胡 江 鐘金華 楊新立

易縣是全國水電農(nóng)村電氣化縣，位于河北省中西部，地處太行山脈北端東麓，地域廣闊，總面積2534 km2，地勢西高東低，流域面積200 km2以上的河流有5 條，特別是西部山區(qū)落差大，水流急，形成了豐富的水能資源，全縣水能資源理論蘊藏量為30.64 萬kW，可開發(fā)量為23.3 萬kW。目前，易縣農(nóng)村小水電運行電站共9 座，均分布于拒馬河流域，易縣水電站分布見圖1。通過水電農(nóng)村電氣化建設形成了大電網(wǎng)覆蓋下的相對獨立的農(nóng)村小水電輸電網(wǎng)絡。

圖1 易縣水電站分布

1.工程概況

1.1 水電站概況

易縣農(nóng)村小水電運行電站共9 座，總裝機容量29860 kW，設計年發(fā)電量11552 萬kW·h，水輪機25 臺，見表1，有2座為壩后式，其余7 座為引水式電站。

表1 水電站參數(shù)

1.2 拒馬河主要引蓄工程概況

拒馬河發(fā)源于淶源縣，由紫荊關鎮(zhèn)玉山鋪村流入易縣，至南城司鄉(xiāng)北辛莊村出境入淶水縣，易縣境內(nèi)長44 km，境內(nèi)流域面積43.8 萬m2。拒馬河屬山區(qū)季節(jié)性河流，無堤防，河道溝寬谷深，易縣境內(nèi)主河道上建有橡膠壩4 座，分別為玉山鋪漂流蓄水壩，以旅游為主；磐石水電站渠首橡膠壩，以發(fā)電為主；“五一”引水渠渠首橡膠壩和官座嶺引水渠高莊橡膠壩，為跨流域引水工程，以引水為主兼顧發(fā)電。

1.2.1 “五一”引水渠

“五一”引水渠將拒馬河水引入中易水上游的安格莊水庫，引水渠長8.5 km，設計最大引水能力25 m3/s，總落差354 m，建有紫荊關梯級水電站5 座即一二級站、三級站、四級站、五級站、六級站，其中三級站、四級站和五級站建有攔水壩3 座，安格莊水庫建有安格莊電廠。

1.2.2 官座嶺引水渠

官座嶺引水渠在五一引水渠下游19 km 處，引拒馬河水至北易水支流的旺隆水庫，渠長6.8 km，設計流量6 m3/s，建有官座嶺水電站，旺隆水庫建有望龍水電站。在建的西陵抽水蓄能電站在官座嶺水電站下游，官座嶺引水渠為其主要補水水源。具體參數(shù)見表2。

表2 拒馬河橡膠壩參數(shù)

2.智慧梯級水電站建設需求

近幾年來，連年干旱少雨，拒馬河水量小，河道上旅游項目開發(fā)多，各水電站、橡膠壩的水位、水量監(jiān)測設施設計水平低，使用年限較長，構造簡單原始，精準度差。信息的采集依靠人工觀測。信息傳送方式為人工電話通訊，在汛期極端天氣情況下，受通訊設施條件限制，可靠性、安全性無法保證，進而造成信息傳送時效性較差，效率較低，水量預測預報信息不完善，科學決策支撐不夠。兩座跨流域引水工程的調(diào)度運用，造成主河道水流變化情況復雜，由于信息不對稱，造成上下游各運行單位統(tǒng)一性、協(xié)調(diào)性較差，水電站發(fā)電量持續(xù)減少，直接影響經(jīng)濟收入。易縣作為千年古縣，旅游大縣，全域旅游示范縣，“五一”引水渠正常引水是易水湖（安格莊水庫、4A 級景區(qū)）主要水源，官座嶺引水渠是清西景區(qū)（5A 級景區(qū)）水系和縣城北易水景觀帶的重要水源，還是國家重點工程西陵抽水蓄能電站的補充水源，上下游各水利工程的科學合理運營直接關系到縣域旅游發(fā)展戰(zhàn)略和經(jīng)濟發(fā)展。

拒馬河流域的7 座水電站利用拒馬河水發(fā)電，獨立運營核算，運行方式、日常檢修、發(fā)生事故無征兆、無預警，形成各運營單位互相干擾，特別是磐石電站，紫荊關四級、五級、六級站前池進水口是虹吸式，經(jīng)常因上游來水不穩(wěn)定破壞真空而空載運行，據(jù)估算每年直接損失達100 萬元以上，經(jīng)濟損失巨大。2 座跨流域引水渠引水還影響另外2 座壩后式水電站的效益。

建設智慧梯級水電站系統(tǒng)，能夠加強監(jiān)測、強化預報、利用智慧水利系統(tǒng)來進行調(diào)度決策，對梯級水電站在水力資源綜合利用、電能質(zhì)量提高和負荷調(diào)節(jié)能力增強具有重要意義，對于各電站發(fā)電量的增加還有很大的挖掘潛力?！笆奈濉币?guī)劃中水利部要求有條件的電站進行數(shù)字孿生改造，建立小水電站群集控中心，實現(xiàn)遠程監(jiān)控、實時調(diào)度和集約化管理。因此，建設智慧梯級水電站系統(tǒng)是十分必要的。

3.智慧梯級水電站建設思路和內(nèi)容

3.1 建設思路及設計原則

易縣拒馬河流域的各運營單位進行自動化改造及建設，匯總各種數(shù)據(jù)，通過數(shù)字孿生模塊計算，遠程預告、控制各運營單位的運行工況實現(xiàn)智慧運行。分別改造6 座水電站計算機自動控制系統(tǒng)及建設3 座河道橡膠壩自動化系統(tǒng)，完善各水電站前池進水閘門、泄水閘門、前池水位、尾水水位、廠區(qū)視頻、前池進水量、攔河壩上橡膠壩、閘門、水位、水資源流量的監(jiān)測及控制。建設河道橡膠壩綜合自動化控制系統(tǒng)，達到遠程監(jiān)控、數(shù)據(jù)共享、圖像遠傳瀏覽、智能設備控制的水平。并在易縣水電管理處建設電站集控中心，將水電站計算機自動控制系統(tǒng)各種數(shù)據(jù)信息和視頻圖像上傳至流域集控中心，實現(xiàn)各運營單位的自動化現(xiàn)地控制和調(diào)度遠程控制。遵循以下設計原則。

一是系統(tǒng)總體框架采用分層、分布、模塊式體系結構，各層之間通過以太網(wǎng)或現(xiàn)場總線進行信息傳輸和資源共享，以便于軟硬件的維護、擴展和升級。系統(tǒng)平臺、軟件技術和硬件產(chǎn)品都采用行業(yè)內(nèi)的成熟產(chǎn)品和技術，立足先進技術，采用主流技術，使系統(tǒng)具有較高的可靠性和較長的生命周期。

二是運行值班方式按“無人值班”（少人值守）的原則設計，按照無人值班的原則預留接口和平臺。監(jiān)控方式采用以計算機監(jiān)控系統(tǒng)為基礎的全站區(qū)域集控方案，設置統(tǒng)一的全站計算機監(jiān)控系統(tǒng)。

三是系統(tǒng)設計界面清晰、操作簡便，易于掌握。為了保證數(shù)據(jù)的準確性及系統(tǒng)運行的安全性，軟件開發(fā)過程中要充分考慮到容錯和糾錯機制，提供冗余能力和邏輯檢查能力。系統(tǒng)具有冗余容錯設計，不會因局部的故障而引起系統(tǒng)誤操作或降低系統(tǒng)性能。

四是系統(tǒng)實時性好，抗干擾能力強，適應電站的現(xiàn)場環(huán)境。充分考慮到以后的擴展，遵循開放性和可擴展性原則。軟硬件的配置采用開放式結構，并在系統(tǒng)資源方面增加適當?shù)娜哂?，以便今后新建項目時，實現(xiàn)可靠的無縫對接。

3.2 主要建設內(nèi)容

集控中心建設內(nèi)容包括自動化集控系統(tǒng)、視頻集控系統(tǒng)、LED 大屏顯示系統(tǒng)3 個子系統(tǒng)。

3.2.1 自動化集控系統(tǒng)

對各運營單位自動化改造及建設6 座電站自動化集控系統(tǒng)，實現(xiàn)各運營單位的集中監(jiān)視、集中控制、集中管理、統(tǒng)一調(diào)度、提前預警預報，最大程度地實現(xiàn)資源優(yōu)化和水資源有效利用。電站集控系統(tǒng)配置操作員工作站、服務器、核心交換機、衛(wèi)星時鐘、UPS 電源、集控軟件等軟硬件設備。

3.2.2 視頻集控系統(tǒng)

視頻集控系統(tǒng)部署視頻監(jiān)控工作站、視頻服務器、視頻綜合管理平臺、視頻核心交換機等軟硬件設備，用于各運營單位視頻監(jiān)控的接入、管理，對視頻監(jiān)控資源進行整合和集中管理，實現(xiàn)各水電站及橡膠壩運行動態(tài)視頻信息實時可見、互通共享。為統(tǒng)一調(diào)度提供基礎信息和依據(jù)。

3.2.3 LED 大屏顯示系統(tǒng)

集控中心建設安裝1 套LED 大屏顯示系統(tǒng)，組成一個高分辨率的數(shù)字顯示系統(tǒng)，用于顯示電站集控系統(tǒng)畫面和視頻監(jiān)控系統(tǒng)畫面。

4.智慧梯級水電站效益

一是提高發(fā)電量，增加發(fā)電效益。通過上下游水位、流量等監(jiān)測，結合物聯(lián)網(wǎng)通信技術，結合水輪機發(fā)電機組自動裝置，依據(jù)水位、流量自動開停機及自動調(diào)節(jié)負荷，增加發(fā)電效益，每年可減少損失100 萬元以上。

二是少（無）人值守，減少人員成本。結合物聯(lián)網(wǎng)和移動互聯(lián)技術，通過手機端APP 界面或集控中心工作站，實現(xiàn)遠程開停機、負荷調(diào)節(jié)、狀態(tài)監(jiān)控、視頻監(jiān)控、機組噪聲監(jiān)控等，實現(xiàn)少（無）人值守?！斑h程”中控室，減少投資，綜合控制集成，可以取消現(xiàn)地監(jiān)控工作站，將監(jiān)控工作站移到手機端APP，通過遠程終端中控，實現(xiàn)水電站減員增效。

三是在枯水期幾座橡膠壩和攔水壩互相調(diào)度可達到日調(diào)節(jié)調(diào)峰運行，如實行峰谷電價預計可增收35 萬元。

四是雨洪預報測報，實現(xiàn)水電站上游水位預知，減少棄水。通過水文氣象、結合集雨面積、來水等數(shù)據(jù)，通過雨洪預報預警模型實現(xiàn)流域洪水流量過程預報和水位過程預報，通過數(shù)字孿生推演提前調(diào)控增加發(fā)電量。

5.結語

綜上所述，建設智慧梯級水電站效益顯著，建設智慧梯級水電站系統(tǒng)，構建高效節(jié)能、綠色環(huán)保、環(huán)境舒適的人性化水電站是可行的。但也存在一些問題：縣域內(nèi)各水電站及橡膠壩功能和調(diào)度各不一樣，為了實現(xiàn)多個水電站的集中運行、管理和監(jiān)控，接入平臺中心，統(tǒng)一調(diào)度、運行、標準化管理、監(jiān)控，實現(xiàn)規(guī)模效益，還需多方協(xié)調(diào)配合；為了實現(xiàn)平臺運行管理一體化，需提供安全生產(chǎn)標準化運行管理模塊，實現(xiàn)智能安全巡檢、報警、事故處理流程化、臺賬管理標準化、智能辦公一體化等，平臺的日常運營維護、通信費用需進一步協(xié)調(diào)等等。