農(nóng)村小水電多要素智能管理探索與實踐

摘要：農(nóng)村小水電站存在機組效率低、出力不足、運行水平低、安全監(jiān)控不足、管理難度大等問題，為此，選取廣東省龍門縣開展農(nóng)村小水電站多要素智能管理探索與實踐研究。該小水電站利用了智能化改造、集約化運行、物業(yè)化管理等管理模式，采用了小水電智能控制裝置與報警、安全生產(chǎn)圖像智能識別、小水電集中監(jiān)控服務(wù)端等智能管理關(guān)鍵技術(shù)。通過對龍門縣6個小水電站的數(shù)據(jù)統(tǒng)計跟蹤，研究發(fā)現(xiàn)引入小水電站多要素智能管理模式和關(guān)鍵技術(shù)后，小水電站運行效率普遍得到提高，年發(fā)電量增長了10%左右。相關(guān)成果可以為提高農(nóng)村小水電站的自動化管理水平和安全運行水平提供參考。

關(guān)鍵詞：小水電站； 智能管理； 自動化改造； 集約化運行； 物業(yè)化管理； 廣東省龍門縣

中圖法分類號：TV736

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.09.012

文章編號：1006-0081（2024）09-0070-05

0 引 言

農(nóng)村小水電作為重要的民生水利基礎(chǔ)設(shè)施和清潔可再生能源，是中國調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、減少對不可再生能源依賴的重要選擇之一。然而，目前農(nóng)村小水電站自動化程度和安全生產(chǎn)管理水平較低，為了更好地利用農(nóng)村小水電資源，提高發(fā)電效率，多要素智能管理成為新的趨勢。相比傳統(tǒng)運維管理，農(nóng)村小水電站多要素智能管理因其統(tǒng)一管理、集中監(jiān)控、安全生產(chǎn)和高效發(fā)電等特點逐步得到應(yīng)用。目前學(xué)者對小水電站的研究主要是集中在集約化運維服務(wù)上，較少涉及對電站的智能化改造及物業(yè)化全流程監(jiān)管。本文提出了農(nóng)村小水電多要素智能管理模式和流程，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了小水電智能控制裝置、小水電集中監(jiān)控服務(wù)端，以為類似工程管理提供參考。

1 研究背景

《世界小水電發(fā)展報告2019》指出，中國農(nóng)村水電站的開采率從1950年普遍開始提高，從1978年的7%增加到2011年的48.5%，再到2019年的約60%（73.2 GW），預(yù)計到2030、2050年分別達(dá)到77.5%、83%（100 GW）。目前全國4.7萬宗小水電站主要分布在偏遠(yuǎn)山區(qū)，規(guī)模較小、效益低，設(shè)備舊，裝機規(guī)模1 000 kW以下近80%；1995年以前建成投產(chǎn)的比例為40%、2000年以前建成投產(chǎn)的比例為50%。在中國，水電站綜合自動化系統(tǒng)的概念最早于20世紀(jì)70年代提出，但由于當(dāng)時對小水電自動化認(rèn)識尚不充分，同時受制于技術(shù)條件限制，研究重點主要集中在計算機監(jiān)視和控制技術(shù)方面，小型水電站自動化設(shè)備沒有自己的特色，主要沿用大型水電站的技術(shù)［1-2］。

2 存在的問題

農(nóng)村小水電經(jīng)過長期運行，安全生產(chǎn)基礎(chǔ)條件變得越來越脆弱，很多水電站存在電力設(shè)備設(shè)施年久失修、引水渠道破敗、壓力管道老化、廠房及附屬設(shè)施防洪標(biāo)準(zhǔn)偏低等問題［3］。目前農(nóng)村水電站主要存在如下問題。

（1） 管理難度大、運行水平低。農(nóng)村水電站主要分布在邊遠(yuǎn)山區(qū)，遠(yuǎn)離城鎮(zhèn)，交通不便，且電站分散經(jīng)營，存在安全隱患多、安全運行水平參差不齊、自動化程度低、主要靠人工現(xiàn)場操作運行等問題［4］。對于監(jiān)管部門來說，受制于人力資源有限、現(xiàn)代監(jiān)管技術(shù)落后等影響，無法對小水電實施長期有效的監(jiān)管，農(nóng)村水電站的安全度汛對公共安全和電站自身安全存在較大壓力。

（2） 綠色小水電創(chuàng)建占比率低。目前全國已有近3萬座小水電站落實生態(tài)流量泄放機制，長江經(jīng)濟帶修復(fù)減水河段超9萬km，河流生態(tài)修復(fù)取得積極成效。但是，現(xiàn)行水電價格機制缺少有效的激勵手段，部分小水電業(yè)主在生態(tài)流量落實方面主動性不強。另外，一些小水電站承擔(dān)供水、灌溉、抗旱等任務(wù)，在某些時段無法按要求下泄生態(tài)流量［5］，小水電初期建設(shè)缺乏相應(yīng)的規(guī)劃和環(huán)評手續(xù)，環(huán)保措施未設(shè)計或未落實，給區(qū)域水生態(tài)環(huán)境帶來惡劣影響［6］。

（3） 機組效率低下、出力嚴(yán)重不足。農(nóng)村電站機組運行設(shè)備普遍老舊落后，由于受經(jīng)濟條件制約，機組制造水平有限，電站平均運行效率不高（表1），且電站經(jīng)多年發(fā)電運行，設(shè)備磨損老化嚴(yán)重，綜合效率多在70%以下。大部分機組設(shè)備帶病運行，不少機組備品備件已無從購買更換，電站存在能耗高、故障多等問題，每年僅因機組設(shè)備故障損失的發(fā)電量就達(dá)8%，機組普遍存在磨損，導(dǎo)致農(nóng)村小水電站生產(chǎn)效益、經(jīng)濟收益普遍較低。

（4） 安全監(jiān)控方面存在不足。確保農(nóng)村水電站安全穩(wěn)定運行是管理工作中最基本的目標(biāo)，但水電站管理中普遍存在安全監(jiān)控方面的不足，以及缺乏高效運行調(diào)度技術(shù)體系支撐［8］。如電站所屬水庫監(jiān)視系統(tǒng)、水情監(jiān)測系統(tǒng)等不完善，沒有定期落實對水庫和水工建筑物的檢查工作［9］；電站監(jiān)控管理制度的不完善，導(dǎo)致水電站的運行管理質(zhì)量不足、效率低下，極易造成電站安全類問題的發(fā)生。

3 多要素管理模式

為滿足政府對農(nóng)村水電站的監(jiān)管需求以及小型電站自身的管理需求，需要優(yōu)化舊的管理模式［10］，可采用物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等高新技術(shù)，形成智能化改造、集約化運行、物業(yè)化管理的農(nóng)村水電站多要素智能管理新模式，形成安全生產(chǎn)與綠色發(fā)展同步推進(jìn)、政府監(jiān)管與市場服務(wù)有機結(jié)合、各級政府和相關(guān)部門協(xié)同管理的農(nóng)村水電站“互聯(lián)網(wǎng)+”新業(yè)態(tài)。

3.1 智能化改造

農(nóng)村水電站的智能化控制主要建立在自動勵磁、自動調(diào)速和油氣水輔助設(shè)備自動化的基礎(chǔ)上，是電站群遠(yuǎn)程控制、智能診斷、集約化運行、物業(yè)化管理的重要基礎(chǔ)。相對應(yīng)的改造監(jiān)測應(yīng)具備自感知、自學(xué)習(xí)、自決策、自執(zhí)行和自適應(yīng)能力，從而構(gòu)建智能環(huán)保、高效節(jié)能、環(huán)境舒適的小水電站。改造重點包括控制系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)、勵磁系統(tǒng)、進(jìn)水主閥、油氣水系統(tǒng)等，同時有條件的電站應(yīng)對所屬大壩進(jìn)行雨水情監(jiān)測、大壩安全監(jiān)測、生態(tài)流量監(jiān)測、視頻圖像監(jiān)測等。

3.2 集約化運行

以“無人值班、少人值守”建設(shè)為目標(biāo)，以農(nóng)村水電站智能化改造監(jiān)測為基礎(chǔ)，應(yīng)用遠(yuǎn)程監(jiān)控、農(nóng)村水電站群聯(lián)合調(diào)度等技術(shù)，建設(shè)集控中心對多個農(nóng)村水電站進(jìn)行統(tǒng)一管理。集控中心的總體技術(shù)架構(gòu)可考慮采用云平臺，集成電站基本信息、安全生產(chǎn)管理、生態(tài)流量監(jiān)管、預(yù)測調(diào)度、智能監(jiān)控、統(tǒng)計分析、大屏可視化展示。大屏可視化界面集中展示各電站的實時運行數(shù)據(jù)與視頻圖像，實現(xiàn)對所轄站點日常運行監(jiān)控、設(shè)備設(shè)施維護(hù)等全方位、數(shù)字化、智能化管理。

3.3 物業(yè)化管理

實施物業(yè)化管理可有效解決農(nóng)村水電站運行人員專業(yè)素養(yǎng)不高、安全意識不強和效益發(fā)揮不足等問題。物業(yè)化管理可針對不同地區(qū)社會經(jīng)濟發(fā)展?fàn)顩r和小水電現(xiàn)狀，實行差異化管理，即視情況將小水電的全部或部分運行管護(hù)事項委托具有獨立法人資格且具有相應(yīng)能力的物業(yè)托管企業(yè)承擔(dān)。水行政主管部門或水電站產(chǎn)權(quán)人制定水電站物業(yè)管理考核辦法，確保物業(yè)服務(wù)高質(zhì)高效。

電站的集約化運行和物業(yè)化管理以電站智能化設(shè)備為基礎(chǔ)，對電站進(jìn)行較高程度的自動化改造，正常狀態(tài)下能實現(xiàn)自動運行和工況轉(zhuǎn)換；集控中心具備遠(yuǎn)程運行控制功能，實現(xiàn)對電站遠(yuǎn)程監(jiān)視、控制和管理，按規(guī)程對異常信息進(jìn)行處理，并通知物業(yè)化管理單位進(jìn)行維護(hù)；物業(yè)化管理單位承擔(dān)集控中心和各電站的運行維護(hù)工作。

4 智能管理關(guān)鍵技術(shù)

現(xiàn)有農(nóng)村水電站大多設(shè)備設(shè)施老化，安全、環(huán)保等均有歷史欠賬，信息化、智能化先天不足、流域調(diào)節(jié)和生態(tài)修復(fù)存在短板，管理人才和手段有欠缺［11］。這些缺陷可以通過構(gòu)建多要素智能管理關(guān)鍵技術(shù)得以彌補。

4.1 小水電智能控制裝置與報警技術(shù)

采用基于LoRa的小水電機組智能控制技術(shù)，對機組運行狀態(tài)和電站前池液位裝置、入水口閘閥等進(jìn)行監(jiān)測，通過在小水電機組智能控制裝置上內(nèi)置遠(yuǎn)程控制程序，服務(wù)端可通過VPN的安全隧道加密技術(shù)與裝置傳輸一系列定制化的操作指令，實現(xiàn)開停機順序控制。

采用LoRa技術(shù)，融合機組開停機控制、智能勵磁調(diào)節(jié)、遠(yuǎn)程控制、智能經(jīng)濟發(fā)電、多機協(xié)同（高效運行策略）、智能控制等多項技術(shù)，與集控中心服務(wù)端互聯(lián)互通，服務(wù)端通過加密指令與裝置傳輸一系列定制化的操作指令，實現(xiàn)開停機順序控制。

4.2 安全生產(chǎn)圖像智能識別技術(shù)

安全生產(chǎn)圖像智能識別技術(shù)采用基于深度學(xué)習(xí)的農(nóng)村水電站圖像及語音等識別方法，運用YOLOv3-spp，Deepface，F(xiàn)aceNet等算法，開展小水電圖像及語音等識別的人員、設(shè)備、場景3類安全需求的監(jiān)控分析，對小水電站廠房內(nèi)非運行入侵人員進(jìn)行識別報告、對廠房內(nèi)電氣柜、發(fā)電機組以及主變壓器冒火冒煙進(jìn)行圖像識別并報警提示。具體如下：

① 采用YOLOv4目標(biāo)檢測算法對目標(biāo)進(jìn)行檢測；② 采用DeepLabv3+算法進(jìn)行圖像分割；③ 采用YOLOv4算法對冒火、漏油進(jìn)行檢測；④ 采用DeepLabv3+算法對水淹進(jìn)行檢測；⑤ 采用DAF聲音異常分類算法對異常聲音進(jìn)行分類識別；⑥ 采用人臉識別算法對非運行入侵人員進(jìn)行識別。

4.3 小水電集中監(jiān)控服務(wù)端技術(shù)

開發(fā)小水電遠(yuǎn)程集中監(jiān)控平臺，采集的機組運行監(jiān)測數(shù)據(jù)、前池水位數(shù)據(jù)、雨水情監(jiān)測數(shù)據(jù)、大壩安全監(jiān)測數(shù)據(jù)、視頻圖像監(jiān)控數(shù)據(jù)、生態(tài)流量監(jiān)測數(shù)據(jù)等上傳到系統(tǒng)平臺進(jìn)行處理分析，結(jié)合集中智能監(jiān)控和報警技術(shù)，根據(jù)電站前池水位、來水流量的預(yù)報分析，遠(yuǎn)程控制電站機組閘閥和機組出力，建立報警發(fā)生頻率計算處理模型，當(dāng)頻率特征參數(shù)超過閾值時，報警窗口執(zhí)行壓縮策略，平臺發(fā)布智能預(yù)警及報警。

5 應(yīng)用實踐

基于多要素管理模式和智能管理關(guān)鍵技術(shù)，選擇廣東省龍門縣水電站，針對性地開展農(nóng)村小水電站智能化改造、建設(shè)集約化平臺和進(jìn)行物業(yè)化管理，取得了良好的成效。

5.1 智能化改造

對龍門縣的10個電站智能化改造，主要是更換同期智能控制柜，對水輪發(fā)電機組勵磁部分和控制部分進(jìn)行匹配改造，實現(xiàn)發(fā)電機及機組相關(guān)設(shè)備的保護(hù)、測量、控制及信息遠(yuǎn)傳，從而實現(xiàn)電站遙測、遙信、遙控、遙調(diào)功能，見圖1。

5.2 集控云平臺研發(fā)

綜合考慮農(nóng)村電站群集控運行、機房建設(shè)、辦公管理等各項生產(chǎn)功能的需要，集控中心廠址應(yīng)選擇通信設(shè)施較為完善的處所，集控中心建設(shè)就是對集控設(shè)備的安裝、調(diào)試、試運行，應(yīng)確保水電加密技術(shù)傳輸至云平臺，并通過云平臺將數(shù)據(jù)接入集控中心，以實現(xiàn)對電站機組遠(yuǎn)程控制、監(jiān)視，實時掌握水電站總體運營情況。同時對各水電站進(jìn)行實時視頻圖像監(jiān)控、實時語音通信以及生態(tài)流量、區(qū)域水雨情、水庫工情、電站運行狀態(tài)監(jiān)測，達(dá)到“無人值班，少人值守”目的。集控管理平臺見圖2。

5.3 物業(yè)化管理

按照《水電廠“無人值班”（少人值守）的若干規(guī)定》要求，結(jié)合設(shè)備、人員管理現(xiàn)狀等實際情況，制定《集控中心運行管理規(guī)程》《水電站安全管理制度》《設(shè)備設(shè)施巡檢管理制度》《集控中心現(xiàn)場值守人員工作管理制度》等配套制度明確龍門縣集控中心人員配置職責(zé)范圍及各崗位工作職責(zé)等內(nèi)容［12］。同時物業(yè)化管理單位應(yīng)負(fù)責(zé)電站以下方面工作：

① 日常遠(yuǎn)程控制運行；② 遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控；③ 事故設(shè)備小修理和應(yīng)急處理；④ 運行期間每周一次的現(xiàn)場巡查，停機期間每月一次的現(xiàn)場巡查；⑤所屬水工建筑物汛前檢查、汛后檢查、年度檢查、特別檢查工作；⑥ 編制年度維修養(yǎng)護(hù)項目計劃；⑦ 運行、維修等基礎(chǔ)資料收集、整編和檔案保存工作；⑧ 電力安全工器具的預(yù)防性試驗工作；⑨ 財產(chǎn)意外保險服務(wù)。

龍門縣“互聯(lián)網(wǎng)+綠色小水電”試點項目構(gòu)建了智能管理云平臺，安裝智能控制終端及運用智能識別技術(shù)，從2021年龍門縣開展綠色小水電試點建設(shè)以來，對龍門縣6個小水電站進(jìn)行數(shù)據(jù)跟蹤發(fā)現(xiàn)，引入小水電多要素智能管理模式和關(guān)鍵技術(shù)后，小水電運行效率有所提高，年發(fā)電量增長將近10%，見圖3，通過3～5 a的努力，有望全縣實現(xiàn)政府監(jiān)管智能化、電站運行智慧化、市場服務(wù)集約化“智慧水電”的總體目標(biāo)。

6 結(jié) 語

本研究通過引入小水電站多要素智能管理模式和關(guān)鍵技術(shù)，對當(dāng)前農(nóng)村水電站自動化監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能、模式等進(jìn)行深入分析。通過分析國內(nèi)農(nóng)村小水電運行管理中存在問題，以龍門縣農(nóng)村小水電站作為試點，在技術(shù)上實現(xiàn)現(xiàn)場常規(guī)傳感器和執(zhí)行器的數(shù)據(jù)統(tǒng)一接入、統(tǒng)一監(jiān)控。對龍門縣6個小水電站進(jìn)行數(shù)據(jù)跟蹤，引入小水電多要素智能管理模式和關(guān)鍵技術(shù)后，小水電運行效率得到提高，年發(fā)電量增長了10%。相關(guān)成果可以為解決農(nóng)村水電的運行管理難題、提高各農(nóng)村小水電站的自動化管理水平和安全運行水平提供參考。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 應(yīng)偉軍.小水電站數(shù)據(jù)預(yù)測與監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn)［D］.杭州：浙江工業(yè)大學(xué)，2015.

［2］ 李延峰.農(nóng)村小水電站自動化建設(shè)方案研究［D］.北京：華北電力大學(xué)（北京），2016.

［3］ 劉力華，李玉起，羅德河，等.廣東省農(nóng)村小水電現(xiàn)狀調(diào)查分析研究 ［J］.水利水電快報，2021，42（7）：68-73.

［4］ 孟亮亮.農(nóng)村小水電自動化設(shè)備運行現(xiàn)狀及策略探討 ［J］.建材與裝飾，2018（21）：226-227.

［5］ 王歡，王繼秀，季健康.小水電綠色改造和現(xiàn)代化提升模式思考［J］.人民黃河，2023，45（增1）：112-113，115.

［6］ 薛聯(lián)芳，姜昊.中小河流水電開發(fā)管理與生態(tài)修復(fù)的思考［J］.水力發(fā)電，2019，45（1）：1-3，12.

［7］ 周麗娜，徐錦才，關(guān)鍵，等.農(nóng)村小水電安全運行中存在的問題分析［J］.中國農(nóng)村水利水電，2011（1）：150-151，155.

［8］ 沈思敏，劉樹鋒，關(guān)帥，等.新時代廣東省小水電可持續(xù)發(fā)展探討［J］.中國水利，2023，（4）：66-69.

［9］ 李佳.小水電站管理模式的探索與實踐［J］.四川建材，2021，47 （12）：240-241.

［10］ 劉宗琦，譚云廣，馬秀軍.遼寧省小水電站的技術(shù)改造［J］.水利水電技術(shù)，2000（3）：15-16.

［11］ 于博智，劉連翔.“雙碳”背景下小水電高質(zhì)量發(fā)展路徑思考［J］.中國農(nóng)村水利水電，2022（9）：227-231.

［12］ 陳啟軍，鄭曉慶，朱麗潔.溫州市農(nóng)村水電站全物業(yè)化管理的探索與實踐［J］.水電站機電技術(shù)，2022，45（8）：153-15.

（編輯：李 晗）

Exploration and practice of multi-element intelligent management of small hydropower in rural areas

SHEN Zheng1，LIANG Yu′an1，LUO Lin1，ZOU Huiling1，LIU Shupiao1，SONG Kangjie2，YAN Jun2

（1.Guangdong South China High-tech Co.，Ltd.，Guangzhou 510611，China； 2.North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou 450046，China）

Abstract：

In order to solve the problems of rural small hydropower station units，such as low unit efficiency，insufficient output，low operation level，insufficient safety monitoring，and difficult management，etc.，Longmen County of Guangdong Province had been selected to carry out the exploration and practice research of multi-factor intelligent management of small hydropower stations.Longmen County of Guangdong Province was selected to carry out the exploration and practical research on multi-factor intelligent management of rural small hydropower stations，applying intelligent transformation，intensive operation，property management and other management modes to rural small hydropower stations in Longmen County，Guangdong Province，and adopting key technologies of intelligent management such as small hydropower intelligent control devices and alarms，intelligent recognition of safety production images，and small hydropower centralized monitoring and control service terminal.At the same time，data statistics tracking of six small hydropower stations in Longmen County，the study found that after the introduction of small hydropower station multi-factor intelligent management mode and key technologies，the operation efficiency of small hydropower stations was generally improved，and the annual power generation also increased by about 10%.The relevant results can provide a reference for similar project management.

Key words：

small hydropower station； intelligent management； automation transformation； intensive operation； property management； Longmen County in Guangdong Province