水電廠自動(dòng)化系統(tǒng)的智能化改造路徑研究

［關(guān)鍵詞］水電廠；自動(dòng)化系統(tǒng)；智能傳感技術(shù)；人工智能

［中圖分類號(hào)］TV736 ［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A ［文章編號(hào)］2095–6487（2024）11–0102–03

過(guò)去的幾十年中，水電廠自動(dòng)化系統(tǒng)主要依靠硬件的升級(jí)和控制策略的優(yōu)化提高運(yùn)行效率，但這些方法逐漸顯示出局限性。硬件設(shè)備的升級(jí)周期長(zhǎng)、成本高，而控制策略往往難以適應(yīng)快速變化的外部條件。這些因素共同推動(dòng)了智能化技術(shù)在水電廠中的應(yīng)用研究，智能化改造不僅能提高水電廠系統(tǒng)的響應(yīng)速度和處理能力，還可利用數(shù)據(jù)分析和學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)設(shè)備故障，從而顯著降低意外停機(jī)時(shí)間，增強(qiáng)系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性。

1集成智能傳感技術(shù)

1.1優(yōu)化布署傳感器網(wǎng)絡(luò)

在水電廠的自動(dòng)化系統(tǒng)中，傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)覆蓋水電站的所有重要部位，包括水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、變壓器等。綜合分析現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，確定監(jiān)控點(diǎn)的分布和傳感器的類型。布署過(guò)程中，還需考慮傳感器與數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)之間的通信問題[1]。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)由于安裝靈活、擴(kuò)展容易而成為優(yōu)選方案，但也需注意其在復(fù)雜工業(yè)環(huán)境中的信號(hào)穩(wěn)定性和干擾問題?？梢圆捎枚囝l道、多路徑傳輸和網(wǎng)絡(luò)冗余設(shè)計(jì)增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的可靠性。還應(yīng)定期對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行維護(hù)和測(cè)試，保證傳感器的數(shù)據(jù)上傳不受阻礙，保證系統(tǒng)的持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

1.2 采用高精度傳感器在選擇傳感器時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)考慮其精度、分辨率及對(duì)環(huán)境變化的適應(yīng)能力，使其在各種工作條件下都能保持穩(wěn)定的性能。在實(shí)施中，還應(yīng)采用先進(jìn)的校準(zhǔn)技術(shù)進(jìn)一步提高傳感器的測(cè)量精度。校準(zhǔn)工作應(yīng)覆蓋傳感器的整個(gè)使用周期，應(yīng)對(duì)可能的性能退化或環(huán)境影響[2]。此外，應(yīng)用高速的數(shù)據(jù)處理器和高效的算法處理和分析傳感器數(shù)據(jù)，從而實(shí)時(shí)生成準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)結(jié)果，為系統(tǒng)控制和決策提供支持。

2人工智能與機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的應(yīng)用

2.1建立預(yù)測(cè)性維護(hù)模型

預(yù)測(cè)性維護(hù)模型的建立是智能化改造中的一個(gè)核心部分，利用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)分析歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，從而預(yù)測(cè)設(shè)備故障和維護(hù)需求[3]。此模型會(huì)分析設(shè)備運(yùn)行中產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)，識(shí)別出可能導(dǎo)致故障的模式和信號(hào)，提前進(jìn)行警告，從而避免設(shè)備的突然停機(jī)和生產(chǎn)中斷。

在建立模型的過(guò)程中，應(yīng)選用適合的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，如隨機(jī)森林、支持向量機(jī)或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)設(shè)備的特性和故障歷史進(jìn)行訓(xùn)練和調(diào)優(yōu)。模型訓(xùn)練應(yīng)使用足夠的樣本量提升預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性和泛化能力。還需要建立一個(gè)持續(xù)更新機(jī)制，隨著新數(shù)據(jù)的積累和新故障模式的發(fā)現(xiàn)，定期對(duì)模型進(jìn)行重新訓(xùn)練和優(yōu)化。

2.2開發(fā)人工智能決策支持系統(tǒng)

人工智能決策支持系統(tǒng)集成了大數(shù)據(jù)分析、機(jī)器學(xué)習(xí)及專家系統(tǒng)技術(shù)，能夠基于復(fù)雜的數(shù)據(jù)輸入做出快速且準(zhǔn)確的決策建議。在開發(fā)過(guò)程中，系統(tǒng)應(yīng)能自動(dòng)識(shí)別關(guān)鍵數(shù)據(jù)，利用算法分析找出潛在的問題和優(yōu)化點(diǎn)[4]。人工智能決策支持系統(tǒng)還應(yīng)具備學(xué)習(xí)能力，能根據(jù)過(guò)往的決策結(jié)果和實(shí)際效果，自我優(yōu)化決策模型。該系統(tǒng)將為操作員提供一系列操作建議，這些建議基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和預(yù)測(cè)結(jié)果，幫助操作員進(jìn)行更加科學(xué)的運(yùn)營(yíng)和維護(hù)決策，提升水電廠的效率和安全水平。

3升級(jí)與優(yōu)化控制系統(tǒng)

3.1動(dòng)態(tài)調(diào)整控制邏輯

在水電廠自動(dòng)化系統(tǒng)的智能化改造中，控制邏輯必須能夠根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和環(huán)境變化進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，優(yōu)化設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和能效。動(dòng)態(tài)調(diào)整控制邏輯的過(guò)程中，應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)現(xiàn)有控制邏輯的全面評(píng)估，識(shí)別出存在的不足或過(guò)時(shí)的控制策略。結(jié)合智能化技術(shù)，如模糊邏輯控制或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，重新設(shè)計(jì)控制邏輯，使其更加靈活和精確[5]?？刂七壿嫷母逻€應(yīng)包括模擬和預(yù)測(cè)功能，建立設(shè)備運(yùn)行的數(shù)學(xué)模型，預(yù)測(cè)未來(lái)可能的運(yùn)行趨勢(shì)，從而進(jìn)行前瞻性的控制調(diào)整。

3.2集成故障檢測(cè)與診斷功能

故障檢測(cè)與診斷系統(tǒng)（FDD）應(yīng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和診斷潛在故障，減少設(shè)備停機(jī)時(shí)間和維修成本。實(shí)施這一功能時(shí)，應(yīng)選用先進(jìn)的傳感器技術(shù)和數(shù)據(jù)分析方法，如振動(dòng)分析、溫度監(jiān)測(cè)和電氣信號(hào)分析等，全面監(jiān)控設(shè)備的健康狀況。故障檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)具備自學(xué)習(xí)能力，能夠根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和故障記錄不斷優(yōu)化故障診斷模型[6]。應(yīng)設(shè)立一個(gè)集中監(jiān)控中心，實(shí)時(shí)接收和處理來(lái)自全廠的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，保障故障檢測(cè)與診斷的及時(shí)性，在故障發(fā)生后迅速采取措施，最大限度地減少對(duì)生產(chǎn)的不利影響。

4數(shù)據(jù)管理與信息安全

4.1增強(qiáng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)安全性

在水電廠自動(dòng)化系統(tǒng)的智能化改造過(guò)程中，為增強(qiáng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)安全性，可以應(yīng)用多層次的加密措施和訪問控制：①應(yīng)布署高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)（AES）對(duì)存儲(chǔ)在本地服務(wù)器及云基礎(chǔ)設(shè)施中的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密。AES 是一種廣泛認(rèn)可的加密標(biāo)準(zhǔn)，能夠防止數(shù)據(jù)在未授權(quán)訪問和外部攻擊中被竊取或篡改。②實(shí)施多因素認(rèn)證系統(tǒng)。多因素認(rèn)證系統(tǒng)要求用戶在訪問敏感數(shù)據(jù)時(shí)提供多種身份驗(yàn)證因素，這通常包括密碼、生物識(shí)別信息及接收到的一次性密碼（OTP）。這種認(rèn)證方法顯著提高了訪問控制的安全性，只有經(jīng)過(guò)嚴(yán)格驗(yàn)證的用戶才能訪問關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

為了進(jìn)一步加強(qiáng)數(shù)據(jù)安全，還應(yīng)實(shí)現(xiàn)基于角色的訪問控制（RBAC）。通過(guò)這種訪問控制策略，系統(tǒng)可以根據(jù)用戶的職責(zé)和需求分配訪問權(quán)限，從而最小化數(shù)據(jù)泄露的風(fēng)險(xiǎn)。例如，只允許維護(hù)人員訪問維護(hù)相關(guān)數(shù)據(jù)，而管理層可以訪問決策所需的綜合報(bào)告數(shù)據(jù)。這不僅保證了數(shù)據(jù)安全，也符合數(shù)據(jù)訪問的最小權(quán)限原則。還應(yīng)定期進(jìn)行安全審計(jì)和漏洞掃描，偵測(cè)系統(tǒng)中可能存在的安全漏洞。定期進(jìn)行安全檢查和更新，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并修復(fù)安全漏洞，從而防止?jié)撛诘陌踩{對(duì)數(shù)據(jù)造成破壞。

4.2實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)完整性和準(zhǔn)確性

實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)完整性和準(zhǔn)確性的首要步驟是定期進(jìn)行數(shù)據(jù)審計(jì)。數(shù)據(jù)審計(jì)指系統(tǒng)性檢查存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性，保證數(shù)據(jù)在采集、處理和存儲(chǔ)過(guò)程中沒有錯(cuò)誤或被惡意篡改。數(shù)據(jù)審計(jì)還可以幫助識(shí)別系統(tǒng)中可能存在的操作錯(cuò)誤或數(shù)據(jù)處理流程中的缺陷。

為了保證數(shù)據(jù)的完整性，可采用數(shù)據(jù)校驗(yàn)算法。例如，可以在數(shù)據(jù)傳輸和存儲(chǔ)過(guò)程中使用校驗(yàn)或散列函數(shù)（如MD5、SHA 系列）保障數(shù)據(jù)的一致性。這些算法可以生成數(shù)據(jù)的唯一指紋，任何對(duì)數(shù)據(jù)的微小改動(dòng)都會(huì)導(dǎo)致生成的散列值發(fā)生變化，從而快速偵測(cè)到數(shù)據(jù)的篡改。

除了使用校驗(yàn)算法外，可以在不同的物理位置存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的多個(gè)副本，即使某個(gè)存儲(chǔ)中心發(fā)生故障，其他副本仍然可以保持?jǐn)?shù)據(jù)的可用性和完整性。數(shù)據(jù)冗余不僅提高了數(shù)據(jù)的安全性，也增加了系統(tǒng)的可靠性。還應(yīng)建立一個(gè)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)恢復(fù)策略，在任何可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失的情況下，如自然災(zāi)害、系統(tǒng)故障或人為錯(cuò)誤，應(yīng)能夠迅速恢復(fù)數(shù)據(jù)。這要求實(shí)現(xiàn)定期的數(shù)據(jù)備份，并在安全的、地理上分散的位置存儲(chǔ)這些備份。

5人機(jī)交互和用戶體驗(yàn)優(yōu)化

5.1提升操作界面友好性

在水電廠自動(dòng)化系統(tǒng)智能化改造中，應(yīng)提升操作界面的友好性，設(shè)計(jì)需要符合人機(jī)工程學(xué)原則，操作員可以快速、直觀地理解界面信息，有效執(zhí)行操作任務(wù)。界面設(shè)計(jì)者應(yīng)采用清晰的布局和一致的設(shè)計(jì)語(yǔ)言，將復(fù)雜的控制功能簡(jiǎn)化為易于理解的操作步驟。

（1）界面應(yīng)采用模塊化設(shè)計(jì)，將不同功能區(qū)域明確劃分，如將監(jiān)控、控制、維護(hù)和報(bào)告功能分別置于獨(dú)立的模塊中。每個(gè)模塊應(yīng)采用統(tǒng)一的圖標(biāo)和色彩方案，增強(qiáng)視覺上的識(shí)別度和一致性，這有助于操作人員快速找到所需的功能區(qū)域。

（2）操作界面應(yīng)提供實(shí)時(shí)反饋，如在調(diào)整控制參數(shù)后，界面應(yīng)立即顯示調(diào)整的效果或系統(tǒng)狀態(tài)的改變，從而讓操作人員能夠直觀地看到操作的直接結(jié)果。

（3）界面的交互設(shè)計(jì)應(yīng)支持多種交互方式，如觸控、鍵盤輸入和語(yǔ)音命令，適應(yīng)不同操作環(huán)境和操作人員的習(xí)慣。在信息展示上，應(yīng)采用圖表和數(shù)據(jù)可視化技術(shù)，將復(fù)雜的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為易于理解的圖形或圖表，幫助操作員更好地分析系統(tǒng)狀態(tài)和做出決策。例如，使用趨勢(shì)圖來(lái)顯示發(fā)電量的變化，使用儀表盤實(shí)時(shí)顯示壓力和溫度等重要參數(shù)。

5.2增強(qiáng)用戶培訓(xùn)和支持

用戶培訓(xùn)和技術(shù)支持是提高水電廠自動(dòng)化系統(tǒng)使用效率和減少操作錯(cuò)誤的重要措施。培訓(xùn)程序應(yīng)全面覆蓋系統(tǒng)的操作、維護(hù)和故障排除等方面，促使每一位操作員都能熟練掌握系統(tǒng)的使用方法和應(yīng)對(duì)突發(fā)情況的能力。

培訓(xùn)內(nèi)容應(yīng)包括理論學(xué)習(xí)和實(shí)踐操作兩個(gè)部分。在理論學(xué)習(xí)中，應(yīng)詳細(xì)介紹系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念、主要功能和操作規(guī)范及安全操作的基本原則。理論培訓(xùn)可以選擇教室授課或在線課程方式，操作員在實(shí)際操作前有充分的知識(shí)準(zhǔn)備。實(shí)踐操作部分應(yīng)在模擬環(huán)境或?qū)嶋H操作中進(jìn)行，促使操作員在監(jiān)督下實(shí)際操作系統(tǒng)，熟悉日常的操作流程和應(yīng)急操作程序。建立一個(gè)有效的技術(shù)支持系統(tǒng)，包括故障響應(yīng)，還應(yīng)提供系統(tǒng)升級(jí)、維護(hù)和咨詢服務(wù)。技術(shù)支持團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)具備深厚的專業(yè)知識(shí)和技術(shù)能力，能夠利用多種方式如電話、電子郵件或遠(yuǎn)程訪問提供服務(wù)。為提高技術(shù)支持的效率，可以建立一個(gè)在線幫助數(shù)據(jù)庫(kù)，收錄常見的問題解決方案和操作指南，使操作員能夠快速找到解決問題的方法。

6結(jié)束語(yǔ)

從事水電工作的相關(guān)企業(yè)應(yīng)認(rèn)識(shí)到智能化改造的重要性，并積極采取措施推進(jìn)水電廠智能化進(jìn)程。隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和成熟，預(yù)計(jì)未來(lái)水電廠將實(shí)現(xiàn)更高級(jí)別的自動(dòng)化和智能化管理，這不僅能提升能源的利用效率，還能增強(qiáng)水電站對(duì)環(huán)境變化的適應(yīng)能力，推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施，為構(gòu)建綠色、智能的能源未來(lái)作出更大貢獻(xiàn)。