抽水蓄能數字化智能電站建設探索與實踐

葉 宏，孫 勇，韓宏韜，劉海濤，王卓瑜

（國網新源控股有限公司，北京市 100052）

0 引言

抽水蓄能是新型電力系統的重要儲能技術，也是落實國家“雙碳”戰略的重要組成部分，截至2020年底，我國已投產抽水蓄能電站總規模 3249 萬千瓦。根據《抽水蓄能中長期發展規劃（2021～2035年）》要求，到 2025 年，抽水蓄能投產總規模將達6200 萬kW以上；到 2030 年，投產總規模將達 1.2 億kW 左右[1]。

依照規劃，未來10年我國將迎來抽水蓄能電站建設高峰，如何在較短時間內高效率、高質量地完成工程投產任務目標，是抽水蓄能行業面臨的緊迫問題。本文創新給出數字化智能電站的定義、特征和設計思路，首次提出“一標準、兩體系、三中心、四中臺、五平臺、多試點”的總體架構，為提升抽水蓄能的設計標準化水平、基建管控水平、安全運行水平、企業管理水平，實現抽水蓄能企業數字化轉型升級提出一種全新思路。抽水蓄能數字化智能電站的建設，將有力保障規劃、建設、運行全過程降本增效，引領行業數字化標準規范體系建立，促進和支撐新型電力系統建設，實現國家總體能源規劃投產任務落實。

1 抽水蓄能電站數字化現狀

近年來，水利水電行業以及部分電站持續探索新技術應用，如：金沙江溪洛渡水電站建設過程中采用智能溫控技術實現大體積混凝土通水冷卻的智能閉環控制[2]；白鶴灘水電站面對建設300m級特高拱壩，使用地熱水泥混凝土技術，將拱壩混凝土抗裂安全系數由 1.8 提高到 2.0[3]；山店水庫大壩填筑施工過程中使用施工機械無人駕駛技術提升施工機械效率[4]；仙居抽水蓄能電站結合物聯網技術，GIS+BIM技術在運維階段把電站的核心業務從設備運行向設備管理轉變[5]，“數字孿生”概念建立“全景駕駛艙”“仿真培訓”等技術，以實現“無人值班，少人值守”[6]。

抽水蓄能電站全壽命周期可分為規劃設計、建設施工與運營管理階段，目前大部分抽蓄電站建設將這三個階段相互割裂。在規劃設計階段，存在多個設計平臺、多個階段、多個專業、數字移交缺標準、數字移交深淺不一、三維設計成果體量大、單元工程劃分較粗等問題；在建設施工階段，存在難以適配多個設計平臺、缺乏統一三維平臺、設計成果需要深化設計、三維應用缺乏通行標準、物聯網技術應用差異大、數據自動錄入接入困難等問題；在運營管理階段，存在三維設計成果可視化差、三維設計成果精度不足、三維模型體量大、大部分電站缺三維模型、數字化應用標準缺乏、與生產運行融合不足等問題。總的來說，在抽蓄電站建設運行周期內，沒有形成統一科學高效的標準來指導抽蓄電站信息化建設，導致了各抽水蓄能電站存在大量信息化重復投入，且業務系統相互獨立，數據相互獨立的問題。

2 抽水蓄能數字化智能電站概念

針對當前抽水蓄能電站缺乏標準的數據規范及統一的應用支撐的問題，筆者探索性地提出了“抽水蓄能數字化智能電站”概念。

抽水蓄能數字化智能電站，是以抽水蓄能電站全壽命周期管理為理念，以自動化、網絡化、信息化為基礎，以數字孿生技術為載體，以BIM正向設計為手段，充分融合數字化技術、信息技術和現代工業技術，具備“全景監控、虛實融合、高度協同、自主管控、安全高效、綠色低碳”特征的少人干預、自主運行的電站（見圖1）。

圖1 抽水蓄能數字化智能電站特點Figure 1 Feature of digital &intelligent pumped storage plant

抽水蓄能數字化電站的主要特點如下：

（1）全景監控：指能夠對抽水蓄能電站“人機物料環”進行全面、完整、實時的感知，實現電站建設運行階段的全息數據、全程在線和全景導航。

（2）全程管控：指能夠對抽水蓄能電站全生命周期各階段工作進行數字化智能化管控，實現規劃設計階段全程數字化設計與協同、建設施工階段全程智能化建造與管理、生產運維階段全程智慧化運行與管控，實現全生命周期數字化智能化管理。

（3）虛實融合：對應物理實體電站創建3D數字虛擬電站，打造疊加時間維度的4D電站，實現二者協同互動，優化實體電站的建設運行。

（4）高度協同：實現各業務應用的數據共享、信息貫通，實現相關業務的智能化聯動，能夠構建智能化的業務應用場景。

（5）自主管控：實現智能設備與自主運行、智能控制與優化運行、智能管理與分析決策，具備自適應、自趨優的全壽命周期管理模式。

（6）安全高效：通過感知、分析、預警、決策，使設備設施和系統具備較強的事故風險防范能力和系統自愈能力，提升電站本質安全和效益。

（7）綠色低碳：為“雙碳”戰略目標實現和構建以新能源為主題的新型電力系統提供強有力支撐。

3 抽水蓄能數字化智能電站設計思路

在未形成數據標準和業務標準的情況下，大部分抽水蓄能電站在規劃設計、建設施工、運營管理中，全壽命期存在業務重復建設問題（如圖2所示），數據存在“孤島”問題，導致數據關聯價值、融合價值無法發揮[7]。

圖2 抽水蓄能電站數字化建設模式現狀Figure 2 Digital construction of pumped storage plant

在此條件下，中臺技術思維應運而生，本次建設的抽水蓄能數字化智能電站，不是簡單建立應用共享，其核心在于以微服務架構思路建立的業務服務，不同的電站可根據自身特點調用相應的中臺微服務構建自身的業務應用，達到“大中臺，小前臺”的目的，讓電站信息共享、快速創新，其本質是通過數據貫通融合和功能開放共享，實現面向前臺的敏捷響應，降低研發成本，加速創新業務孵化。

此外，抽水蓄能數字化智能電站充分考慮未來電站業務管理發展的需求，急需建立虛擬數字電站，借助物聯網設備實現虛擬數字化電站與實際電站之間數據、操作指令的雙向傳輸，使得管理者即可通過虛擬數字電站實現對實際電站運行狀態直觀地了解，也能結合管理需求通過虛擬數字電站對實際電站進行操作控制。

抽水蓄能數字化智能電站采用了“一個數據標準、兩個體系支撐、三個中心覆蓋、四個中臺建設、五個平臺應用、多個工程試點”的總體設計思路。建立行業標準，充分擁抱“信息共享”，打破“數據孤島”，極大限度避免功能“重復投入建設”的問題；借助“虛實結合”管理思路，使得管理者的需求能更好地觸達到業務生產運營中。

4 抽水蓄能數字化智能電站架構

按照抽水蓄能數字化智能電站的設計思路，采取了基于“一標準、兩體系、三中心、四中臺、五平臺”總體架構設計（如圖3所示）。

圖3 數字化智能電站整體架構Figure 3 Structure of pumped storage plant

“一標準”是指抽水蓄能數字化智能電站專用HIM數據標準。大規模海量的專業數據隨著數字化智能電站建設應時而生，通過數據標準的建設，形成一套企業級的數據標準體系，將現有業務以及新建業務與數字化智能電站平臺有機融合，推動抽水蓄能行業數字化轉型升級。

“兩體系”是指兩個體系支撐。一是數字化智能電站技術體系包括國標、行標和企標，各級標準從規劃設計、建設實施以及運營維護等階段提出數字化和智能化的要求；二是數字化智能電站信息安全體系基于通用等級保護安全設計框架和現有網絡安全基礎架構，通過構建信息安全技術體系、信息安全管理體系、信息安全運營體系，實現具備一定技術先進性和成熟性的安全保障體系。

“三中心”是指抽水蓄能總部中心、區域中心以及電站中心，即建成的抽水蓄能數字化智能電站在應用、管理層面貫穿三個應用管理中心，從電站設計規劃、管理運維的各關注維度實現三級應用。

“四中臺”特指數據中臺、技術中臺、三維中臺、業務中臺，四中臺共同組建抽水蓄能數字化智能電站中臺層，相互之間統一通過數據中臺對接，從而確保平臺在數據資源、算法模型、算力資源、三維引擎、業務應用方面有效組合，對外提供統一標準的應用功能。

“五平臺”是指建成的抽水蓄能數字化智能電站具備數字規劃設計平臺、智能建設管理平臺、智慧生產運行平臺、安全管控平臺和綜合管理平臺。立足抽水蓄能電站建設的各方面進行智慧建造、智慧管控和智慧運維，實現全流程、全生命周期的協同管理。

以抽水蓄能數字化智能電站設計思路建立了中臺業務服務前臺應用，將中臺進行細分可分為技術中臺、數據中臺、三維中臺和業務中臺，以實現前臺敏捷開發、快速搭建應用。數據中臺打通數據壁壘、業務中臺包含前端可復用的服務能力、三維中臺構建各種數據的展示支持VR/AR，技術中臺提供可復用的核心算法支持。

技術中臺以建設形成企業級共享技術服務中心，沉淀跨部門、跨專業等通用技術服務能力為目標，統一輸出算法服務、物聯網設備管控服務、GIS服務、BIM服務、統一權限服務、統一門戶服務等通用技術服務能力，為業務中臺、三維中臺、數據中臺提供靈活高效的技術支撐服務。

數據中臺除了擁有傳統數據平臺的統計分析和決策支持功能外，還會更多聚焦于為前臺一線交易類業務提供智能化的數據服務，支持企業流程智能化、運營智能化和商業模式創新，實現“業務數據化和數據業務化”。

三維中臺集成了GIS引擎、BIM引擎、可視化引擎對各種數據展示和應用進行支撐，在規劃設計階段和建設施工階段，主要通過GIS+BIM雙引擎結合，來實現對應用的支撐，在生產運營階段主要通過可視化引擎對廠區、關鍵設備進行建模，結合數據中臺的電站關鍵設備物聯傳感設備數據，對建設數字孿生電站提供支持服務。

業務中臺將包裝和整合服務資源，轉化為便于前臺使用的可復用、可共享的核心能力，實現后端業務資源到前臺易用能力的轉化，為前臺應用直接調用，減少系統間的交互和團隊間的協作成本。

5 抽水蓄能數字化智能電站業務應用

在設計規劃階段提供規劃選址、數字報建、數字移交等應用。規劃選址通過調用中臺GIS分析組件和三維中臺展示組件，結合水文數據用算法模擬分析選址點建立抽水蓄能電站位置優劣性，項目規劃者可結合當地的人口、經濟、環保等數據測算移民成本，環保成本為電站的規劃選址提供科學依據；數字報建和數字移交通過中臺提供的設計數據和三維中臺展示組件對業務進行支撐（見圖4）。

圖4 抽水蓄能數字化智能電站中臺與前臺關系Figure 4 The relationship between data center station and front data

在建設階段提供項目管理、智慧工地、智能施工等應用。項目管理通過中臺微服務搭建，包括對進度、物資、質量、安全、供應商、財務、合同、移民安置等業務管理支持；智能施工則是利用大壩混凝土智能通水、混凝土智能溫控、混凝土智能振搗、土石壩碾壓質量監控、地下工程施工監測、智能機電安裝等先進技術進行實現；智慧工地管理則是對工地設備、環境、物料、人員等結合傳感設備實現對工地可視化管理。

運維服務階段提供電站全息管理、智能值守、生產調度管理等應用。電站全息通過將電站模型導入以及關鍵設備進行建模，結合傳感設備數據與控制系統，實現電站的虛擬數字空間，數字空間和實景空間可進行實時數據交互；智能值守通過工程設備管理技術和大數據分析技術實現對設備的無人監控、異常報警、生命周期預測；生產調度則是結合電價、發電機組運行情況、發電總量等通過算法制定合理的發電周期供生產。

上述應用都是利用中臺的微服務快速進行搭建的應用，電站可根據本身階段快速搭建自身應用。通過中臺層的建立打通了數據孤島的壁壘，如在運維階段，會通過設計階段數據成果和建設階段的數據成果BIM數據，作為電站全息的數據來源，使得數據發揮更大價值。

6 抽水蓄能數字化智能電站的實踐

分區域建設區域數據中心，建立區域到電站、總部連接區域的，三級聯通的網絡部署方式（如圖5所示），支持多個電站接入的三級網絡架構，為電站、區域中心、總部的數據交互、應用協同等各類資源和信息提供跨域基礎支撐。各電站所需應用通過業務中臺服務快速搭建組裝，從而實現電站級業務應用。

圖5 抽水蓄能數字化智能電站網絡架構Figure 5 The network architecture of digital intelligent pumped storage plant

7 結語

本文針對抽水蓄能行業數字化現狀問題，提出了“抽水蓄能數字化智能電站”建設理念，建立了一套抽水蓄能數字化智能電站建設的標準體系，并基于中臺技術思想，對外提供統一技術與應用服務，可較大程度上避免電站系統建設重復投入。

抽水蓄能數字化智能電站打通了電站-區域-總部各級數據壁壘，有效解決工程建設全生命周期數據孤島的問題，并在多個電站進行實踐，對建立和推動行業標準有重要意義。