寺溝口水電站智慧運(yùn)維研究及應(yīng)用

黃 勇，陳慧清，劉曉東，侯彥峰，霍云超，王晨祥

(1.中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710000；2.青海省門源神牛水電開發(fā)有限責(zé)任公司，青海 門源 810300)

0 引言

電站全生命周期智慧運(yùn)維以設(shè)備全過程、項(xiàng)目全過程、資產(chǎn)全壽命周期管理為理念[1]，以數(shù)據(jù)共享為基礎(chǔ)，以智能控制為手段，以自動(dòng)化、互動(dòng)化、人性化為基本特征，以本質(zhì)安全、高效可靠、綠色環(huán)保、和諧友好為目標(biāo)，統(tǒng)籌規(guī)劃設(shè)計(jì)、設(shè)備制造、施工建設(shè)、運(yùn)維檢修全過程，通過電站業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的一體化整合和深度挖掘分析，提升電站的整體運(yùn)維能力和生產(chǎn)管控能力，提高企業(yè)效益[2]。

本文以寺溝口水電站為研究對象，從水電站的數(shù)字化建設(shè)、智能化建設(shè)、遠(yuǎn)程控制中心建設(shè)出發(fā)，介紹該水電站智慧運(yùn)維建設(shè)成果。

1 我國水電站概況

傳統(tǒng)水電站在規(guī)劃設(shè)計(jì)、制造、建設(shè)、運(yùn)行等階段之間沒有貫徹全生命周期的原則，使得水電站在投運(yùn)后存在大量改造和補(bǔ)充完善工作來滿足實(shí)際運(yùn)行的要求。

特別是運(yùn)維、檢修階段，傳統(tǒng)水電站存在以下不足：

(1)以技術(shù)人員為核心，水電站生產(chǎn)運(yùn)行過程中實(shí)際存在較多人為失誤[3]。

(2)主要采用固定時(shí)間周期性檢修的方式，造成全廠設(shè)備處于被動(dòng)和應(yīng)答式改造狀態(tài)，往往是設(shè)備處于安全邊界隱患突發(fā)甚至爆發(fā)時(shí)才進(jìn)行改造工作，為安全生產(chǎn)造成極大困擾和危險(xiǎn)，另外，設(shè)備改造工作往往是局部改造，經(jīng)濟(jì)性也很差[4]。

(3)出現(xiàn)突發(fā)故障時(shí)，缺乏會(huì)商機(jī)制和平臺，主要依靠運(yùn)檢人員的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，復(fù)雜問題往往通過會(huì)議(或遠(yuǎn)程電話)邀請多方分析解決問題，費(fèi)時(shí)費(fèi)力效果不佳[5]。

此外傳統(tǒng)水電站多系統(tǒng)并存、系統(tǒng)異構(gòu)、數(shù)據(jù)孤島等現(xiàn)象比較突出，多系統(tǒng)并存現(xiàn)狀容易出現(xiàn)信息孤島，無法發(fā)揮數(shù)字化、信息化的優(yōu)勢和價(jià)值，降低了管理效率，嚴(yán)重阻礙著現(xiàn)代化發(fā)電企業(yè)安全、高效、經(jīng)濟(jì)等發(fā)展目標(biāo)[6]。

綜上，針對傳統(tǒng)水電站運(yùn)維管理存在的不足，亟需借助互聯(lián)網(wǎng)手段、大數(shù)據(jù)平臺，創(chuàng)新管理模式，提升水電站的管理水平。

2 寺溝口水電站概況

寺溝口水電站位于青海省門源回族自治縣境內(nèi)，是大通河干流上重要的水利工程。壩址位于民門公路130 km處，距互助縣威遠(yuǎn)鎮(zhèn)74 km，距省會(huì)西寧117 km。電站廠房位于大通河左岸寺溝口附近，距上游壩址0.8 km，距互助土族自治縣巴扎鄉(xiāng)甘禪口17 km。

寺溝口水電站是一座低壩引水式電站，該樞紐工程的主要建筑物有溢流壩、泄洪閘及引水發(fā)電建筑物等組成。正常蓄水位為2424 m，總庫容500萬m3，引水洞及壓力管總長699.0 m設(shè)計(jì)引用流量72 m3/s，最大發(fā)電頭22 m，安裝3臺4 MW的水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)12 MW，保證出力2607 kW，多年平均發(fā)電量6425萬kW/h。

寺溝口水電站在運(yùn)維階段面臨以下難題：①自然環(huán)境惡劣，冬春季多雨雪冰凍天氣；②該電站設(shè)備數(shù)量大、類型多；③專業(yè)運(yùn)維人才嚴(yán)重缺乏。隨著電站設(shè)備運(yùn)行年限的增長，設(shè)備運(yùn)維管理工作量及故障處理難度逐步增加，寺溝口水電站急需創(chuàng)新現(xiàn)有的管理模式。

3 寺溝口水電站智慧運(yùn)維設(shè)計(jì)

寺溝口水電站智慧運(yùn)維改造及管控系統(tǒng)建設(shè)，遵循全生命周期理念，在總體思路上要著眼于解決現(xiàn)有系統(tǒng)一體化程度低、通信標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、信息共享困難、業(yè)務(wù)協(xié)調(diào)工作量大、網(wǎng)源協(xié)調(diào)能力差、決策能力低等問題，通過采用“云大物移智”等新興技術(shù)手段和大數(shù)據(jù)平臺，實(shí)現(xiàn)水電站信息數(shù)字化、通信網(wǎng)絡(luò)化、集成標(biāo)準(zhǔn)化、運(yùn)管一體化、業(yè)務(wù)互動(dòng)化、運(yùn)行最優(yōu)化、決策智能化，提升源網(wǎng)協(xié)調(diào)能力，促進(jìn)管理模式轉(zhuǎn)變，提高運(yùn)行管理水平[7]。

3.1 數(shù)字化建設(shè)

3.1.1 水電站全信息數(shù)字模型構(gòu)建

依據(jù)行業(yè)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合寺溝口水電站設(shè)計(jì)圖紙、改造記錄等歷史資料，利用BIM技術(shù)進(jìn)行三維數(shù)字化逆向建模。建模的內(nèi)容包括首部樞紐、廠房、生活區(qū)、開關(guān)站等在內(nèi)的所有設(shè)備設(shè)施(水工建筑物、設(shè)備、管線等)，建模標(biāo)準(zhǔn)及精度嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，模型組織結(jié)構(gòu)以方便應(yīng)用為原則、參照電廠運(yùn)維管理模式進(jìn)行劃分，同時(shí)將設(shè)備的幾何參數(shù)和物理參數(shù)實(shí)際參數(shù)和信息附加至相應(yīng)的三維模型上，通過模型轉(zhuǎn)換工具將不同三維模型轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一格式并進(jìn)行融合集成，寺溝口水電站全信息數(shù)字模型構(gòu)建示例見圖1。

圖1 寺溝口水電站全信息數(shù)字模型構(gòu)建示例

3.1.2 水電站全壽命周期管理系統(tǒng)建設(shè)

(1)三維綜合展示

將水電站所有設(shè)施設(shè)備三維模型在統(tǒng)一平臺上進(jìn)行展示，并按照統(tǒng)一的空間對象及數(shù)據(jù)編碼規(guī)則關(guān)聯(lián)集成設(shè)備全面綜合信息數(shù)據(jù)(如設(shè)備狀態(tài)信息、缺陷信息、臺賬信息、物資信息、文檔等)，在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的集成展示、查詢共享、統(tǒng)計(jì)分析等。

(2)數(shù)字化文檔管理

通過編碼編號將各種非結(jié)構(gòu)化圖文檔資料與相應(yīng)的數(shù)字化模型關(guān)聯(lián)起來，實(shí)現(xiàn)可視化圖文檔資料管理。整合寺溝口水電站在設(shè)計(jì)、制造、安裝、調(diào)試、運(yùn)維過程中的圖紙、報(bào)告、圖片、操作說明、維修手冊等圖文檔資料，在數(shù)據(jù)梳理及編碼編號的基礎(chǔ)上，建立圖文檔與相關(guān)數(shù)字模型之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，以三維模型為載體對圖文檔資料進(jìn)行統(tǒng)一管理，實(shí)現(xiàn)可視化圖文檔資料集成管理及應(yīng)用。

(3)數(shù)字化設(shè)備管理模塊

遵循設(shè)備全壽命周期管理理念，將設(shè)備巡檢、維護(hù)、檢修、更換、報(bào)廢全過程產(chǎn)生的數(shù)據(jù)(結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化)以數(shù)字模型為載體，通過設(shè)備唯一標(biāo)識碼統(tǒng)籌和關(guān)聯(lián)起來，實(shí)現(xiàn)設(shè)備全壽命周期可視化管理。在三維可視化環(huán)境下，對設(shè)備狀態(tài)評估結(jié)果、檢修計(jì)劃、檢修報(bào)告等信息數(shù)據(jù)與電站設(shè)備空間對象進(jìn)行關(guān)聯(lián)展示、查詢與分析。寺溝口水電站全壽命周期管理系統(tǒng)界面見圖2。

圖2 寺溝口水電站全壽命周期管理系統(tǒng)

3.1.3 水電站動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)集成

基于水電站全壽命周期管理系統(tǒng)，在虛擬可視化環(huán)境下，集成水電站監(jiān)測、監(jiān)控等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。利用三維場景與可視化信息集成展示開發(fā)維護(hù)工具，將水工建筑物缺陷的位置在三維可視化信息集成展示與會(huì)商平臺上進(jìn)行標(biāo)識，并關(guān)聯(lián)缺陷相關(guān)的文字描述、圖片和記錄表格等數(shù)據(jù)，在三維環(huán)境下實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的展示、查詢、統(tǒng)計(jì)與分析等，寺溝口水電站動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)集成模塊展示見圖3。

圖3 寺溝口水電站動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)集成模塊

3.2 智能化建設(shè)

在數(shù)字化建設(shè)的基礎(chǔ)上，綜合應(yīng)用智能安全帽、智能視頻識別、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)智能管控。智能化建設(shè)主要包括智能作業(yè)管理、智能安全管控和移動(dòng)APP應(yīng)用。

(1)智能作業(yè)管理

將數(shù)字電站與生產(chǎn)作業(yè)流程相結(jié)合，在數(shù)字電站中顯示故障設(shè)備，或?qū)⒐收显O(shè)備通過數(shù)字電站管理和表達(dá)，做到故障設(shè)備文檔自動(dòng)推送和運(yùn)檢工作任務(wù)自動(dòng)提醒。

(2)智能地線管理

建設(shè)智能地線管理模塊，實(shí)現(xiàn)對水電站接地線進(jìn)行智能管理。

(3)智能安全管理

基于數(shù)字孿生電站，在生產(chǎn)區(qū)部署定位裝置，人員佩戴智能安全帽，通過定位智能安全帽，定位工作人員位置，將人員位置信息標(biāo)注在三維模型中，實(shí)時(shí)監(jiān)測生產(chǎn)區(qū)域人員位置信息，見圖4?；谧鳂I(yè)風(fēng)險(xiǎn)庫，在數(shù)字孿生電站中對作業(yè)危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行標(biāo)識，一旦運(yùn)維人員誤入危險(xiǎn)區(qū)域，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行報(bào)警并提醒。

智能安全帽應(yīng)通過后臺下發(fā)指令或用戶按鍵開啟攝像及拍照功能，實(shí)時(shí)采集作業(yè)現(xiàn)場的影像，并存儲到智能安全帽本地，且能同時(shí)上傳至智能安全帽管控系統(tǒng)。智能安全帽具有可見光檢測、紅外檢測、掃碼識別等功能，并存儲到智能安全帽本地，且能同時(shí)上傳至智能安全帽管控系統(tǒng)進(jìn)行分析與處理。智能安全帽應(yīng)通過按鍵或后臺觸發(fā)開啟音頻采集功能，并能實(shí)時(shí)上傳至安全帽管控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方與現(xiàn)地語音交流與指導(dǎo)。

圖4 寺溝口水電站人員定位系統(tǒng)

(4)智能物資管理

基于二維碼技術(shù)，實(shí)現(xiàn)水電廠備品備件及物資的智慧管理功能，實(shí)現(xiàn)物資數(shù)據(jù)采集、物資領(lǐng)用出庫與歸還、備品備件管理和物資查詢。

(5)智能工具管理

開發(fā)智能工具管理模塊，實(shí)現(xiàn)工器具的租用、使用說明、校檢周期提醒、壽命管理、補(bǔ)貨管理、預(yù)約管理、工具的正確借還、工具入庫管理及其配套說明管理等在線智能管理。智能工具管理模塊包括電腦終端和手機(jī)終端，其中電腦終端實(shí)現(xiàn)工具借還、工具管理及數(shù)據(jù)分析等功能，手機(jī)端實(shí)現(xiàn)工具搜索、現(xiàn)場借還及實(shí)用助手等功能。

(6)智能培訓(xùn)管理

建設(shè)智能培訓(xùn)管理模塊，實(shí)現(xiàn)廉政安全、運(yùn)維專業(yè)知識培訓(xùn)課件推送功能，具備權(quán)限的人員在管理系統(tǒng)中上傳對應(yīng)的培訓(xùn)資料(含廉政培訓(xùn)、安規(guī)培訓(xùn)、技術(shù)培訓(xùn)等)，選擇需要培訓(xùn)的人員，進(jìn)行信息推送。需培訓(xùn)人員收到信息后可以在手機(jī)終端進(jìn)行學(xué)習(xí)，并反饋相關(guān)信息，同時(shí)包括問卷考試及調(diào)查等。

(7)智慧生活

建立智慧生活模塊，實(shí)現(xiàn)員工生活需求的在線信息交互、后勤物業(yè)報(bào)修、用車申請等功能，使后勤部門可以精準(zhǔn)存儲、保質(zhì)保量、提供后勤管理的服務(wù)水平。

(8)移動(dòng)APP應(yīng)用

移動(dòng)APP基本功能包括信息查詢、工單管理、巡檢管理、報(bào)缺管理、備品備件管理、信息上傳、數(shù)據(jù)同步等。

3.3 遠(yuǎn)程控制中心

遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)采用分層分布式體系結(jié)構(gòu)，整個(gè)系統(tǒng)分為遠(yuǎn)程控制層、廠站層和現(xiàn)地層三層。遠(yuǎn)程控制層設(shè)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，廠站層設(shè)置廠站級計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，現(xiàn)地層主要由各主/輔設(shè)備的現(xiàn)地控制單元以及分散式或集中式測控部分構(gòu)成。

遠(yuǎn)程控制中心的任務(wù)是通過計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)對寺溝口水電站進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與處理、安全運(yùn)行監(jiān)視、運(yùn)行調(diào)度、操作控制和管理等功能，同時(shí)負(fù)責(zé)接受上級調(diào)度系統(tǒng)下達(dá)的各項(xiàng)指令，向上級調(diào)度傳送所需的數(shù)據(jù)，以便對整個(gè)電站進(jìn)行有效地監(jiān)視、調(diào)度、控制及管理。

4 寺溝口水電站智慧運(yùn)維應(yīng)用效果

4.1 社會(huì)效益

寺溝口水電站智慧運(yùn)維，實(shí)現(xiàn)了水電站信息數(shù)字化、通信網(wǎng)絡(luò)化、集成標(biāo)準(zhǔn)化、運(yùn)管一體化、業(yè)務(wù)互動(dòng)化、運(yùn)行最優(yōu)化、決策智能化，提升源網(wǎng)協(xié)調(diào)能力，促進(jìn)管理模式轉(zhuǎn)變，提高運(yùn)行管理水平，同時(shí)提高企業(yè)新技術(shù)應(yīng)用及創(chuàng)新能力，提升企業(yè)核心競爭力。

4.2 經(jīng)濟(jì)效益

綜合應(yīng)用數(shù)字化、智能化、移動(dòng)互聯(lián)等技術(shù)，通過可視化檔案管理、數(shù)字化設(shè)備管理、仿真培訓(xùn)、虛擬巡檢、設(shè)備物資自動(dòng)盤點(diǎn)、任務(wù)事件智能提醒、移動(dòng)辦公、遠(yuǎn)程集控等數(shù)字化、智能化應(yīng)用，提高運(yùn)維管理人員的作業(yè)效率，減少運(yùn)維生產(chǎn)相關(guān)的人、材、物等資源；通過設(shè)備改造、智能監(jiān)測設(shè)備增加，實(shí)時(shí)掌控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，提高設(shè)備可靠性；通過統(tǒng)一數(shù)據(jù)中心進(jìn)行水電站生產(chǎn)運(yùn)維數(shù)據(jù)的多業(yè)務(wù)、多因素綜合分析，提前感知設(shè)備故障，提前處理設(shè)備缺陷，綜合優(yōu)化發(fā)電、檢修、維修全過程，減少停機(jī)時(shí)間及棄水流量，增加發(fā)電量，提高發(fā)電效率。

4.3 安全效益

運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，研究開發(fā)智慧地線管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)接地線的智能管控，全面消除由于接地線問題造成的安全生產(chǎn)問題；綜合運(yùn)用三維模型、精確定位、智能識別、紅外檢測、掃碼識別、大數(shù)據(jù)、智能安全帽等技術(shù)，建立安全風(fēng)險(xiǎn)識別庫及智能安全管控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水電站運(yùn)維人員生產(chǎn)作業(yè)的全過程追蹤管理，杜絕越界、走錯(cuò)間隔、誤入危險(xiǎn)區(qū)域等安全隱患，保障運(yùn)維人員安全，提高安全管理水平。

5 結(jié)語

對寺溝口水電站借助采用“云大物移智”等新興技術(shù)手段和大數(shù)據(jù)平臺，遵循全壽命周期管理理念，通過數(shù)字化建設(shè)、智能化建設(shè)、遠(yuǎn)程控制中心建設(shè)，為該水電站打造建設(shè)以智慧運(yùn)維管控和區(qū)域運(yùn)檢中心為支撐的“無人值班，少人值守”的新型管理模式，可以提高行業(yè)競爭力，減少設(shè)備檢修時(shí)間和維護(hù)成本，保障發(fā)電效率，同時(shí)提高水電站的管理效率與水平。