孤山航電樞紐工程運維期智慧電廠建設總體規(guī)劃

王成明 付豪 周強 董詩超

摘要：為提升孤山航電樞紐工程智慧運維管理水平和質量，保障運維管理的可靠性，開展了運維期智慧電廠整體架構和業(yè)務系統(tǒng)的總體規(guī)劃和頂層設計。在綜合運用大數(shù)據(jù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術基礎上，綜合分析孤山航電樞紐工程生產(chǎn)運行信息，提出了運維期智慧電廠總體架構，設計智慧功能模塊。結果表明：該智慧電廠設計可有效實現(xiàn)電廠、船閘及魚道等生產(chǎn)業(yè)務系統(tǒng)智能控制和智慧管理信息的融合，并可以此為基礎開發(fā)孤山智慧電廠運維期的各類智慧業(yè)務系統(tǒng)。

關鍵詞：智慧電廠； 運維期； 總體規(guī)劃； 孤山航電樞紐工程

中圖法分類號：TV212

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.06.010

文章編號：1006-0081（2023）06-0053-05

0 引 言

智慧電廠是數(shù)字化、信息化和智能化理念在水電領域中的具體體現(xiàn)，以人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)與移動互聯(lián)等新一代信息技術為基本手段，建立泛在感知、智能分析、智能預警、智慧決策的管理體系，為水利水電工程建設提供全過程、全方位、可追溯的智能運維手段和信息協(xié)同共享平臺［1-2］。

目前已投運的電廠往往采取傳統(tǒng)水電站的建設模式，在運維期常需要多人值守值班，在監(jiān)控、運維以及發(fā)生故障時，需要通過人為操作，憑經(jīng)驗進行判斷，按照計劃進行排查，很難提升生產(chǎn)和運維效率。而智慧電廠基于新一代信息技術，如大數(shù)據(jù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、云計算、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)技術等，在自主可控、安全可信的基礎上，可實現(xiàn)智能控制、智慧管理、生產(chǎn)信息和管理信息的融合［1］。

為方便統(tǒng)一管理，結合現(xiàn)有信息化系統(tǒng)，在孤山航電樞紐工程開展智能化建設設計，考慮兩地辦公的運維需要，積極推進智能化理念融入日常管理工作，滿足遠程、可視、實時的建設管理需求，提高工程管理效率。

1 工程概況與建設目標

孤山航電樞紐工程位于湖北省十堰市，漢江上

游干流鄖西縣及鄖縣境內(nèi)，工程任務以航運為主、結合發(fā)電需求。孤山航電樞紐工程電站裝有4臺燈泡貫流式水輪發(fā)電機組，單機容量45 MW，總裝機容量180 MW，年利用小時數(shù)為3 275 h，多年平均發(fā)電量5.9億kW·h。電站按無人值班（少人值守）設計。

樞紐從左至右總體布置格局為：左岸非溢流壩段、船閘、左區(qū)泄水閘、生態(tài)放水閘（縱向圍堰）壩段、右區(qū)泄水閘、電站廠房及右岸非溢流壩段。魚道布置在右岸并靠岸位置。鄖西業(yè)主營地布置在大壩上游左岸，是電站運維人員的主要辦公和生活場所。電站投運后接入孤山襄陽集控中心。目前4臺機組已正式投產(chǎn)發(fā)電，右區(qū)泄水設施已投入運行，左區(qū)泄水設施及船閘正在建設中。

在水利部《智慧水利總體方案》框架下，以樞紐工程運行管理需求為引領，規(guī)劃孤山航電樞紐工程運維期智慧電廠建設方案。智慧電廠建設將應用GIS+BIM、云計算、大數(shù)據(jù)、數(shù)字工程、工程物聯(lián)網(wǎng)等技術，建立全生命周期工程數(shù)據(jù)中心、應用支撐平臺，全面實時感知電廠生產(chǎn)運行信息、智能設備管理信息、檢修管理信息、安全管控信息、技術信息等全要素的工程數(shù)據(jù)，創(chuàng)建孤山智慧電廠的各類運維期智慧業(yè)務系統(tǒng)，形成以工程數(shù)據(jù)為基礎、智慧應用為核心、智慧調度運行管理為目標的孤山航電樞紐智

慧電廠，以降低電廠電力生產(chǎn)管理和運維成本，保證電廠安全高效的運行，充分發(fā)揮電廠的經(jīng)濟效益［3］。

2 總體架構設計

孤山航電樞紐工程運維期智慧電廠由自動感知層、自主傳輸層、數(shù)據(jù)分析層、基礎支撐平臺層、業(yè)務應用層、可視化會商決策層構成［4］。自主感知層是數(shù)據(jù)采集的抓手，自主傳輸層是數(shù)據(jù)傳遞的通道，數(shù)據(jù)分析層是數(shù)據(jù)匯集、存儲和分析的中樞，基礎支撐平臺層是提供模型三維可視化展示、調用以及位置服務的支撐，業(yè)務應用層為具體功能實施模塊，可視化會商決策層是集成展示工程運維信息、輔助決策的“駕駛艙”。孤山航電樞紐運維期智慧電廠總體框架如圖1所示。

智慧電廠系統(tǒng)具體劃分如下［5］。

（1）泛在感知層。利用GPS、RFID、寬頻定位、電子標簽、智能攝像機等設備，輔以APP、電子表單、

PC端人工導入功能，可自動獲取工程運行維護所需關鍵信息，替代傳統(tǒng)人工巡檢，提高工作效率和數(shù)據(jù)利用率，保證數(shù)據(jù)準確性，為電廠運行管理數(shù)據(jù)信息的自動采集、實時共享、及時反饋提供技術支持。

（2）自主傳輸層。通過建設通信網(wǎng)絡、計算機網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)中心，構建有線網(wǎng)絡與無線傳輸全覆蓋

的樞紐區(qū)域通信環(huán)境，為組建各種智能設備的物聯(lián)網(wǎng)奠定良好基礎，保證在開闊環(huán)境和在電廠主廠房各功能室內(nèi)，布置的自動感知設備所獲取的各類信息數(shù)據(jù)都能夠及時、準確地自主傳輸［6］。

（3）數(shù)據(jù)分析層。數(shù)據(jù)是智慧工程建設的關鍵要素，是創(chuàng)造價值的基礎。依靠工程項目過程的積累、物聯(lián)網(wǎng)傳感設備、移動設備以及智能互聯(lián)，不斷獲取內(nèi)外部異構時變數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)分析層集成不同類型的大量數(shù)據(jù)，通過內(nèi)置算法模型庫，對數(shù)據(jù)轉化處理、統(tǒng)計與分析，深度挖掘數(shù)據(jù)隱藏的價值，惠及業(yè)務應用層面的各項業(yè)務，通過數(shù)據(jù)-知識-智慧的躍遷實現(xiàn)數(shù)據(jù)資源賦能。

（4）基礎支撐平臺層。GIS+BIM基礎支撐平臺提供三維GIS與BIM模型的集成、數(shù)據(jù)交換、場

景管理、三維展示、空間分析和空間查詢等基礎功能服務，在此基礎上結合樞紐運維管理的應用需求，實現(xiàn)多種專題服務接口，用于支撐樞紐運維管理的基礎數(shù)據(jù)集成與可視化表達。

（5）業(yè)務應用層。主要涵蓋生產(chǎn)運維期的管理內(nèi)容，劃分為智慧檢修、智慧庫壩、智慧調度、智慧運行四大板塊。該層面向樞紐管理人員和具體智能技術專項應用的運維人員，與相關機構和部門的職能

相對應，服務于日常管理的需要，實現(xiàn)對樞紐運行維護各環(huán)節(jié)的高效管控。

（6）可視化會商決策層。提供跨平臺、多終端的決策支持環(huán)境，對生產(chǎn)運維期智能控制（主要包括檢修、維護、調度的過程及分析成果數(shù)據(jù)）和智慧管理（主要包括智能設備管理、智能生產(chǎn)管理、智能巡檢、智能決策支持、智慧辦公平臺等）等關鍵數(shù)據(jù)進行集成展示，并結合虛擬現(xiàn)實技術，將樞紐實體運行維護的屬性、狀態(tài)和行為進行可視化表達，以大屏圖展示的方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的集成應用和互聯(lián)互通，通過AI技術，結合歷史數(shù)據(jù)、類似工程經(jīng)驗和專家會商系統(tǒng)對現(xiàn)場異常作出實時分析，輔助決策者進行決策、反饋。

3 智慧功能模塊設計

根據(jù)孤山航電樞紐工程智慧電廠運維期的管理模式，將智慧建設功能劃分為智慧檢修、智慧庫壩、智慧調度、智慧運行四大板塊［7］。

（1）智慧檢修?；诖髷?shù)據(jù)挖掘技術，以同步監(jiān)控、動態(tài)分析、智能診斷、自主決策為目標，通過實時采集分析設備運行狀態(tài)參數(shù)、實時評價設備健康狀態(tài)、預警預判設備運行風險，并針對風險情況，智能配置“人、機、料、法、環(huán)”等生產(chǎn)要素［8］。智能決策設備檢修方案，實現(xiàn)檢修管理手段由計劃性檢修、事后檢修向精準檢修、預測檢修演進，使設備檢修管理模式趨于柔化、動態(tài)化和智能化［9］。該模塊主要包括設備運行風險趨勢預警模塊、設備實時故障診斷及定位模塊以及設備智慧檢修管理模塊。

（2）智慧庫壩。利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術，充分挖掘大壩運行安全及庫容調節(jié)等數(shù)據(jù)，分析大壩運行期間健康狀態(tài)，對因壩體自身缺陷或超標準調蓄工作致壩體損傷等造成的潛在安全隱患進行預警，對大壩防洪蓄水實施精確、全面、智能監(jiān)控，確保大壩運行期間安全穩(wěn)定。

（3）智慧調度。利用云計算、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術，以實時感知、精準預測、智能控制為目標，對氣象、水情、設備、市場、發(fā)電、防洪等數(shù)據(jù)進行充分挖掘，實現(xiàn)自動識別、自動決策和自動演進的流域水電調度控制，對流域梯級電站實施精細、科學、智能調控，以實現(xiàn)水能有效利用最大化［10］。主要包括智能感知預測模塊和智能調控模塊。

（4）智慧運行。在物聯(lián)網(wǎng)的基礎上，綜合發(fā)揮云計算與大數(shù)據(jù)的優(yōu)勢，集成以人工智能為主的多種智能技術，以搭建設備狀態(tài)可知、執(zhí)行過程可視、作業(yè)環(huán)境可見、績效指標可現(xiàn)的生產(chǎn)全景可視化平臺，實現(xiàn)設備統(tǒng)一信息平臺管理和全方位實時監(jiān)測與展現(xiàn)，實現(xiàn)全網(wǎng)設備的智慧運行［11］。

4 關鍵技術研究

孤山航電樞紐工程包括電站（含魚道）、泄水閘、船閘等區(qū)域，樞紐區(qū)域的旅游資源開發(fā)面臨管理難度大、運維困難等諸多挑戰(zhàn)。因此，充分利用當前先進科學技術，提出適用于樞紐運行環(huán)境和特點的智慧高效可靠的運維管理整套解決方案，提升對航電樞紐工程的智能監(jiān)管能力、異常狀況感知水平、極端異常工況應對能力，提升樞紐工程的運維效率和質量，保障運維管理的高可靠性，是運維期智慧電廠建設的重點和難點。

4.1 無人電廠監(jiān)測前端智慧感知技術

（1）結合孤山航電樞紐廠房布置、設備類型、結構以及運維需求，研究智能巡檢機器人定制化方案以及最優(yōu)巡檢路徑，實現(xiàn)水電站全方位無人監(jiān)測［12］。傳統(tǒng)人工巡檢方式存在勞動強度大、工作效率低、檢測質量分散、手段單一等問題，人工檢測的數(shù)據(jù)也無法準確、及時地接入信息管理系統(tǒng)。相比較而言，智能巡檢機器人可代替人工進行日常的巡視和檢測工作，具有自動巡檢功能。機器人可按照每日規(guī)劃的巡視檢測任務，定時開始巡視檢測工作，根據(jù)預先設定的巡檢點的位置，沿著預定軌跡依次進行自動巡檢。機器人搭載有各種高精度數(shù)據(jù)采集設備，包括高清攝像機、紅外熱像儀、溫濕度和氣體傳感器、高保真聲音采集器等，通過移動監(jiān)測的方式，實現(xiàn)管廊信息監(jiān)控的全覆蓋、全檢測。

智能機器人巡檢系統(tǒng)采用全數(shù)字分級分區(qū)方案，系統(tǒng)共分為控制級和分區(qū)級，主要由網(wǎng)絡設備、后臺智能分析設備、前端機器人感知設備組成。

（2）研究基于射頻識別（RFID）、WIFI、超寬帶（UWB）室內(nèi)定位等技術的物聯(lián)網(wǎng)感知網(wǎng)絡構建方案，實現(xiàn)對人員、設備、物資的準確識別定位和監(jiān)測。水利水電工程普遍存在人員、設備、物資等在建筑物垂直維度的室內(nèi)定位需求。通過對各類定位傳感器技術原理的研究，結合工程建筑物的特點，選擇合適的傳感器配置方案來搭建物聯(lián)網(wǎng)感知網(wǎng)絡架構，提供智能定位和監(jiān)測解決方案，為智慧電廠提供人、物、料實時定位數(shù)據(jù)信息。

4.2 無人電廠遠程高效運維管理

基于BIM、AR及云邊協(xié)同的無人電廠遠程高效運維管理研究主要內(nèi)容為以下2點。

（1）研究基于云邊協(xié)同的視頻優(yōu)化處理方案，依托邊緣預處理技術，構建基于行為/事件感知的視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)彈性存儲和上傳機制，保障樞紐安全智能監(jiān)控。

（2）研究基于BIM模型、AR技術的全息可視化三維展示和移動式交互運維方案，實現(xiàn)樞紐工程及其設備信息全息顯示、設備身份識別、集成管理與遠程協(xié)作，提高電廠運維效率與運維質量，減少電廠運維人員投入。

4.3 無人電廠運維管理一體化平臺技術

（1）研究基于國產(chǎn)軟硬件系統(tǒng)的無人電廠遠程智慧運維管理平臺，構建整套解決方案，提出數(shù)據(jù)轉換、清洗、去噪方法，實現(xiàn)全廠運維數(shù)據(jù)資源池的整合，為智慧電廠高級應用開發(fā)提供安全高效的數(shù)據(jù)中臺服務［13］。

（2）研究建立一套完整的信息編碼體系，為工程各部位、各系統(tǒng)、各設備、各部件的統(tǒng)一編碼提供科學依據(jù)和技術指導，為一體化平臺實現(xiàn)跨系統(tǒng)信息交換與共享等提供基礎。

（3）構建水電站設備知識圖譜，形成一整套完整的知識存儲、查詢和分析體系，實現(xiàn)水電站設備的全景式管理。

4.4 設備狀態(tài)高可靠評估方案技術

數(shù)據(jù)驅動的設備狀態(tài)高可靠評估方案關鍵技術研究主要內(nèi)容為以下3點。

（1）結合工程所處環(huán)境特征，研究設備健康標準體系和狀態(tài)評估方案，評出設備健康等級，科學有效評價設備狀態(tài)。在傳統(tǒng)的定期計劃檢修模式下，機電設備數(shù)量與檢修所需的有限資源間的矛盾突出，已難以按規(guī)程規(guī)定的檢修周期和項目進行檢修，總體檢修質量也難以提高。同時，由于定期檢修模式?jīng)]有根據(jù)各設備的狀態(tài)安排設備的檢修周期，導致狀態(tài)較好的設備過度檢修，狀態(tài)較差的設備則檢修不足。通過大數(shù)據(jù)分析與專家系統(tǒng)的支持，形成一套科學的評價體系，對設備的健康狀態(tài)做出評價，以指導運維工作有序開展。

根據(jù)設備狀態(tài)評價結果，智能決策是否需要開展檢修工作。常規(guī)檢修任務可自動派發(fā)至巡檢機器人完成；必須由檢修人員執(zhí)行的任務，可根據(jù)檢修人員分布情況，就近派發(fā)檢修任務［14］。

（2）分析設備異常狀態(tài)與設備運行參數(shù)之間的耦合關系，研究關鍵參數(shù)的特征提取和趨勢預測方法，實現(xiàn)電廠設備的預測性維護。

（3）研究基于人工智能算法和故障診斷知識庫的設備故障診斷方案，實現(xiàn)設備故障類型、位置及程度等的精確感知。

4.5 襄陽集控中心應急運維管理技術

（1）研究通信中斷、堵塞等極端通信異常場景下襄陽集控中心的應急運維管理模式以及模式切換方案，最大化維持襄陽集控中心的核心監(jiān)管功能。

（2）研究前端感知設備異常工況下襄陽集控中心的短時替代性運維管理方案，提升襄陽集控中心運維管理的魯棒性和可靠性。

5 結 語

本文從孤山航電樞紐工程運維期智能控制與智慧管理的需求出發(fā)，結合目前先進信息化技術發(fā)展現(xiàn)狀，闡述了樞紐工程運維期智慧電廠建設總體規(guī)劃和頂層設計。通過對智慧電廠總體架構的設計，遵循統(tǒng)籌規(guī)劃、分步實施的原則，以現(xiàn)代信息化技術、自動化技術為支撐，推動樞紐管理模式、生產(chǎn)方式全面創(chuàng)新，實現(xiàn)以數(shù)據(jù)驅動的自動感知、智能預判、智慧決策的柔性組織形態(tài)和新型電廠管理模式，建設具有競爭力的智慧電廠。

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（編輯：唐湘莤，張 爽）

General planning for construction of smart power plant in operation and maintenance period of Gushan Navigation and Hydropower Project

WANG Chengming1，F(xiàn)U Hao1，ZHOU Qiang1，DONG Shichao2

（1.Changjiang Survey， Planning， Design and Research Co.， Ltd.，Wuhan 430010，China；

2.Hanjiang Gushan Hydropower Development Co.，Ltd.，Shiyan 442600，China）

Abstract：

In order to improve the management level，quality，and reliability of the intelligent operation and maintenance of Gushan Navigation and Hydropower Project，the overall structure and business system of intelligent power station during operation and maintenance were planned and top-level designed.Based on the comprehensive application of new generation information technologies such as big data，industrial Internet and Internet of Things，and comprehensive analysis of production and operation information，the overall operation and maintenance architecture of intelligent power plant was proposed and the intelligent function mode was designed.The overall planning can effectively realize the integration of intelligent control and intelligent management information of production and business systems such as power plant，lock and fishway，and on this basis develop various intelligent business systems during operation and maintenance of Gushan intelligent power plant．

Key words：

smart power plant； maintenance period； overall plan； Gushan Navigation and Hydropower Project