淺談近代智能化技術(shù)在水電工程中的應(yīng)用

羅 浩 ， 王 文 超 ， 李 佳 棟， 劉 敏 琦

(雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610051)

1 概 述

水電是構(gòu)成我國現(xiàn)代能源體系的重要組成部分,在我國市場經(jīng)濟(jì)的發(fā)展中一直占有重要地位。大型水電站的技術(shù)進(jìn)步有利于我國經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展。近年來,國家環(huán)保的政策逐步收緊,能源危機(jī)與環(huán)境資源保護(hù)的形勢緊迫,對我國水電行業(yè)的發(fā)展與生存帶來了前所未有的挑戰(zhàn)與機(jī)遇。雖然自深化改革開放以來,我國部分大型水電站的技術(shù)革新相對及時(shí),但這只是較少部分,較多的大型水電站仍然由于資源或資金的嚴(yán)重限制一直在堅(jiān)持使用原始的設(shè)備和管理模式。因此，如何有效提高我國大型水電站的智能化管理水平一直是水電行業(yè)內(nèi)研究的重要課題。

2003年,在電力領(lǐng)域,美國和日本以及歐洲先后兩次提出“智能電網(wǎng)”的概念,但目前電力相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的研究主要側(cè)重于輸電、送電和用電等環(huán)節(jié), 對于電力的原始起點(diǎn)--電站的研究投入還相對較少[1]。雖然智能水電站還沒有準(zhǔn)確的定義,但目前智能水電站的發(fā)展方向已經(jīng)明確并得到了電力行業(yè)內(nèi)的廣泛認(rèn)可,智能化水電站主要指的是進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、智能化的電力生產(chǎn)和運(yùn)營管理。目前，智能化硬件設(shè)備是未來智能水電站的構(gòu)建基礎(chǔ),要求采用集成、可靠、環(huán)保的智能化硬件設(shè)備,通過先進(jìn)的計(jì)算機(jī)通信技術(shù)構(gòu)建智能化網(wǎng)絡(luò)體系,實(shí)時(shí)監(jiān)測和掌握電力生產(chǎn)過程中設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài),并通過網(wǎng)絡(luò)大數(shù)據(jù)對設(shè)備狀態(tài)和工作環(huán)境進(jìn)行評估,從而自動確定和調(diào)節(jié)設(shè)備的正常運(yùn)行參數(shù)。這些都主要是建立在智能化應(yīng)用程度較高的軟、硬件的基礎(chǔ)之上。智能水電站的智能化體系建設(shè)仍然存在諸多困難,復(fù)雜的智能化設(shè)備、各類信號的干擾和覆蓋等都會帶來各種挑戰(zhàn)。

目前，國內(nèi)水電站的智能化建設(shè)仍然任重道遠(yuǎn)，具體還存在以下實(shí)際困難：(1)技術(shù)難度大。如某些流域梯級電站無人值守，完全智能化的問題仍未解決，整個(gè)流域的信息化管理迫切需要完善，且相對于流域中較偏遠(yuǎn)的部分梯級電站、區(qū)域電站設(shè)備還不具有智能化的基礎(chǔ)條件。(2)時(shí)間的局限性。在水電站建設(shè)這一領(lǐng)域，計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、工業(yè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)、自動消防系統(tǒng)等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)已趨于完善，但智能電站的建設(shè)并非一蹴而就，部分水電站相對于設(shè)備的信息化管理與運(yùn)行改善較少，還有很大提升空間。(3)智能電站的建設(shè)意識相對薄弱。水電站管理人員對智能水電站的知識儲備不足，對于先進(jìn)的技術(shù)了解不充分。

2 “互聯(lián)網(wǎng)+”在水電領(lǐng)域的應(yīng)用

“互聯(lián)網(wǎng)+”旨在通過強(qiáng)大的互聯(lián)網(wǎng)信息平臺有效促進(jìn)中國傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)資源的有效優(yōu)化和合理配置,促進(jìn)中國互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟(jì)的全面健康發(fā)展。我們所謂的“互聯(lián)網(wǎng)+”實(shí)際上是指近幾年中國逐步發(fā)展起來的新興技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)。將云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)理念引入到水電站信息化建設(shè)中,通過建設(shè)基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的水電管理信息服務(wù)系統(tǒng)[1],幫助全國各級水電站管理部門實(shí)現(xiàn)對水電站遠(yuǎn)程集中監(jiān)管,提升電站信息技術(shù)管理水平,合理地優(yōu)化資源配置,實(shí)現(xiàn)效益的最大化。

2.1 大數(shù)據(jù)下的水電信息管理

隨著第四次工業(yè)革命的到來，互聯(lián)網(wǎng)、人工智能技術(shù)逐漸應(yīng)用在各行各業(yè)。顯然，傳統(tǒng)的水電站信息管理方法已經(jīng)無法滿足快速發(fā)展的生產(chǎn)需求。而水電站信息管理對于提高生產(chǎn)效率、降低事故發(fā)生率具有重要意義?；诖髷?shù)據(jù)的云計(jì)算等技術(shù)具有運(yùn)算速度快、準(zhǔn)確率高等優(yōu)勢，所以，基于大數(shù)據(jù)的水電站信息管理系統(tǒng)對水電發(fā)展有重大意義[2]。

通過將各機(jī)電設(shè)備反饋的數(shù)據(jù)與電站生產(chǎn)管理的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)合，分析出各設(shè)備的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)及故障隱患，便于故障的及時(shí)排除。同時(shí)，又省去了全面排查設(shè)備的繁重工作，提高電站人員的工作效率。基于大數(shù)據(jù)的水電信息管理系統(tǒng)并不局限于一個(gè)電站內(nèi)，通過網(wǎng)絡(luò)信息傳遞可以對多個(gè)電站組網(wǎng)，共享設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量越大，云計(jì)算的結(jié)果可信度就更高。同時(shí)，還可以將流域內(nèi)的氣象資料接入系統(tǒng)，對于抗旱防洪也具有重要參考價(jià)值，具體的系統(tǒng)功能模塊見圖1。

圖1 系統(tǒng)功能模塊圖

基于大數(shù)據(jù)的水電站管理信息系統(tǒng)搭建后，在整個(gè)流域梯級水電站信息化建設(shè)方面具有很大優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在以下方面：

(1)方便管理。在大數(shù)據(jù)下，整個(gè)流域信息管理結(jié)構(gòu)較為統(tǒng)一，能夠?qū)崿F(xiàn)梯級水電站的統(tǒng)一調(diào)度。

(2)建設(shè)周期短。通過水電站管理服務(wù)云平臺就可以定制所需的大部分功能，借鑒流域中已經(jīng)建成的電站，再根據(jù)電站信息化建設(shè)的實(shí)際情況對基礎(chǔ)設(shè)施和數(shù)據(jù)系統(tǒng)進(jìn)行配置，不必再按照傳統(tǒng)信息化建設(shè)歷程，從前期的需求調(diào)研、分析設(shè)計(jì)到系統(tǒng)開發(fā)、測試、部署、調(diào)試安裝等全過程投入。因此，在信息化建設(shè)初期減少了電站投入的人力成本和時(shí)間成本。

(3)優(yōu)勢明顯?；诖髷?shù)據(jù)下的水電信息化建設(shè)相比傳統(tǒng)水電數(shù)據(jù)采集運(yùn)用優(yōu)點(diǎn)更為顯著，通過對各類數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性研究分析，精密計(jì)算，在日積月累中又不斷創(chuàng)建新的數(shù)據(jù)，逐漸形成電站自有的大數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體系。

目前，基于大數(shù)據(jù)的水電站管理信息系統(tǒng)建設(shè)項(xiàng)目實(shí)施在前期可能還是會遇到一些困難,如可以綜合利用的實(shí)際水電資源數(shù)據(jù)太少,而且又無法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的信息化管理，系統(tǒng)建設(shè)中需要人機(jī)交互的環(huán)節(jié)和場景還很多。但隨著系統(tǒng)的持續(xù)開發(fā)，數(shù)據(jù)的不斷挖掘和積累，人工智能AI技術(shù)的引入和成熟，大數(shù)據(jù)技術(shù)的不斷進(jìn)步，這些問題在后期能被解決?；诖髷?shù)據(jù)的水電站管理信息系統(tǒng)具有很廣泛的市場前景，不僅能解決單個(gè)電站信息化建設(shè)需求，同時(shí)，還可以通過長期積累的資源管理數(shù)據(jù)和項(xiàng)目建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，為整個(gè)流域提供更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。

2.2 智能化水電站監(jiān)控系統(tǒng)

近年來，大數(shù)據(jù)的計(jì)算與分析技術(shù)迅速發(fā)展，將其廣泛運(yùn)用于智能水電站的工程建設(shè)是后續(xù)水電行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。智能化水電站的一大特點(diǎn)是智能化監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，這就決定了需要對水電站設(shè)備各種日常運(yùn)行參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析和評估。如完整的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，可以對現(xiàn)地的各類傳感元件進(jìn)行實(shí)時(shí)地?cái)?shù)據(jù)采集，并擁有報(bào)表生成能力，能自動生成運(yùn)行人員所需的各類數(shù)據(jù)分析報(bào)表，如生產(chǎn)報(bào)表，機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)(振動、擺度等)分析報(bào)表，噪音數(shù)據(jù)分析報(bào)表等功能，并根據(jù)報(bào)表分析出當(dāng)前設(shè)備的運(yùn)行工況，讓機(jī)組運(yùn)行在最優(yōu)工況之下。

計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)按照分層分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(圖2為某水電站網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D)，完全開放式設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)大量的設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)采集，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對水電站全方位的集中監(jiān)視與控制。完善的智能分析系統(tǒng)，對當(dāng)前水電站可能出現(xiàn)的常見故障進(jìn)行智能分析并做出決策，無需運(yùn)行管理人員的干預(yù)，對一些嚴(yán)重故障也能進(jìn)行智能分析，并結(jié)合當(dāng)前設(shè)備故障狀況列出及時(shí)的處置方案，做出最優(yōu)決策，在真正意義上實(shí)現(xiàn)“無人值守”的模式，讓水電站自動管理、運(yùn)行，這也將是未來智能化監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)重要趨勢。

3 水電站電氣智能化技術(shù)

3.1 水電設(shè)備的自動化升級

水電站的日常設(shè)備管理與監(jiān)控是一項(xiàng)繁雜的任務(wù)。設(shè)備的自動化程度提高和智能化數(shù)據(jù)采集與分析會大幅度減少偏遠(yuǎn)地區(qū)水電站工作人員的負(fù)擔(dān)，同時(shí)，還能減少人為失誤所引起的損失。

圖2 某水電站監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

水電設(shè)備的自動化升級主要體現(xiàn)在水電設(shè)備的互通互聯(lián)性和可拓展性。當(dāng)水電站運(yùn)行出現(xiàn)故障時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)自動報(bào)警，并聯(lián)動電廠的相關(guān)設(shè)備進(jìn)行及時(shí)處置，讓電站的損失降到最小。目前，水電站的運(yùn)行現(xiàn)狀還是根據(jù)對現(xiàn)地水電設(shè)備的運(yùn)行工況進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集，通過模擬量或開關(guān)量傳輸至上位機(jī)，局限于簡單的分析或邏輯運(yùn)算。因此，如何讓水電設(shè)備做到真正意義上的智能還有待研究。

3.2 智能水電設(shè)備的互聯(lián)

早期的水電站智能化設(shè)備具有成本高、體積大和質(zhì)量差等缺點(diǎn)，因此，未能在國內(nèi)得到廣泛的實(shí)際應(yīng)用，只能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲和人機(jī)展示等初級的功能，無法對水電站的數(shù)據(jù)進(jìn)行全面的收集和分析，以及對相關(guān)智能化設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。而現(xiàn)在隨著技術(shù)的革新速度加快，水電站引入智能化設(shè)備已經(jīng)是大勢所趨，通過水電站自動化設(shè)備的互通互聯(lián)[3]，不僅在很大程度上提高自動化水平，逐步減少水電站的人力投入，對于風(fēng)險(xiǎn)管控和故障診斷也同樣具有較大的意義和優(yōu)勢。

設(shè)備發(fā)生報(bào)警或故障時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)備報(bào)警或故障提示信息，迅速準(zhǔn)確定位該報(bào)警或故障的位置和顯示可能引起該設(shè)備報(bào)警或故障的主要原因的信息，并提供相關(guān)檢查與處置建議，運(yùn)行管理人員可直接根據(jù)提示信息快速查找并及時(shí)正確處置報(bào)警和故障。根據(jù)數(shù)據(jù)庫中的海量信息，計(jì)算機(jī)可以快速地分析和判斷出可能導(dǎo)致該故障的原因，檢修人員可以根據(jù)計(jì)算機(jī)的提示進(jìn)行針對性的檢修。并且，故障發(fā)生的形式和解決的辦法都會記錄在計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)庫中，隨著數(shù)據(jù)庫逐漸豐富，計(jì)算機(jī)的可靠性和決策正確率也同樣會隨之提高。在之后的設(shè)備運(yùn)行中，可以達(dá)到提前發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常工況并將其消滅在“萌芽狀態(tài)”的目的。

4 水電站智能化改造整體方案

4.1 智能化改造現(xiàn)狀及要點(diǎn)

國內(nèi)一些大型的水電站已經(jīng)初步開展了智能化系統(tǒng)改造的實(shí)施工作，雖然在設(shè)計(jì)和實(shí)施的過程中遇到了一些技術(shù)上的問題，但在實(shí)踐中總結(jié)了不少經(jīng)驗(yàn)。每個(gè)水電站在改造過程中都是從自身實(shí)際情況出發(fā)制定改造方案，所以，根據(jù)地域等因素的實(shí)際需求差異，每個(gè)改造案例的設(shè)計(jì)側(cè)重點(diǎn)不同，但是總體思路是類似的，即在保留水電站原有的功能基礎(chǔ)上重新建設(shè)一套智能化管理體系。

水電站智能化改造和建設(shè)的主要著力點(diǎn)在于提升水電站安全穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的水平、提高水電機(jī)組的可監(jiān)控水平、實(shí)現(xiàn)水電機(jī)組接入電網(wǎng)的安全化、標(biāo)準(zhǔn)化、智能化這三個(gè)方向。智能化水電站相對與傳統(tǒng)的水電站優(yōu)勢主要體現(xiàn)在信息化、自動化、智能化的大幅提高，運(yùn)用大數(shù)據(jù)和互聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢對數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、快速的分析，從而得到科學(xué)的結(jié)論，來有效地調(diào)整和改善水電站設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。而安全性是水電站運(yùn)行和管理的重中之重，水電站設(shè)備龐大且繁雜，各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模式千差萬別，各設(shè)備之間有相互關(guān)聯(lián)，所以，在搭建系統(tǒng)的時(shí)候應(yīng)該通盤考慮，對象化描述數(shù)據(jù)，同時(shí)，簡化數(shù)據(jù)的管理和維護(hù)，完善異種系統(tǒng)與設(shè)備之間的通訊和關(guān)聯(lián)。

智能水電站系統(tǒng)還應(yīng)具備完善的電站運(yùn)行預(yù)測功能，要較好地與氣象、水文、安防等各機(jī)構(gòu)對接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，通過氣候、地質(zhì)等預(yù)測實(shí)現(xiàn)對庫容和流量的評估，大幅度提高水電站的發(fā)電效率和防洪減災(zāi)功能[4]。

4.2 智能化改造過程

水電站智能化改造主要實(shí)施過程涉及三個(gè)部分，即計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、機(jī)組狀態(tài)檢修、梯級水電站群的安全維護(hù)和運(yùn)行。整個(gè)實(shí)施過程應(yīng)該作為一個(gè)整體進(jìn)行規(guī)劃布局，分階段完成，逐步推進(jìn)。具體可以從以下幾方面著手：首先，監(jiān)控系統(tǒng)管理平臺的升級更新，使用具備智能監(jiān)控功能的綜合管理平臺取代傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)，讓監(jiān)控系統(tǒng)也成為管理系統(tǒng)。其次，根據(jù)實(shí)際需求，對輔助設(shè)備進(jìn)行升級和改造，運(yùn)用現(xiàn)場總線[5]取代硬接線連接，提高機(jī)電系統(tǒng)的智能性和可控性。同時(shí)，增強(qiáng)機(jī)電設(shè)備數(shù)據(jù)的采集能力、處理能力。最后，在具備智能化設(shè)備的基礎(chǔ)前提下，逐步對自動化元器件和測控設(shè)備進(jìn)行改造，從而進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備的智能化。

5 結(jié) 語

信息技術(shù)的進(jìn)步和飛速發(fā)展給新時(shí)期水電站設(shè)備的運(yùn)維和管理帶來了巨大的變革，也為新電站關(guān)鍵業(yè)務(wù)設(shè)計(jì)增加了更多更好的解決方案，水電站智能化建設(shè)是行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。電站關(guān)鍵業(yè)務(wù)在設(shè)計(jì)中應(yīng)本著硬件統(tǒng)籌規(guī)劃、軟件兼容設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)高效利用的原則，在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)用新技術(shù)、新方法。隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展及其在現(xiàn)代水電站建設(shè)中的深入推廣應(yīng)用，如何根據(jù)各水電站的特點(diǎn)和實(shí)際情況制定智能化改造方案仍需要我們繼續(xù)進(jìn)行探索和研究。筆者在水電站智能化計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)的一些功能上進(jìn)行了部分理論設(shè)想與實(shí)踐探討，為水電站智能化建設(shè)發(fā)展提供了一些參考意見。隨著技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，水電站智能化改造也將逐步推進(jìn)和完善。