王藝瑤，陳鐵華，穆小紅

(1.長春工程學(xué)院能源動(dòng)力工程學(xué)院，長春 130012； 2.河北豐寧抽水蓄能有限公司，河北 豐寧 068350)

0 引言

隨著大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)+及AR/VR等技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域不斷發(fā)展和應(yīng)用，以及電力體制改革大力實(shí)施的背景下，智慧電廠的建設(shè)已成為水電廠現(xiàn)代化進(jìn)程中不可缺少的一環(huán)。

國家“十四五規(guī)劃”中明確指出要加快數(shù)字化發(fā)展，建設(shè)數(shù)字中國，要符合未來水電廠發(fā)展的管理和要求，傳統(tǒng)水電廠必然將轉(zhuǎn)型為智慧化水電廠[1]。相較傳統(tǒng)水電廠，智慧水電廠不僅是針對(duì)二次系統(tǒng)的數(shù)字化和計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的升級(jí)，也是對(duì)水電站機(jī)械設(shè)備、電氣設(shè)備的全新升級(jí)，引入各種全新設(shè)備、新的技術(shù)和新的思路并推廣應(yīng)用，水電廠智慧化將會(huì)成為未來水電行業(yè)主要的研究和發(fā)展方向[2]。

1 智慧水電廠總體內(nèi)容

雖然智慧水電廠的概念提出已久，各大高校、科研機(jī)構(gòu)和電力企業(yè)也早已開始對(duì)智慧水電廠的建設(shè)提出構(gòu)想，但是各界對(duì)智慧水電廠的定義及建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)還沒有達(dá)成共識(shí)。本文僅從生產(chǎn)、控制、管理、經(jīng)營4個(gè)方面對(duì)智慧水電廠進(jìn)行描述，并對(duì)智慧水電廠的涵義和總體架構(gòu)進(jìn)行介紹。

1.1 智慧水電廠的涵義

基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，通過信息化、一體化、互聯(lián)化技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)電廠、人員、設(shè)備及生產(chǎn)資料的高度結(jié)合，使信息資源集中共享、統(tǒng)一調(diào)度，并進(jìn)行智慧管理；通過全新的監(jiān)測技術(shù)、信號(hào)傳輸手段，實(shí)現(xiàn)電廠的全方位感知和智能視頻監(jiān)控；通過現(xiàn)代化企業(yè)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)經(jīng)營數(shù)據(jù)的智能化實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)分析對(duì)比，挖掘數(shù)據(jù)財(cái)富，解決數(shù)據(jù)孤島。綜合運(yùn)用大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等智能化技術(shù)手段，最終實(shí)現(xiàn)水電廠全生命周期的智慧管理。

智慧水電廠架構(gòu)如圖1所示，包括4個(gè)層面：智慧生產(chǎn)、智慧控制、智慧管理和智慧經(jīng)營。其中智慧生產(chǎn)由3個(gè)部分組成，分別是由智能檢測、故障預(yù)警和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控構(gòu)成的設(shè)備監(jiān)測，基于機(jī)器人、高清視頻、移動(dòng)終端和人工巡檢聯(lián)合方式的運(yùn)行維護(hù)檢修及設(shè)備退役。智慧控制由兩個(gè)部分組成，分別是智能感知和全息可視，指的是通過多場景巡檢機(jī)器人和重大設(shè)備全景監(jiān)控實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場的智能感知，通過數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)現(xiàn)全息可視。智慧管理由3個(gè)部分組成，分別是通過安全生產(chǎn)保障、執(zhí)行、監(jiān)督體系實(shí)現(xiàn)的安全生產(chǎn)管理，對(duì)人員管理實(shí)施電子兩票三制，通過設(shè)備管理、資料庫、生命周期和設(shè)備主人實(shí)現(xiàn)對(duì)圖文檔管理。智慧經(jīng)營是指通過ERP(Enterprise Resource Planning)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)財(cái)務(wù)經(jīng)營智慧化及通過經(jīng)營指標(biāo)報(bào)表實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)運(yùn)行的全信息統(tǒng)計(jì)。

1.2 智慧水電廠總體架構(gòu)

1.2.1 智慧生產(chǎn)

水電廠智慧生產(chǎn)結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括設(shè)備監(jiān)測、運(yùn)行維護(hù)檢修及設(shè)備退役。以設(shè)備為主體，定期綜合評(píng)價(jià)設(shè)備的健康運(yùn)行狀態(tài)，基于分析結(jié)果提出機(jī)組或設(shè)備的優(yōu)化運(yùn)行方式、運(yùn)維檢修策略等，使各設(shè)備運(yùn)行在最佳工況。

圖1 智慧水電廠架構(gòu)圖

圖2 智慧生產(chǎn)架構(gòu)圖

1.2.1.1 設(shè)備監(jiān)測

包括智能檢測、故障預(yù)警和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控。

智能檢測是通過各種智能傳感器，對(duì)水電機(jī)組運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，自動(dòng)分析對(duì)比，建立數(shù)據(jù)庫和評(píng)價(jià)體系，實(shí)現(xiàn)機(jī)組運(yùn)行過程中數(shù)據(jù)的可視化與監(jiān)測過程的智能化。

故障預(yù)警是利用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，結(jié)合智能檢測結(jié)果和專家?guī)?，?duì)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)，實(shí)時(shí)掌握機(jī)組的健康狀況，并與其他系統(tǒng)信息共享，形成較完善的設(shè)備健康評(píng)價(jià)體系，為狀態(tài)檢修提供信息依據(jù)。

風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控是對(duì)業(yè)務(wù)活動(dòng)進(jìn)行分類，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，劃分等級(jí)，制訂控制措施后，從移動(dòng)終端發(fā)布風(fēng)險(xiǎn)信息。針對(duì)將出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)提前做好工作安排和部署，在遇到風(fēng)險(xiǎn)時(shí)可以有效地避免或使其影響最小化，以保障水電廠的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1.2.1.2 運(yùn)行維護(hù)檢修

基于機(jī)器人、高清視頻、移動(dòng)終端、人工巡檢聯(lián)合的方式，將三維可視化、人工智能、移動(dòng)應(yīng)用、定位導(dǎo)航等技術(shù)應(yīng)用于電站設(shè)備設(shè)施巡檢，實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航、自動(dòng)記錄、智能識(shí)別、遠(yuǎn)程診斷等功能。以提升效率為目標(biāo)，真正實(shí)現(xiàn)智能無人巡檢體系。

1.2.1.3 設(shè)備退役

將設(shè)備入廠投產(chǎn)時(shí)間錄入到系統(tǒng)中，利用專家資料庫和數(shù)據(jù)挖掘分析技術(shù)對(duì)設(shè)備使用年限進(jìn)行分析，在即將到達(dá)使用壽命時(shí)進(jìn)行預(yù)警，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的智能退役。

1.2.2 智慧控制

包括智能感知和全息可視。利用智能設(shè)備和數(shù)字孿生技術(shù)提高水電廠在線監(jiān)測和全面感知的水平。除了常規(guī)的狀態(tài)監(jiān)控外，引進(jìn)全新的監(jiān)測技術(shù)、信號(hào)傳輸手段，盡量減少監(jiān)控盲點(diǎn)，擴(kuò)大監(jiān)測范圍。

1.2.2.1 智能感知

利用多場景巡檢機(jī)器人和重大設(shè)備全景監(jiān)控，進(jìn)行全天的信息采集，通過人工智能對(duì)監(jiān)測內(nèi)容進(jìn)行分析，識(shí)別出差異數(shù)據(jù)和異常視頻信息，使運(yùn)行監(jiān)控更加精準(zhǔn)，機(jī)組運(yùn)行更加安全可靠。

1.2.2.2 全息可視

通過數(shù)字孿生技術(shù)，構(gòu)建全廠的三維仿真模型，展示整個(gè)電廠的物理分布情況及設(shè)施運(yùn)行狀態(tài)。實(shí)現(xiàn)全廠可視化導(dǎo)航與漫游、可視設(shè)備拆解與組裝以及工藝流程的仿真和設(shè)備原理培訓(xùn)等功能[3]。

1.2.3 智慧管理

水電廠智慧管理結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括安全生產(chǎn)管理、人員管理和圖文檔管理。通過構(gòu)建一體化管控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)水電廠安全生產(chǎn)管理、外來人員管理和圖文檔管理等各類系統(tǒng)信息資源的集中共享、統(tǒng)一調(diào)度與智慧管理。

圖3 智慧管理架構(gòu)圖

1.2.3.1 安全生產(chǎn)管理

包括安全生產(chǎn)保障體系、安全生產(chǎn)執(zhí)行體系和安全生產(chǎn)監(jiān)督體系。

安全生產(chǎn)保障體系：通過安全教育系統(tǒng)對(duì)工作人員進(jìn)行系統(tǒng)性的安全教育培訓(xùn)及考核。通過智能識(shí)別等技術(shù)，讓工作人員接到工作任務(wù)后，自動(dòng)關(guān)聯(lián)到作業(yè)區(qū)域，該區(qū)域自動(dòng)啟動(dòng)人員定位功能，實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)的全面保障。

安全生產(chǎn)執(zhí)行體系：通過安全管理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)智能操作、智能工作、設(shè)備的智能巡檢、智能安全工器具、標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)系統(tǒng)和交接班管理系統(tǒng)的信息互通，從而提高水電廠的生產(chǎn)安全，防止事故發(fā)生。

安全生產(chǎn)監(jiān)督體系：通過抽取水電廠視頻監(jiān)測系統(tǒng)和機(jī)器人巡檢數(shù)據(jù)，結(jié)合電廠的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法構(gòu)建基于智能視覺的電廠安全監(jiān)督體系，對(duì)電廠設(shè)備狀態(tài)、人員行為、生產(chǎn)安全進(jìn)行全方位的智能化監(jiān)測，使電廠安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1.2.3.2 人員管理

將“兩票三制”智能化，與門禁、人員定位、三維可視化、電子圍欄、智能監(jiān)控進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，保障現(xiàn)場人員全過程作業(yè)安全，實(shí)現(xiàn)交接班、巡回檢查、設(shè)備定期輪換到期智能預(yù)警，確保無間斷監(jiān)控機(jī)組運(yùn)行。

1.2.3.3 電子圖文檔管理

包括設(shè)備管理、資料庫、設(shè)備生命周期管理、設(shè)備主人。將云平臺(tái)、大數(shù)據(jù)、三維仿真、二維碼等現(xiàn)代化計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于電廠圖紙、資料管理及設(shè)備管理，實(shí)現(xiàn)圖文檔資料管理的數(shù)字化、智能化、信息化。

設(shè)備管理通過在設(shè)備上粘貼二維碼標(biāo)識(shí)牌，用手機(jī)掃描二維碼，即可獲得該設(shè)備的自然信息、運(yùn)行信息、維護(hù)信息等，方便現(xiàn)場人員了解設(shè)備狀態(tài)，提高設(shè)備運(yùn)行管理水平和效率。

資料庫是將全廠設(shè)備的技術(shù)規(guī)范、部件清單、檢修記錄、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、各專業(yè)的圖紙及技術(shù)資料全部信息化，使工作記錄和查詢方式方便快捷。

設(shè)備生命周期管理包括對(duì)設(shè)備狀態(tài)和維修記錄的管理。實(shí)現(xiàn)對(duì)電廠水輪發(fā)電機(jī)組主輔系統(tǒng)包括的全部組成零部件的安裝時(shí)間、庫存數(shù)據(jù)、更換周期、使用壽命及主要參數(shù)進(jìn)行的全生命周期管理。

設(shè)備主人功能通過移動(dòng)端APP實(shí)現(xiàn)，提醒相應(yīng)的“設(shè)備主人”按年度“設(shè)備檢驗(yàn)計(jì)劃時(shí)間表”要求及時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的檢測工作，并將檢測結(jié)果通過系統(tǒng)進(jìn)行上報(bào)。

1.2.4 智慧經(jīng)營

包括財(cái)務(wù)經(jīng)營、生產(chǎn)運(yùn)行。在信息化產(chǎn)業(yè)的時(shí)代背景下，ERP作為一種現(xiàn)代化企業(yè)管理系統(tǒng)，逐漸被水電廠采納應(yīng)用。通過ERP系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行全方面的查詢及比較分析，為水電廠智慧經(jīng)營智能化提供了一種新的思想和方法，提高了水電廠的信息化水平、工作效率和市場競爭力。

1)財(cái)務(wù)經(jīng)營是指通過ERP系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)財(cái)務(wù)核算、項(xiàng)目管理、物資采購、合同全周期管理的智能化，開展實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的分析，能夠讀取全業(yè)務(wù)的中心數(shù)據(jù)，支持大數(shù)據(jù)分析，多維直觀地展示數(shù)據(jù)分析結(jié)果。

2)生產(chǎn)運(yùn)行通過經(jīng)營指標(biāo)報(bào)表實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的全信息統(tǒng)計(jì)。將在系統(tǒng)中獲取的經(jīng)營數(shù)據(jù)、生產(chǎn)的實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、運(yùn)行中手工抄錄的數(shù)據(jù)等多個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)集成在一個(gè)平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)多個(gè)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)集成及報(bào)表的自動(dòng)分析。

2 關(guān)鍵技術(shù)

智慧水電廠的實(shí)現(xiàn)需要相關(guān)技術(shù)手段作為支撐，大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)及智能技術(shù)等的快速發(fā)展促進(jìn)了水電技術(shù)的革新。實(shí)現(xiàn)智慧水電廠的關(guān)鍵技術(shù)概括來講包括數(shù)據(jù)處理、機(jī)器人技術(shù)、數(shù)字孿生技術(shù)、識(shí)別技術(shù)、三維可視化技術(shù)等。

2.1 數(shù)據(jù)處理

基于統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)建立水電廠數(shù)據(jù)接入模型，采用標(biāo)準(zhǔn)的通用接口實(shí)現(xiàn)對(duì)不同種類型數(shù)據(jù)的獲取，匯集生產(chǎn)信息系統(tǒng)的所有數(shù)據(jù)。利用動(dòng)態(tài)鏡像傳輸技術(shù)，建立高效數(shù)據(jù)傳輸路徑，實(shí)現(xiàn)跨大區(qū)數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)時(shí)進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)傳輸，斷點(diǎn)續(xù)傳。建立數(shù)據(jù)中心，為所有應(yīng)用提供數(shù)據(jù)訪問接口，為節(jié)省存儲(chǔ)空間，數(shù)據(jù)采用分級(jí)壓縮。通過開發(fā)計(jì)算機(jī)組態(tài)工具進(jìn)行準(zhǔn)確、有效的計(jì)算，剔除部分異常數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)進(jìn)行多次歸類并計(jì)算出特征值，完成數(shù)據(jù)計(jì)算。根據(jù)水電站特征性進(jìn)行運(yùn)行分析、技術(shù)分析、綜合分析，設(shè)計(jì)針對(duì)水電站的數(shù)據(jù)分析算法。所有應(yīng)用模塊均進(jìn)行組態(tài)化設(shè)計(jì)，包括數(shù)據(jù)整編、報(bào)表、監(jiān)視畫面、報(bào)警預(yù)案、設(shè)備聯(lián)動(dòng)、趨勢分析等。

2.2 機(jī)器人技術(shù)

巡檢機(jī)器人利用激光雷達(dá)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自動(dòng)導(dǎo)航巡檢。采用先進(jìn)的激光導(dǎo)航和視覺識(shí)別，使機(jī)器人的定位系統(tǒng)更加精準(zhǔn)。對(duì)廠內(nèi)導(dǎo)航部署實(shí)施無軌化操作，搭載云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)可見光和紅外相機(jī)全方位無死角的視頻拍攝，配備手動(dòng)遙控器，可以控制機(jī)器人和云平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)。通過紅外熱診斷技術(shù)，準(zhǔn)確分析各類設(shè)備溫度是否異常與各類電流致熱性的故障，實(shí)時(shí)監(jiān)控各類設(shè)備的溫度情況。安裝聲音采集器采集設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)聲音，機(jī)器人通過自主學(xué)習(xí)和智能學(xué)習(xí)，不斷完善設(shè)備異常音頻庫內(nèi)容，發(fā)現(xiàn)異常可及時(shí)通知管理人員。

2.3 數(shù)字孿生

數(shù)字孿生實(shí)際上就是要達(dá)到虛實(shí)對(duì)應(yīng)，構(gòu)建電廠實(shí)景三維模型云平臺(tái)，建立電廠完整的室內(nèi)外實(shí)景模型，通過數(shù)據(jù)建模，利用知識(shí)圖譜，把各種信息整合成策略，推送到生產(chǎn)過程中，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)高效智能化的管控，為電廠多個(gè)場景應(yīng)用提供支持。

2.4 識(shí)別技術(shù)

人臉識(shí)別系統(tǒng)通過安裝抓拍設(shè)備，將拍攝到的信息以光纖傳輸?shù)姆绞絺髦辽隙朔?wù)器，通過視頻結(jié)構(gòu)化分析，提取人員的外形、衣服特征，發(fā)現(xiàn)異樣信息則發(fā)出預(yù)警提示?？蓪?shí)現(xiàn)進(jìn)出廠區(qū)人數(shù)的記錄，為相關(guān)人員查找監(jiān)測提供圖像信息。

圖像識(shí)別技術(shù)可以識(shí)別場景并進(jìn)行分類，不同的識(shí)別場景有不同類型的設(shè)備。按照所需要的場景可分為中控室、開關(guān)室、發(fā)電機(jī)層、水輪機(jī)層、庫區(qū)、尾水、閘門控制室等。對(duì)場景進(jìn)行分類，可以更好地定位巡檢范圍。圖像識(shí)別技術(shù)也可以對(duì)所識(shí)別的對(duì)象進(jìn)行分類，不同的識(shí)別對(duì)象對(duì)應(yīng)著不同的識(shí)別算法。按照所需識(shí)別的對(duì)象可分為指示燈、保護(hù)連片、開關(guān)把手、按鈕、壓力表、油位計(jì)、油水氣閥門等。

二維碼識(shí)別技術(shù)是基于系統(tǒng)、子系統(tǒng)、設(shè)備、部件、零配件多級(jí)的設(shè)備自身編碼和擴(kuò)展編碼的結(jié)合，既確保了系統(tǒng)設(shè)備編碼的唯一性，又通過擴(kuò)展編碼來滿足與外部系統(tǒng)的兼容性。通過唯一的設(shè)備編碼將設(shè)備資料有效整合，通過掃描二維碼可以完成各自的項(xiàng)目訪問。

2.5 三維可視化技術(shù)

構(gòu)建電廠實(shí)景三維模型云平臺(tái)，應(yīng)用無人機(jī)傾斜攝影和即時(shí)定位與地圖構(gòu)建技術(shù)建立完整的廠區(qū)內(nèi)外實(shí)景模型，還原電廠廠房、設(shè)備結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)在云平臺(tái)上將電廠場景還原、三維設(shè)備拆解等功能。開發(fā)實(shí)景三維服務(wù)平臺(tái)，展現(xiàn)水電廠各區(qū)域的基本建設(shè)、設(shè)備運(yùn)行情況以及相關(guān)注意事項(xiàng)，為電廠多個(gè)應(yīng)用場景提供支持。模擬水電廠人員的工作狀態(tài)，再現(xiàn)水電廠運(yùn)行過程中的場景，結(jié)合數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，在三維場景中實(shí)時(shí)顯示關(guān)鍵設(shè)備的主要參數(shù)，以設(shè)備為基礎(chǔ)構(gòu)建主要生產(chǎn)系統(tǒng)集合，分層顯示，建立從系統(tǒng)到設(shè)備、部件的三維可視化系統(tǒng)。

3 結(jié)語

電力發(fā)展步入新常態(tài)，智慧水電廠也隨之提上日程，得到電力企業(yè)的重視。本文對(duì)智慧水電廠從智慧生產(chǎn)、智慧控制、智慧管理和智慧經(jīng)營4個(gè)方面做出了綜合性的概述，引入智能設(shè)備、前沿技術(shù)與新的理念作為支撐與保障，結(jié)合一體化管控平臺(tái)，打造水電廠設(shè)備智能化、信息共享化、監(jiān)控多維化、管理統(tǒng)一化、數(shù)據(jù)分析實(shí)時(shí)化的全生命周期智慧化管理模式，能更好地適應(yīng)電力生產(chǎn)的發(fā)展需要，以推動(dòng)智慧水電廠的快速發(fā)展。