數(shù)字化水電站解讀

華應(yīng)強

(哈爾濱電機廠有限責(zé)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(fā)電的水電站。在電網(wǎng)中主要起調(diào)峰作用，對電網(wǎng)整體安全、穩(wěn)定至關(guān)重要。我國抽水蓄能電站建設(shè)起步比較晚，但由于后發(fā)效應(yīng)，起點卻較高，近年建設(shè)的幾座大型抽水蓄能水電站技術(shù)已處于世界先進水平。自動化、數(shù)字化程度相比常規(guī)機組也高出不少。抽水蓄能電站是今后10a水電開發(fā)的重點。國網(wǎng)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(shè)數(shù)字化智能型水電站理念。對設(shè)備廠商提出精益制造、智能化、全生命周期服務(wù)三個要求。他在電站數(shù)字化、智能化方面的思考與探索處于行業(yè)引領(lǐng)。無論是發(fā)電企業(yè)還是電站設(shè)備供應(yīng)商對數(shù)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(yè)解決方案[1]。文章基于電廠未來運營、管理的需求及挑戰(zhàn)，結(jié)合當(dāng)前大數(shù)據(jù)、人工智能等信息技術(shù)及哈電在三維設(shè)計和數(shù)字化工廠建設(shè)方面的實踐經(jīng)驗，對數(shù)字化智能型水電站進行解讀。

1 數(shù)字化電站的實現(xiàn)過程

1.1 水電站數(shù)字化現(xiàn)狀

近年新建水電站，大壩建設(shè)采用了BIM技術(shù)，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(guān)信息數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，管理三維建筑模型，通過數(shù)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(guān)聯(lián)性、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性和可出圖性等八大特點。設(shè)計單位、建設(shè)單位、施工單位、監(jiān)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(xiàn)了從設(shè)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(yè)軟件。BIM的價值主要體現(xiàn)在項目建設(shè)期，水電站投運后就沒有什么價值了。設(shè)備供應(yīng)商用UG、Solidworks等三維軟件在虛擬環(huán)境中進行產(chǎn)品設(shè)計，通過與PLM、ERP、MES等系統(tǒng)集成，在虛擬環(huán)境中實現(xiàn)從設(shè)計到生產(chǎn)制造全生命周期對產(chǎn)品進行仿真、評估和優(yōu)化。讓三維模型作為唯一信息源服務(wù)于從設(shè)計到制造全過程。這個過程稱之為數(shù)字化工廠。目前達索、西門子等工業(yè)軟件供應(yīng)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(yè)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(shù)字化其實是機電設(shè)備的數(shù)字化，是設(shè)備供應(yīng)商數(shù)字化工廠的延續(xù)。

1.2 數(shù)字化的實質(zhì)

化學(xué)試驗通常要把固態(tài)物質(zhì)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(xué)反應(yīng)發(fā)生創(chuàng)造條件。數(shù)字化是把設(shè)備狀態(tài)的物理特性轉(zhuǎn)化為易測量、易識別、易存儲、易檢索、易監(jiān)測、易傳輸?shù)臄?shù)字信號。它是一個把連續(xù)信息離散為數(shù)字比特的過程。比特是計算機世界最小單元相當(dāng)于化學(xué)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(xiàn)代信息技術(shù)體系中。由于在虛擬工程環(huán)境中進行產(chǎn)品設(shè)計、工藝設(shè)計、分析、仿真和驗證，因此減少物理空間的質(zhì)量問題和時間成本。同時也減少技術(shù)人員對經(jīng)驗的依賴，比如數(shù)字樣機。另一方面通過集成設(shè)計、制造、供應(yīng)鏈管理等各個環(huán)節(jié)實現(xiàn)業(yè)務(wù)自動化。

1.3 設(shè)備數(shù)字化

基于模型的產(chǎn)品定義MBD(model based definition)是在三維模型中完整表達設(shè)計、制造信息，確定產(chǎn)品定義信息的唯一性。所有業(yè)務(wù)均使用三維模型進行信息傳遞，形成結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)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(zhì)量信息。使設(shè)計和制造無縫聯(lián)接形成閉環(huán)。最典型的應(yīng)用是主機廠商在設(shè)計階段就采用三維模型表達設(shè)計信息并在數(shù)字化工程環(huán)境中用三維模型進行分析、仿真和驗證。設(shè)計完成后將模型傳遞到制造環(huán)節(jié)，制造部門在虛擬制造環(huán)境中，在三維模型上開展工藝設(shè)計、工藝仿真以及數(shù)控編程等。在此階段工藝人員對產(chǎn)品工藝的可行性、經(jīng)濟性進行評估反饋給設(shè)計，以改進設(shè)計。MBD很好的解決了設(shè)計和制造的協(xié)同。由于可以在虛擬工程環(huán)境中進行分析、仿真、驗證，從而減少了技術(shù)人員對經(jīng)驗的依賴。采用MBD解決方案很大程度上解決了產(chǎn)品質(zhì)量問題實現(xiàn)精藝制造。三維模型不光可以用在產(chǎn)品設(shè)計制造中，還可以服務(wù)于產(chǎn)品全生命周期，比如電站作業(yè)指導(dǎo)可以用三維模型做成多媒體形式。電站技術(shù)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(huán)境中學(xué)習(xí)電站各部分構(gòu)造、功能等并完成一些相關(guān)的技術(shù)驗證。

1.4 數(shù)字化監(jiān)測裝置

一方面使用高精度、高可靠性數(shù)字測量裝置獲取準(zhǔn)確數(shù)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(jiān)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(jiān)測。隨著對于機組的認識不斷增強，智能化發(fā)展開始從整體和基本特征角度出發(fā)，如機組噪聲測試則是從整體上分析機組的故障狀態(tài)，而基于噪聲檢測的水輪機空化監(jiān)測方法則是從物理現(xiàn)象特征出發(fā)的。

2 數(shù)字化電站是設(shè)備數(shù)字化與測控數(shù)字化的集成

無論是設(shè)備供應(yīng)商數(shù)字化交付還是給機組安裝更多傳感器把機組的量測數(shù)字化，本質(zhì)上只解決了數(shù)據(jù)的收集。真正的數(shù)字化應(yīng)該分4步：

1)設(shè)備的數(shù)字化，其核心是MBD，是基于模型的產(chǎn)品定義，它不是局限于幾何層面的三維模型，還包含設(shè)備的仿真、驗證、檢驗、生產(chǎn)等信息，這些信息以結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)集的形式存儲于模型，可以被各類計算機識別。

2)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測的數(shù)字化，所有設(shè)備狀態(tài)信息可以被全面、準(zhǔn)確的實時測量并以數(shù)字信號形式傳輸。

3)監(jiān)測信息回饋到模型，在模型中進行比較，評估形成閉環(huán)。并把結(jié)果在模型上顯現(xiàn)出來。

4)集成數(shù)字工程及協(xié)同環(huán)境，讓整個流程實現(xiàn)自動化。這時三維模型實時準(zhǔn)確的反映設(shè)備的真實狀態(tài)，實現(xiàn)虛擬數(shù)字世界與現(xiàn)實世界的準(zhǔn)確映射。數(shù)字真正要解決的是工作的高度自動化，實現(xiàn)傻瓜化運行。

3 現(xiàn)階段電廠急需實現(xiàn)數(shù)字化的3個方向

3.1 數(shù)字化技術(shù)信息管理系統(tǒng)

目前，雖然設(shè)備供應(yīng)商提交了設(shè)備相關(guān)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(huán)境可以讀所有格式資料，這些資料也沒有形成結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)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(guān)資料都是孤立的，沒有建立關(guān)聯(lián)關(guān)系，以形成結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)集。所以以設(shè)備三維模型為中心把對應(yīng)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(shù)據(jù)庫。用戶即可以通過PC也可以通過移動端查看相關(guān)資料。掃描設(shè)備上的識別碼，可以知道該設(shè)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(shè)備上填寫相關(guān)資料完成巡檢流程。

3.2 可視高效的作業(yè)指導(dǎo)及培訓(xùn)

目前電站運維、檢修人員的知識基本靠老師傅經(jīng)驗傳授，學(xué)習(xí)也需要大修等這樣的機會。電站大修周期長達10a，導(dǎo)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(xiàn)實世界中的成熟經(jīng)驗。以三維模型為基礎(chǔ)開發(fā)相關(guān)的虛擬環(huán)境，就可以在虛擬世界中對運維、檢修技術(shù)方案進行仿真、驗證。類似產(chǎn)品設(shè)計中數(shù)字樣機。用三維模型把電站的具體作業(yè)指導(dǎo)做成三維動畫等多媒體教程作為標(biāo)準(zhǔn)的作業(yè)指導(dǎo)。將所有運維、檢修逐級分解成不同任務(wù)。把這些任務(wù)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(xué)習(xí)及考核。

3.3 基于3D可視的虛擬檢修規(guī)劃系統(tǒng)

系統(tǒng)里根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)級別定制了對應(yīng)的三維場境，根據(jù)任務(wù)加入設(shè)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(yīng)的工作流程，選擇相關(guān)元素并填寫相關(guān)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(huán)境中可以直觀的對方案的可行性及經(jīng)濟性進行評估。例如設(shè)備擺放場地是否合理，人員、起吊設(shè)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(fā)展歷程及前景展望[J].水力發(fā)電，2004(12)：58-59.