智慧小型水利水電工程關鍵技術及應用實踐研究

摘 要：就我國小型水利水電工程尚未普及信息化和智能化技術的實際情況，探討小型水利水電工程信息化、自動化、智能化的遠程集控技術方案。在當下信息化與智能技術高速發展的新時代，信息化與智能化功能的具體實施，提升了小型水利水電工程的技術水平與管理水平。研究成果有助于引導當今水利水電行業從業人員，在規劃、設計、制造、選型時充分考慮信息化、智能化要素，做出特定的個性化選擇。

關鍵詞：小型水利水電工程；信息化；智能化；自動化

中圖分類號：TV7；TP3" " " " " " " " " " " " " " " " " " " "文獻標志碼：A" " " " ""doi：10.19679/j.cnki.cjjsjj.2025.0119

0 引言

隨著水利水電技術的進步與水利水電資源開發力度的不斷加大，以及信息化與智能化技術的廣泛推廣應用，信息化、自動化、智能化逐漸成為水利水電工程發展的新趨勢[1-2]。目前在建的和已建的大、中型水利水電工程，基本會在建設初期將信息化、自動化、智能化功能列入規劃。而早期完成的大、中型水利水電工程即使沒有系統規劃這些功能，通過后期的技術改造，這些功能也逐步得到落實。

據統計，我國單機10 MW以下的小型水利水電工程在所有水利水電工程中，機組臺數占有率在75%以上，機組容量占有率在20%以上[3]。所以，小型水利水電工程的技術和管理不容小覷，信息化與智能化技術應有足夠的應用空間和推廣價值。

當前，高質量發展數字經濟已成為我國發展新趨勢。為了更好地實現傳統產業的轉型升級，應深度融合數字技術與實體經濟，構建數字中國，推動大數據與實體經濟深度融合，實現高質量發展[4]。因此，水利水電工程應響應國家政策，落實與實施數字化和信息化，盡可能考慮智能化。

1 小型水利水電工程現狀

包括小水電站和泵站在內的小型水利水電工程存在以下痛點：一是早期規劃建設的小型水利水電工程單機容量小，機組數量多，設備分布廣，建設選址偏遠，交通與通信都存在困難。部分早期建設的小型水利水電工程存在規模小、投資少的情況，導致各級專業技術管理人員相對缺乏，管理人員的文化技術水平普遍不高，存在工程安全生產標準化、規范化、精細化管理方面的困難。二是安全生產管理方面的隱患。小型水利水電工程在安全生產管理基礎方面比較薄弱，存在安全生產信息難以收集且報送滯后等問題，設備妥備率缺乏有效管理，常有非計劃停機的現象，十分影響效益，甚至沒有生產設備故障預警機制，對設備的管理仍停留在實時狀態數據監測階段。因此，順應時代發展，對早期建設的小型水利水電工程進行信息化、自動化、智能化技術改造是形勢所需，新建的小型水利水電工程實現信息化、自動化、智能化技術應用是時代所需。

隨著國內就業人口數量增長放緩、老齡化程度加深，企業的用工成本持續攀升，過去依靠低成本、低價格及大規模生產能力的優勢也將逐漸削弱，中國面臨著人口紅利消失、勞動力等生產要素成本提升的問題，迫切需要通過智能制造技術重塑中國制造業新優勢，水利水電工程的機電設備、自動化控制系統等必須順勢跟上，落實信息化、數字化與智能化。 而現實情況是，傳統的工控系統布局廣泛運用于已建的小型水利水電工程，勵磁、調速和保護等小系統分別采集各設備的實時數據，傳送給監控系統[5]。由于建設在不同的時期，各工程的設備供應商不同，系統架構和協議等不一致，導致無法共享各設備采集的數據，形成一座座信息孤島，難以實現遠程集控系統的“互聯、互通、互動、互操作”[6]。與此同時，工程監控系統仍止步于實時監控層面，對歷史數據的操作僅限于存儲，對歷史數據的分析操作依然通過傳統人工的方式進行。在大數據時代，應利用信息化技術，對水利水電行業的數據進行探索和挖掘，使其發揮更大的作用，帶來更多的價值。

2 智慧小型水利水電工程推薦方案

在當今世界，信息化已成為推動經濟和社會發展的主要力量，是推動我國產業結構優化升級、實現工業化和現代化的核心驅動力。隨著技術和認知水平的提升，信息化支撐水利水電工程的深度和廣度越來越高，人們需要數據的范圍越來越大，數據融合共享的訴求越來越多[7-9]。云計算技術在近年蓬勃發展，基于云計算的工業互聯網和能源互聯網應用與研究如雨后春筍般涌現。利用信息技術和智能化技術對小型水利水電工程進行遠程集控，對運行模式進行優化，提升管理水平和綜合效益，已成為小型水利水電工程的必然發展趨勢。

隨著時代的飛速發展，現有的小型水利水電工程在運行機制和管理模式上已顯露出與時代脫軌的跡象，使得運營企業渴望建立工程遠程集控平臺來應對這一挑戰。自行構建遠程集控平臺面臨著技術挑戰大、資金需求大的雙重難題，使得這一建設目標難以達成。云計算技術的興起為遠程集控平臺的建設提供了新的契機。通過近20 a來小型水利水電工程核心控制設備的研究和產品開發積累，我們提出了信息化、自動化、智能化一體融合方案，為智慧小型水利水電的建立和發展提供了技術支撐；研發了基于“互聯網+”模式的小型水利水電工程控制設備和遠程集控系統，該系統在云計算平臺上托管，提供穩定可靠的服務給運營商；并且，為了滿足運營商多元化的經營需求，衍生出數據分析、工程托管等增值服務。通過基于云計算技術的遠程集控平臺，可以減少停機時間，實現無人值班或少人值守，顯著提升工程的運維水平，從而提高工程的總體經濟效益。具體方案主要包括：搭建水利水電控制設備運營管理大數據云平臺；建立數據庫專家系統，實現大數據的故障診斷；落實遠程技術支持與維護系統。其中，新型系統的控制設備采用物聯網模式，便于連接到互聯網，實現遠程維護和診斷。信息化與智能化落實到系統與工程的每一處，數字孿生技術方可得以實施，這是智慧小型水利水電工程的關鍵技術要點。

為確保水利水電機組和電網的安全穩定運行、保障人員的安全、增加發電或輸水的效益，對水利水電控制系統的核心設備如監控、勵磁、調速器、保護等進行整合和優化，提高其信息化、自動化與智能化水平，加入“云物大智移”，依托“互聯網+”創新與變革，以實現小型水利水電工程智能控制系統的不斷進步和發展。

下面以小型水電站示例智慧小型水利水電工程的技術方案、系統配置、系統功能與性能。

2.1 技術方案

技術方案主要包括：水電站設備實時監測子系統、水電站自動化控制子系統（安全鏈策略）、水電站安防子系統、數據信息化傳輸子系統以及云端智能化服務平臺。技術方案系統如圖1所示。

2.1.1 水電站設備實時監測子系統

構建完整的傳感器和監測設備網絡，用以采集設備運行狀態的數據，例如實時監測水位、電壓、電流、功率、溫度等水電站關鍵參數，為電站管理提供數據采集支撐。

2.1.2 水電站自動化控制子系統

構建水電站現地控制單元網絡，利用監測系統數據，實現電站設備實時控制、實時故障診斷及安全鏈策略，安全鏈策略應保證在電氣控制系統失效時，發電機安全停車。

2.1.3 水電站安防子系統

構建全方位的視頻監控、安全傳感器及火災聯動系統，利用溫感及圖像識別技術，實時監測水電站的安全狀況。

2.1.4 數據信息化傳輸子系統

利用互聯網+物聯網技術，實時監測數據經安全認證傳輸至數據服務中心，采用分布式計算+微服務架構對數據進行存儲和整理，為云控服務平臺提供數據支撐。

2.1.5 云端智能化服務平臺

包含電站智能運維平臺、設備生命周期管理、大數據預測模型及專家診斷報警，實現電站遠程電腦及智能手機運維監控及運維報告、預測診斷報告查看。

2.2 系統配置

系統配置有全方位數據采集設備、自動化控制元件、現地控制單元、安全監控單元、互聯網接入單元及遠程數據服務平臺。系統配置如圖2所示。

（1）數據采集設備：覆蓋全站的數據采集單元，包含互感器、溫度傳感器、水位傳感器及其他采集設備。負責全方位采集電站設備運行狀態數據，為電站運行監測提供真實、完整的實時數據。

（2）自動化控制元件：包括全站的閘閥控制及電機或液壓控制元件等。自動化控制元件是電站設備自動化控制的執行元件，是電站自動化建設的基礎。

（3）現地控制單元：包括智能化一體屏、直流系統及停電安全鏈系統等。內置發電控制系統、故障診斷系統、遠程數據交互響應系統及安全鏈系統等，是電站自動化、信息化、智能化建設的關鍵單元，保障電站運行控制的實時性、安全性和優化性。

（4）安全監控單元：包括全站視頻監控、圖像分析及火災聯動系統等。負責電站非電氣因素的安全防護報警，利用先進的視頻圖像分析技術，識別火光、煙霧、高溫及異常闖入等險情，并執行警報。

（5）互聯網接入單元：包括電站互聯網安裝及接入設備、移動4G網絡接入設備等。互聯網接入單元是遠程數據訪問的必經之路，也是電站信息化、智能化建設的保障單元。

（6）遠程數據服務平臺：包括數據服務器及電腦、智能手機端應用軟件。遠程數據服務平臺負責電站數據的存儲、分析、展示，其中不僅包括設備的生命周期管理、大數據模型性能分析預控，還包括線上線下巡檢交互管控等。

2.3 系統功能與性能

2.3.1 信息化、自動化、智能化

2.3.1.1 遠程操作

除常規開停機控制外，還可通過云平臺遠程升級控制系統程序、設置運行參數和保護定值、修改枯水期與豐水期的發電策略等。

2.3.1.2 智能化

具有無人智能啟停功能，滿足水流量條件機組即可無人自動開機。自動生成各種生產管理報告，大數據系統提供專家診斷、發電效率、設備健康分析等AI功能。

2.3.1.3 設備狀態監測

專用的云控通訊協議保證發電機及全廠所有二次設備運行狀態大數據實時上傳至云服務器。除運行所需的常用數據外，還對關鍵點溫度、液壓站狀態（油位、油溫、壓力）、直流系統每節電池電壓、開關電源狀態、關鍵空開分合位置等進行了實時監測，保證全廠設備故障及健康狀態有據可查，防患于未然。

2.3.1.4 設備狀態診斷

現地和云平臺可隨時調取全廠設備運行歷史數據、故障信息及故障時的波形，所有歷史運行事件和故障波形都儲存在云數據庫中，可供查詢分析。智能診斷系統對設備老化磨損等可提前做出判斷，并將消息推送給相關人員以便安排科學維保。

2.3.1.5 專用云控平臺

電力生產方面：展示電站實時運行數據（包括發電量、功率、電壓、電流、溫度等）；展示電站設備運行狀態、遠程控制（開停機、設備控制等）；事故、故障報警；提供更詳盡的各類報表（如24 h電氣運行日志展示及導出，年月日電度報表等）。

實時視頻監控：關鍵位置監控及測溫攝像頭報警。

任務終端功能：執行電站巡檢、消缺及隱患點排查任務，自動生成巡檢報告及故障報告。

運維：巡檢工作安排、打卡、記錄（附視頻記錄）及考核等。

2.3.1.6 電站管理

無人值班+無人值守，站內可不設置固定運維值班人員，安排巡檢工作人員即可，每周正常巡檢1次。主要涉及耗材更換（如碳刷、潤滑油等）、關鍵信號檢查（執行機構位置反饋接點等）、衛生打掃等維護工作，該工作可上傳至云控系統，方便業主對巡檢人員工作進行管理。

2.3.2 經濟性

根據開度和功率協聯曲線，分析水輪機接力器、轉輪磨損狀況，不停機即可探明水輪機效率開始下降的原因，提前維修。

倒送電自切除功能，枯水期不發電時自動切斷變壓器高壓側開關，節省倒送電產生的費用，來水后自動合上變壓器高壓側開關，恢復發電。

2.3.3 安全性

機組安全性：①配備大容量直流系統，突遇停電安全停機后可支持全廠設備運行2 d。保證機組供電的同時實時監測電池性能，若電池蓄能不足，云控平臺大數據分析可提前預警更換，電站配置柴油發電機可啟動發電機充電，不會造成水輪機飛車事故。②防止機組飛逸、發電機損壞的多項保險措施：雙套油源配置（正常油源+事故油源），獨立的控制和事故油路確保導葉接力器、進水閥（可選配）同時動作，雙油源三重機制保障關水。每臺機轉速由3個獨立的控制器監測，三重機制保證及時發現飛逸；發電機電流電壓由2臺獨立的控制器監測，保證出現異常情況時能夠進行事故停機。任何涉及操作關停機組的設備發出報警都會觸發硬件安全鏈動作，與常規回路一起關停機組。

廠房安全性：設置全廠及前池視頻監控+關鍵位置溫感攝像頭，支持闖入監測、火情監測、電纜溝及變壓器過溫監測報警。

數據安全性：采用深度定制化云控通訊協議，所有通訊數據采用AES128加密算法進行加密，保證通訊安全。

3 智慧小型水電工程建設關鍵技術與應用難點

3.1 關鍵技術

（1）傳感器網絡構建。為實現水電站的實時監測和數據上傳，需要建立一套完整的傳感器網絡。傳感器可以監測水位、水溫、水質、電壓、電流、功率等關鍵參數，同時需要考慮傳感器的定位、安裝和維護等問題。

（2）數據采集和處理。在傳感器網絡建設完成后，需要采集傳感器上傳的數據，建立數據處理平臺，進行數據采集、存儲、處理和分析。這些數據可以用于實時監測水電站運行狀態和分析歷史數據，以了解水電站運行情況、有效預防潛在故障。

（3）遠程控制和管理。利用互聯網技術，可以遠程監控和控制智慧水電站的運行狀態，從而提高管理效率和運行效率。管理員可以通過智能手機、電腦等設備遠程登錄管理平臺，實現水電站監控、操作和故障處理等。

（4）大數據分析和人工智能技術應用。智慧水電站的數據規模較大，需要運用大數據分析和人工智能技術，對數據進行分析和挖掘，發現存在的問題和優化空間，以便更好地維護和管理水電站。

3.2 應用難點

（1）實現一次設備智能化、二次設備網絡化。

（2）數據采集與傳輸光纖化。節約大量二次電纜，最終解決電站抗干擾問題。

（3）信息模型與通信標準統一化。統一的信息模型與通信協議，無縫的系統互連，實現全廠各設備之間智能協調互動，減少系統重復建設。

（4）數據信息平臺的一體化。通過一體化的數據支撐平臺，實現智能決策、協調控制及電站優化運行等智能化高級應用功能。

4 智慧小型水電工程一體化解決方案案例

武漢海卓智控電氣有限公司致力于中小水電站信息化、自動化、智能化建設及改造，目前已在廣西、重慶、新疆等地區多個電站實現智能化改造，達到電站無人值守、遠程運維及降本增效的改造目標。下面以此為案例進行介紹。

4.1 基本技術方案

基本技術方案如圖3所示。該方案由云端控制級、場站控制級和現地控制級三部分組成。云端控制級內嵌云端數據管理軟件，實現電站數據的接收、整理、分析等功能，是電站智能化管理的關鍵；場站控制級配置現地和遠程電子設備及操作軟件，是電站的操控和數據展示接口，也是電站信息化、智能化的主要表現；現地控制級裝備電站的自動化基礎設備，實現電站監測數據的采集、傳輸及操作命令的執行等，是電站自動化控制的基礎。

4.2 現地控制單元

現地控制單元是實現電站現地控制的主要關鍵設備，主要由搭載控制軟件的核心控制器、實現模擬量及開關量采集和輸出的集成回路、自控化控制元件和執行元件等部分組成。現地控制單元產品如圖4所示，依據設備的公用程度進行分柜安裝，單獨發電機組現地控制集中在一體化控制柜，一體化控制柜對應發電機組數量配置；電站公共控制集中在公用柜，公用柜也可根據電站需求配置一套或多套。

4.3 海卓云控主要功能

（1）豐富完備的運行監視功能。①電站主接線圖各關鍵設備、運行狀態、概覽數據的動態實時顯示。②每臺機組的運行發電數據和主要設備數據的實時顯示。③全站全方位視頻監控+關鍵設備溫感攝像。④每臺機組及全站發電量數據可按年、月、日、時展示及導出。⑤關鍵運行數據可按時間曲線顯示及導出。⑥運行事件、事故波形等數據展示及保存，供調用查詢。⑦事故報警、故障報警可通過系統、短信、電話語音等方式及時通知管理員。

（2）便捷安全的遠程控制功能。①隔離開關投退及機組開停機流程控制。②運行參數可遠程設置，可按需求優化調節性能和發電策略。③控制器程序可遠程更新，固件升級、備件更換便捷操作。④所有遠程訪問和操作都可通過WEB和APP進行，雙重密碼保護，采用加密算法保證數據鏈路安全。⑤用戶對設備的操作均會留下日志。

（3）運維服務功能。①巡檢工作計劃制定（含日巡檢、消缺維護、盯防點巡檢）。②巡檢打卡服務，工作記錄上傳。③自動生成巡檢報告。④依托于運行大數據，對機組發電效率等關鍵指標進行長期監視，提出效率變化預警。⑤對耗損件、故障易多發部件的動作頻次進行生命周期計算，生成關鍵設備健康分析報告及維修更換報告。海卓云控APP部分頁面如圖5所示。

4.4 電站改造前后對比

對廣西石源江電站進行智慧化改造，取得了顯著的成效，改造前后的對比如圖6所示。改造之后取得的成效是：①實現集控運維；②實現電站無人值守；③設備故障率大幅下降；④發電量大幅提升。

改造之后的廣西石源江電站與同流域的其他電站相比，發電量均最高，如表1所示。

5 結束語

受國家電網和南方電網“十四五”規劃對數字電網投資的影響，數字經濟快速崛起，電力能源結構向新型可再生能源發展。以云計算、大數據、物聯網、移動互聯網、人工智能、區塊鏈等新一代數字技術為核心驅動力，通過數字技術與企業業務和管理深度融合，使電力能源系統成為一個數字化、智能化和互聯網化的新型電網。水利水電工程建設必須跟上時代的步伐，大力推廣信息化、數字化與智能化的應用。

小型水利水電工程通常具備建設工期短、投資回報迅速且地理位置遠離城市中心等特點，為了有效控制投資規模、顯著提升供電品質及其可靠性，應積極推廣利用網絡技術，將監控、調速、勵磁等核心控制功能與水電站的其他控制系統（包括同期裝置、現地控制單元等）進行系統集成化設計。在具體實施上，可以選擇組屏或就地分散式布局來構建水電站綜合自動化系統。對于小型泵站的設計，也可采用類似的設計理念。

智慧化是智能化時代的升級版，它更加強調整體系統的智能互聯和智能化管理，在信息爆炸的新時代，智慧水利水電已成為水利水電人的共識，已成為所有水利水電工程追逐的目標。

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收稿日期：2024-08-14

作者簡介：潘凌卉，女，工程師，碩士，主要研究方向為水利信息化。E-mail：429275895@qq.com

通信作者：聶 偉，男，高級工程師，本科，主要從事水利水電工程機電控制技術研究。E-mail：150473577@qq.com

Abstract：Information technology and intelligent technology have not yet been widely applied in China's small-scale water conservancy and hydropower projects. This study presents a technical framework of remote centralized control for China's small-scale water conservancy and hydropower projects that combines information technology，automation，and intelligent technology. As these technologies rapidly develop in the current era，their application improves the technical and management level of small-scale water conservancy and hydropower projects. The results can provide guidance for people working in the water resources and hydropower industry to incorporate information and intelligent technologies and take specific and tailored solutions during project planning，design，manufacturing，and selection.