數字化水電站解讀

華應強

(哈爾濱電機廠有限責任公司，哈爾濱 150040)

0 前 言

抽水蓄能電站是利用電力負荷低谷時的電能抽水至上水庫，在用電高峰期再放水至下水庫發電的水電站。在電網中主要起調峰作用，對電網整體安全、穩定至關重要。我國抽水蓄能電站建設起步比較晚，但由于后發效應，起點卻較高，近年建設的幾座大型抽水蓄能水電站技術已處于世界先進水平。自動化、數字化程度相比常規機組也高出不少。抽水蓄能電站是今后10a水電開發的重點。國網新源公司占全國抽水蓄能裝機份額達70%之多，率先提出建設數字化智能型水電站理念。對設備廠商提出精益制造、智能化、全生命周期服務三個要求。他在電站數字化、智能化方面的思考與探索處于行業引領。無論是發電企業還是電站設備供應商對數字化智能型電站進行積極解讀非常必要。目前這方面尚未有成熟的行業解決方案[1]。文章基于電廠未來運營、管理的需求及挑戰，結合當前大數據、人工智能等信息技術及哈電在三維設計和數字化工廠建設方面的實踐經驗，對數字化智能型水電站進行解讀。

1 數字化電站的實現過程

1.1 水電站數字化現狀

近年新建水電站，大壩建設采用了BIM技術，BIM(Building information Modeling)是基于模型的信息化管理，是以建筑工程項目的各項相關信息數據作為基礎，管理三維建筑模型，通過數字信息仿真模擬建筑物所具有的真實信息。它具有信息完備性、信息關聯性、協調性、模擬性、優化性和可出圖性等八大特點。設計單位、建設單位、施工單位、監理單位等項目參與方在一個平臺上，共享同一建筑模型。實現了從設計、施工管控的全過程可視化及精細化管理。目前市面上有Revit、Bentley、ArchiCAD等成熟商業軟件。BIM的價值主要體現在項目建設期，水電站投運后就沒有什么價值了。設備供應商用UG、Solidworks等三維軟件在虛擬環境中進行產品設計，通過與PLM、ERP、MES等系統集成，在虛擬環境中實現從設計到生產制造全生命周期對產品進行仿真、評估和優化。讓三維模型作為唯一信息源服務于從設計到制造全過程。這個過程稱之為數字化工廠。目前達索、西門子等工業軟件供應商都有成熟的解決方案。并在航空航天、汽車、裝備制造等行業進行了成功實施。水電站的運維、檢修占了其全生命周期的90%之多。所以水電站的數字化其實是機電設備的數字化，是設備供應商數字化工廠的延續。

1.2 數字化的實質

化學試驗通常要把固態物質通過試劑等方式溶解以充分混合達到分子級別接觸為化學反應發生創造條件。數字化是把設備狀態的物理特性轉化為易測量、易識別、易存儲、易檢索、易監測、易傳輸的數字信號。它是一個把連續信息離散為數字比特的過程。比特是計算機世界最小單元相當于化學的分子。這樣信息可以在比特級別被處理，充分融入由計算機組成的現代信息技術體系中。由于在虛擬工程環境中進行產品設計、工藝設計、分析、仿真和驗證，因此減少物理空間的質量問題和時間成本。同時也減少技術人員對經驗的依賴，比如數字樣機。另一方面通過集成設計、制造、供應鏈管理等各個環節實現業務自動化。

1.3 設備數字化

基于模型的產品定義MBD(model based definition)是在三維模型中完整表達設計、制造信息，確定產品定義信息的唯一性。所有業務均使用三維模型進行信息傳遞，形成結構化數據集，該數據集不僅包含幾何特征、尺寸、公差等，還包括隱含的制造信息、檢驗和質量信息。使設計和制造無縫聯接形成閉環。最典型的應用是主機廠商在設計階段就采用三維模型表達設計信息并在數字化工程環境中用三維模型進行分析、仿真和驗證。設計完成后將模型傳遞到制造環節，制造部門在虛擬制造環境中，在三維模型上開展工藝設計、工藝仿真以及數控編程等。在此階段工藝人員對產品工藝的可行性、經濟性進行評估反饋給設計，以改進設計。MBD很好的解決了設計和制造的協同。由于可以在虛擬工程環境中進行分析、仿真、驗證，從而減少了技術人員對經驗的依賴。采用MBD解決方案很大程度上解決了產品質量問題實現精藝制造。三維模型不光可以用在產品設計制造中，還可以服務于產品全生命周期，比如電站作業指導可以用三維模型做成多媒體形式。電站技術管理完全可以用模型為中心進行集成。更進一步通過模型可以建造一個虛擬電站，使用者可以在虛擬環境中學習電站各部分構造、功能等并完成一些相關的技術驗證。

1.4 數字化監測裝置

一方面使用高精度、高可靠性數字測量裝置獲取準確數字信號。另一方面，目前主機測量更多地停留在基于部件和部套的監測，不成體系，相對孤立，如：氣隙、局放、軸承振動擺度及軸心軌跡監測。隨著對于機組的認識不斷增強，智能化發展開始從整體和基本特征角度出發，如機組噪聲測試則是從整體上分析機組的故障狀態，而基于噪聲檢測的水輪機空化監測方法則是從物理現象特征出發的。

2 數字化電站是設備數字化與測控數字化的集成

無論是設備供應商數字化交付還是給機組安裝更多傳感器把機組的量測數字化，本質上只解決了數據的收集。真正的數字化應該分4步：

1)設備的數字化，其核心是MBD，是基于模型的產品定義，它不是局限于幾何層面的三維模型，還包含設備的仿真、驗證、檢驗、生產等信息，這些信息以結構化數據集的形式存儲于模型，可以被各類計算機識別。

2)設備狀態監測的數字化，所有設備狀態信息可以被全面、準確的實時測量并以數字信號形式傳輸。

3)監測信息回饋到模型，在模型中進行比較，評估形成閉環。并把結果在模型上顯現出來。

4)集成數字工程及協同環境，讓整個流程實現自動化。這時三維模型實時準確的反映設備的真實狀態，實現虛擬數字世界與現實世界的準確映射。數字真正要解決的是工作的高度自動化，實現傻瓜化運行。

3 現階段電廠急需實現數字化的3個方向

3.1 數字化技術信息管理系統

目前，雖然設備供應商提交了設備相關的全部資料，包括三維模型、二維圖紙、檢驗報告、工藝守則等等。但是他們都是離散化存在，即沒有一個集成環境可以讀所有格式資料，這些資料也沒有形成結構化的數據集。比如，看三維模型你得在三維軟件里看，而這個軟件里卻不能看二維圖紙，工藝守則等，而且同一部件的相關資料都是孤立的，沒有建立關聯關系，以形成結構化數據集。所以以設備三維模型為中心把對應的二維圖紙、檢驗報告、檢查記錄等以三維模型子對象形式進行信息集成，存入數據庫。用戶即可以通過PC也可以通過移動端查看相關資料。掃描設備上的識別碼，可以知道該設備名稱及檢修、巡檢必需的全部資料。另外你也可以在移動設備上填寫相關資料完成巡檢流程。

3.2 可視高效的作業指導及培訓

目前電站運維、檢修人員的知識基本靠老師傅經驗傳授，學習也需要大修等這樣的機會。電站大修周期長達10a，導致許多新員工入職五六年不知道機組真面目。另一方面抽蓄等新機組沒有現實世界中的成熟經驗。以三維模型為基礎開發相關的虛擬環境，就可以在虛擬世界中對運維、檢修技術方案進行仿真、驗證。類似產品設計中數字樣機。用三維模型把電站的具體作業指導做成三維動畫等多媒體教程作為標準的作業指導。將所有運維、檢修逐級分解成不同任務。把這些任務放在特定情境下做成3D動畫及帶考核功能的游戲。并組合成一系列課程供不同階段員工學習及考核。

3.3 基于3D可視的虛擬檢修規劃系統

系統里根據生產任務級別定制了對應的三維場境，根據任務加入設備、物資、工具、場地、人員、備件等元素并定制特定的流程。通過選擇對應的工作流程，選擇相關元素并填寫相關屬性就可以制定基本計劃。各種定制表格自動輸出。在三維可視環境中可以直觀的對方案的可行性及經濟性進行評估。例如設備擺放場地是否合理，人員、起吊設備的安排是否沖突、物資庫存是否足夠等等。

[1]晏志勇，翟國壽.我國抽水蓄能電站發展歷程及前景展望[J].水力發電，2004(12)：58-59.