淺談近代智能化技術在水電工程中的應用

羅 浩 ， 王 文 超 ， 李 佳 棟， 劉 敏 琦

(雅礱江流域水電開發有限公司，四川 成都 610051)

1 概 述

水電是構成我國現代能源體系的重要組成部分,在我國市場經濟的發展中一直占有重要地位。大型水電站的技術進步有利于我國經濟社會的可持續發展。近年來,國家環保的政策逐步收緊,能源危機與環境資源保護的形勢緊迫,對我國水電行業的發展與生存帶來了前所未有的挑戰與機遇。雖然自深化改革開放以來,我國部分大型水電站的技術革新相對及時,但這只是較少部分,較多的大型水電站仍然由于資源或資金的嚴重限制一直在堅持使用原始的設備和管理模式。因此，如何有效提高我國大型水電站的智能化管理水平一直是水電行業內研究的重要課題。

2003年,在電力領域,美國和日本以及歐洲先后兩次提出“智能電網”的概念,但目前電力相關技術領域的研究主要側重于輸電、送電和用電等環節, 對于電力的原始起點--電站的研究投入還相對較少[1]。雖然智能水電站還沒有準確的定義,但目前智能水電站的發展方向已經明確并得到了電力行業內的廣泛認可,智能化水電站主要指的是進行網絡化、數字化、智能化的電力生產和運營管理。目前，智能化硬件設備是未來智能水電站的構建基礎,要求采用集成、可靠、環保的智能化硬件設備,通過先進的計算機通信技術構建智能化網絡體系,實時監測和掌握電力生產過程中設備的運行狀態,并通過網絡大數據對設備狀態和工作環境進行評估,從而自動確定和調節設備的正常運行參數。這些都主要是建立在智能化應用程度較高的軟、硬件的基礎之上。智能水電站的智能化體系建設仍然存在諸多困難,復雜的智能化設備、各類信號的干擾和覆蓋等都會帶來各種挑戰。

目前，國內水電站的智能化建設仍然任重道遠，具體還存在以下實際困難：(1)技術難度大。如某些流域梯級電站無人值守，完全智能化的問題仍未解決，整個流域的信息化管理迫切需要完善，且相對于流域中較偏遠的部分梯級電站、區域電站設備還不具有智能化的基礎條件。(2)時間的局限性。在水電站建設這一領域，計算機監控系統、工業視頻監控系統、自動消防系統等基礎設施建設已趨于完善，但智能電站的建設并非一蹴而就，部分水電站相對于設備的信息化管理與運行改善較少，還有很大提升空間。(3)智能電站的建設意識相對薄弱。水電站管理人員對智能水電站的知識儲備不足，對于先進的技術了解不充分。

2 “互聯網+”在水電領域的應用

“互聯網+”旨在通過強大的互聯網信息平臺有效促進中國傳統產業的發展,實現互聯網資源的有效優化和合理配置,促進中國互聯網經濟的全面健康發展。我們所謂的“互聯網+”實際上是指近幾年中國逐步發展起來的新興技術和互聯網信息技術。將云計算、大數據等信息技術理念引入到水電站信息化建設中,通過建設基于“互聯網+”的水電管理信息服務系統[1],幫助全國各級水電站管理部門實現對水電站遠程集中監管,提升電站信息技術管理水平,合理地優化資源配置,實現效益的最大化。

2.1 大數據下的水電信息管理

隨著第四次工業革命的到來，互聯網、人工智能技術逐漸應用在各行各業。顯然，傳統的水電站信息管理方法已經無法滿足快速發展的生產需求。而水電站信息管理對于提高生產效率、降低事故發生率具有重要意義。基于大數據的云計算等技術具有運算速度快、準確率高等優勢，所以，基于大數據的水電站信息管理系統對水電發展有重大意義[2]。

通過將各機電設備反饋的數據與電站生產管理的經驗數據結合，分析出各設備的當前運行狀態及故障隱患，便于故障的及時排除。同時，又省去了全面排查設備的繁重工作，提高電站人員的工作效率。基于大數據的水電信息管理系統并不局限于一個電站內，通過網絡信息傳遞可以對多個電站組網，共享設備運行數據，數據量越大，云計算的結果可信度就更高。同時，還可以將流域內的氣象資料接入系統，對于抗旱防洪也具有重要參考價值，具體的系統功能模塊見圖1。

圖1 系統功能模塊圖

基于大數據的水電站管理信息系統搭建后，在整個流域梯級水電站信息化建設方面具有很大優勢，主要體現在以下方面：

(1)方便管理。在大數據下，整個流域信息管理結構較為統一，能夠實現梯級水電站的統一調度。

(2)建設周期短。通過水電站管理服務云平臺就可以定制所需的大部分功能，借鑒流域中已經建成的電站，再根據電站信息化建設的實際情況對基礎設施和數據系統進行配置，不必再按照傳統信息化建設歷程，從前期的需求調研、分析設計到系統開發、測試、部署、調試安裝等全過程投入。因此，在信息化建設初期減少了電站投入的人力成本和時間成本。

(3)優勢明顯。基于大數據下的水電信息化建設相比傳統水電數據采集運用優點更為顯著，通過對各類數據進行相關性研究分析，精密計算，在日積月累中又不斷創建新的數據，逐漸形成電站自有的大數據結構體系。

目前，基于大數據的水電站管理信息系統建設項目實施在前期可能還是會遇到一些困難,如可以綜合利用的實際水電資源數據太少,而且又無法進行標準的信息化管理，系統建設中需要人機交互的環節和場景還很多。但隨著系統的持續開發，數據的不斷挖掘和積累，人工智能AI技術的引入和成熟，大數據技術的不斷進步，這些問題在后期能被解決。基于大數據的水電站管理信息系統具有很廣泛的市場前景，不僅能解決單個電站信息化建設需求，同時，還可以通過長期積累的資源管理數據和項目建設經驗，為整個流域提供更優質的服務。

2.2 智能化水電站監控系統

近年來，大數據的計算與分析技術迅速發展，將其廣泛運用于智能水電站的工程建設是后續水電行業發展的必然趨勢。智能化水電站的一大特點是智能化監控設備的運行狀態，這就決定了需要對水電站設備各種日常運行參數數據進行采集、分析和評估。如完整的數據采集處理系統，可以對現地的各類傳感元件進行實時地數據采集，并擁有報表生成能力，能自動生成運行人員所需的各類數據分析報表，如生產報表，機組運行數據(振動、擺度等)分析報表，噪音數據分析報表等功能，并根據報表分析出當前設備的運行工況，讓機組運行在最優工況之下。

計算機監控系統按照分層分布式網絡結構(圖2為某水電站網絡拓撲圖)，完全開放式設計，可以實現大量的設備運行數據采集，進而實現對水電站全方位的集中監視與控制。完善的智能分析系統，對當前水電站可能出現的常見故障進行智能分析并做出決策，無需運行管理人員的干預，對一些嚴重故障也能進行智能分析，并結合當前設備故障狀況列出及時的處置方案，做出最優決策，在真正意義上實現“無人值守”的模式，讓水電站自動管理、運行，這也將是未來智能化監控系統發展的一個重要趨勢。

3 水電站電氣智能化技術

3.1 水電設備的自動化升級

水電站的日常設備管理與監控是一項繁雜的任務。設備的自動化程度提高和智能化數據采集與分析會大幅度減少偏遠地區水電站工作人員的負擔，同時，還能減少人為失誤所引起的損失。

圖2 某水電站監控網絡拓撲圖

水電設備的自動化升級主要體現在水電設備的互通互聯性和可拓展性。當水電站運行出現故障時，能夠實現自動報警，并聯動電廠的相關設備進行及時處置，讓電站的損失降到最小。目前，水電站的運行現狀還是根據對現地水電設備的運行工況進行實時的數據采集，通過模擬量或開關量傳輸至上位機，局限于簡單的分析或邏輯運算。因此，如何讓水電設備做到真正意義上的智能還有待研究。

3.2 智能水電設備的互聯

早期的水電站智能化設備具有成本高、體積大和質量差等缺點，因此，未能在國內得到廣泛的實際應用，只能實現數據的存儲和人機展示等初級的功能，無法對水電站的數據進行全面的收集和分析，以及對相關智能化設備的遠程控制。而現在隨著技術的革新速度加快，水電站引入智能化設備已經是大勢所趨，通過水電站自動化設備的互通互聯[3]，不僅在很大程度上提高自動化水平，逐步減少水電站的人力投入，對于風險管控和故障診斷也同樣具有較大的意義和優勢。

設備發生報警或故障時，系統根據設備報警或故障提示信息，迅速準確定位該報警或故障的位置和顯示可能引起該設備報警或故障的主要原因的信息，并提供相關檢查與處置建議，運行管理人員可直接根據提示信息快速查找并及時正確處置報警和故障。根據數據庫中的海量信息，計算機可以快速地分析和判斷出可能導致該故障的原因，檢修人員可以根據計算機的提示進行針對性的檢修。并且，故障發生的形式和解決的辦法都會記錄在計算機的數據庫中，隨著數據庫逐漸豐富，計算機的可靠性和決策正確率也同樣會隨之提高。在之后的設備運行中，可以達到提前發現設備異常工況并將其消滅在“萌芽狀態”的目的。

4 水電站智能化改造整體方案

4.1 智能化改造現狀及要點

國內一些大型的水電站已經初步開展了智能化系統改造的實施工作，雖然在設計和實施的過程中遇到了一些技術上的問題，但在實踐中總結了不少經驗。每個水電站在改造過程中都是從自身實際情況出發制定改造方案，所以，根據地域等因素的實際需求差異，每個改造案例的設計側重點不同，但是總體思路是類似的，即在保留水電站原有的功能基礎上重新建設一套智能化管理體系。

水電站智能化改造和建設的主要著力點在于提升水電站安全穩定和經濟運行的水平、提高水電機組的可監控水平、實現水電機組接入電網的安全化、標準化、智能化這三個方向。智能化水電站相對與傳統的水電站優勢主要體現在信息化、自動化、智能化的大幅提高，運用大數據和互聯網的優勢對數據準確、快速的分析，從而得到科學的結論，來有效地調整和改善水電站設備的運行狀態。而安全性是水電站運行和管理的重中之重，水電站設備龐大且繁雜，各子系統的數據模式千差萬別，各設備之間有相互關聯，所以，在搭建系統的時候應該通盤考慮，對象化描述數據，同時，簡化數據的管理和維護，完善異種系統與設備之間的通訊和關聯。

智能水電站系統還應具備完善的電站運行預測功能，要較好地與氣象、水文、安防等各機構對接，實現數據共享，通過氣候、地質等預測實現對庫容和流量的評估，大幅度提高水電站的發電效率和防洪減災功能[4]。

4.2 智能化改造過程

水電站智能化改造主要實施過程涉及三個部分，即計算機監控系統、機組狀態檢修、梯級水電站群的安全維護和運行。整個實施過程應該作為一個整體進行規劃布局，分階段完成，逐步推進。具體可以從以下幾方面著手：首先，監控系統管理平臺的升級更新，使用具備智能監控功能的綜合管理平臺取代傳統的監控系統，讓監控系統也成為管理系統。其次，根據實際需求，對輔助設備進行升級和改造，運用現場總線[5]取代硬接線連接，提高機電系統的智能性和可控性。同時，增強機電設備數據的采集能力、處理能力。最后，在具備智能化設備的基礎前提下，逐步對自動化元器件和測控設備進行改造，從而進一步實現現場設備的智能化。

5 結 語

信息技術的進步和飛速發展給新時期水電站設備的運維和管理帶來了巨大的變革，也為新電站關鍵業務設計增加了更多更好的解決方案，水電站智能化建設是行業發展的必然趨勢。電站關鍵業務在設計中應本著硬件統籌規劃、軟件兼容設計、數據高效利用的原則，在傳統設計中應用新技術、新方法。隨著信息技術的不斷發展及其在現代水電站建設中的深入推廣應用，如何根據各水電站的特點和實際情況制定智能化改造方案仍需要我們繼續進行探索和研究。筆者在水電站智能化計算機監控系統應實現的一些功能上進行了部分理論設想與實踐探討，為水電站智能化建設發展提供了一些參考意見。隨著技術的進步與發展，水電站智能化改造也將逐步推進和完善。