智慧水電數字化服務平臺建設和發展

陳國青，姜 巍

（1.廣西廣投橋鞏能源發展有限公司，廣西 來賓 546503；2.廣西廣投智能科技有限公司，廣西 南寧 530200）

目前國內水力發電企業數字化發展相對國外有一定差距，大部分處在傳統數字化階段（傳統現場總線技術路線），數據之間并未充分互聯互通。只有核電是相對數字化程度較高的領域，數字化集成相對較高。水力發電企業數字化領域起步相對較晚，數字化程度并不高，并且數字化系統相對分散?？傮w來講，傳統水電在數字化建設領域均需要進一步提升，本文以廣西紅水河梯級電站的智慧水電數字化服務平臺建設和發展為案例，介紹水電企業在數字化轉型發展的成功經驗，供同行參考。

1 平臺建設背景

1.1 電站概況

橋鞏水電站位于紅水河下游廣西壯族自治區來賓市遷江鎮境內，為紅水河十級梯級水電站中的第九級，是廣西投資集團下屬，由廣西本土力量自主設計、建造和運營的水電站。電站安裝了8 臺單機容量為5.7 萬kW 和1 臺2.4 萬kW 的燈泡貫流式發電機組，總裝機容量為48 萬kW，多年來平均發電量24 億kW·h，是一座以發電為主，兼有航運、防洪、改善紅水河流域水環境等綜合利用效益的大（Ⅱ）型水電站，同時也是廣投集團依托資源優勢，調整產業結構，發展循環經濟，推行“鋁電結合”戰略的重要支撐點。電站工程于2005 年3 月開工建設，2007年11 月實現大江截流；2008 年7 月第一臺機組順利并網發電；2009 年12 月實現8 臺機組投產發電，創造了當時多項“世界一流”和“全國第一”；2020年6 月6 日右岸機組完成72 h 試運行工作后正式投運，標志全廠9 臺機組全部成功投產發電，為國內以后更大型同類電站的建設積累了寶貴的經驗。

1.2 平臺建設的必要性和意義

隨著電力行業的快速發展，電力企業尤其是機組設備繁多的水力發電企業對信息化建設提出了更高的要求，從當前水力發電企業運行實際情況來看，一方面傳統的安全管理模式和信息化建設方案已經不能適應日益發展的智能化、智慧化發展趨勢[1，2]；另一方面水力發電企業屬于特殊的流程型制造業，生產工藝過程復雜，設備可靠性要求高，資產密集，屬于比較專業的工業應用領域，在發展過程中，面臨著發電機組安全管理任務重、人工成本較高等問題，如何利用智能優化技術實現機組的經濟運行，實現高效節能是企業發展的首要目標[3，4]。

（1）數字化轉型需求力度強。能源企業數字化轉型已經被列入國家戰略，在我國自2016 年2 月24 日，國家發改委、能源局、工信部印發《關于推進“互聯網+”智慧能源發展的指導意見》以來，國家共發布超過900 項能源互聯網相關政策法規[5]。所以在節能、降本、增效政策的要求和能源集團集約化、高效管理的需求驅動下，傳統水電行業在面對產能過剩、新能源沖擊壓力下，數字化轉型發展迫在眉睫，同時由于水電行業屬于重資產型行業，自動化程度較高，與一般企業的運營水平差異較大，因此建立更快捷（信息能及時傳遞，得到更快響應）、更智能（降低對人工經驗的要求，系統能否提供更多的支持等）、更領先（機組更靈活、性能更高等）的電廠是整個行業的迫切需求，智慧水電數字化服務平臺建設項目應運而生。

（2）生產環境復雜，安全管理難度大。因生產環境復雜、大量外包項目和外包工的存在，帶來的電廠安全管理難度大的問題。外委隊伍檢修作業通常涉及作業范圍大、人員多、人員水平參差不齊，且大多安全意識薄弱，風險識別能力低[6]。事故往往因外委人員管理不到位引起，外來人員對廠區安全區域分布及設施不了解，存在誤闖高風險作業區域的現象，導致人身傷亡事故的發生。電廠監控系統功能不夠完善，視頻監控和現場作業信息和人員信息很難聯系起來，使得視頻監控更多的用途作為錄像備查，無法將現有的視頻監控系統、門禁系統和設備資產管理系統中的設備信息、人員信息、工作票信息等進行有效集成[7]。

（3）設備繁多，人力巡視和監視成本高。機組設備繁多，傳統人工巡視工作量大、成本高。另外設備數據信息龐大，一臺機組需要運行人員巡視和監控的參數上萬點，這些參數在異常工況下瞬息萬變[8]。運行人員無法及時觀察到它的變化以及這些變化反映出的機組存在的問題和潛在的故障等，單一參數的顯示以及簡單的報警已經不能滿足要求。

（4）產生信息孤島，無法互通聯動。電廠目前已建成視頻監控系統、生產管理系統、計算機監控系統各自獨立，無法對系統采集到的數據進行充分的統籌、融合、聯動，系統之間沒有實現信息流的橫向貫通與數據的縱向集成，各個系統之間都是信息孤島，容易引起新數據斷點造成的管理流程中斷，無法實現多個系統之間互聯，無法為各級管理人員提供應急管理平臺與全面決策支持[9，10]。

（5）《兩個細則》考核頻繁，申訴免考困難大。面對越來越嚴格的輔助服務考核標準，如何在保證機組穩定性前提下，提高機組響應一次調頻和AGC能力，成為電廠急需解決的問題。由于電廠屬于燈泡貫流式機組，具有“水頭低、過機流量大、機組容量小”等特點，使得其參與一次調頻和AGC 的能力在“基因里”就比不上混流式等大容量水電機組，往往遭受電網考核較為嚴重，給電廠帶來很大經濟損失。而且以往都是電廠根據調度給予的“兩個細則”月度和年度考核表對考核原因進行分析，表中的數據也僅僅只是考核結果，運行人員很難發現和找到被考核的原因，只能被動接受經濟考核，缺乏有效的分析系統。

為了適應水力發電企業發展，提供科學管理決策，高度協調整合企業現有生產系統和設備，亟需搭建智能智慧水電數字化服務平臺，滿足現實生產需求。建成的智慧水電數字化服務平臺系統也將以低成本，獲得更高的生產、管理效率和更廣的視野和空間，打通全廠數據通道，消除信息孤島，管理數據資產，以可視化圖表方式為管理者提供及時有效的高價值信息，實現輔助領導決策支持，成為支撐管控一體化戰略的核心應用。

2 平臺的建設與應用

2.1 整體框架

為了解決因生產環境復雜、大量外包項目和外包工的存在，帶來的電廠安全管理難度大的問題，解決機組設備繁多，傳統人工巡視工作量大、成本高難題以及電廠目前已建成視頻監控系統、生產管理系統、計算機監控系統各自獨立，無法對系統采集到的數據進行充分的統籌、融合、聯動等問題。研究開發一套適應發電企業對安全管理工作的系統性、規范性和有效性及全面控制各類安全生產風險的智慧電廠智慧水電數字化服務平臺。系統集成人員、視頻、門禁車輛等多種與作業安全相關的信息，同時將各種信息交叉串聯與人員定位和視頻監控結合在一起，通過三維虛擬現實技術立體展現，能夠清楚的看到人員等分布情況，任意位置在執行的工作人員、工作內容、是否存在安全風險，還可以隨時調取監控查看工作進展。系統建成后重點解決生產作業現場存在的外委人員安全管控問題、視頻監控全覆蓋預警問題、全廠監控數據與預警信息集中展示等問題，研究成果可以為企業提升安全管控能力提供良好指導作用。

圖1 總體架構圖

圖2 系統平臺架構圖

2.2 三維建模，安全管控

為了給后面機器人巡檢、無人機巡視、人員精準定位、設定電子圍欄等應用做好鋪墊，必須先解決三維建模問題。三維建模包含全廠廠區外景建模以及定位區域內景建模。三維建模采用無人機傾斜攝影技術+3D 激光掃描技術獲取現場實景的基礎模型數據，其中外景建模通過無人機進行廠區外景航拍和鷹眼系統全景監控，通過3Dmax 建模軟件生成尺寸精準的等比例三維模型；室內區域三維建模采用3D 激光掃描技術，生成與現場環境一致的點云位置信息，掃描精度偏差在±3～5 cm，確保三維建模位置、尺寸精準?；陔姀S物理設備構建全廠的三維模型可以通過動畫特效，以人員高精度定位設備為基礎，對生產監控區域建立三維立體坐標系，通過對運行維護人員實時位置監視，輔助電廠的安全生產；通過對重點設備狀態的智能感知，并將感知結果實時與人員定位安全管理系統交互，實現對現場危險源的及時識別，避免事故的發生。

2.3 人員定位，強化管理

圖3 橋鞏水電站實際外景圖和三維建模外景圖

為了提高人員定位的精準度，減少信息偏差，本模塊采用基于UWB 超窄脈沖的無線定位技術，該脈沖電磁波是脈沖寬度納米級的定位載波，無線功率密度較低，有利于電廠在“少人值守”情況下實現安全生產。該模塊通過進入現場人員隨身佩戴的定位標簽，采用UWB 定位技術，實現人員實時定位。該模塊能夠從定位平臺上進行身份識別，查看人員基礎信息；通過將定位標簽安裝在安全帽內，系統后臺實時解算人員位置并在三維地圖上顯示；當人員遇到突發情況時候，還可以通過長按定位標簽上SOS 報警按鈕，實現快速報警。

此外橋鞏電廠通過本系統還可查詢任意人員在任意時間內的歷史軌跡，可用于事故分析、巡點檢查、作業情況分析、人員行為分析等場景。歷史軌跡由人員行走的路線軌跡和進出各區域及各建筑物的歷史時間列表構成，可聯動對應的歷史時間段的視頻監控一起播放，視頻監控畫面可按1、4、9、16 四種不同的宮格進行顯示，全方位還原當時的真實情況。該技術特別適用于事故調查和原因分析。

2.4 智慧巡檢，減少人力

由于電廠一般環境比較復雜，設備和儀表種類繁多，通過引入智能巡檢機器人，對需要巡檢范圍內各類設備和儀表進行自動巡檢，并判斷報警，有效地替代人力，逐步實現發電站全天候、全方位、全自主智能巡檢和監控。智慧巡檢模塊數據可以無縫接入智慧安全管控平臺，另外該智能機器人具備自主行走及導航避障、AI 智能識別、實時視頻傳輸及錄像、紅外測溫和環境實時監控等功能。能夠代替人工完成急、難、險、重和重復性的工作，主要用在電廠巡檢、機房巡檢等工作。

利用無人機，對大壩邊坡以及庫區開展定期巡檢，采集邊坡及庫區的圖像，并開展對比分析，發現滑坡體、非法作業等異常系統及時報警；或在大壩泄洪的時候，通過無人機監測泄洪區域，及時發現下游處于危險區的人員，通過無人機進行告警提示。

利用水下機器人，可以在不排水的條件下代替人工作業實現壩面/水下安全結構自主巡檢，完成超高清圖像等現場數據實時回傳、圖像監測、AI 數據深度分析、水電廠三維重建等功能，從而進一步提升水電廠安全巡檢能力。例如，實現大壩水下部位的安全狀況、閘門槽狀態等的觀察和檢測，確保大壩及閘門操作的安全。

圖5 無人機巡視開關站

2.5 電子圍欄，安全防護

通過提前預設電子圍欄及報警規則（非法闖入、靠近、超時報警），同時系統支持根據接入作業內容自動生成電子圍欄，一旦有人違反規則立即報警通知現場作業人員及安全管理人員。管理人員可快速定位現場作業人員，調取報警前后3 min 的歷史軌跡，查詢報警詳情。

2.6 門禁系統，兩票互聯

提供標準數據接口，將橋鞏電廠現有的兩票系統接入智慧水電數字化服務平臺，實現兩票分區域統計和查詢。統計各區域兩票數量，兩票類型、兩票風險等級，對于高風險作業重點提醒報警。除查看兩票信息外，通過UWB 人員定位模塊，可聯動快速定位至工作人員位置，查看附近作業人員，同時聯動視頻監控查看現場實時情況。系統通過人員權限管理、開門授權等方式實現人臉識別打開本人權限范圍內所有的門鎖，且開鎖人員、時間等信息可追溯。該系統權限包括用戶管理、門禁信息錄入、查詢統計、開授權票、門禁管理、圖形管理、客戶端管理、廠站定義等。門禁系統同時也保存出入記錄追憶數據，永久保存?？梢耘c工作票、操作票、巡檢任務關聯，自動授權相關人員在作業時間打開相應門禁的權限，防止走錯間隔和擴大工作范圍。

圖6 智慧兩票與門禁互聯

2.7 智能分析，輔助決策

該平臺還依據新改造監控系統數據，安裝一套一次調頻和AGC 考核在線評價系統，能夠解決當前評價系統存在的問題和不足。解決目前燈泡貫流式機組一次調頻和AGC 常因計算不準確而被誤考核的技術問題，同時也為分析被考核原因和申請“免考”提供有力數據支撐。主要創新思路在于：①提供了一種基于南網“兩個細則”下電廠側一次調頻和AGC 考核在線評價系統，改變以往基于調度側分析評價方式；②數據采樣點分辨率更高，計算值更準確；③解決了因調度機構和電廠因為通信延時造成理論和實際積分電量計算不準確的問題；④采用廠站母線頻率代替大范圍內區域電網頻率，減少理論積分電量計算的誤差，體現不同電廠之間參與考核的公平和公正性；⑤引入機組導葉開度等模擬量，輔助分析一次調頻和AGC 動作情況。該系統上線以后，可以很方便幫助運行人員分析“被考核”原因，找到強有力證據去申訴免考，挽回“兩個細則”考核帶來的經濟損失。同時該分析系統也為優化AGC調節參數、提高機組負荷相應速度和調節精度等各項參數控制品質提供分析數據，為機組性能指標得到極大的提升、消除考核、提高獎勵打下基礎，從而實現機組經濟效益與安全穩定性的有效提升。

3 應用效果

3.1 管理水平

通過智慧水電數字化服務平臺，將電廠運行核心系統的各項關鍵數據進行可視化呈現，從而對包括應急指揮、生產管理、設備安全、環境保護、智慧決策等領域進行管理決策支持，幫助生產管理者及時了解電廠運行狀況的優劣，并掌握影響經濟性、安全性的各個因素及程度，實現對電廠生產成本和經營狀況的科學分析與調優，管理水平得到極大提升。

3.2 生產效率

通過全息感知技術，降低人員投入成本。尤其是通過全息感知技術，現場作業人員的安全狀況可以實時感知，智能兩票可以根據作業范圍許可相關門禁權限，防止走錯間隔引發安全風險。作業違章可以實時提醒，安全管控效率提高50%，安全違章率降低80%，從而節省安全投入20%的成本。另外采用UWB 超寬帶定位技術，及時準確地獲取檢修現場作業信息，方便工作調度和安排，提升工作效率。在危險區域設置電子提醒圍欄，當人員進入一定范圍內，系統平臺進行報警，及時提醒，避免事故發生。

3.3 社會效益

（1）以大數據、云計算、人工智能、物聯網等技術，構建橋鞏電廠全息感知、一體化管控體系，實現電廠與集團數據的互聯互通，電廠生產、管理、服務等各個環節的泛在互聯；建立基于海量異構的數據匯聚、建模分析、經驗知識、智能決策等一體化管控平臺；建設滿足能源工業需求的安全技術體系和管理體系，構建工業智能化發展的安全可信環境。

（2）該項目的建成填補了國內大型燈泡貫流式機組在數字化、智能化和信息化轉型和發展的空白，極大的提高了水力發電企業的綜合效益，為其他水力發電企業的信息化建設提供經驗，也為實現“無人值班，少人值守”夯實基礎。

（3）提升能源企業新技術應用發展。加快機器人、智能傳感、5G、邊緣計算等在工廠的應用，以機器換人、實現少人化作業。將企業體制創新、管理創新、技術創新相結合，構建生產、經營、管理、安全等業務流程信息化；優化設備、合同、原料等資源分配，提升資產、服務、物聯、管控、勞動等效率，形成產供銷一體的智慧能源協同體系。

4 結語

智慧水電數字化服務平臺使得傳統水電企業的經營管理模式完全發生改變，自動化設備、智能機器人的廣泛運用，將最終使電廠成為模塊化、單元化的管理形態，長期駐扎現場的人員逐步減少，遠程監控、遠程協調、后方處理的作業模式將成為常態，企業基層員工的勞動積極性和創造力得到充分釋放，大量易導致生產事故發生的危險因素和觸發條件在管控平臺的協助下得到避免和解決，極大提高管理水平。智慧水電數字化服務平臺作為智能電廠核心平臺，聚焦于智能發電安全管理，工作效率提升，對整個智能電廠的建設起到了支撐作用，終極目標就是在極少人干預的情況下，讓系統實現精確感知、精準控制和精明決策，達成更加經濟、高效、清潔、靈活的發電生產目標。