抽水蓄能數(shù)字化智能電站建設(shè)探索與實(shí)踐

葉 宏，孫 勇，韓宏韜，劉海濤，王卓瑜

（國網(wǎng)新源控股有限公司，北京市 100052）

0 引言

抽水蓄能是新型電力系統(tǒng)的重要儲(chǔ)能技術(shù)，也是落實(shí)國家“雙碳”戰(zhàn)略的重要組成部分，截至2020年底，我國已投產(chǎn)抽水蓄能電站總規(guī)模 3249 萬千瓦。根據(jù)《抽水蓄能中長期發(fā)展規(guī)劃（2021～2035年）》要求，到 2025 年，抽水蓄能投產(chǎn)總規(guī)模將達(dá)6200 萬kW以上；到 2030 年，投產(chǎn)總規(guī)模將達(dá) 1.2 億kW 左右[1]。

依照規(guī)劃，未來10年我國將迎來抽水蓄能電站建設(shè)高峰，如何在較短時(shí)間內(nèi)高效率、高質(zhì)量地完成工程投產(chǎn)任務(wù)目標(biāo)，是抽水蓄能行業(yè)面臨的緊迫問題。本文創(chuàng)新給出數(shù)字化智能電站的定義、特征和設(shè)計(jì)思路，首次提出“一標(biāo)準(zhǔn)、兩體系、三中心、四中臺(tái)、五平臺(tái)、多試點(diǎn)”的總體架構(gòu)，為提升抽水蓄能的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化水平、基建管控水平、安全運(yùn)行水平、企業(yè)管理水平，實(shí)現(xiàn)抽水蓄能企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級(jí)提出一種全新思路。抽水蓄能數(shù)字化智能電站的建設(shè)，將有力保障規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)行全過程降本增效，引領(lǐng)行業(yè)數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系建立，促進(jìn)和支撐新型電力系統(tǒng)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)國家總體能源規(guī)劃投產(chǎn)任務(wù)落實(shí)。

1 抽水蓄能電站數(shù)字化現(xiàn)狀

近年來，水利水電行業(yè)以及部分電站持續(xù)探索新技術(shù)應(yīng)用，如：金沙江溪洛渡水電站建設(shè)過程中采用智能溫控技術(shù)實(shí)現(xiàn)大體積混凝土通水冷卻的智能閉環(huán)控制[2]；白鶴灘水電站面對建設(shè)300m級(jí)特高拱壩，使用地?zé)崴嗷炷良夹g(shù)，將拱壩混凝土抗裂安全系數(shù)由 1.8 提高到 2.0[3]；山店水庫大壩填筑施工過程中使用施工機(jī)械無人駕駛技術(shù)提升施工機(jī)械效率[4]；仙居抽水蓄能電站結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，GIS+BIM技術(shù)在運(yùn)維階段把電站的核心業(yè)務(wù)從設(shè)備運(yùn)行向設(shè)備管理轉(zhuǎn)變[5]，“數(shù)字孿生”概念建立“全景駕駛艙”“仿真培訓(xùn)”等技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)“無人值班，少人值守”[6]。

抽水蓄能電站全壽命周期可分為規(guī)劃設(shè)計(jì)、建設(shè)施工與運(yùn)營管理階段，目前大部分抽蓄電站建設(shè)將這三個(gè)階段相互割裂。在規(guī)劃設(shè)計(jì)階段，存在多個(gè)設(shè)計(jì)平臺(tái)、多個(gè)階段、多個(gè)專業(yè)、數(shù)字移交缺標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)字移交深淺不一、三維設(shè)計(jì)成果體量大、單元工程劃分較粗等問題；在建設(shè)施工階段，存在難以適配多個(gè)設(shè)計(jì)平臺(tái)、缺乏統(tǒng)一三維平臺(tái)、設(shè)計(jì)成果需要深化設(shè)計(jì)、三維應(yīng)用缺乏通行標(biāo)準(zhǔn)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用差異大、數(shù)據(jù)自動(dòng)錄入接入困難等問題；在運(yùn)營管理階段，存在三維設(shè)計(jì)成果可視化差、三維設(shè)計(jì)成果精度不足、三維模型體量大、大部分電站缺三維模型、數(shù)字化應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)缺乏、與生產(chǎn)運(yùn)行融合不足等問題?？偟膩碚f，在抽蓄電站建設(shè)運(yùn)行周期內(nèi)，沒有形成統(tǒng)一科學(xué)高效的標(biāo)準(zhǔn)來指導(dǎo)抽蓄電站信息化建設(shè)，導(dǎo)致了各抽水蓄能電站存在大量信息化重復(fù)投入，且業(yè)務(wù)系統(tǒng)相互獨(dú)立，數(shù)據(jù)相互獨(dú)立的問題。

2 抽水蓄能數(shù)字化智能電站概念

針對當(dāng)前抽水蓄能電站缺乏標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)規(guī)范及統(tǒng)一的應(yīng)用支撐的問題，筆者探索性地提出了“抽水蓄能數(shù)字化智能電站”概念。

抽水蓄能數(shù)字化智能電站，是以抽水蓄能電站全壽命周期管理為理念，以自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化、信息化為基礎(chǔ)，以數(shù)字孿生技術(shù)為載體，以BIM正向設(shè)計(jì)為手段，充分融合數(shù)字化技術(shù)、信息技術(shù)和現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)，具備“全景監(jiān)控、虛實(shí)融合、高度協(xié)同、自主管控、安全高效、綠色低碳”特征的少人干預(yù)、自主運(yùn)行的電站（見圖1）。

圖1 抽水蓄能數(shù)字化智能電站特點(diǎn)Figure 1 Feature of digital &intelligent pumped storage plant

抽水蓄能數(shù)字化電站的主要特點(diǎn)如下：

（1）全景監(jiān)控：指能夠?qū)Τ樗钅茈娬尽叭藱C(jī)物料環(huán)”進(jìn)行全面、完整、實(shí)時(shí)的感知，實(shí)現(xiàn)電站建設(shè)運(yùn)行階段的全息數(shù)據(jù)、全程在線和全景導(dǎo)航。

（2）全程管控：指能夠?qū)Τ樗钅茈娬救芷诟麟A段工作進(jìn)行數(shù)字化智能化管控，實(shí)現(xiàn)規(guī)劃設(shè)計(jì)階段全程數(shù)字化設(shè)計(jì)與協(xié)同、建設(shè)施工階段全程智能化建造與管理、生產(chǎn)運(yùn)維階段全程智慧化運(yùn)行與管控，實(shí)現(xiàn)全生命周期數(shù)字化智能化管理。

（3）虛實(shí)融合：對應(yīng)物理實(shí)體電站創(chuàng)建3D數(shù)字虛擬電站，打造疊加時(shí)間維度的4D電站，實(shí)現(xiàn)二者協(xié)同互動(dòng)，優(yōu)化實(shí)體電站的建設(shè)運(yùn)行。

（4）高度協(xié)同：實(shí)現(xiàn)各業(yè)務(wù)應(yīng)用的數(shù)據(jù)共享、信息貫通，實(shí)現(xiàn)相關(guān)業(yè)務(wù)的智能化聯(lián)動(dòng)，能夠構(gòu)建智能化的業(yè)務(wù)應(yīng)用場景。

（5）自主管控：實(shí)現(xiàn)智能設(shè)備與自主運(yùn)行、智能控制與優(yōu)化運(yùn)行、智能管理與分析決策，具備自適應(yīng)、自趨優(yōu)的全壽命周期管理模式。

（6）安全高效：通過感知、分析、預(yù)警、決策，使設(shè)備設(shè)施和系統(tǒng)具備較強(qiáng)的事故風(fēng)險(xiǎn)防范能力和系統(tǒng)自愈能力，提升電站本質(zhì)安全和效益。

（7）綠色低碳：為“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)實(shí)現(xiàn)和構(gòu)建以新能源為主題的新型電力系統(tǒng)提供強(qiáng)有力支撐。

3 抽水蓄能數(shù)字化智能電站設(shè)計(jì)思路

在未形成數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和業(yè)務(wù)標(biāo)準(zhǔn)的情況下，大部分抽水蓄能電站在規(guī)劃設(shè)計(jì)、建設(shè)施工、運(yùn)營管理中，全壽命期存在業(yè)務(wù)重復(fù)建設(shè)問題（如圖2所示），數(shù)據(jù)存在“孤島”問題，導(dǎo)致數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)價(jià)值、融合價(jià)值無法發(fā)揮[7]。

圖2 抽水蓄能電站數(shù)字化建設(shè)模式現(xiàn)狀Figure 2 Digital construction of pumped storage plant

在此條件下，中臺(tái)技術(shù)思維應(yīng)運(yùn)而生，本次建設(shè)的抽水蓄能數(shù)字化智能電站，不是簡單建立應(yīng)用共享，其核心在于以微服務(wù)架構(gòu)思路建立的業(yè)務(wù)服務(wù)，不同的電站可根據(jù)自身特點(diǎn)調(diào)用相應(yīng)的中臺(tái)微服務(wù)構(gòu)建自身的業(yè)務(wù)應(yīng)用，達(dá)到“大中臺(tái)，小前臺(tái)”的目的，讓電站信息共享、快速創(chuàng)新，其本質(zhì)是通過數(shù)據(jù)貫通融合和功能開放共享，實(shí)現(xiàn)面向前臺(tái)的敏捷響應(yīng)，降低研發(fā)成本，加速創(chuàng)新業(yè)務(wù)孵化。

此外，抽水蓄能數(shù)字化智能電站充分考慮未來電站業(yè)務(wù)管理發(fā)展的需求，急需建立虛擬數(shù)字電站，借助物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)虛擬數(shù)字化電站與實(shí)際電站之間數(shù)據(jù)、操作指令的雙向傳輸，使得管理者即可通過虛擬數(shù)字電站實(shí)現(xiàn)對實(shí)際電站運(yùn)行狀態(tài)直觀地了解，也能結(jié)合管理需求通過虛擬數(shù)字電站對實(shí)際電站進(jìn)行操作控制。

抽水蓄能數(shù)字化智能電站采用了“一個(gè)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、兩個(gè)體系支撐、三個(gè)中心覆蓋、四個(gè)中臺(tái)建設(shè)、五個(gè)平臺(tái)應(yīng)用、多個(gè)工程試點(diǎn)”的總體設(shè)計(jì)思路。建立行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，充分擁抱“信息共享”，打破“數(shù)據(jù)孤島”，極大限度避免功能“重復(fù)投入建設(shè)”的問題；借助“虛實(shí)結(jié)合”管理思路，使得管理者的需求能更好地觸達(dá)到業(yè)務(wù)生產(chǎn)運(yùn)營中。

4 抽水蓄能數(shù)字化智能電站架構(gòu)

按照抽水蓄能數(shù)字化智能電站的設(shè)計(jì)思路，采取了基于“一標(biāo)準(zhǔn)、兩體系、三中心、四中臺(tái)、五平臺(tái)”總體架構(gòu)設(shè)計(jì)（如圖3所示）。

圖3 數(shù)字化智能電站整體架構(gòu)Figure 3 Structure of pumped storage plant

“一標(biāo)準(zhǔn)”是指抽水蓄能數(shù)字化智能電站專用HIM數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。大規(guī)模海量的專業(yè)數(shù)據(jù)隨著數(shù)字化智能電站建設(shè)應(yīng)時(shí)而生，通過數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的建設(shè)，形成一套企業(yè)級(jí)的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)體系，將現(xiàn)有業(yè)務(wù)以及新建業(yè)務(wù)與數(shù)字化智能電站平臺(tái)有機(jī)融合，推動(dòng)抽水蓄能行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級(jí)。

“兩體系”是指兩個(gè)體系支撐。一是數(shù)字化智能電站技術(shù)體系包括國標(biāo)、行標(biāo)和企標(biāo)，各級(jí)標(biāo)準(zhǔn)從規(guī)劃設(shè)計(jì)、建設(shè)實(shí)施以及運(yùn)營維護(hù)等階段提出數(shù)字化和智能化的要求；二是數(shù)字化智能電站信息安全體系基于通用等級(jí)保護(hù)安全設(shè)計(jì)框架和現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)安全基礎(chǔ)架構(gòu)，通過構(gòu)建信息安全技術(shù)體系、信息安全管理體系、信息安全運(yùn)營體系，實(shí)現(xiàn)具備一定技術(shù)先進(jìn)性和成熟性的安全保障體系。

“三中心”是指抽水蓄能總部中心、區(qū)域中心以及電站中心，即建成的抽水蓄能數(shù)字化智能電站在應(yīng)用、管理層面貫穿三個(gè)應(yīng)用管理中心，從電站設(shè)計(jì)規(guī)劃、管理運(yùn)維的各關(guān)注維度實(shí)現(xiàn)三級(jí)應(yīng)用。

“四中臺(tái)”特指數(shù)據(jù)中臺(tái)、技術(shù)中臺(tái)、三維中臺(tái)、業(yè)務(wù)中臺(tái)，四中臺(tái)共同組建抽水蓄能數(shù)字化智能電站中臺(tái)層，相互之間統(tǒng)一通過數(shù)據(jù)中臺(tái)對接，從而確保平臺(tái)在數(shù)據(jù)資源、算法模型、算力資源、三維引擎、業(yè)務(wù)應(yīng)用方面有效組合，對外提供統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用功能。

“五平臺(tái)”是指建成的抽水蓄能數(shù)字化智能電站具備數(shù)字規(guī)劃設(shè)計(jì)平臺(tái)、智能建設(shè)管理平臺(tái)、智慧生產(chǎn)運(yùn)行平臺(tái)、安全管控平臺(tái)和綜合管理平臺(tái)。立足抽水蓄能電站建設(shè)的各方面進(jìn)行智慧建造、智慧管控和智慧運(yùn)維，實(shí)現(xiàn)全流程、全生命周期的協(xié)同管理。

以抽水蓄能數(shù)字化智能電站設(shè)計(jì)思路建立了中臺(tái)業(yè)務(wù)服務(wù)前臺(tái)應(yīng)用，將中臺(tái)進(jìn)行細(xì)分可分為技術(shù)中臺(tái)、數(shù)據(jù)中臺(tái)、三維中臺(tái)和業(yè)務(wù)中臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)前臺(tái)敏捷開發(fā)、快速搭建應(yīng)用。數(shù)據(jù)中臺(tái)打通數(shù)據(jù)壁壘、業(yè)務(wù)中臺(tái)包含前端可復(fù)用的服務(wù)能力、三維中臺(tái)構(gòu)建各種數(shù)據(jù)的展示支持VR/AR，技術(shù)中臺(tái)提供可復(fù)用的核心算法支持。

技術(shù)中臺(tái)以建設(shè)形成企業(yè)級(jí)共享技術(shù)服務(wù)中心，沉淀跨部門、跨專業(yè)等通用技術(shù)服務(wù)能力為目標(biāo)，統(tǒng)一輸出算法服務(wù)、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備管控服務(wù)、GIS服務(wù)、BIM服務(wù)、統(tǒng)一權(quán)限服務(wù)、統(tǒng)一門戶服務(wù)等通用技術(shù)服務(wù)能力，為業(yè)務(wù)中臺(tái)、三維中臺(tái)、數(shù)據(jù)中臺(tái)提供靈活高效的技術(shù)支撐服務(wù)。

數(shù)據(jù)中臺(tái)除了擁有傳統(tǒng)數(shù)據(jù)平臺(tái)的統(tǒng)計(jì)分析和決策支持功能外，還會(huì)更多聚焦于為前臺(tái)一線交易類業(yè)務(wù)提供智能化的數(shù)據(jù)服務(wù)，支持企業(yè)流程智能化、運(yùn)營智能化和商業(yè)模式創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)“業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)化和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)化”。

三維中臺(tái)集成了GIS引擎、BIM引擎、可視化引擎對各種數(shù)據(jù)展示和應(yīng)用進(jìn)行支撐，在規(guī)劃設(shè)計(jì)階段和建設(shè)施工階段，主要通過GIS+BIM雙引擎結(jié)合，來實(shí)現(xiàn)對應(yīng)用的支撐，在生產(chǎn)運(yùn)營階段主要通過可視化引擎對廠區(qū)、關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行建模，結(jié)合數(shù)據(jù)中臺(tái)的電站關(guān)鍵設(shè)備物聯(lián)傳感設(shè)備數(shù)據(jù)，對建設(shè)數(shù)字孿生電站提供支持服務(wù)。

業(yè)務(wù)中臺(tái)將包裝和整合服務(wù)資源，轉(zhuǎn)化為便于前臺(tái)使用的可復(fù)用、可共享的核心能力，實(shí)現(xiàn)后端業(yè)務(wù)資源到前臺(tái)易用能力的轉(zhuǎn)化，為前臺(tái)應(yīng)用直接調(diào)用，減少系統(tǒng)間的交互和團(tuán)隊(duì)間的協(xié)作成本。

5 抽水蓄能數(shù)字化智能電站業(yè)務(wù)應(yīng)用

在設(shè)計(jì)規(guī)劃階段提供規(guī)劃選址、數(shù)字報(bào)建、數(shù)字移交等應(yīng)用。規(guī)劃選址通過調(diào)用中臺(tái)GIS分析組件和三維中臺(tái)展示組件，結(jié)合水文數(shù)據(jù)用算法模擬分析選址點(diǎn)建立抽水蓄能電站位置優(yōu)劣性，項(xiàng)目規(guī)劃者可結(jié)合當(dāng)?shù)氐娜丝?、?jīng)濟(jì)、環(huán)保等數(shù)據(jù)測算移民成本，環(huán)保成本為電站的規(guī)劃選址提供科學(xué)依據(jù)；數(shù)字報(bào)建和數(shù)字移交通過中臺(tái)提供的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和三維中臺(tái)展示組件對業(yè)務(wù)進(jìn)行支撐（見圖4）。

圖4 抽水蓄能數(shù)字化智能電站中臺(tái)與前臺(tái)關(guān)系Figure 4 The relationship between data center station and front data

在建設(shè)階段提供項(xiàng)目管理、智慧工地、智能施工等應(yīng)用。項(xiàng)目管理通過中臺(tái)微服務(wù)搭建，包括對進(jìn)度、物資、質(zhì)量、安全、供應(yīng)商、財(cái)務(wù)、合同、移民安置等業(yè)務(wù)管理支持；智能施工則是利用大壩混凝土智能通水、混凝土智能溫控、混凝土智能振搗、土石壩碾壓質(zhì)量監(jiān)控、地下工程施工監(jiān)測、智能機(jī)電安裝等先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)；智慧工地管理則是對工地設(shè)備、環(huán)境、物料、人員等結(jié)合傳感設(shè)備實(shí)現(xiàn)對工地可視化管理。

運(yùn)維服務(wù)階段提供電站全息管理、智能值守、生產(chǎn)調(diào)度管理等應(yīng)用。電站全息通過將電站模型導(dǎo)入以及關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行建模，結(jié)合傳感設(shè)備數(shù)據(jù)與控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電站的虛擬數(shù)字空間，數(shù)字空間和實(shí)景空間可進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互；智能值守通過工程設(shè)備管理技術(shù)和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的無人監(jiān)控、異常報(bào)警、生命周期預(yù)測；生產(chǎn)調(diào)度則是結(jié)合電價(jià)、發(fā)電機(jī)組運(yùn)行情況、發(fā)電總量等通過算法制定合理的發(fā)電周期供生產(chǎn)。

上述應(yīng)用都是利用中臺(tái)的微服務(wù)快速進(jìn)行搭建的應(yīng)用，電站可根據(jù)本身階段快速搭建自身應(yīng)用。通過中臺(tái)層的建立打通了數(shù)據(jù)孤島的壁壘，如在運(yùn)維階段，會(huì)通過設(shè)計(jì)階段數(shù)據(jù)成果和建設(shè)階段的數(shù)據(jù)成果BIM數(shù)據(jù)，作為電站全息的數(shù)據(jù)來源，使得數(shù)據(jù)發(fā)揮更大價(jià)值。

6 抽水蓄能數(shù)字化智能電站的實(shí)踐

分區(qū)域建設(shè)區(qū)域數(shù)據(jù)中心，建立區(qū)域到電站、總部連接區(qū)域的，三級(jí)聯(lián)通的網(wǎng)絡(luò)部署方式（如圖5所示），支持多個(gè)電站接入的三級(jí)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，為電站、區(qū)域中心、總部的數(shù)據(jù)交互、應(yīng)用協(xié)同等各類資源和信息提供跨域基礎(chǔ)支撐。各電站所需應(yīng)用通過業(yè)務(wù)中臺(tái)服務(wù)快速搭建組裝，從而實(shí)現(xiàn)電站級(jí)業(yè)務(wù)應(yīng)用。

圖5 抽水蓄能數(shù)字化智能電站網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)Figure 5 The network architecture of digital intelligent pumped storage plant

7 結(jié)語

本文針對抽水蓄能行業(yè)數(shù)字化現(xiàn)狀問題，提出了“抽水蓄能數(shù)字化智能電站”建設(shè)理念，建立了一套抽水蓄能數(shù)字化智能電站建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)體系，并基于中臺(tái)技術(shù)思想，對外提供統(tǒng)一技術(shù)與應(yīng)用服務(wù)，可較大程度上避免電站系統(tǒng)建設(shè)重復(fù)投入。

抽水蓄能數(shù)字化智能電站打通了電站-區(qū)域-總部各級(jí)數(shù)據(jù)壁壘，有效解決工程建設(shè)全生命周期數(shù)據(jù)孤島的問題，并在多個(gè)電站進(jìn)行實(shí)踐，對建立和推動(dòng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)有重要意義。