基于安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化的智慧水電系列核心技術(shù)的研究與應(yīng)用

韓茜丹，張仁貢，黃林根

（1.浙江珊溪經(jīng)濟(jì)發(fā)展有限責(zé)任公司，浙江 溫州 325300；2.浙江禹貢信息科技有限公司，浙江 杭州 310009）

基于安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化的智慧水電系列核心技術(shù)的研究與應(yīng)用

韓茜丹1，張仁貢2，黃林根2

（1.浙江珊溪經(jīng)濟(jì)發(fā)展有限責(zé)任公司，浙江 溫州 325300；2.浙江禹貢信息科技有限公司，浙江 杭州 310009）

針對(duì)農(nóng)村水電站的生產(chǎn)設(shè)備老化、專(zhuān)業(yè)人員缺乏、安全生產(chǎn)管理不標(biāo)準(zhǔn)、發(fā)電效率低下等問(wèn)題，結(jié)合全國(guó)開(kāi)展的農(nóng)村水電站安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化管理，對(duì)基于安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化的智慧水電系列核心技術(shù)進(jìn)行研究，開(kāi)發(fā)一款針對(duì)農(nóng)村水電站的智慧水電安全監(jiān)管云平臺(tái)，該平臺(tái)的應(yīng)用實(shí)踐證明，能夠提高水電站的安全監(jiān)管水平、減少管理人員的工作負(fù)擔(dān)、增加了農(nóng)村水電站的管理和發(fā)電效益，具有很好的借鑒意義。

安全生產(chǎn)；標(biāo)準(zhǔn)化管理；智慧水電；農(nóng)村水電站；云平臺(tái)

1 引言

現(xiàn)階段我國(guó)農(nóng)村水電站在技術(shù)和管理上存在一些不足：①水輪發(fā)電機(jī)組及配變電設(shè)備陳舊，以致于安全運(yùn)行故障或事故時(shí)有發(fā)生；②專(zhuān)業(yè)管理和技術(shù)人員不足。農(nóng)村水電的運(yùn)行管理隊(duì)伍普遍薄弱，專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)差，甚至很多電站雇傭農(nóng)村農(nóng)民充當(dāng)運(yùn)行管理人員；③安全生產(chǎn)意識(shí)薄弱。水電站的業(yè)主安全意識(shí)薄弱，同時(shí)也對(duì)運(yùn)行管理和技術(shù)人員缺乏安全生產(chǎn)教育，粗心大意。④發(fā)電效率不高。尤其是徑流式電站未根據(jù)上游水位或前池水位自動(dòng)控制和調(diào)節(jié)功率，發(fā)電效率低。

李克強(qiáng)總理于2015年在政府工作報(bào)告中提出了“互聯(lián)網(wǎng)+”行動(dòng)計(jì)劃，“推動(dòng)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等新一代技術(shù)與各行各業(yè)相結(jié)合”，這為農(nóng)村水電行業(yè)解決上述問(wèn)題提供了很好的思路。

本論文從智慧水電站的角度，論述如何采用移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代技術(shù)構(gòu)建現(xiàn)代化的水電站。

2 農(nóng)村水電站自動(dòng)化歷程

農(nóng)村水電站（即總裝機(jī)容量小于5萬(wàn)kW）的自動(dòng)化技術(shù)演變大致分為以下3個(gè)階段：

第1階段為20世紀(jì)70年代之前，機(jī)電電磁技術(shù)為主。

第2階段為70～90年代，沿襲了大中型水電站的計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)模式，將該模式略加修改，應(yīng)用到農(nóng)村水電站。

第3階段為2001年以來(lái)，少數(shù)生產(chǎn)廠家結(jié)合了農(nóng)村水電站的特點(diǎn)，研制開(kāi)發(fā)出了適合農(nóng)村水電站的計(jì)算機(jī)監(jiān)控模式。但是，總的來(lái)說(shuō)，農(nóng)村水電站的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)造價(jià)依然很高！

在歷史上農(nóng)村水電建設(shè)是重建輕管的，技術(shù)力量缺乏，投入資金不多。因此迫切需要即簡(jiǎn)單實(shí)用又經(jīng)濟(jì)可靠的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。移動(dòng)化互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的應(yīng)用，為農(nóng)村水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的升級(jí)帶來(lái)了契機(jī)。

3 總體構(gòu)架

不妨將運(yùn)用了移動(dòng)化互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)稱(chēng)之為“智慧水電”，它將農(nóng)村水電站的計(jì)算機(jī)監(jiān)控水平提升到了第4階段，既簡(jiǎn)單實(shí)用又經(jīng)濟(jì)可靠的，投資低，冗余功能少的，且融合了安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化管理的內(nèi)涵。

總體構(gòu)架如圖1。從圖1可知，智慧水電站綜合運(yùn)用了移動(dòng)化互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，采用標(biāo)準(zhǔn)化的解決方案，軟件運(yùn)行為Saas構(gòu)架，具有很高的可拓性，設(shè)有感知層、互聯(lián)層、智能層、應(yīng)用層等4個(gè)層次。

圖1 智慧農(nóng)村水電站總體構(gòu)架圖

4 核心技術(shù)

智慧水電站系統(tǒng)所用的研發(fā)核心技術(shù)諸多，如現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、PLC技術(shù)、TCP/IP技術(shù)等，由于篇幅有限而不再累述，本文重點(diǎn)論述一些國(guó)際最先進(jìn)技術(shù)，如移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)（＋）、云技術(shù)、大數(shù)據(jù)服務(wù)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云視頻監(jiān)控等技術(shù)。

4.1 基于大數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)的云技術(shù)

基于ISO/OSI互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)B/S構(gòu)架模式、云技術(shù)架構(gòu)模式、access control（A/C）模式的研究，將采用大數(shù)據(jù)技術(shù)把狀態(tài)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)到歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中，便于查詢、統(tǒng)計(jì)和打印。同時(shí)將數(shù)據(jù)通過(guò)云技術(shù)進(jìn)行存儲(chǔ)和備份，海量的視頻數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)很難采用本地的服務(wù)器進(jìn)行長(zhǎng)期的存儲(chǔ)，通過(guò)云技術(shù)進(jìn)行存儲(chǔ)是非常必要。該技術(shù)結(jié)合大數(shù)據(jù)開(kāi)發(fā)技術(shù)，采用MYBASE開(kāi)發(fā)云數(shù)據(jù)庫(kù)，部署云數(shù)據(jù)引擎，存儲(chǔ)狀態(tài)和視頻數(shù)據(jù)，向執(zhí)行器傳送狀態(tài)數(shù)據(jù)信號(hào)；云服務(wù)具有安全性高、容災(zāi)能力強(qiáng)、可拓展性強(qiáng)、與移動(dòng)終端聯(lián)接緊密等特點(diǎn)。

基于云技術(shù)的大數(shù)據(jù)庫(kù)，具有節(jié)約服務(wù)器空間和網(wǎng)絡(luò)投資成本低等優(yōu)點(diǎn)，在提高系統(tǒng)可靠性、可拓性、安全性等方面，更加符合實(shí)際需求，系統(tǒng)框架如圖2。

由圖2可知，視頻遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)和移動(dòng)互聯(lián)控制智能系統(tǒng)等，將狀態(tài)數(shù)據(jù)和視頻數(shù)據(jù)傳送入到云數(shù)據(jù)庫(kù)中，通過(guò)云鏈路和云令牌將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆乒ぷ髡?，?shí)現(xiàn)狀態(tài)和視頻的統(tǒng)一監(jiān)管，同時(shí)云數(shù)據(jù)能夠?yàn)橐苿?dòng)互聯(lián)終端提供數(shù)據(jù)服務(wù)。

圖2 基于云技術(shù)的大數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)框架圖

4.2 基于物聯(lián)網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)裝置開(kāi)發(fā)

目前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能交通、智能家居、智能環(huán)保等領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，本文在農(nóng)村水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控中引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，開(kāi)發(fā)了具有國(guó)家專(zhuān)利的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)裝置，該裝置將視頻監(jiān)控和狀態(tài)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一接口，結(jié)合移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)（＋）技術(shù)，將狀態(tài)和視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆茢?shù)據(jù)庫(kù)中，其結(jié)構(gòu)如圖3。

從圖3可知，通過(guò)視頻輸入模塊、以太網(wǎng)傳輸模塊、無(wú)線信號(hào)接收模塊，分別將視頻、狀態(tài)、模擬等數(shù)據(jù)接入到節(jié)點(diǎn)裝置中，通過(guò)中央處理器的處理，將視頻、狀態(tài)等信號(hào)傳輸?shù)娇刂坪惋@示裝置。

圖3 物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)裝置構(gòu)架圖

4.3 移動(dòng)互聯(lián)（＋）技術(shù)

基于移動(dòng)互聯(lián)（＋）技術(shù)的基礎(chǔ)層、云層服務(wù)和客戶層的開(kāi)發(fā)?？蛻魧影ㄆ桨咫娔X、智能手機(jī)、MID、電子書(shū)、數(shù)據(jù)庫(kù)管理員、用戶等；云層服務(wù)包括觸發(fā)器、云數(shù)據(jù)庫(kù)、引擎、應(yīng)用層、進(jìn)程、通信接口、組件界面等，如圖4所示。

由圖4可知，應(yīng)用層包括多節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)模塊、視頻流模塊、報(bào)警閾值模塊、狀態(tài)管理模塊、算法集成模塊等。該層是核心層，它提供狀態(tài)監(jiān)控、視頻監(jiān)控、巡檢、報(bào)警、設(shè)備管理等?；A(chǔ)層包括物聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)、PLC、服務(wù)器、工作站、視頻處理模塊、智能采集模塊等，同時(shí)這些模塊與智能傳感設(shè)備聯(lián)接，包括水電站的各種智能電量設(shè)備（電流、電壓、功率）、非智能電量監(jiān)測(cè)設(shè)備（水位、溫度、壓力等）、采集脈沖參數(shù)傳感器、攝像前端系統(tǒng)等。視頻處理器、PLC、服務(wù)器、工作站、智能采集設(shè)備等之間通過(guò)各種所需要的協(xié)議相互鏈接。物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)將信號(hào)通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)傳輸至云端服務(wù)器，為各種應(yīng)用提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。攝像裝置、各種智能保護(hù)裝置、智能傳感器、智能檢測(cè)裝置、專(zhuān)家?guī)煜到y(tǒng)、服務(wù)器等不一定全部具備，但其數(shù)據(jù)接口可以通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)或物聯(lián)網(wǎng)接口，將信號(hào)傳輸?shù)皆品?wù)器。

云服務(wù)層包含云數(shù)據(jù)庫(kù)、云數(shù)據(jù)引擎、觸發(fā)器、云數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊、云狀態(tài)監(jiān)管模塊、云視頻流層、云監(jiān)管層、云專(zhuān)家?guī)?、云?jīng)驗(yàn)層、云接口、組件界面（包括APP、微信）等。

客戶層包括云數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)人員、工程師、云數(shù)據(jù)庫(kù)管理員、云層管理員、專(zhuān)家、移動(dòng)終端等。

圖4 移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)構(gòu)架圖

4.4 云視頻監(jiān)控技術(shù)

視頻遠(yuǎn)程監(jiān)管系統(tǒng)采用了基于云技術(shù)的構(gòu)架，在平臺(tái)上集成了視頻監(jiān)控，通過(guò)智能遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了控制的移動(dòng)互聯(lián)功能，同時(shí)移動(dòng)終端遠(yuǎn)程啟動(dòng)報(bào)警裝置，防止人及動(dòng)物進(jìn)入水電安全監(jiān)管的區(qū)域，保障了水電站安全運(yùn)行。

無(wú)線視頻通訊H.264視頻編解碼壓縮技術(shù)與無(wú)線通訊技術(shù)相互結(jié)合，數(shù)據(jù)利用窄帶3G通道傳輸視頻編碼后，傳輸?shù)揭苿?dòng)終端，使監(jiān)管人員隨時(shí)隨地監(jiān)管到水電站的安全生產(chǎn)情況。

對(duì)于偏遠(yuǎn)的農(nóng)村水電站電信網(wǎng)絡(luò)不通的情況，可采用5.8G視頻無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有通信頻率高、傳播距離極長(zhǎng)、網(wǎng)橋結(jié)構(gòu)，區(qū)域輻射范圍大等特點(diǎn)，如圖5所示。

圖5 5.8G網(wǎng)橋視頻監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

5 智慧平臺(tái)組建技術(shù)

通過(guò)以上技術(shù)的研究與突破，成功開(kāi)發(fā)了國(guó)家專(zhuān)利產(chǎn)品智慧水電站云監(jiān)控平臺(tái)V4.0。該平臺(tái)主要有智慧水電運(yùn)行監(jiān)控平臺(tái)和智慧水電安全管理平臺(tái)兩大部分組成，如圖6所以。

圖6 智慧農(nóng)村水電站云監(jiān)控平臺(tái)V4.0結(jié)構(gòu)圖

智慧水電運(yùn)行監(jiān)控云平臺(tái)主要包括視頻監(jiān)控、雷達(dá)水位測(cè)報(bào)、自動(dòng)發(fā)電控制、事故故障報(bào)警、機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)、升壓站監(jiān)控、公用設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控、微機(jī)保護(hù)等10多個(gè)云系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)了隨時(shí)隨地遠(yuǎn)程監(jiān)控水電站的狀態(tài)和視頻。若水電集團(tuán)公司管理多水電站群，可將中控室設(shè)在城市里，配合遠(yuǎn)程無(wú)線大屏切換系統(tǒng)，可同時(shí)監(jiān)控N個(gè)水電站，減少了運(yùn)行維護(hù)的成本。

智慧水電云平臺(tái)是結(jié)合農(nóng)村水電安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化管理而定制的互聯(lián)網(wǎng)（＋）平臺(tái)，主要包括安全巡檢、設(shè)備管理及評(píng)級(jí)、安全工器具管理、備品備件管理、兩票管理、五防、運(yùn)行臺(tái)帳管理、維護(hù)檢修臺(tái)帳管理、檢修工具及物資管理等10多個(gè)云系統(tǒng)，這些系統(tǒng)采用移動(dòng)終端，很方便錄入和管理，與農(nóng)村水電站安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化管理相配套，即可自動(dòng)形成記錄和臺(tái)帳，采用規(guī)定的表格形式報(bào)表和打印。

6 案例分析

目前，智慧農(nóng)村水電站云監(jiān)控平臺(tái)V4.0已經(jīng)推廣應(yīng)用到浙江、四川、湖南、安徽、河南、廣州等較發(fā)達(dá)省份的40多個(gè)示范水電站?，F(xiàn)以某水電站為例。

該電站位于浙江省的一個(gè)偏遠(yuǎn)山區(qū)，離縣城有25 km，2014年創(chuàng)建水利部一級(jí)安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化管理，2015年3月實(shí)施安裝智慧云監(jiān)控平臺(tái)V4.0，實(shí)現(xiàn)了在縣城的無(wú)線視頻、雷達(dá)水位測(cè)報(bào)、事故故障報(bào)警、安全管理等?？稍谑謾C(jī)端隨時(shí)隨地進(jìn)行監(jiān)控（圖7）。

該系統(tǒng)應(yīng)用后，得到水電站的很高評(píng)價(jià)，附近幾家水電站經(jīng)過(guò)參觀學(xué)習(xí)后，也紛紛安裝了該平臺(tái)。

7 結(jié)束語(yǔ)

圖7 智慧水電云監(jiān)控平臺(tái)V4.0移動(dòng)端主界面

對(duì)基于安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化的智慧水電系列核心技術(shù)進(jìn)行研究，將其研究成果集成到農(nóng)村水電站的智慧水電安全監(jiān)管云平臺(tái)，該平臺(tái)的應(yīng)用實(shí)踐證明，能夠提高水電站的安全監(jiān)管水平、減少管理人員的工作負(fù)擔(dān)、增加了農(nóng)村水電站的管理和發(fā)電效益，具有很好的推廣及借鑒意義。

[1]方輝欽.現(xiàn)代水電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)與試驗(yàn)[M].北京:中國(guó)電力出版社,2004.

[2]徐金壽,張仁貢.水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)與應(yīng)用[M].杭州:浙江科學(xué)技術(shù)出版社,2007.

[3]徐錦才.小型水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)[M].南京:河海大學(xué)出版社,2005.

[4]胡冬妮,賈劍峰.小型水電站綜合自動(dòng)化控制裝置的比較與應(yīng)用[J].小水電，2009(04）:77-79.

[5]譚云廣,譚博元.微機(jī)自動(dòng)化在水電站應(yīng)用模式及相關(guān)設(shè)備選型應(yīng)注意的問(wèn)題[J].中國(guó)水能及電氣化,2008（03）:59-63.

TV736

A

1672-5387（2017）06-0065-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.06.023

2016-11-26

韓茜丹（1982－），女，助理工程師，研究方向：水電站運(yùn)行管理。