智慧梯級(jí)水電站建設(shè)的探討

胡 江 鐘金華 楊新立

易縣是全國(guó)水電農(nóng)村電氣化縣，位于河北省中西部，地處太行山脈北端東麓，地域廣闊，總面積2534 km2，地勢(shì)西高東低，流域面積200 km2以上的河流有5 條，特別是西部山區(qū)落差大，水流急，形成了豐富的水能資源，全縣水能資源理論蘊(yùn)藏量為30.64 萬(wàn)kW，可開(kāi)發(fā)量為23.3 萬(wàn)kW。目前，易縣農(nóng)村小水電運(yùn)行電站共9 座，均分布于拒馬河流域，易縣水電站分布見(jiàn)圖1。通過(guò)水電農(nóng)村電氣化建設(shè)形成了大電網(wǎng)覆蓋下的相對(duì)獨(dú)立的農(nóng)村小水電輸電網(wǎng)絡(luò)。

圖1 易縣水電站分布

1.工程概況

1.1 水電站概況

易縣農(nóng)村小水電運(yùn)行電站共9 座，總裝機(jī)容量29860 kW，設(shè)計(jì)年發(fā)電量11552 萬(wàn)kW·h，水輪機(jī)25 臺(tái)，見(jiàn)表1，有2座為壩后式，其余7 座為引水式電站。

表1 水電站參數(shù)

1.2 拒馬河主要引蓄工程概況

拒馬河發(fā)源于淶源縣，由紫荊關(guān)鎮(zhèn)玉山鋪村流入易縣，至南城司鄉(xiāng)北辛莊村出境入淶水縣，易縣境內(nèi)長(zhǎng)44 km，境內(nèi)流域面積43.8 萬(wàn)m2。拒馬河屬山區(qū)季節(jié)性河流，無(wú)堤防，河道溝寬谷深，易縣境內(nèi)主河道上建有橡膠壩4 座，分別為玉山鋪漂流蓄水壩，以旅游為主；磐石水電站渠首橡膠壩，以發(fā)電為主；“五一”引水渠渠首橡膠壩和官座嶺引水渠高莊橡膠壩，為跨流域引水工程，以引水為主兼顧發(fā)電。

1.2.1 “五一”引水渠

“五一”引水渠將拒馬河水引入中易水上游的安格莊水庫(kù)，引水渠長(zhǎng)8.5 km，設(shè)計(jì)最大引水能力25 m3/s，總落差354 m，建有紫荊關(guān)梯級(jí)水電站5 座即一二級(jí)站、三級(jí)站、四級(jí)站、五級(jí)站、六級(jí)站，其中三級(jí)站、四級(jí)站和五級(jí)站建有攔水壩3 座，安格莊水庫(kù)建有安格莊電廠。

1.2.2 官座嶺引水渠

官座嶺引水渠在五一引水渠下游19 km 處，引拒馬河水至北易水支流的旺隆水庫(kù)，渠長(zhǎng)6.8 km，設(shè)計(jì)流量6 m3/s，建有官座嶺水電站，旺隆水庫(kù)建有望龍水電站。在建的西陵抽水蓄能電站在官座嶺水電站下游，官座嶺引水渠為其主要補(bǔ)水水源。具體參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 拒馬河橡膠壩參數(shù)

2.智慧梯級(jí)水電站建設(shè)需求

近幾年來(lái)，連年干旱少雨，拒馬河水量小，河道上旅游項(xiàng)目開(kāi)發(fā)多，各水電站、橡膠壩的水位、水量監(jiān)測(cè)設(shè)施設(shè)計(jì)水平低，使用年限較長(zhǎng)，構(gòu)造簡(jiǎn)單原始，精準(zhǔn)度差。信息的采集依靠人工觀測(cè)。信息傳送方式為人工電話通訊，在汛期極端天氣情況下，受通訊設(shè)施條件限制，可靠性、安全性無(wú)法保證，進(jìn)而造成信息傳送時(shí)效性較差，效率較低，水量預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)信息不完善，科學(xué)決策支撐不夠。兩座跨流域引水工程的調(diào)度運(yùn)用，造成主河道水流變化情況復(fù)雜，由于信息不對(duì)稱，造成上下游各運(yùn)行單位統(tǒng)一性、協(xié)調(diào)性較差，水電站發(fā)電量持續(xù)減少，直接影響經(jīng)濟(jì)收入。易縣作為千年古縣，旅游大縣，全域旅游示范縣，“五一”引水渠正常引水是易水湖（安格莊水庫(kù)、4A 級(jí)景區(qū)）主要水源，官座嶺引水渠是清西景區(qū)（5A 級(jí)景區(qū)）水系和縣城北易水景觀帶的重要水源，還是國(guó)家重點(diǎn)工程西陵抽水蓄能電站的補(bǔ)充水源，上下游各水利工程的科學(xué)合理運(yùn)營(yíng)直接關(guān)系到縣域旅游發(fā)展戰(zhàn)略和經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

拒馬河流域的7 座水電站利用拒馬河水發(fā)電，獨(dú)立運(yùn)營(yíng)核算，運(yùn)行方式、日常檢修、發(fā)生事故無(wú)征兆、無(wú)預(yù)警，形成各運(yùn)營(yíng)單位互相干擾，特別是磐石電站，紫荊關(guān)四級(jí)、五級(jí)、六級(jí)站前池進(jìn)水口是虹吸式，經(jīng)常因上游來(lái)水不穩(wěn)定破壞真空而空載運(yùn)行，據(jù)估算每年直接損失達(dá)100 萬(wàn)元以上，經(jīng)濟(jì)損失巨大。2 座跨流域引水渠引水還影響另外2 座壩后式水電站的效益。

建設(shè)智慧梯級(jí)水電站系統(tǒng)，能夠加強(qiáng)監(jiān)測(cè)、強(qiáng)化預(yù)報(bào)、利用智慧水利系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行調(diào)度決策，對(duì)梯級(jí)水電站在水力資源綜合利用、電能質(zhì)量提高和負(fù)荷調(diào)節(jié)能力增強(qiáng)具有重要意義，對(duì)于各電站發(fā)電量的增加還有很大的挖掘潛力?！笆奈濉币?guī)劃中水利部要求有條件的電站進(jìn)行數(shù)字孿生改造，建立小水電站群集控中心，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、實(shí)時(shí)調(diào)度和集約化管理。因此，建設(shè)智慧梯級(jí)水電站系統(tǒng)是十分必要的。

3.智慧梯級(jí)水電站建設(shè)思路和內(nèi)容

3.1 建設(shè)思路及設(shè)計(jì)原則

易縣拒馬河流域的各運(yùn)營(yíng)單位進(jìn)行自動(dòng)化改造及建設(shè)，匯總各種數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)字孿生模塊計(jì)算，遠(yuǎn)程預(yù)告、控制各運(yùn)營(yíng)單位的運(yùn)行工況實(shí)現(xiàn)智慧運(yùn)行。分別改造6 座水電站計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)及建設(shè)3 座河道橡膠壩自動(dòng)化系統(tǒng)，完善各水電站前池進(jìn)水閘門、泄水閘門、前池水位、尾水水位、廠區(qū)視頻、前池進(jìn)水量、攔河壩上橡膠壩、閘門、水位、水資源流量的監(jiān)測(cè)及控制。建設(shè)河道橡膠壩綜合自動(dòng)化控制系統(tǒng)，達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)控、數(shù)據(jù)共享、圖像遠(yuǎn)傳瀏覽、智能設(shè)備控制的水平。并在易縣水電管理處建設(shè)電站集控中心，將水電站計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)各種數(shù)據(jù)信息和視頻圖像上傳至流域集控中心，實(shí)現(xiàn)各運(yùn)營(yíng)單位的自動(dòng)化現(xiàn)地控制和調(diào)度遠(yuǎn)程控制。遵循以下設(shè)計(jì)原則。

一是系統(tǒng)總體框架采用分層、分布、模塊式體系結(jié)構(gòu)，各層之間通過(guò)以太網(wǎng)或現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行信息傳輸和資源共享，以便于軟硬件的維護(hù)、擴(kuò)展和升級(jí)。系統(tǒng)平臺(tái)、軟件技術(shù)和硬件產(chǎn)品都采用行業(yè)內(nèi)的成熟產(chǎn)品和技術(shù)，立足先進(jìn)技術(shù)，采用主流技術(shù)，使系統(tǒng)具有較高的可靠性和較長(zhǎng)的生命周期。

二是運(yùn)行值班方式按“無(wú)人值班”（少人值守）的原則設(shè)計(jì)，按照無(wú)人值班的原則預(yù)留接口和平臺(tái)。監(jiān)控方式采用以計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)為基礎(chǔ)的全站區(qū)域集控方案，設(shè)置統(tǒng)一的全站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。

三是系統(tǒng)設(shè)計(jì)界面清晰、操作簡(jiǎn)便，易于掌握。為了保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及系統(tǒng)運(yùn)行的安全性，軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中要充分考慮到容錯(cuò)和糾錯(cuò)機(jī)制，提供冗余能力和邏輯檢查能力。系統(tǒng)具有冗余容錯(cuò)設(shè)計(jì)，不會(huì)因局部的故障而引起系統(tǒng)誤操作或降低系統(tǒng)性能。

四是系統(tǒng)實(shí)時(shí)性好，抗干擾能力強(qiáng)，適應(yīng)電站的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境。充分考慮到以后的擴(kuò)展，遵循開(kāi)放性和可擴(kuò)展性原則。軟硬件的配置采用開(kāi)放式結(jié)構(gòu)，并在系統(tǒng)資源方面增加適當(dāng)?shù)娜哂啵员憬窈笮陆?xiàng)目時(shí)，實(shí)現(xiàn)可靠的無(wú)縫對(duì)接。

3.2 主要建設(shè)內(nèi)容

集控中心建設(shè)內(nèi)容包括自動(dòng)化集控系統(tǒng)、視頻集控系統(tǒng)、LED 大屏顯示系統(tǒng)3 個(gè)子系統(tǒng)。

3.2.1 自動(dòng)化集控系統(tǒng)

對(duì)各運(yùn)營(yíng)單位自動(dòng)化改造及建設(shè)6 座電站自動(dòng)化集控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)各運(yùn)營(yíng)單位的集中監(jiān)視、集中控制、集中管理、統(tǒng)一調(diào)度、提前預(yù)警預(yù)報(bào)，最大程度地實(shí)現(xiàn)資源優(yōu)化和水資源有效利用。電站集控系統(tǒng)配置操作員工作站、服務(wù)器、核心交換機(jī)、衛(wèi)星時(shí)鐘、UPS 電源、集控軟件等軟硬件設(shè)備。

3.2.2 視頻集控系統(tǒng)

視頻集控系統(tǒng)部署視頻監(jiān)控工作站、視頻服務(wù)器、視頻綜合管理平臺(tái)、視頻核心交換機(jī)等軟硬件設(shè)備，用于各運(yùn)營(yíng)單位視頻監(jiān)控的接入、管理，對(duì)視頻監(jiān)控資源進(jìn)行整合和集中管理，實(shí)現(xiàn)各水電站及橡膠壩運(yùn)行動(dòng)態(tài)視頻信息實(shí)時(shí)可見(jiàn)、互通共享。為統(tǒng)一調(diào)度提供基礎(chǔ)信息和依據(jù)。

3.2.3 LED 大屏顯示系統(tǒng)

集控中心建設(shè)安裝1 套LED 大屏顯示系統(tǒng)，組成一個(gè)高分辨率的數(shù)字顯示系統(tǒng)，用于顯示電站集控系統(tǒng)畫面和視頻監(jiān)控系統(tǒng)畫面。

4.智慧梯級(jí)水電站效益

一是提高發(fā)電量，增加發(fā)電效益。通過(guò)上下游水位、流量等監(jiān)測(cè)，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，結(jié)合水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組自動(dòng)裝置，依據(jù)水位、流量自動(dòng)開(kāi)停機(jī)及自動(dòng)調(diào)節(jié)負(fù)荷，增加發(fā)電效益，每年可減少損失100 萬(wàn)元以上。

二是少（無(wú)）人值守，減少人員成本。結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)，通過(guò)手機(jī)端APP 界面或集控中心工作站，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程開(kāi)停機(jī)、負(fù)荷調(diào)節(jié)、狀態(tài)監(jiān)控、視頻監(jiān)控、機(jī)組噪聲監(jiān)控等，實(shí)現(xiàn)少（無(wú)）人值守?！斑h(yuǎn)程”中控室，減少投資，綜合控制集成，可以取消現(xiàn)地監(jiān)控工作站，將監(jiān)控工作站移到手機(jī)端APP，通過(guò)遠(yuǎn)程終端中控，實(shí)現(xiàn)水電站減員增效。

三是在枯水期幾座橡膠壩和攔水壩互相調(diào)度可達(dá)到日調(diào)節(jié)調(diào)峰運(yùn)行，如實(shí)行峰谷電價(jià)預(yù)計(jì)可增收35 萬(wàn)元。

四是雨洪預(yù)報(bào)測(cè)報(bào)，實(shí)現(xiàn)水電站上游水位預(yù)知，減少棄水。通過(guò)水文氣象、結(jié)合集雨面積、來(lái)水等數(shù)據(jù)，通過(guò)雨洪預(yù)報(bào)預(yù)警模型實(shí)現(xiàn)流域洪水流量過(guò)程預(yù)報(bào)和水位過(guò)程預(yù)報(bào)，通過(guò)數(shù)字孿生推演提前調(diào)控增加發(fā)電量。

5.結(jié)語(yǔ)

綜上所述，建設(shè)智慧梯級(jí)水電站效益顯著，建設(shè)智慧梯級(jí)水電站系統(tǒng)，構(gòu)建高效節(jié)能、綠色環(huán)保、環(huán)境舒適的人性化水電站是可行的。但也存在一些問(wèn)題：縣域內(nèi)各水電站及橡膠壩功能和調(diào)度各不一樣，為了實(shí)現(xiàn)多個(gè)水電站的集中運(yùn)行、管理和監(jiān)控，接入平臺(tái)中心，統(tǒng)一調(diào)度、運(yùn)行、標(biāo)準(zhǔn)化管理、監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)規(guī)模效益，還需多方協(xié)調(diào)配合；為了實(shí)現(xiàn)平臺(tái)運(yùn)行管理一體化，需提供安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化運(yùn)行管理模塊，實(shí)現(xiàn)智能安全巡檢、報(bào)警、事故處理流程化、臺(tái)賬管理標(biāo)準(zhǔn)化、智能辦公一體化等，平臺(tái)的日常運(yùn)營(yíng)維護(hù)、通信費(fèi)用需進(jìn)一步協(xié)調(diào)等等。