小型水電站區域“互聯網+”智慧水電管理應用探討

林波弟

(肇慶市賀江電力發展有限公司，廣東 肇慶 526551)

1 概 述

肇慶市賀江電力發展有限公司是市直國有水電企業，成立于1988年8月，主要業務是對賀江流域(廣東段)水力資源進行梯級開發和發電管理。公司所屬電站總裝機容量12.8萬kW，設計年發電量4.5億kW·h，在職職工500余人，是目前肇慶市最大型水電企業。賀江電力目前在廣東省內擁有19座水電站，分布在肇慶市賀江流域；這幾年經過努力對外拓展，又成功收購遠在千里之外的貴州和湖南的2座電站，使主業繼續壯大。

1.1 水電公司的現狀

經過幾十年的高速成長，水電行業正經歷由大量建設、擴容整改轉向維護運行階段，長期原有的商業及運營模式存在如下弊端：

(1)一廠一套人員， 人員復用性差、利用率低下。值班、維修、維護、運行一套人員，造成電廠人員機構臃腫，未來隨著生活質量不斷提升，人員工資必然不斷的上漲，人工支出會成為電廠最大開銷及負擔。

(2)水文信息獲取手段差，發電防洪預判能力低下。電廠基本采用電話通信方式獲取上游電廠的發電信息來安排生產，預判能力差；時間掌握憑經驗，基本依賴員工素質進行生產調度。

(3)長期人力監控成本投入大，人力成本不斷上升。大部分電廠聘請當地勞動力進行看守，基本采用定時巡檢模式，主要通過人的視覺、聽覺憑經驗進行故障判斷，對人的經驗及責任心依賴非常高。

(4)地處偏僻，難以吸引高素質管理人才。大部分電廠分布在離城市很遠的地方，生活枯燥，很難吸引年輕、高素質管理人才，年齡結構普遍偏大，面臨人才斷層現象。

(5)維修經驗缺乏沉淀手段。維修經驗主要存在人腦中，出現故障依賴有經驗工程師現場診斷，無有效的經驗庫供員工學習、培訓，大多還是采用傳統的師徒關系的“傳、幫、帶”方式來組織維修。

(6)巡檢主要依賴人工巡檢，成本高、可靠性差。巡檢人員采用眼看、耳聽等手段進行診斷，巡檢1次需要1 h以上；現象判斷因人而異，巡檢點多，巡檢工作量大。

(7)不能根據水文情況實時精細化調節發電。值班員根據當前水位及上游流量憑經驗判斷開機臺數和給定機組出力。

(8)維修不及時，造成水資源浪費。維修經驗沉淀少，基本采用工程師現場經驗進行判斷，維修經常造成延誤，維修步驟執行不到位，造成排故不透徹。

(9)監控系統技術落后，不能準確預判故障。目前中大型電廠現場基本采用PLC/LCU微機進行控制，主要通過采集傳感器信息進行對超標指標進行監控，多數情況故障已發生，對故障預判手段較差。

(10)設施數據采集量大，無數據挖掘能力。大部分監控系統由于采集點數量大，如果采集頻率高，基本只能存儲1個月的數據，不能結合機組故障進行分析、獲取設備發生故障的臨界點、深度挖掘數據、獲取數據價值、有效預防故障的發生。

(11)備品備件呆滯嚴重。電廠備品備件基本通過經驗進行備庫，不能通過維修多年實際消耗情況及保養需要物資情況進行合理備庫，經常因備品備件短缺而引起維修延期。

1.2 水電行業的特性

(1)地域分布偏。水電廠一般根據河流的分布而開發，需兼顧防洪、航運、自然風光、安全、生態等因素，一般建設在較為偏僻、人口密集程度較低的地區，造成了其運營人員調度成本較高。現場信息較為閉塞，管理決策難于及時傳達，管理滯后性較為嚴重，普遍采用傳統的電話方式進行通信了解情況。

(2)季節性強。由于水資源對天氣的依賴非常強，降雨量年份、季度差別較大，可預測性較低，大部分水電企業主要通過觀察電廠當前水位變化及現場人員運營經驗進行機組發電及防洪調度，企業業主普遍認為發電效益對天氣依賴非常強，非常重視在裝機容量上挖潛，對運營管理重視度不夠。

(3)上下游協調性強。企業對上游電廠發電依賴非常強，聯合互動發電要求高，基本采用電話通信模式進行信息溝通，手段落后，溝通不及時經常造成水資源浪費。同時，由于上游水位不能平穩保持，經常處于低水頭發電，單位水資源發電效率不高。

(4)設施量大。發電廠屬于通過重資產一次性投入運營維護行業，通常是指在實際的生產過程不直接構成產品，只用于維護、維修、運行設備的物料和服務；通過平穩維護運營大量設施設備來獲取利潤。

(5)人力投入大。現階段國內由于人工相對比較便宜，主要采用電廠現場三班倒輪值方式進行設備運行狀態監控，發電量較大企業采用PLC/LCU監控系統進行實時預警，減輕了工作人員工作強度，提升了故障診斷準確性。隨著生活水平的不斷提高，人員工資不斷上漲，企業采用新技術替代人力變成不可逆轉的趨勢，也是未來水電企業變革轉型的必然之路。

(6)安全要求高。水電行業普遍在高壓、高溫、高空等環境下作業，所以安全運行、操作對企業相當關鍵，基本所有操作必須由操作員操作，監護人進行確定。對外委托供應商施工前對電廠環境的熟悉及培訓也是重要工作事項。

(7)防洪發電兼顧。一般中大型水電廠都必須具備防洪和發電兩項功能，越靠近人口密集的城市，防洪責任越大，發電效益為次之，所以發電經常會為了防洪而中斷；同時有些電廠還得兼顧航運、生態、旅游等作用，達到社會效益最大化。

2 構建區域“互聯網+”智慧水電管理模式

2.1 水電行業趨勢

2.1.1 新技術的應用

國內水電企業信息技術的應用從20世紀90年代初采用PLC進行可視化編程監控機組狀態、控制機組開關機開始，發展到本世紀初少數大型水電集團采用信息化系統進行聯合管理水電群。由于國內系統不成熟，多數引入國外解決方案，其系統建設、實施成本大，一直在國內未得到很好的推廣與應用。目前，隨著云技術、互聯網及物聯網技術的成熟，采用云平臺進行區域性水電群進行聯合運營變成了趨勢。云平臺大大降低了水電企業的構建系統成本，不需要一次性投入，可以采取租用模式，按需進行搭建及擴展，通過互聯網技術使電廠擺脫地域限制，實現“集中監控、遠程診斷、實時維護”。

2.1.2 區域性聯合運營

由于水電企業間共享水資源屬于普遍現象，所以電廠間實現了水文信息共享，實時掌握電廠上下游電廠發電、水位、流量情況，實現聯合平穩發電，有利于高效利用水資源，避免水資源浪費。同時，電廠聯合運營可以實現技術人員共享，使有技術的成熟工程師得到最有效利用，避免小水電人員短缺；而大水電廠人員富余，可以通過聯合運營提升成熟工程師待遇，避免人才流失。同時，通過平臺可以共享維修經驗，在線進行專家診斷，有利于故障及時消除，提高設備可靠性。

2.1.3 少人值守甚至無人值守

在電廠關鍵區域設置圖像、語音、氣味、溫度、壓力等采集設備，把所有有效信息采集到云平臺，透過圖像、語音識別技術進行不正常圖像語音識別，替代值班員巡檢工作。通過平臺發送開關機、操作指令，實現對機器的遠程控制，實現運營中心對遠程水電廠的監控及診斷，最終達到“少人值守甚至無人值守”。

2.1.4 精細化智能發電

目前徑流式水電廠發電普遍采用人工根據水頭及上游來水信息進行開停機調度，無法準確確定開機臺數和機組出力，無法保持上游正常蓄水位在允許的變動范圍內，造成上游水位不是降低就是抬高。現在通過對上游水文大數據采集，經過計算，最終可根據上游來水量和水頭，確定最佳的開機臺數和機組出力，達到精細化智能發電，提高了企業發電效益。

2.1.5 實時狀態檢修

通過大數據采集、挖掘、實時分析設備運行狀況，提前預知設備健康情況，將檢修方式由原來的定檢和事后維修的方式變成狀態檢修的方式。最終實現由數據來指導生產，替代低附加值的人工，從而節省人力，降低運營成本，提升運營效率及質量，提高電廠發電效益。

2.2 賀江電力水電站集群式聯合運營模式建設

筆者所在公司目前有在職員工500多名，員工年齡結構普遍比較大，整體運行維護經驗豐富，硬件設施相對較好，設備可靠性較高，對實現少人甚至無人值守有比較良好的硬件基礎，進行區域性聯合運營具備堅實的基礎。由于地域分布較為偏僻，吸引年輕的技術人才較為困難，企業很快面臨人才青黃不接現象。同時，社會工資不斷上漲，進一步的壓縮企業利潤空間，很難繼續保持目前人員數量來維持企業正常運營。目前，單電站硬件設施經過幾輪的技術改造，已很難從硬件層面進行提高發電效益。綜合以上情況，對互聯網、大數據新技術的引進，改變原有單站現場運營模式為聯合區域性集中遠程管理勢在必行。通過大數據沉淀，機器學習實現智能發電，最終達到集中管控，單站少人甚至無人值守，聯合梯級調度，提升發電效益，節省人力成本，提高企業效益。通過此次項目實施培養出一批結合互聯網、物聯網、大數據新技術的水電管理人才，為企業可持續、科學、合理發展奠定了良好的平臺基礎。

(1)根據項目實際情況階段實施，將現有各電站改造成數字化智慧水電站。

①設備注冊。對水電廠內各個功能位置和設備進行編碼化，惟一標識設備的身份，給每臺設備建立電子檔案，記錄設備全生命周期內采購來源、安裝、投運、故障、維修、保養、技改、大修、報廢等過程。

②傳感器數據采集。安裝定制化采集器，采集廠內多個傳感器信息，實現信息采集與遠程監控。

③智能巡檢。設置巡檢間隔，系統自動推送巡檢任務到值班員手機終端；采用二維碼/藍牙技術標記巡檢點，實現掃碼巡檢，避免巡檢不到位，提升巡檢可靠性；在各個重要的巡檢點安裝高清攝像頭，通過圖像識別技術替代人工巡檢，節省巡檢人力。

④專家在線診斷。巡檢員通過手機發送視頻、音頻、圖片及文本信息給在線專家，工程師遠程進行故障識別及診斷，根據診斷結果由知識庫自動匹配準確的解決方案。

⑤維修派單。通過手機終端進行工作票、操作票派單，工作相關負責人接收到信息進行相關工作開展。

⑥移動安全確定。現場圍欄設置、危險警示標簽、禁止操作、系帶安全繩、佩戴安全帽及外委人員安全許可等安全措施全部進行拍照保障設置到位，提高施工安全。

⑦移動維修執行。維修過程中許可人許可、工作負責人許可、維修執行記錄、階段性驗收、指派驗收人、專業人員驗收、運行人驗收、工作負責人結束工作、許可人結束工作全過程移動維修過程確定，提升工作效率，提高工作質量。

⑧水文信息采集與預測。通過在電廠上游區域植入水位及降雨量傳感器及無線數據采集器，以及大數據算法分析，可以預測未來48 h水電廠入庫流量；在安全可靠前提下，汛期提前進行騰庫，枯水期優化機組開機臺數和機組出力，提高電廠防洪能力及發電效益。

⑨智能發電。通過對上游水文大數據采集，經過計算，最終可根據上游來水量和水頭，確定最佳的開機臺數和機組出力，達到精細化智能發電，提高了企業發電效益。

⑩機器學習、大數據與可靠性分析。通過對設備各種參數電壓、電流、溫度、轉速等實時收集，并結合故障案例庫自動給出可能發生的原因，進行機器不斷深度學習，可以預測設備健康指數，將檢修方式由原來的定檢和事后維修的方式變成狀態檢修的方式。

圖1 數字化智慧水電站結構示意

(2)根據水電站地域分布，分成獨立運營電站(含省外電站)及區域運營中心。

構成大沖二運營中心、七星二級運營中心、白垢運營中心及江口運營中心，最后將各獨立運營電站及各運營中心集中起來，數據接入公司總部運營中心(見圖2)。

通過云服務平臺把上下游水電廠的移動技術及物聯網采集技術結合起來，實現上下游水電廠各種資源(企業管理層、專家、工程師、巡檢員、檢修工程師、機組、輔助設施、大壩、水文及雨情等資源)連接，擴張企業資源管理控制邊界，充分整合利用資源，形成企業自有的資源網絡，為水電企業在互聯網形勢下構建全新模式運營奠定基礎。

(3)利用互聯網云計算、儲存及移動技術，構建水電企業區域性聯合運營，建成“互聯網+”管理解決方案。

根據水電行業特點提供企業管理、銷售管理、技術管理、運行管理、檢修管理、水文管理、大修項目管理、備品備件工具管理、人力資源管理及技術支持等10大板塊功能(見圖3)。

3 結 語

水電是清潔能源，可再生、無污染、運行費用低，便于進行電力調峰，有利于提高資源利用率和經濟的社會綜合效益。“互聯網+”智慧水電的建設，云平臺及云計算等高新技術的出現，不僅給互聯網企業帶來了質的飛躍，也對傳統行業起到革命性的變革，如何改變自身的發展以適應潮流的變化是水電行業進一步騰飛的契機。

圖2 電站運營中心分布

圖3 “互聯網+”管理解決方案

通過成熟先進理念的應用，實現“集中監控、遠程診斷、實時維護、少人/無人值守”的目標，降低了水電廠的運維人員的勞動強度。通過對上游水文大數據采集，經過計算，最終可根據上游來水量和水頭，確定最佳的開機臺數和機組出力，達到精細化智能發電，提高了企業發電效益。