面向智慧化管理的數字孿生小水電工程建設技術研究

羅小林，隋 欣，張 爽，尹 婧

（中國水利水電科學研究院水電可持續發展研究中心，100038，北京）

為加快推進智慧水利建設，推動新階段水利高質量發展，水利部印發了《關于大力推進智慧水利建設的指導意見》《智慧水利建設頂層設計》《“十四五”智慧水利建設規劃》三個綱領性文件，明確以構建數字孿生流域為核心，加快構建具有預報、預警、預演、預案“四預”功能的智慧水利體系。

數字孿生小水電是小水電智慧化管理的核心和關鍵，對于推進小水電轉型升級、綠色發展具有重要作用。引導基礎條件較好的小水電站探索開展數字孿生試點，完善防洪調度、電力優化調度、安全應急管理、生態保障等應用功能，提升“四預”能力，被列入2024年全國農村水利水電工作要點。但是，目前數字孿生小水電建設行業標準缺失，有關數字孿生小水電內涵、特征、總體技術要求等研究不足。本文梳理了當前小水電智慧化管理需求，提出了數字孿生小水電內涵，搭建了數字孿生小水電工程建設技術框架，旨在為推動數字孿生小水電試點示范和行業智慧化管理與高質量發展提供技術支撐。

一、小水電基本情況與面臨的新機遇

1.基本情況

小水電是水利基礎設施的重要組成部分，是國際公認的清潔可再生能源。我國小水電資源十分豐富，技術可開發量約1.28億kW，遍及全國1700多個縣，居世界首位。截至2023年年底，全國共有小水電站約4.1萬座，裝機容量超過8100 萬kW，占全國水電裝機容量的19%；年發電量2300多億kW·h，占全國水電發電量的17%，可替代8000萬t標準煤，減少二氧化碳排放2.44億t，減排效益巨大。

我國小水電具有點多面廣、小而分散的特點，1000 kW 及以上的小水電站約1.3 萬座，2000 年以前建成比例為48.8%，民營化程度超過80%，集約化、規范化、現代化水平低，且屬地方事權，審批監管的主體責任基本在縣及縣以下政府，監管能力和手段薄弱（見圖1）。

圖1 全國小水電數量分布特征

2.新形勢下面臨的新機遇

隨著水利水電進入科學快速發展新階段，“雙碳”戰略為小水電綠色轉型提供了內生動力，小水電迎來了新的發展機遇。一方面，小水電從粗放向集約發展轉變，小水電各級管理部門、業主、地方行業協會對智慧化管理需求巨大。另一方面，云計算、大數據、人工智能技術快速發展為小水電行業提供了先進技術條件；衛星遙感、智能傳感器、物聯網等現代遙感和監測技術日趨成熟，為小水電在線監測提供了精準感知手段；理論建模、技術創新、軟硬件升級整體推進，為小水電智能分析研判和科學高效決策提供了強大技術支撐。因此，在統籌推進高質量發展和實現碳達峰、碳中和目標的大背景下，小水電轉型升級面臨數字賦能和智慧化管理的新形勢、新機遇、新挑戰。

二、小水電智慧化管理需求

為破解當前集約化、規范化、現代化水平低的管理瓶頸，梳理了小水電智慧化管理需求，主要包括：

①加強小水電信息化應用體系建設，進一步更新完善小水電站基礎信息等，拓展相關業務模塊功能，夯實數據底板，優化算法模型，增強分析應用功能。

②健全完善全國小水電管理一張圖，繼續推動小水電和河流河道信息關聯匹配，打造數字化小水電。

③完善小水電信息化管理，加強小水電信息化監管平臺建設，推進數據共享和互聯互通，強化監督檢查、技術復核等在線行業監管應用。

④推進數字孿生小水電工程建設，通過先進的人機交互方式，實現以生態流量監管為目標，具備多種監測功能，可廣泛應用于生態流量監測、預報及預警等服務場景；智慧調整水電站的運行方式，實現區域水量聯調聯控，充分發揮小水電綜合效益；實現小水電站電子資產管理、數據分析挖掘及可視化管理。

此外，基于全數據信息模型構建起的數字水電站將直觀地展示小水電站全貌，并能夠通過可視化的手段對基礎設施進行模擬和管理，提高能效指標和生產管控能力，實現小水電企業綜合效益的全面提升。因此，數字孿生小水電將是行業管理部門和企業多方共贏的新模式。

三、數字孿生小水電工程建設技術框架

1.內涵與特征

數字孿生小水電是指構建能反映小水電這一物理對象真實特性的數字模型，通過數字模型分析小水電的物理實體，并在數字世界中的不同場景試錯，避免在物理世界中做同樣行為，降低運行風險和運行成本。為此，數字孿生小水電需要與小水電物理實體形成閉環，前者將決策實時反饋給小水電物理實體，使小水電運行和管理更加科學。

數字孿生小水電與普通小水電所采用的數學模型存在本質區別。數字孿生模型精確反映小水電站的物理結構、運行特性和環境影響，通過模擬應用操作情景和環境條件，實現自我優化和改進。因此，數字孿生小水電模型具有動態性，可與物理小水電共同自演化。此外，數字孿生技術需要持續改進。在實際應用中，通過收集和分析數據，優化數字孿生模型，并根據實際情況進行調整和升級，不斷提升小水電站的運行效率和管理水平。

2.基本框架

數字孿生小水電系統是以小水電工程為物理單元、時空數據為底座、數學模型為核心、水利知識為驅動，對小水電工程全要素和建設運行全過程進行數字映射、智能模擬、前瞻預演，與物理小水電工程同步仿真運行、虛實交互、迭代優化，從而實現對物理小水電工程的實時監控、發現問題、優化調度等應用功能的新型基礎設施。

數字孿生小水電系統基本框架包括數字孿生平臺、信息化基礎設施、主要業務應用、網絡安全體系（見圖2）。其中，數字孿生平臺包括數據底板、模型庫、知識庫等；信息化基礎設施包括感知網、信息網、云基礎設施；主要業務應用覆蓋綜合調度、運維管理、安全應急管理、生態流量保障等不同應用場景；網絡安全體系包括網絡安全組織管理、安全技術、安全運營、監督檢查以及數據安全等。

圖2 數字孿生小水電系統基本框架

3.業務應用內容

（1）綜合調度

綜合調度主要包括水情監控與仿真、超前精準預報、洪水調度、防汛安全調度、優化調度等調度場景。主要開展不同氣象條件孿生場景同步仿真，小水電工程洪水等超前精準預報和預測分析，電站安全度汛業務的智能預判、預警、可視化分析，對工程安全風險狀況進行應急會商，智能分析評估各調度方案的經濟性優劣，實現增發電量、安全度汛、保障供水、改善生態環境等調度目標。

（2）運維管理

運維管理主要包括生產運營信息管理、三維可視化監視與智能巡檢、數字化運行檢修指導、運維仿真培訓系統等功能模塊。主要完成小水電多維數據感知，通過遠程數據采集與調控技術實現集約化運維管理；基于小水電設施設備劣化趨勢分析與故障診斷模型，推動“預防修”“精準修”的動態檢修運維模式；對水電站基本情況和重要點位定位及三維可視化展示，實施全局監控、可視化管理，建立數據驅動與三維模型的動態映射關系，實現仿真數據與動態模擬預警優化的三維可視化展示等。

（3）安全應急管理

安全應急管理主要包括故障診斷與模擬仿真、日常巡檢管理制度信息化、“四遙”（遙測、遙信、遙控、遙調）安全管理集成。主要開展水輪機等大型機組、設備運行狀態、故障診斷的數據化、模擬仿真制定日常巡檢管理制度，完成制度信息化；通過“四遙”提高資源利用率，減少運維成本，提升安全管理的信息化水平，實現小水電安全管理手段的綜合集成。

（4）生態流量保障

生態流量保障主要包括在已建各省級生態流量監管平臺的基礎上，應用大數據、水利專業模型等信息技術，實現生態流量確定、生態流量泄放、生態流量監管等業務功能。主要用于構建生態流量確定模型等各類可復用的功能模塊，對生態流量泄放過程進行全面監測、模擬和優化，為水電站生態流量泄放設施監管提供數字化手段。

4.實踐案例

數字孿生概念提出后受到各界廣泛關注，在小水電領域也開展了探索實踐。湖南省潤海水電站構建了一個涵蓋發電機組及大壩樞紐的三維虛擬平臺，安裝了設備運行狀態數據自動采集系統，搭建物聯網中臺，并在可視化人機交互方面進行了初步探索。安徽省霍山縣對縣域內具備條件的小水電站進行集約化管理，建成視頻總站、生態流量監管系統、流域安全監管系統、綠色小水電管理系統、電站集控管理系統、可視化展示等應用模塊。江西省上饒市建成小水電集控系統平臺，并在智能巡弋巡檢、GIS 地圖監視、水情水務監測、遠地聯控、大壩安全及閘門監控、廠區安全及工業電視、設備全生命周期管理等方面開展應用。廣西壯族自治區格強水電站構建了三維可視化數字模型和交互系統等。

上述實踐案例對小水電站的集約化、信息化和智能化改造，以及小水電統一管理、集中監控、安全生產、生態環保、發電效益提升等方面具有示范作用，對數字化技術的普及推廣具有推動作用。但是，這些探索性實踐本質上仍是傳統小水電管理方式的延伸，未來亟待通過數據底板、模型庫、知識庫、孿生引擎創新，實現與小水電工程的同步仿真運行、虛實交互、迭代優化，將數字孿生從當前的小水電管理擴展至小水電工程。

四、展 望

數字孿生小水電有助于提升小水電站的運行效率和管理水平，將成為未來小水電行業發展的主要模式之一。針對加快推進數字孿生小水電提出如下建議：

1.建設行業標準

行業標準是指導和規范行業發展與管理的技術手段。數字孿生小水電工程建設是一項復雜的系統工程，亟須加強組織建設、頂層謀劃、統籌協調、協同推進。由于數字孿生小水電建設工作處于起步階段，還存在全國基礎數據庫缺失，數據底板數據服務能力不足，數據自動化采集設施不完善、高度依賴人工作業，電站設備設施運行情況同步模擬困難等難題亟待攻克。當前，加快出臺數字孿生小水電建設技術導則，建立數據采集、交換與模型標準，規范數字孿生小水電應用和管理，明確技術標準、數據安全、隱私保護等方面的要求，為數字孿生技術在小水電智慧化管理中的推廣應用提供規范和標準依據。

2.健全保障機制

踐行兩手發力，充分發揮政府和市場、中央和地方、金融資本和社會資本多方面作用。創新多元化投融資模式，利用各類金融工具，用足用好金融支持優惠政策，提高融資能力；支持和培育一批專業化市場主體，使其參與數字孿生小水電工程建設，形成行業合力。針對小水電特殊功能定位，積極推動建立小水電差異化電價運行機制，激發小水電業主應用推廣智慧化管理技術的主動性和積極性。

3.加強科技支撐

數字孿生的本質是建模和仿真技術，核心內容是數字模型和物聯網的結合。目前，數字孿生小水電實踐集中于管理領域，未來亟須在對復雜小水電系統機理充分認識的前提下，利用人工智能技術對小水電系統建模，確保數字孿生模型更加接近真實系統，而這些核心技術在我國當前數字孿生領域較為缺乏。因此，亟須針對科技創新融合技術開展技術攻關，破解數字孿生小水電的技術瓶頸。

4.推進先行先試

建議加快推進具有良好數據支撐的小水電先行先試建設，充分用好專家庫等技術資源，強化數字孿生小水電跟蹤指導，加強交流和培訓。打造一批典型數字孿生小水電，凝練形成一批可復制、可推廣的建設模式和先進實用技術，提升小水電智慧化管理和決策支持水平。