唐 勇,劉 鶴,張 力,劉小兵
瀑布溝電廠智慧水電建設(shè)實(shí)踐
唐 勇1,劉 鶴1,張 力2,劉小兵3
(1.國(guó)家能源大渡河瀑布溝水力發(fā)電總廠,四川 雅安 625304;2.西華大學(xué)電氣與電子信息學(xué)院,四川 成都 610039;3.西華大學(xué)流體及動(dòng)力機(jī)械教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610039)
本文在總結(jié)水電企業(yè)智慧電廠建設(shè)方向的基礎(chǔ)上,提出了智慧水電的建設(shè)模式和體系結(jié)構(gòu),介紹了瀑布溝電廠在生產(chǎn)運(yùn)行、檢修維護(hù)、安全防范、經(jīng)營(yíng)管理等多個(gè)業(yè)務(wù)單元開展智慧水電建設(shè)的實(shí)際案例,說(shuō)明了該電廠綜合數(shù)據(jù)平臺(tái)系統(tǒng)、水電安全風(fēng)險(xiǎn)管控?cái)?shù)據(jù)中心、智能巡檢系統(tǒng)、設(shè)備狀態(tài)分析與智慧檢修、水電站多系統(tǒng)智能聯(lián)動(dòng)、三維虛擬化廠房系統(tǒng)的具體情況。通過(guò)智慧電廠建設(shè),瀑布溝電廠已累計(jì)產(chǎn)生直接或間接經(jīng)濟(jì)效益6 300多萬(wàn)元,該建設(shè)模式和成果也在國(guó)家能源集團(tuán)下屬各水電站廣泛推廣應(yīng)用。
水電企業(yè);智慧電廠;智慧水電;體系結(jié)構(gòu);數(shù)據(jù);實(shí)踐
針對(duì)國(guó)家創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展和能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的需求,為了更好地推進(jìn)能源供給側(cè)改革,2016年2月國(guó)家發(fā)布了《關(guān)于推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源發(fā)展的指導(dǎo)意見》,明確指出促進(jìn)能源和信息深度融合。在此背景下,國(guó)家能源集團(tuán)大渡河公司提出了基于自主創(chuàng)新的智慧企業(yè)建設(shè)發(fā)展思路[1],將先進(jìn)信息技術(shù)、工業(yè)技術(shù)和管理技術(shù)深度融合,以瀑布溝電廠為智慧水電試點(diǎn)單位進(jìn)行研究與實(shí)踐。
本文從智慧電廠的發(fā)展過(guò)程出發(fā),提出智慧水電體系架構(gòu),介紹了瀑布溝電廠試點(diǎn)建設(shè)智慧水電的具體情況。
近年來(lái),我國(guó)在智慧電廠的發(fā)展道路上已具備一定的基礎(chǔ):一是現(xiàn)有電廠在數(shù)字化、信息化、自動(dòng)化等方面達(dá)到了較高的水平;二是大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)、云計(jì)算等技術(shù)逐步成熟;三是發(fā)電裝備制造水平得到快速發(fā)展;四是智慧電廠建設(shè)已經(jīng)成為新的發(fā)展趨勢(shì)和共識(shí),各發(fā)電企業(yè)都在積極探索。
圖1為智慧電廠的發(fā)展演變過(guò)程。由圖1可見,電廠的發(fā)展可總結(jié)為4個(gè)階段:自動(dòng)化電廠、數(shù)字化電廠、智能化電廠、智慧電廠。其中,電廠發(fā)展的每個(gè)階段在技術(shù)條件、管理思想上都是不同的,也是動(dòng)態(tài)的。每個(gè)階段都有各自所屬階段的技術(shù)特征和建設(shè)任務(wù)。4個(gè)階段是一個(gè)依次發(fā)展遞進(jìn)包含的關(guān)系,智慧電廠包含了前3個(gè)階段的關(guān)鍵任務(wù)。
圖1 智慧電廠的發(fā)展演變過(guò)程
目前,我國(guó)在智慧電廠研究領(lǐng)域中已開展了較多探索,許多專家學(xué)者對(duì)其概念、內(nèi)涵等提出了不同的見解[2]:文獻(xiàn)[3]指出智能電廠是在廣泛采用現(xiàn)代數(shù)字信息處理和通信技術(shù)的基礎(chǔ)上,集成智能傳感與執(zhí)行、智能控制和管理決策等技術(shù),達(dá)到電廠運(yùn)行安全高效環(huán)保,并與智能電網(wǎng)相互協(xié)調(diào)。文獻(xiàn)[4-5]認(rèn)為智慧電廠是數(shù)字化電廠結(jié)合智能系統(tǒng)后的進(jìn)一步發(fā)展,以新型傳感、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)為技術(shù)支撐,以創(chuàng)新的管理理念、專業(yè)化的管控體系、一體化的管理平臺(tái)為重點(diǎn),具有數(shù)字化、信息化、可視化、智能化等特征,最大限度地實(shí)現(xiàn)電廠安全、經(jīng)濟(jì)、高效、環(huán)保運(yùn)行。文獻(xiàn)[6]提到智慧電廠由信息化、數(shù)字化、智能化等技術(shù)為支撐,具有感知能力、記憶和思維能力、學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力3類特點(diǎn)。文獻(xiàn)[7]認(rèn)為智慧電廠是以執(zhí)行力體系、信息化體系、節(jié)能環(huán)保體系、預(yù)警體系、學(xué)習(xí)型企業(yè)體系和企業(yè)文化體系6大管理體系為支撐,是適應(yīng)我國(guó)電力體制改革的必然產(chǎn)物。
目前國(guó)內(nèi)水電廠的技術(shù)發(fā)展水平多處于自動(dòng)化電廠或數(shù)字化電廠的階段,一些新建的規(guī)模較大的水電廠已具備智能化電廠的特點(diǎn),部分水電廠正在進(jìn)行智慧電廠的建設(shè)探索,智慧電廠也成為水電廠未來(lái)的發(fā)展方向。
水電企業(yè)的智慧電廠建設(shè)是以設(shè)備智能巡檢、故障精準(zhǔn)排查、系統(tǒng)協(xié)同聯(lián)動(dòng)為目標(biāo),以自動(dòng)控制為基礎(chǔ),以數(shù)據(jù)管理為核心,整合運(yùn)行管理歷史數(shù)據(jù)和人工經(jīng)驗(yàn),引導(dǎo)管理系統(tǒng)自主管理、自我演進(jìn),謀求設(shè)備控制更加自主、生產(chǎn)管理更加智能、風(fēng)險(xiǎn)決策更加科學(xué)的柔性電力生產(chǎn)組織形態(tài)與新型管理模式[8-10]。
智慧水電的體系架構(gòu)如圖2所示。智慧水電建設(shè)從“物理電廠”的生產(chǎn)過(guò)程、物理對(duì)象、業(yè)務(wù)流程、環(huán)境條件的數(shù)字化處理開始,進(jìn)行水電生產(chǎn)管理各個(gè)環(huán)節(jié)的業(yè)務(wù)量化,再通過(guò)生產(chǎn)數(shù)據(jù)中心與高速數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)完成多源海量數(shù)據(jù)的集成集中,并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建以“態(tài)勢(shì)感知、多維分析、趨勢(shì)預(yù)測(cè)、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、遠(yuǎn)程控制”等為主要特征的統(tǒng)一平臺(tái),實(shí)現(xiàn)集“數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)、運(yùn)檢、調(diào)度、算法”于一體的新型“云端電廠”,最終實(shí)現(xiàn)“無(wú)人值守和智能協(xié)同”。
圖3為水電站綜合數(shù)據(jù)平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),該平臺(tái)嚴(yán)格遵循《電力監(jiān)控系統(tǒng)安全防護(hù)規(guī)定》要求[11],在各安全分區(qū)設(shè)置數(shù)據(jù)采集與處理服務(wù)器,開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接入和傳輸程序,制定數(shù)據(jù)命名規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn),對(duì)全廠生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)進(jìn)行匯聚、傳輸、存儲(chǔ)和綜合處理,建成廠級(jí)數(shù)據(jù)中心,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和高效利用,并上送大渡河公司“云中心”,將數(shù)據(jù)進(jìn)行“云端存儲(chǔ)”。
圖2 智慧水電的體系架構(gòu)
圖3 水電站綜合數(shù)據(jù)平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
為實(shí)現(xiàn)安全風(fēng)險(xiǎn)的實(shí)時(shí)感知和智能預(yù)警,瀑布溝電廠研發(fā)了水電安全風(fēng)險(xiǎn)管控?cái)?shù)據(jù)中心(圖4)。
圖4 水電安全風(fēng)險(xiǎn)管控?cái)?shù)據(jù)中心
該數(shù)據(jù)中心主要包括綜合管理、風(fēng)險(xiǎn)管理、專項(xiàng)管理、違章管理和可視化應(yīng)用等5部分,涵蓋了水電生產(chǎn)安全管理的各方面,主要包括以下內(nèi)容:
1)綜合應(yīng)用智能感知裝備、物聯(lián)網(wǎng)、無(wú)線定位、智能防誤操作等技術(shù),全面感知人員和設(shè)備的安全信息,實(shí)現(xiàn)違章行為的自動(dòng)識(shí)別和實(shí)時(shí)報(bào)警。
2)通過(guò)危險(xiǎn)源分類和安全職責(zé)編碼,自動(dòng)識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)值大小并分配至具體責(zé)任人,實(shí)現(xiàn)安全風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)管控的智能化、高效化。
3)依據(jù)半定量評(píng)價(jià)法建立風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)評(píng)估模 型[12],實(shí)時(shí)評(píng)估生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)值并及時(shí)預(yù)警,確保安全態(tài)勢(shì)可控或在控。
圖5為瀑布溝電廠智能巡檢系統(tǒng)。該系統(tǒng)將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、工業(yè)技術(shù)、信息技術(shù)等相結(jié)合,利用圖像識(shí)別和視頻分析實(shí)現(xiàn)溫度、聲音、圖像、狀態(tài)、異常信息的實(shí)時(shí)監(jiān)視和自動(dòng)識(shí)別,能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備滲漏、工況異常、功能失效等缺陷,彌補(bǔ)了人工巡檢的盲區(qū);同時(shí)可綜合判斷設(shè)備異常狀態(tài),發(fā)送故障報(bào)警信息,定時(shí)生成巡檢報(bào)告,具備全面感知設(shè)備的缺陷和隱患的能力[13]。
圖5 智能巡檢系統(tǒng)
為了更好地實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)的智能診斷和故障預(yù)警[14],瀑布溝電廠利用水電站綜合數(shù)據(jù)平臺(tái)中心完備的生產(chǎn)數(shù)據(jù),建設(shè)了設(shè)備狀態(tài)分析與智慧檢修系統(tǒng)。該系統(tǒng)具備趨勢(shì)預(yù)警、故障診斷、智能巡屏等功能,一方面能將各類設(shè)備故障處理經(jīng)驗(yàn)用 數(shù)據(jù)、邏輯和模型等進(jìn)行量化[15],即把模糊、定性的經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)換為數(shù)字化、定量化的數(shù)學(xué)模型(圖6),實(shí)現(xiàn)設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)判預(yù)警和故障原因的精準(zhǔn)排查。另一方面,系統(tǒng)依靠狀態(tài)分析、趨勢(shì)分析、關(guān)聯(lián) 分析等技術(shù)手段,能夠準(zhǔn)確診斷設(shè)備故障,并給 出處理方案,指導(dǎo)消除故障。同時(shí),系統(tǒng)通過(guò)挖 掘表征水電機(jī)組健康狀態(tài)關(guān)鍵指標(biāo)的歷史數(shù)據(jù),構(gòu)建設(shè)備健康狀態(tài)感知模型[16],實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備健康度和發(fā)展趨勢(shì)的精準(zhǔn)預(yù)測(cè),為制定設(shè)備檢修決策提供科學(xué)的依據(jù)。
圖6 水電設(shè)備的故障診斷模型
瀑布溝電廠在系統(tǒng)間互聯(lián)互通的基礎(chǔ)上開發(fā)了水電站多系統(tǒng)智能聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)[17],突破各系統(tǒng)間“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”的聯(lián)動(dòng)方式,實(shí)現(xiàn)多個(gè)核心系統(tǒng)的協(xié)同動(dòng)作。圖7為多系統(tǒng)智能聯(lián)動(dòng)的功能示例。
由圖7可見,當(dāng)設(shè)備發(fā)生異常時(shí),該系統(tǒng)能夠自動(dòng)調(diào)用并協(xié)同其他關(guān)聯(lián)系統(tǒng),將圖像、聲音、波形等信息推送給生產(chǎn)人員,為決策處理提供全面的信息,自主聯(lián)動(dòng)相關(guān)設(shè)備協(xié)同處理,使各系統(tǒng)間相互感知,協(xié)調(diào)工作,具有高效的自我控制能力。
圖7 多系統(tǒng)智能聯(lián)動(dòng)功能
瀑布溝電廠集數(shù)字化、可視化、智能化于一體,建設(shè)了三維虛擬化廠房系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了物理電站與虛擬電站融合。該系統(tǒng)采用三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),通過(guò)對(duì)電站地形地貌、水工建筑、機(jī)電設(shè)備等建模,利用“云中心”數(shù)據(jù),與大渡河公司應(yīng)急指揮、生產(chǎn)調(diào)度等多個(gè)系統(tǒng)對(duì)接,實(shí)現(xiàn)應(yīng)急指揮的可視化管理、水電生產(chǎn)信息的云端傳送、電廠生產(chǎn)過(guò)程的三維展示、水電運(yùn)行及檢修培訓(xùn)虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)等功能。圖8為三維虛擬化廠房系統(tǒng)中的機(jī)器人巡檢狀態(tài)。
圖8 三維虛擬化廠房系統(tǒng)中的機(jī)器人巡檢狀態(tài)
瀑布溝電廠通過(guò)智慧電廠建設(shè)實(shí)踐,逐步形成了符合水電廠生產(chǎn)管理特點(diǎn)的智慧水電建設(shè)模式,全面提升了水電廠生產(chǎn)管理的智能化水平,各項(xiàng)智慧建設(shè)成果在實(shí)際應(yīng)用中也取得了顯著的社會(huì) 效益和經(jīng)濟(jì)效益,已累計(jì)產(chǎn)生直接或間接經(jīng)濟(jì)效益6 300多萬(wàn)元;同時(shí),智慧水電廠的建設(shè)模式也正在國(guó)家能源集團(tuán)大渡河流域水電開發(fā)公司下屬各電站廣泛推廣應(yīng)用。
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Practice of intelligent hydropower construction in Pubugou hydropower plant
TANG Yong1, LIU He1, ZHANG Li2, LIU Xiaobing3
(1. Pubugou Hydropower Plant, Dadu River Hydropower Development Company, CHN Energy Investment Group Co., Ltd., Ya’an 625304, China;2. School of Electrical Engineering and Electronic Information, Xihua University, Chengdu 610039, China;3. Key Laboratory of Fluid and Power Machinery, Ministry of Education, Xihua University, Chengdu 610039, China)
On the basis of summarizing the development direction of intelligent power plants' construction for hydropower enterprises, the paper puts forward the construction mode and framework of intelligent hydropower. At the same time, with the introduction of actual cases of intelligent construction in operation, maintenance, safety precaution, production management and other units, it further illustrates the practical application in Pubugou hydropower plant of integrated data platform, safety risk management and control data center, intelligent patrol system, equipment condition analysis and intelligent maintenance, multi-system intelligent linkage, and 3D virtual factory building system in detail. Finally, through the construction of intelligent power plant, the economic benefits of more than 63 million yuan have been acquired directly and indirectly in the plant, and the construction models and effects are also widely used in other hydropower plants of CHN Energy.
hydropower enterprise, intelligent power plant, intelligent hydropower, architecture, data, practice
TM622
B
10.19666/j.rlfd.201903064
2019-03-27
國(guó)家能源集團(tuán)科技創(chuàng)新項(xiàng)目(GJNY-18-09);四川省教育廳自然科學(xué)重點(diǎn)項(xiàng)目(11ZA280);流體及動(dòng)力機(jī)械教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目(SBZDPY-11-15);四川省信號(hào)與信息處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目(szjj2014-020);四川省電力電子節(jié)能技術(shù)與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目(szjj2016-046)
Supported by:Science and Technology Innovation Project of CHN Energy(GJNY-18-09); Natural Science Key Project of Sichuan Education Department(11ZA280); Open Research Subject of Key Laboratory of Fluid and Power Machinery, Ministry of Education (SBZDPY-11-15); Open Research Subject of Key Laboratory of Signal and Information Processing (szjj2014-020); Open Research Subject of Key Laboratory of Power Electronics Energy Saving Technology and Equipment (szjj2016-046)
唐勇(1967—),男,高級(jí)工程師,主要從事水電廠生產(chǎn)管理、智慧電廠建設(shè)等工作,2042339553@qq.com。
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(責(zé)任編輯 杜亞勤)