寺溝口水電站智慧運維研究及應用

黃 勇，陳慧清，劉曉東，侯彥峰，霍云超，王晨祥

(1.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，陜西 西安 710000；2.青海省門源神牛水電開發有限責任公司，青海 門源 810300)

0 引言

電站全生命周期智慧運維以設備全過程、項目全過程、資產全壽命周期管理為理念[1]，以數據共享為基礎，以智能控制為手段，以自動化、互動化、人性化為基本特征，以本質安全、高效可靠、綠色環保、和諧友好為目標，統籌規劃設計、設備制造、施工建設、運維檢修全過程，通過電站業務數據的一體化整合和深度挖掘分析，提升電站的整體運維能力和生產管控能力，提高企業效益[2]。

本文以寺溝口水電站為研究對象，從水電站的數字化建設、智能化建設、遠程控制中心建設出發，介紹該水電站智慧運維建設成果。

1 我國水電站概況

傳統水電站在規劃設計、制造、建設、運行等階段之間沒有貫徹全生命周期的原則，使得水電站在投運后存在大量改造和補充完善工作來滿足實際運行的要求。

特別是運維、檢修階段，傳統水電站存在以下不足：

(1)以技術人員為核心，水電站生產運行過程中實際存在較多人為失誤[3]。

(2)主要采用固定時間周期性檢修的方式，造成全廠設備處于被動和應答式改造狀態，往往是設備處于安全邊界隱患突發甚至爆發時才進行改造工作，為安全生產造成極大困擾和危險，另外，設備改造工作往往是局部改造，經濟性也很差[4]。

(3)出現突發故障時，缺乏會商機制和平臺，主要依靠運檢人員的技術和經驗，復雜問題往往通過會議(或遠程電話)邀請多方分析解決問題，費時費力效果不佳[5]。

此外傳統水電站多系統并存、系統異構、數據孤島等現象比較突出，多系統并存現狀容易出現信息孤島，無法發揮數字化、信息化的優勢和價值，降低了管理效率，嚴重阻礙著現代化發電企業安全、高效、經濟等發展目標[6]。

綜上，針對傳統水電站運維管理存在的不足，亟需借助互聯網手段、大數據平臺，創新管理模式，提升水電站的管理水平。

2 寺溝口水電站概況

寺溝口水電站位于青海省門源回族自治縣境內，是大通河干流上重要的水利工程。壩址位于民門公路130 km處，距互助縣威遠鎮74 km，距省會西寧117 km。電站廠房位于大通河左岸寺溝口附近，距上游壩址0.8 km，距互助土族自治縣巴扎鄉甘禪口17 km。

寺溝口水電站是一座低壩引水式電站，該樞紐工程的主要建筑物有溢流壩、泄洪閘及引水發電建筑物等組成。正常蓄水位為2424 m，總庫容500萬m3，引水洞及壓力管總長699.0 m設計引用流量72 m3/s，最大發電頭22 m，安裝3臺4 MW的水輪發電機組，總裝機12 MW，保證出力2607 kW，多年平均發電量6425萬kW/h。

寺溝口水電站在運維階段面臨以下難題：①自然環境惡劣，冬春季多雨雪冰凍天氣；②該電站設備數量大、類型多；③專業運維人才嚴重缺乏。隨著電站設備運行年限的增長，設備運維管理工作量及故障處理難度逐步增加，寺溝口水電站急需創新現有的管理模式。

3 寺溝口水電站智慧運維設計

寺溝口水電站智慧運維改造及管控系統建設，遵循全生命周期理念，在總體思路上要著眼于解決現有系統一體化程度低、通信標準不統一、信息共享困難、業務協調工作量大、網源協調能力差、決策能力低等問題，通過采用“云大物移智”等新興技術手段和大數據平臺，實現水電站信息數字化、通信網絡化、集成標準化、運管一體化、業務互動化、運行最優化、決策智能化，提升源網協調能力，促進管理模式轉變，提高運行管理水平[7]。

3.1 數字化建設

3.1.1 水電站全信息數字模型構建

依據行業規范標準，結合寺溝口水電站設計圖紙、改造記錄等歷史資料，利用BIM技術進行三維數字化逆向建模。建模的內容包括首部樞紐、廠房、生活區、開關站等在內的所有設備設施(水工建筑物、設備、管線等)，建模標準及精度嚴格執行相關標準規范，模型組織結構以方便應用為原則、參照電廠運維管理模式進行劃分，同時將設備的幾何參數和物理參數實際參數和信息附加至相應的三維模型上，通過模型轉換工具將不同三維模型轉換成統一格式并進行融合集成，寺溝口水電站全信息數字模型構建示例見圖1。

圖1 寺溝口水電站全信息數字模型構建示例

3.1.2 水電站全壽命周期管理系統建設

(1)三維綜合展示

將水電站所有設施設備三維模型在統一平臺上進行展示，并按照統一的空間對象及數據編碼規則關聯集成設備全面綜合信息數據(如設備狀態信息、缺陷信息、臺賬信息、物資信息、文檔等)，在虛擬現實環境下實現信息數據的集成展示、查詢共享、統計分析等。

(2)數字化文檔管理

通過編碼編號將各種非結構化圖文檔資料與相應的數字化模型關聯起來，實現可視化圖文檔資料管理。整合寺溝口水電站在設計、制造、安裝、調試、運維過程中的圖紙、報告、圖片、操作說明、維修手冊等圖文檔資料，在數據梳理及編碼編號的基礎上，建立圖文檔與相關數字模型之間的關聯關系，以三維模型為載體對圖文檔資料進行統一管理，實現可視化圖文檔資料集成管理及應用。

(3)數字化設備管理模塊

遵循設備全壽命周期管理理念，將設備巡檢、維護、檢修、更換、報廢全過程產生的數據(結構化、非結構化)以數字模型為載體，通過設備唯一標識碼統籌和關聯起來，實現設備全壽命周期可視化管理。在三維可視化環境下，對設備狀態評估結果、檢修計劃、檢修報告等信息數據與電站設備空間對象進行關聯展示、查詢與分析。寺溝口水電站全壽命周期管理系統界面見圖2。

圖2 寺溝口水電站全壽命周期管理系統

3.1.3 水電站動態數據集成

基于水電站全壽命周期管理系統，在虛擬可視化環境下，集成水電站監測、監控等實時數據。利用三維場景與可視化信息集成展示開發維護工具，將水工建筑物缺陷的位置在三維可視化信息集成展示與會商平臺上進行標識，并關聯缺陷相關的文字描述、圖片和記錄表格等數據，在三維環境下實現數據的展示、查詢、統計與分析等，寺溝口水電站動態數據集成模塊展示見圖3。

圖3 寺溝口水電站動態數據集成模塊

3.2 智能化建設

在數字化建設的基礎上，綜合應用智能安全帽、智能視頻識別、移動互聯網等技術，實現智能管控。智能化建設主要包括智能作業管理、智能安全管控和移動APP應用。

(1)智能作業管理

將數字電站與生產作業流程相結合，在數字電站中顯示故障設備，或將故障設備通過數字電站管理和表達，做到故障設備文檔自動推送和運檢工作任務自動提醒。

(2)智能地線管理

建設智能地線管理模塊，實現對水電站接地線進行智能管理。

(3)智能安全管理

基于數字孿生電站，在生產區部署定位裝置，人員佩戴智能安全帽，通過定位智能安全帽，定位工作人員位置，將人員位置信息標注在三維模型中，實時監測生產區域人員位置信息，見圖4。基于作業風險庫，在數字孿生電站中對作業危險區域進行標識，一旦運維人員誤入危險區域，系統自動進行報警并提醒。

智能安全帽應通過后臺下發指令或用戶按鍵開啟攝像及拍照功能，實時采集作業現場的影像，并存儲到智能安全帽本地，且能同時上傳至智能安全帽管控系統。智能安全帽具有可見光檢測、紅外檢測、掃碼識別等功能，并存儲到智能安全帽本地，且能同時上傳至智能安全帽管控系統進行分析與處理。智能安全帽應通過按鍵或后臺觸發開啟音頻采集功能，并能實時上傳至安全帽管控系統，實現遠方與現地語音交流與指導。

圖4 寺溝口水電站人員定位系統

(4)智能物資管理

基于二維碼技術，實現水電廠備品備件及物資的智慧管理功能，實現物資數據采集、物資領用出庫與歸還、備品備件管理和物資查詢。

(5)智能工具管理

開發智能工具管理模塊，實現工器具的租用、使用說明、校檢周期提醒、壽命管理、補貨管理、預約管理、工具的正確借還、工具入庫管理及其配套說明管理等在線智能管理。智能工具管理模塊包括電腦終端和手機終端，其中電腦終端實現工具借還、工具管理及數據分析等功能，手機端實現工具搜索、現場借還及實用助手等功能。

(6)智能培訓管理

建設智能培訓管理模塊，實現廉政安全、運維專業知識培訓課件推送功能，具備權限的人員在管理系統中上傳對應的培訓資料(含廉政培訓、安規培訓、技術培訓等)，選擇需要培訓的人員，進行信息推送。需培訓人員收到信息后可以在手機終端進行學習，并反饋相關信息，同時包括問卷考試及調查等。

(7)智慧生活

建立智慧生活模塊，實現員工生活需求的在線信息交互、后勤物業報修、用車申請等功能，使后勤部門可以精準存儲、保質保量、提供后勤管理的服務水平。

(8)移動APP應用

移動APP基本功能包括信息查詢、工單管理、巡檢管理、報缺管理、備品備件管理、信息上傳、數據同步等。

3.3 遠程控制中心

遠程控制系統采用分層分布式體系結構，整個系統分為遠程控制層、廠站層和現地層三層。遠程控制層設計算機監控系統，廠站層設置廠站級計算機監控系統，現地層主要由各主/輔設備的現地控制單元以及分散式或集中式測控部分構成。

遠程控制中心的任務是通過計算機監控系統對寺溝口水電站進行數據采集與處理、安全運行監視、運行調度、操作控制和管理等功能，同時負責接受上級調度系統下達的各項指令，向上級調度傳送所需的數據，以便對整個電站進行有效地監視、調度、控制及管理。

4 寺溝口水電站智慧運維應用效果

4.1 社會效益

寺溝口水電站智慧運維，實現了水電站信息數字化、通信網絡化、集成標準化、運管一體化、業務互動化、運行最優化、決策智能化，提升源網協調能力，促進管理模式轉變，提高運行管理水平，同時提高企業新技術應用及創新能力，提升企業核心競爭力。

4.2 經濟效益

綜合應用數字化、智能化、移動互聯等技術，通過可視化檔案管理、數字化設備管理、仿真培訓、虛擬巡檢、設備物資自動盤點、任務事件智能提醒、移動辦公、遠程集控等數字化、智能化應用，提高運維管理人員的作業效率，減少運維生產相關的人、材、物等資源；通過設備改造、智能監測設備增加，實時掌控設備的運行狀態，提高設備可靠性；通過統一數據中心進行水電站生產運維數據的多業務、多因素綜合分析，提前感知設備故障，提前處理設備缺陷，綜合優化發電、檢修、維修全過程，減少停機時間及棄水流量，增加發電量，提高發電效率。

4.3 安全效益

運用物聯網技術，研究開發智慧地線管理系統，實現接地線的智能管控，全面消除由于接地線問題造成的安全生產問題；綜合運用三維模型、精確定位、智能識別、紅外檢測、掃碼識別、大數據、智能安全帽等技術，建立安全風險識別庫及智能安全管控系統，實現水電站運維人員生產作業的全過程追蹤管理，杜絕越界、走錯間隔、誤入危險區域等安全隱患，保障運維人員安全，提高安全管理水平。

5 結語

對寺溝口水電站借助采用“云大物移智”等新興技術手段和大數據平臺，遵循全壽命周期管理理念，通過數字化建設、智能化建設、遠程控制中心建設，為該水電站打造建設以智慧運維管控和區域運檢中心為支撐的“無人值班，少人值守”的新型管理模式，可以提高行業競爭力，減少設備檢修時間和維護成本，保障發電效率，同時提高水電站的管理效率與水平。