小型水電站區(qū)域“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧水電管理應(yīng)用探討

林波弟

(肇慶市賀江電力發(fā)展有限公司，廣東 肇慶 526551)

1 概 述

肇慶市賀江電力發(fā)展有限公司是市直國有水電企業(yè)，成立于1988年8月，主要業(yè)務(wù)是對賀江流域(廣東段)水力資源進行梯級開發(fā)和發(fā)電管理。公司所屬電站總裝機容量12.8萬kW，設(shè)計年發(fā)電量4.5億kW·h，在職職工500余人，是目前肇慶市最大型水電企業(yè)。賀江電力目前在廣東省內(nèi)擁有19座水電站，分布在肇慶市賀江流域；這幾年經(jīng)過努力對外拓展，又成功收購遠在千里之外的貴州和湖南的2座電站，使主業(yè)繼續(xù)壯大。

1.1 水電公司的現(xiàn)狀

經(jīng)過幾十年的高速成長，水電行業(yè)正經(jīng)歷由大量建設(shè)、擴容整改轉(zhuǎn)向維護運行階段，長期原有的商業(yè)及運營模式存在如下弊端：

(1)一廠一套人員， 人員復用性差、利用率低下。值班、維修、維護、運行一套人員，造成電廠人員機構(gòu)臃腫，未來隨著生活質(zhì)量不斷提升，人員工資必然不斷的上漲，人工支出會成為電廠最大開銷及負擔。

(2)水文信息獲取手段差，發(fā)電防洪預(yù)判能力低下。電廠基本采用電話通信方式獲取上游電廠的發(fā)電信息來安排生產(chǎn)，預(yù)判能力差；時間掌握憑經(jīng)驗，基本依賴員工素質(zhì)進行生產(chǎn)調(diào)度。

(3)長期人力監(jiān)控成本投入大，人力成本不斷上升。大部分電廠聘請當?shù)貏趧恿M行看守，基本采用定時巡檢模式，主要通過人的視覺、聽覺憑經(jīng)驗進行故障判斷，對人的經(jīng)驗及責任心依賴非常高。

(4)地處偏僻，難以吸引高素質(zhì)管理人才。大部分電廠分布在離城市很遠的地方，生活枯燥，很難吸引年輕、高素質(zhì)管理人才，年齡結(jié)構(gòu)普遍偏大，面臨人才斷層現(xiàn)象。

(5)維修經(jīng)驗缺乏沉淀手段。維修經(jīng)驗主要存在人腦中，出現(xiàn)故障依賴有經(jīng)驗工程師現(xiàn)場診斷，無有效的經(jīng)驗庫供員工學習、培訓，大多還是采用傳統(tǒng)的師徒關(guān)系的“傳、幫、帶”方式來組織維修。

(6)巡檢主要依賴人工巡檢，成本高、可靠性差。巡檢人員采用眼看、耳聽等手段進行診斷，巡檢1次需要1 h以上；現(xiàn)象判斷因人而異，巡檢點多，巡檢工作量大。

(7)不能根據(jù)水文情況實時精細化調(diào)節(jié)發(fā)電。值班員根據(jù)當前水位及上游流量憑經(jīng)驗判斷開機臺數(shù)和給定機組出力。

(8)維修不及時，造成水資源浪費。維修經(jīng)驗沉淀少，基本采用工程師現(xiàn)場經(jīng)驗進行判斷，維修經(jīng)常造成延誤，維修步驟執(zhí)行不到位，造成排故不透徹。

(9)監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)落后，不能準確預(yù)判故障。目前中大型電廠現(xiàn)場基本采用PLC/LCU微機進行控制，主要通過采集傳感器信息進行對超標指標進行監(jiān)控，多數(shù)情況故障已發(fā)生，對故障預(yù)判手段較差。

(10)設(shè)施數(shù)據(jù)采集量大，無數(shù)據(jù)挖掘能力。大部分監(jiān)控系統(tǒng)由于采集點數(shù)量大，如果采集頻率高，基本只能存儲1個月的數(shù)據(jù)，不能結(jié)合機組故障進行分析、獲取設(shè)備發(fā)生故障的臨界點、深度挖掘數(shù)據(jù)、獲取數(shù)據(jù)價值、有效預(yù)防故障的發(fā)生。

(11)備品備件呆滯嚴重。電廠備品備件基本通過經(jīng)驗進行備庫，不能通過維修多年實際消耗情況及保養(yǎng)需要物資情況進行合理備庫，經(jīng)常因備品備件短缺而引起維修延期。

1.2 水電行業(yè)的特性

(1)地域分布偏。水電廠一般根據(jù)河流的分布而開發(fā)，需兼顧防洪、航運、自然風光、安全、生態(tài)等因素，一般建設(shè)在較為偏僻、人口密集程度較低的地區(qū)，造成了其運營人員調(diào)度成本較高?，F(xiàn)場信息較為閉塞，管理決策難于及時傳達，管理滯后性較為嚴重，普遍采用傳統(tǒng)的電話方式進行通信了解情況。

(2)季節(jié)性強。由于水資源對天氣的依賴非常強，降雨量年份、季度差別較大，可預(yù)測性較低，大部分水電企業(yè)主要通過觀察電廠當前水位變化及現(xiàn)場人員運營經(jīng)驗進行機組發(fā)電及防洪調(diào)度，企業(yè)業(yè)主普遍認為發(fā)電效益對天氣依賴非常強，非常重視在裝機容量上挖潛，對運營管理重視度不夠。

(3)上下游協(xié)調(diào)性強。企業(yè)對上游電廠發(fā)電依賴非常強，聯(lián)合互動發(fā)電要求高，基本采用電話通信模式進行信息溝通，手段落后，溝通不及時經(jīng)常造成水資源浪費。同時，由于上游水位不能平穩(wěn)保持，經(jīng)常處于低水頭發(fā)電，單位水資源發(fā)電效率不高。

(4)設(shè)施量大。發(fā)電廠屬于通過重資產(chǎn)一次性投入運營維護行業(yè)，通常是指在實際的生產(chǎn)過程不直接構(gòu)成產(chǎn)品，只用于維護、維修、運行設(shè)備的物料和服務(wù)；通過平穩(wěn)維護運營大量設(shè)施設(shè)備來獲取利潤。

(5)人力投入大。現(xiàn)階段國內(nèi)由于人工相對比較便宜，主要采用電廠現(xiàn)場三班倒輪值方式進行設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)控，發(fā)電量較大企業(yè)采用PLC/LCU監(jiān)控系統(tǒng)進行實時預(yù)警，減輕了工作人員工作強度，提升了故障診斷準確性。隨著生活水平的不斷提高，人員工資不斷上漲，企業(yè)采用新技術(shù)替代人力變成不可逆轉(zhuǎn)的趨勢，也是未來水電企業(yè)變革轉(zhuǎn)型的必然之路。

(6)安全要求高。水電行業(yè)普遍在高壓、高溫、高空等環(huán)境下作業(yè)，所以安全運行、操作對企業(yè)相當關(guān)鍵，基本所有操作必須由操作員操作，監(jiān)護人進行確定。對外委托供應(yīng)商施工前對電廠環(huán)境的熟悉及培訓也是重要工作事項。

(7)防洪發(fā)電兼顧。一般中大型水電廠都必須具備防洪和發(fā)電兩項功能，越靠近人口密集的城市，防洪責任越大，發(fā)電效益為次之，所以發(fā)電經(jīng)常會為了防洪而中斷；同時有些電廠還得兼顧航運、生態(tài)、旅游等作用，達到社會效益最大化。

2 構(gòu)建區(qū)域“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧水電管理模式

2.1 水電行業(yè)趨勢

2.1.1 新技術(shù)的應(yīng)用

國內(nèi)水電企業(yè)信息技術(shù)的應(yīng)用從20世紀90年代初采用PLC進行可視化編程監(jiān)控機組狀態(tài)、控制機組開關(guān)機開始，發(fā)展到本世紀初少數(shù)大型水電集團采用信息化系統(tǒng)進行聯(lián)合管理水電群。由于國內(nèi)系統(tǒng)不成熟，多數(shù)引入國外解決方案，其系統(tǒng)建設(shè)、實施成本大，一直在國內(nèi)未得到很好的推廣與應(yīng)用。目前，隨著云技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的成熟，采用云平臺進行區(qū)域性水電群進行聯(lián)合運營變成了趨勢。云平臺大大降低了水電企業(yè)的構(gòu)建系統(tǒng)成本，不需要一次性投入，可以采取租用模式，按需進行搭建及擴展，通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)使電廠擺脫地域限制，實現(xiàn)“集中監(jiān)控、遠程診斷、實時維護”。

2.1.2 區(qū)域性聯(lián)合運營

由于水電企業(yè)間共享水資源屬于普遍現(xiàn)象，所以電廠間實現(xiàn)了水文信息共享，實時掌握電廠上下游電廠發(fā)電、水位、流量情況，實現(xiàn)聯(lián)合平穩(wěn)發(fā)電，有利于高效利用水資源，避免水資源浪費。同時，電廠聯(lián)合運營可以實現(xiàn)技術(shù)人員共享，使有技術(shù)的成熟工程師得到最有效利用，避免小水電人員短缺；而大水電廠人員富余，可以通過聯(lián)合運營提升成熟工程師待遇，避免人才流失。同時，通過平臺可以共享維修經(jīng)驗，在線進行專家診斷，有利于故障及時消除，提高設(shè)備可靠性。

2.1.3 少人值守甚至無人值守

在電廠關(guān)鍵區(qū)域設(shè)置圖像、語音、氣味、溫度、壓力等采集設(shè)備，把所有有效信息采集到云平臺，透過圖像、語音識別技術(shù)進行不正常圖像語音識別，替代值班員巡檢工作。通過平臺發(fā)送開關(guān)機、操作指令，實現(xiàn)對機器的遠程控制，實現(xiàn)運營中心對遠程水電廠的監(jiān)控及診斷，最終達到“少人值守甚至無人值守”。

2.1.4 精細化智能發(fā)電

目前徑流式水電廠發(fā)電普遍采用人工根據(jù)水頭及上游來水信息進行開停機調(diào)度，無法準確確定開機臺數(shù)和機組出力，無法保持上游正常蓄水位在允許的變動范圍內(nèi)，造成上游水位不是降低就是抬高。現(xiàn)在通過對上游水文大數(shù)據(jù)采集，經(jīng)過計算，最終可根據(jù)上游來水量和水頭，確定最佳的開機臺數(shù)和機組出力，達到精細化智能發(fā)電，提高了企業(yè)發(fā)電效益。

2.1.5 實時狀態(tài)檢修

通過大數(shù)據(jù)采集、挖掘、實時分析設(shè)備運行狀況，提前預(yù)知設(shè)備健康情況，將檢修方式由原來的定檢和事后維修的方式變成狀態(tài)檢修的方式。最終實現(xiàn)由數(shù)據(jù)來指導生產(chǎn)，替代低附加值的人工，從而節(jié)省人力，降低運營成本，提升運營效率及質(zhì)量，提高電廠發(fā)電效益。

2.2 賀江電力水電站集群式聯(lián)合運營模式建設(shè)

筆者所在公司目前有在職員工500多名，員工年齡結(jié)構(gòu)普遍比較大，整體運行維護經(jīng)驗豐富，硬件設(shè)施相對較好，設(shè)備可靠性較高，對實現(xiàn)少人甚至無人值守有比較良好的硬件基礎(chǔ)，進行區(qū)域性聯(lián)合運營具備堅實的基礎(chǔ)。由于地域分布較為偏僻，吸引年輕的技術(shù)人才較為困難，企業(yè)很快面臨人才青黃不接現(xiàn)象。同時，社會工資不斷上漲，進一步的壓縮企業(yè)利潤空間，很難繼續(xù)保持目前人員數(shù)量來維持企業(yè)正常運營。目前，單電站硬件設(shè)施經(jīng)過幾輪的技術(shù)改造，已很難從硬件層面進行提高發(fā)電效益。綜合以上情況，對互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)新技術(shù)的引進，改變原有單站現(xiàn)場運營模式為聯(lián)合區(qū)域性集中遠程管理勢在必行。通過大數(shù)據(jù)沉淀，機器學習實現(xiàn)智能發(fā)電，最終達到集中管控，單站少人甚至無人值守，聯(lián)合梯級調(diào)度，提升發(fā)電效益，節(jié)省人力成本，提高企業(yè)效益。通過此次項目實施培養(yǎng)出一批結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)新技術(shù)的水電管理人才，為企業(yè)可持續(xù)、科學、合理發(fā)展奠定了良好的平臺基礎(chǔ)。

(1)根據(jù)項目實際情況階段實施，將現(xiàn)有各電站改造成數(shù)字化智慧水電站。

①設(shè)備注冊。對水電廠內(nèi)各個功能位置和設(shè)備進行編碼化，惟一標識設(shè)備的身份，給每臺設(shè)備建立電子檔案，記錄設(shè)備全生命周期內(nèi)采購來源、安裝、投運、故障、維修、保養(yǎng)、技改、大修、報廢等過程。

②傳感器數(shù)據(jù)采集。安裝定制化采集器，采集廠內(nèi)多個傳感器信息，實現(xiàn)信息采集與遠程監(jiān)控。

③智能巡檢。設(shè)置巡檢間隔，系統(tǒng)自動推送巡檢任務(wù)到值班員手機終端；采用二維碼/藍牙技術(shù)標記巡檢點，實現(xiàn)掃碼巡檢，避免巡檢不到位，提升巡檢可靠性；在各個重要的巡檢點安裝高清攝像頭，通過圖像識別技術(shù)替代人工巡檢，節(jié)省巡檢人力。

④專家在線診斷。巡檢員通過手機發(fā)送視頻、音頻、圖片及文本信息給在線專家，工程師遠程進行故障識別及診斷，根據(jù)診斷結(jié)果由知識庫自動匹配準確的解決方案。

⑤維修派單。通過手機終端進行工作票、操作票派單，工作相關(guān)負責人接收到信息進行相關(guān)工作開展。

⑥移動安全確定。現(xiàn)場圍欄設(shè)置、危險警示標簽、禁止操作、系帶安全繩、佩戴安全帽及外委人員安全許可等安全措施全部進行拍照保障設(shè)置到位，提高施工安全。

⑦移動維修執(zhí)行。維修過程中許可人許可、工作負責人許可、維修執(zhí)行記錄、階段性驗收、指派驗收人、專業(yè)人員驗收、運行人驗收、工作負責人結(jié)束工作、許可人結(jié)束工作全過程移動維修過程確定，提升工作效率，提高工作質(zhì)量。

⑧水文信息采集與預(yù)測。通過在電廠上游區(qū)域植入水位及降雨量傳感器及無線數(shù)據(jù)采集器，以及大數(shù)據(jù)算法分析，可以預(yù)測未來48 h水電廠入庫流量；在安全可靠前提下，汛期提前進行騰庫，枯水期優(yōu)化機組開機臺數(shù)和機組出力，提高電廠防洪能力及發(fā)電效益。

⑨智能發(fā)電。通過對上游水文大數(shù)據(jù)采集，經(jīng)過計算，最終可根據(jù)上游來水量和水頭，確定最佳的開機臺數(shù)和機組出力，達到精細化智能發(fā)電，提高了企業(yè)發(fā)電效益。

⑩機器學習、大數(shù)據(jù)與可靠性分析。通過對設(shè)備各種參數(shù)電壓、電流、溫度、轉(zhuǎn)速等實時收集，并結(jié)合故障案例庫自動給出可能發(fā)生的原因，進行機器不斷深度學習，可以預(yù)測設(shè)備健康指數(shù)，將檢修方式由原來的定檢和事后維修的方式變成狀態(tài)檢修的方式。

圖1 數(shù)字化智慧水電站結(jié)構(gòu)示意

(2)根據(jù)水電站地域分布，分成獨立運營電站(含省外電站)及區(qū)域運營中心。

構(gòu)成大沖二運營中心、七星二級運營中心、白垢運營中心及江口運營中心，最后將各獨立運營電站及各運營中心集中起來，數(shù)據(jù)接入公司總部運營中心(見圖2)。

通過云服務(wù)平臺把上下游水電廠的移動技術(shù)及物聯(lián)網(wǎng)采集技術(shù)結(jié)合起來，實現(xiàn)上下游水電廠各種資源(企業(yè)管理層、專家、工程師、巡檢員、檢修工程師、機組、輔助設(shè)施、大壩、水文及雨情等資源)連接，擴張企業(yè)資源管理控制邊界，充分整合利用資源，形成企業(yè)自有的資源網(wǎng)絡(luò)，為水電企業(yè)在互聯(lián)網(wǎng)形勢下構(gòu)建全新模式運營奠定基礎(chǔ)。

(3)利用互聯(lián)網(wǎng)云計算、儲存及移動技術(shù)，構(gòu)建水電企業(yè)區(qū)域性聯(lián)合運營，建成“互聯(lián)網(wǎng)+”管理解決方案。

根據(jù)水電行業(yè)特點提供企業(yè)管理、銷售管理、技術(shù)管理、運行管理、檢修管理、水文管理、大修項目管理、備品備件工具管理、人力資源管理及技術(shù)支持等10大板塊功能(見圖3)。

3 結(jié) 語

水電是清潔能源，可再生、無污染、運行費用低，便于進行電力調(diào)峰，有利于提高資源利用率和經(jīng)濟的社會綜合效益?！盎ヂ?lián)網(wǎng)+”智慧水電的建設(shè)，云平臺及云計算等高新技術(shù)的出現(xiàn)，不僅給互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)帶來了質(zhì)的飛躍，也對傳統(tǒng)行業(yè)起到革命性的變革，如何改變自身的發(fā)展以適應(yīng)潮流的變化是水電行業(yè)進一步騰飛的契機。

圖2 電站運營中心分布

圖3 “互聯(lián)網(wǎng)+”管理解決方案

通過成熟先進理念的應(yīng)用，實現(xiàn)“集中監(jiān)控、遠程診斷、實時維護、少人/無人值守”的目標，降低了水電廠的運維人員的勞動強度。通過對上游水文大數(shù)據(jù)采集，經(jīng)過計算，最終可根據(jù)上游來水量和水頭，確定最佳的開機臺數(shù)和機組出力，達到精細化智能發(fā)電，提高了企業(yè)發(fā)電效益。