葛軍強，魏春雷，胡清娟，張 林

（1.國網(wǎng)新源控股有限公司，北京市 100761；2.中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江省杭州市 311122 )

0 引言

當(dāng)前隨著科技的發(fā)展，新技術(shù)和新方法逐步應(yīng)用和日益成熟，為進(jìn)一步實現(xiàn)智能化、自動化、標(biāo)準(zhǔn)化提供了技術(shù)基礎(chǔ)。因此，在國家電網(wǎng)有限公司大力推進(jìn)“三型兩網(wǎng)”戰(zhàn)略目標(biāo)的背景下，抽水蓄能電站智能化的需求日益凸顯，并成為未來抽水蓄能電站設(shè)計和建設(shè)的重要發(fā)展方向，國內(nèi)主要發(fā)電集團、設(shè)備制造商、科研院所等相關(guān)單位均對智能抽水蓄能電站積極開展研究。但目前的研究偏重于數(shù)字化、信息化和網(wǎng)絡(luò)化等方面，在智能方面的研究也偏重于生產(chǎn)管理作業(yè)的智能化，對于抽水蓄能電站主要機電設(shè)備的智能化研究較少。

本文針對邊緣計算、人工智能等技術(shù)與我國抽水蓄能電站智能設(shè)備技術(shù)發(fā)展的關(guān)系，闡述了抽水蓄能電站設(shè)備智能化的關(guān)鍵技術(shù)，提出了建立面向多源融合的抽水蓄能電站智能設(shè)備的基本思路，并就其特征進(jìn)行了歸納和總結(jié)。

1 抽水蓄能電站設(shè)備智能化發(fā)展現(xiàn)狀

當(dāng)前電網(wǎng)具有大功率遠(yuǎn)距離輸電、微電網(wǎng)發(fā)展迅猛、新能源接入爆發(fā)式增長的特點[1]，電網(wǎng)對抽水蓄能機組的響應(yīng)速度、功率調(diào)節(jié)、運行方式多樣、安全等級等要求日益提高，在抽蓄電站調(diào)峰、調(diào)頻、事故備用的基礎(chǔ)上提出了更高的期望和要求[2]，要求水電機組和抽水蓄能機組要不斷提升自身智能化建設(shè)和運營水平。

在傳統(tǒng)的機電設(shè)備二次系統(tǒng)設(shè)計方面，解決的是對設(shè)備控制流程、控制邏輯以及故障反饋的信息，實時數(shù)據(jù)反應(yīng)的是電站運行狀態(tài)，無法準(zhǔn)確判斷設(shè)備的運行趨勢以及健康情況，由于傳感技術(shù)的限制，暫時無法實時監(jiān)測到設(shè)備結(jié)構(gòu)件的磨損、疲勞以及部件松脫等機械狀態(tài)。在當(dāng)前信息技術(shù)和發(fā)展下，智能抽水蓄能電站的實現(xiàn)必須從機電設(shè)備本體基礎(chǔ)開始，設(shè)備智能化能夠為電站提供自身運行的所有數(shù)據(jù)，應(yīng)用大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，具有自我監(jiān)測、自我診斷以及預(yù)報預(yù)警能力，使設(shè)備能夠適應(yīng)新形勢下智能電網(wǎng)對電站的發(fā)展需求。

相比于民用設(shè)備，抽水蓄能電站的設(shè)備智能化發(fā)展受限于安全方面的高要求，目前還處于起步階段，主要機電設(shè)備以功能實現(xiàn)為主要目標(biāo)，在邊緣計算、診斷預(yù)警等方面還比較依賴于統(tǒng)一的故障診斷中心，單體設(shè)備的智能化程度還不高。

2 抽水蓄能電站設(shè)備智能化關(guān)鍵技術(shù)

2.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是實現(xiàn)萬物相連的核心技術(shù)之一，也是抽水蓄能電站實現(xiàn)數(shù)字化和智能化的關(guān)鍵。對于抽水蓄能電站而言，物聯(lián)網(wǎng)是將多種傳感器部署于設(shè)備的相關(guān)節(jié)點上，能夠采集大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)信息。這些數(shù)據(jù)具有時間與空間屬性，可以將設(shè)備現(xiàn)實活動反映到網(wǎng)絡(luò)虛擬空間上，進(jìn)而將這些信息匯集，通過數(shù)據(jù)分析，能夠挖掘新的價值。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是抽水蓄能電站實現(xiàn)設(shè)備智能化的重要技術(shù)之一，是實現(xiàn)設(shè)備信息傳遞、互通的重要手段。物聯(lián)網(wǎng)MCD模型如圖1所示。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)MCD模型Figure 1 MCD model of internet of things

2.2 邊緣計算技術(shù)

邊緣計算是實現(xiàn)設(shè)備智能化的關(guān)鍵技術(shù)之一，對于抽水蓄能電站而言，對于主要機電設(shè)備通過邊緣計算技術(shù)可實現(xiàn)設(shè)備信息采集、存儲和計算的就地化，同時對于設(shè)備的故障診斷、趨勢分析在算法模型的支撐下得到進(jìn)一步優(yōu)化和發(fā)展，為設(shè)備檢修和維護提供了更加切實有效的核心數(shù)據(jù)。

抽水蓄能電站智能設(shè)備通過配置邊緣計算單元，在遠(yuǎn)程管理、物理安全和快速部署方面都有一定的優(yōu)勢。邊緣數(shù)據(jù)中心通常分散在各個機電設(shè)備本體上，簡化了遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理，可在設(shè)備上隨時隨地實時查看狀態(tài)，具備預(yù)測分析功能,同時能夠確保數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化、可重復(fù)化和快速部署。

2.3 人工智能技術(shù)

人工智能是計算機科學(xué)的一個分支，并生產(chǎn)出一種新的能以人類智能相似的方式做出反應(yīng)的智能機器，該領(lǐng)域的研究包括機器人、語言識別、圖像識別、自然語言處理和專家系統(tǒng)等[3]。

人工智能簡稱為AI，是對人類大腦簡化及抽象，也是人類智能模擬的重要途徑，現(xiàn)在我國人工智能工具主要有專家系統(tǒng)、模糊理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、禁忌搜索、粒子群算法及遺傳算法等[4]。隨著我國抽水蓄能電站事業(yè)的大力發(fā)展，很多人工智能技術(shù)將被應(yīng)用在抽水蓄能電站中，對于優(yōu)化電站生產(chǎn)運行、保證電站安全可靠性必將發(fā)揮重要的作用。

2.4 人機交互技術(shù)

人機交互技術(shù)是指通過計算機輸入、輸出設(shè)備，以有效的方式實現(xiàn)人與計算機對話的技術(shù)。人機交互技術(shù)包括機器通過輸出或顯示設(shè)備給人提供大量有關(guān)信息及提示請示等，人通過輸入設(shè)備給機器輸入有關(guān)信息、回答問題及提示請示等。人機交互技術(shù)對于抽水蓄能電站而言，包括人與設(shè)備互動和設(shè)備與設(shè)備互動兩部分，具有以下特點：

（1）具備高效的人機互動能力。支持可視化、消息推送等豐富的信息展示與發(fā)布功能，使運維和管理人員能夠準(zhǔn)確、及時地獲取與理解需關(guān)注的信息。

（2）基于智能網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)抽水蓄能電站中設(shè)備與設(shè)備、設(shè)備與系統(tǒng)、系統(tǒng)與系統(tǒng)的交互、聯(lián)動，實現(xiàn)不同設(shè)備、系統(tǒng)間相互協(xié)同工作,并通過與智能電網(wǎng)的信息交互和共享，實現(xiàn)抽水蓄能電站新型源網(wǎng)協(xié)調(diào)需求。

3 抽水蓄能電站設(shè)備智能化方案探討

3.1 解決思路

一個完整的智能型電站，是從底層信號采集裝置開始一直延續(xù)到統(tǒng)一的數(shù)據(jù)服務(wù)平臺的一套完整的智能采集、管控體系，智能型電站對底層基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的要求和依賴程度很高，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的完整度直接關(guān)系到電站的智能化程度，因此新建一個智能型電站需要在前期對各個層次的智能化設(shè)備研發(fā)需求進(jìn)行了解和研究，主要包括信號數(shù)據(jù)量、信號采集設(shè)備、智能數(shù)據(jù)處理設(shè)備以及數(shù)據(jù)平臺設(shè)備等。

智能型電站需要在前期對各個層次智能化設(shè)備的技術(shù)發(fā)展和研究方向進(jìn)行研究，智能設(shè)備與傳統(tǒng)電子設(shè)備之間有著什么樣的區(qū)別、與傳統(tǒng)電子設(shè)備如何兼容、應(yīng)用后對于監(jiān)控系統(tǒng)、設(shè)計、實施有著什么樣的影響等方面都需要進(jìn)行進(jìn)一步地分析和落實。目前國內(nèi)外部分抽水蓄能電站生產(chǎn)商已經(jīng)進(jìn)行了相關(guān)方面的研究，并取得了一定的成果，如在進(jìn)水閥控制器、水輪機控制器和調(diào)速器、勵磁系統(tǒng)、軸承監(jiān)測系統(tǒng)、大壩監(jiān)測系統(tǒng)、發(fā)電機電流和電壓測量、變壓器保護等方面已經(jīng)開展了智能設(shè)備的研究開發(fā)工作。因此，在熟悉網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和通信協(xié)議的前提下，從勵磁、監(jiān)控、保護、狀態(tài)監(jiān)測、輔機系統(tǒng)以及主要機電設(shè)備等的設(shè)計需求出發(fā)，關(guān)注當(dāng)前設(shè)備及系統(tǒng)智能化技術(shù)發(fā)展情況，研究智能型設(shè)備信息采集、存儲、傳輸、處理和應(yīng)用技術(shù)，并將因此帶來的一系列變化逐步合理、有序體現(xiàn)在實際設(shè)計和設(shè)備制造中，才能在保證安全的前提下穩(wěn)步推進(jìn)設(shè)備智能化的發(fā)展。

3.2 重點工作

設(shè)備的智能化發(fā)展與推進(jìn)需要循序漸進(jìn)，按照由主到次的過程逐步推進(jìn)。對于抽水蓄能電站而言，目前的重點工作應(yīng)關(guān)注主要機電設(shè)備或系統(tǒng)的智能化發(fā)展，如發(fā)電電動機、水泵水輪機、主進(jìn)水閥、發(fā)電機電壓設(shè)備、主變壓器、GIS設(shè)備、勵磁系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等，重點推進(jìn)邊緣計算技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在設(shè)備級的研究與應(yīng)用，打造具有測量數(shù)字化、控制網(wǎng)絡(luò)化、狀態(tài)可視化、功能一體化、信息互動化的智能設(shè)備或系統(tǒng)。

圖2 智能設(shè)備典型框架Figure2 Typical framework of intelligent equipment

3.3 典型框架

隨著國家電網(wǎng)有限公司關(guān)于泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)戰(zhàn)略的提出，邊緣計算應(yīng)用場景作為其中的重要應(yīng)用點[5]，正逐步在抽水蓄能電站的設(shè)備智能化進(jìn)程中發(fā)揮更大的作用。由于邊緣計算具有顯著的三大特點，即：靠近數(shù)據(jù)源，實時性好；低時延，響應(yīng)快；數(shù)據(jù)安全性高。邊緣計算技術(shù)近乎是為“泛在電力物聯(lián)網(wǎng)”的特定需求而量身打造的，因此將作為“泛在電力物聯(lián)網(wǎng)”感知層的核心技術(shù)之一。以智能抽水蓄能電站水泵水輪機研究為例，通過物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、合并單元、智能終端、傳感器等終端設(shè)備，在智能網(wǎng)絡(luò)的支撐下，設(shè)備本身具備數(shù)據(jù)存儲、過程優(yōu)化、智能感知、智能計算等能力，不僅能夠提高設(shè)備側(cè)的智能化水平，對于綜合分析也有著重要作用。典型的抽水蓄能電站智能設(shè)備框架如圖2所示。

4 抽水蓄能電站設(shè)備智能化發(fā)展趨勢

隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，將信息通信技術(shù)與電站自動化技術(shù)有效融合，突破傳統(tǒng)機電設(shè)備的設(shè)計理念，設(shè)備具有執(zhí)行能力的同時具備思維能力必將成為今后設(shè)備智能化發(fā)展的趨勢。智能設(shè)備全面支持國際通用的自動化技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，能夠更加安全、快捷地支撐設(shè)備實時業(yè)務(wù)的處理與執(zhí)行[6]。設(shè)備自身具有實時分析、故障診斷和預(yù)測預(yù)警等自監(jiān)測自診斷能力。智能設(shè)備具有基于大數(shù)據(jù)的自我學(xué)習(xí)能力，智能設(shè)備在現(xiàn)有自動控制技術(shù)具有感知能力、執(zhí)行能力基礎(chǔ)上具備思維能力[7]。具體來說，抽水蓄能電站設(shè)備智能化的未來將至少具備如下特點：

4.1 可觀測

能夠通過智能終端、計算機和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)[8]，實現(xiàn)對設(shè)備、系統(tǒng)以及生產(chǎn)全過程和運維管理各環(huán)節(jié)的監(jiān)控與多種模式信息感知，從空間和時間兩個維度，為電站的生產(chǎn)控制與經(jīng)營決策提供全面豐富的立體數(shù)據(jù)資源。

4.2 可視性

能夠通過三維數(shù)字化、虛擬現(xiàn)實等技術(shù)，創(chuàng)建數(shù)字化電站，具備對象可視化、數(shù)據(jù)可視化、工作場景可視化、運檢業(yè)務(wù)可視化等特征，將電站復(fù)雜和抽象的數(shù)據(jù)以量化的、直觀的形式呈現(xiàn)出來，適應(yīng)電站建設(shè)和生產(chǎn)管理的交互性及遠(yuǎn)程管理等要求。

4.3 自診斷

能夠通過智能監(jiān)測、精密診斷、知識度與邏輯推理等技術(shù)，結(jié)合設(shè)備歷史運行情況進(jìn)行分析，實現(xiàn)主要機電設(shè)備的啟動自診斷、在線自診斷和離線自診斷功能。

4.4 自適應(yīng)

能夠采用智能控制技術(shù)，根據(jù)環(huán)境條件、邊界條件、設(shè)備條件等影響因素的變化，自動調(diào)整控制策略、方法、參數(shù)和管理方式，適應(yīng)機組運行的各種工況，確保抽水蓄能電站生產(chǎn)過程長期處于安全、經(jīng)濟、環(huán)保運行狀態(tài)。對功能性故障具有自愈能力；對設(shè)備故障具有自約束能力，降低故障危害；對運行環(huán)境具有自調(diào)整能力，提升運行性能。

4.5 自學(xué)習(xí)

能夠利用模式識別、數(shù)據(jù)挖掘、人工智能等技術(shù)，對抽水蓄能電站長期生產(chǎn)運維數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)與分析，形成設(shè)備運行、維護知識庫，為故障診斷和預(yù)警提供支撐。

4.6 分析與決策

能夠利用網(wǎng)絡(luò)通信、信息融合、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，通過對多源數(shù)據(jù)的自動檢測、關(guān)聯(lián)和組合等處理，實現(xiàn)對抽水蓄能電站生產(chǎn)運行和管理過程的全息觀測與全局關(guān)聯(lián)分析。能夠基于抽水蓄能電站大量的結(jié)構(gòu)化或非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，利用機器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)挖掘、流程優(yōu)化等技術(shù)，評估識別生產(chǎn)、檢修、維護管理策略的有效性。

5 總結(jié)

隨著各項技術(shù)的發(fā)展，抽水蓄能電站設(shè)備智能化的發(fā)展必將成為必然。各大設(shè)備廠商、研究機構(gòu)也將在新技術(shù)發(fā)展的趨勢下，進(jìn)一步審視各自設(shè)備的智能化水平；而作為建設(shè)管理單位隨著業(yè)務(wù)規(guī)模的不斷擴大，對于智能設(shè)備的需求也將更加迫切。我國抽水蓄能電站的發(fā)展也將步入一個新的階段，智能抽水蓄能電站的新起點也將開啟。