制、可推广的建设模式和先进实用技术，提升小水电智慧化管理和决策支持水平。