智慧小型水利水電工程關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用實(shí)踐研究

摘 要：就我國(guó)小型水利水電工程尚未普及信息化和智能化技術(shù)的實(shí)際情況，探討小型水利水電工程信息化、自動(dòng)化、智能化的遠(yuǎn)程集控技術(shù)方案。在當(dāng)下信息化與智能技術(shù)高速發(fā)展的新時(shí)代，信息化與智能化功能的具體實(shí)施，提升了小型水利水電工程的技術(shù)水平與管理水平。研究成果有助于引導(dǎo)當(dāng)今水利水電行業(yè)從業(yè)人員，在規(guī)劃、設(shè)計(jì)、制造、選型時(shí)充分考慮信息化、智能化要素，做出特定的個(gè)性化選擇。

關(guān)鍵詞：小型水利水電工程；信息化；智能化；自動(dòng)化

中圖分類(lèi)號(hào)：TV7；TP3" " " " " " " " " " " " " " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " ""doi：10.19679/j.cnki.cjjsjj.2025.0119

0 引言

隨著水利水電技術(shù)的進(jìn)步與水利水電資源開(kāi)發(fā)力度的不斷加大，以及信息化與智能化技術(shù)的廣泛推廣應(yīng)用，信息化、自動(dòng)化、智能化逐漸成為水利水電工程發(fā)展的新趨勢(shì)[1-2]。目前在建的和已建的大、中型水利水電工程，基本會(huì)在建設(shè)初期將信息化、自動(dòng)化、智能化功能列入規(guī)劃。而早期完成的大、中型水利水電工程即使沒(méi)有系統(tǒng)規(guī)劃這些功能，通過(guò)后期的技術(shù)改造，這些功能也逐步得到落實(shí)。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)單機(jī)10 MW以下的小型水利水電工程在所有水利水電工程中，機(jī)組臺(tái)數(shù)占有率在75%以上，機(jī)組容量占有率在20%以上[3]。所以，小型水利水電工程的技術(shù)和管理不容小覷，信息化與智能化技術(shù)應(yīng)有足夠的應(yīng)用空間和推廣價(jià)值。

當(dāng)前，高質(zhì)量發(fā)展數(shù)字經(jīng)濟(jì)已成為我國(guó)發(fā)展新趨勢(shì)。為了更好地實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，應(yīng)深度融合數(shù)字技術(shù)與實(shí)體經(jīng)濟(jì)，構(gòu)建數(shù)字中國(guó)，推動(dòng)大數(shù)據(jù)與實(shí)體經(jīng)濟(jì)深度融合，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展[4]。因此，水利水電工程應(yīng)響應(yīng)國(guó)家政策，落實(shí)與實(shí)施數(shù)字化和信息化，盡可能考慮智能化。

1 小型水利水電工程現(xiàn)狀

包括小水電站和泵站在內(nèi)的小型水利水電工程存在以下痛點(diǎn)：一是早期規(guī)劃建設(shè)的小型水利水電工程單機(jī)容量小，機(jī)組數(shù)量多，設(shè)備分布廣，建設(shè)選址偏遠(yuǎn)，交通與通信都存在困難。部分早期建設(shè)的小型水利水電工程存在規(guī)模小、投資少的情況，導(dǎo)致各級(jí)專(zhuān)業(yè)技術(shù)管理人員相對(duì)缺乏，管理人員的文化技術(shù)水平普遍不高，存在工程安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化、精細(xì)化管理方面的困難。二是安全生產(chǎn)管理方面的隱患。小型水利水電工程在安全生產(chǎn)管理基礎(chǔ)方面比較薄弱，存在安全生產(chǎn)信息難以收集且報(bào)送滯后等問(wèn)題，設(shè)備妥備率缺乏有效管理，常有非計(jì)劃停機(jī)的現(xiàn)象，十分影響效益，甚至沒(méi)有生產(chǎn)設(shè)備故障預(yù)警機(jī)制，對(duì)設(shè)備的管理仍停留在實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)階段。因此，順應(yīng)時(shí)代發(fā)展，對(duì)早期建設(shè)的小型水利水電工程進(jìn)行信息化、自動(dòng)化、智能化技術(shù)改造是形勢(shì)所需，新建的小型水利水電工程實(shí)現(xiàn)信息化、自動(dòng)化、智能化技術(shù)應(yīng)用是時(shí)代所需。

隨著國(guó)內(nèi)就業(yè)人口數(shù)量增長(zhǎng)放緩、老齡化程度加深，企業(yè)的用工成本持續(xù)攀升，過(guò)去依靠低成本、低價(jià)格及大規(guī)模生產(chǎn)能力的優(yōu)勢(shì)也將逐漸削弱，中國(guó)面臨著人口紅利消失、勞動(dòng)力等生產(chǎn)要素成本提升的問(wèn)題，迫切需要通過(guò)智能制造技術(shù)重塑中國(guó)制造業(yè)新優(yōu)勢(shì)，水利水電工程的機(jī)電設(shè)備、自動(dòng)化控制系統(tǒng)等必須順勢(shì)跟上，落實(shí)信息化、數(shù)字化與智能化。 而現(xiàn)實(shí)情況是，傳統(tǒng)的工控系統(tǒng)布局廣泛運(yùn)用于已建的小型水利水電工程，勵(lì)磁、調(diào)速和保護(hù)等小系統(tǒng)分別采集各設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，傳送給監(jiān)控系統(tǒng)[5]。由于建設(shè)在不同的時(shí)期，各工程的設(shè)備供應(yīng)商不同，系統(tǒng)架構(gòu)和協(xié)議等不一致，導(dǎo)致無(wú)法共享各設(shè)備采集的數(shù)據(jù)，形成一座座信息孤島，難以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程集控系統(tǒng)的“互聯(lián)、互通、互動(dòng)、互操作”[6]。與此同時(shí)，工程監(jiān)控系統(tǒng)仍止步于實(shí)時(shí)監(jiān)控層面，對(duì)歷史數(shù)據(jù)的操作僅限于存儲(chǔ)，對(duì)歷史數(shù)據(jù)的分析操作依然通過(guò)傳統(tǒng)人工的方式進(jìn)行。在大數(shù)據(jù)時(shí)代，應(yīng)利用信息化技術(shù)，對(duì)水利水電行業(yè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行探索和挖掘，使其發(fā)揮更大的作用，帶來(lái)更多的價(jià)值。

2 智慧小型水利水電工程推薦方案

在當(dāng)今世界，信息化已成為推動(dòng)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的主要力量，是推動(dòng)我國(guó)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級(jí)、實(shí)現(xiàn)工業(yè)化和現(xiàn)代化的核心驅(qū)動(dòng)力。隨著技術(shù)和認(rèn)知水平的提升，信息化支撐水利水電工程的深度和廣度越來(lái)越高，人們需要數(shù)據(jù)的范圍越來(lái)越大，數(shù)據(jù)融合共享的訴求越來(lái)越多[7-9]。云計(jì)算技術(shù)在近年蓬勃發(fā)展，基于云計(jì)算的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和能源互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用與研究如雨后春筍般涌現(xiàn)。利用信息技術(shù)和智能化技術(shù)對(duì)小型水利水電工程進(jìn)行遠(yuǎn)程集控，對(duì)運(yùn)行模式進(jìn)行優(yōu)化，提升管理水平和綜合效益，已成為小型水利水電工程的必然發(fā)展趨勢(shì)。

隨著時(shí)代的飛速發(fā)展，現(xiàn)有的小型水利水電工程在運(yùn)行機(jī)制和管理模式上已顯露出與時(shí)代脫軌的跡象，使得運(yùn)營(yíng)企業(yè)渴望建立工程遠(yuǎn)程集控平臺(tái)來(lái)應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)。自行構(gòu)建遠(yuǎn)程集控平臺(tái)面臨著技術(shù)挑戰(zhàn)大、資金需求大的雙重難題，使得這一建設(shè)目標(biāo)難以達(dá)成。云計(jì)算技術(shù)的興起為遠(yuǎn)程集控平臺(tái)的建設(shè)提供了新的契機(jī)。通過(guò)近20 a來(lái)小型水利水電工程核心控制設(shè)備的研究和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)積累，我們提出了信息化、自動(dòng)化、智能化一體融合方案，為智慧小型水利水電的建立和發(fā)展提供了技術(shù)支撐；研發(fā)了基于“互聯(lián)網(wǎng)+”模式的小型水利水電工程控制設(shè)備和遠(yuǎn)程集控系統(tǒng)，該系統(tǒng)在云計(jì)算平臺(tái)上托管，提供穩(wěn)定可靠的服務(wù)給運(yùn)營(yíng)商；并且，為了滿(mǎn)足運(yùn)營(yíng)商多元化的經(jīng)營(yíng)需求，衍生出數(shù)據(jù)分析、工程托管等增值服務(wù)。通過(guò)基于云計(jì)算技術(shù)的遠(yuǎn)程集控平臺(tái)，可以減少停機(jī)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值班或少人值守，顯著提升工程的運(yùn)維水平，從而提高工程的總體經(jīng)濟(jì)效益。具體方案主要包括：搭建水利水電控制設(shè)備運(yùn)營(yíng)管理大數(shù)據(jù)云平臺(tái)；建立數(shù)據(jù)庫(kù)專(zhuān)家系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)的故障診斷；落實(shí)遠(yuǎn)程技術(shù)支持與維護(hù)系統(tǒng)。其中，新型系統(tǒng)的控制設(shè)備采用物聯(lián)網(wǎng)模式，便于連接到互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程維護(hù)和診斷。信息化與智能化落實(shí)到系統(tǒng)與工程的每一處，數(shù)字孿生技術(shù)方可得以實(shí)施，這是智慧小型水利水電工程的關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)。

為確保水利水電機(jī)組和電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行、保障人員的安全、增加發(fā)電或輸水的效益，對(duì)水利水電控制系統(tǒng)的核心設(shè)備如監(jiān)控、勵(lì)磁、調(diào)速器、保護(hù)等進(jìn)行整合和優(yōu)化，提高其信息化、自動(dòng)化與智能化水平，加入“云物大智移”，依托“互聯(lián)網(wǎng)+”創(chuàng)新與變革，以實(shí)現(xiàn)小型水利水電工程智能控制系統(tǒng)的不斷進(jìn)步和發(fā)展。

下面以小型水電站示例智慧小型水利水電工程的技術(shù)方案、系統(tǒng)配置、系統(tǒng)功能與性能。

2.1 技術(shù)方案

技術(shù)方案主要包括：水電站設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、水電站自動(dòng)化控制子系統(tǒng)（安全鏈策略）、水電站安防子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)信息化傳輸子系統(tǒng)以及云端智能化服務(wù)平臺(tái)。技術(shù)方案系統(tǒng)如圖1所示。

2.1.1 水電站設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)

構(gòu)建完整的傳感器和監(jiān)測(cè)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)，用以采集設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)據(jù)，例如實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水位、電壓、電流、功率、溫度等水電站關(guān)鍵參數(shù)，為電站管理提供數(shù)據(jù)采集支撐。

2.1.2 水電站自動(dòng)化控制子系統(tǒng)

構(gòu)建水電站現(xiàn)地控制單元網(wǎng)絡(luò)，利用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)電站設(shè)備實(shí)時(shí)控制、實(shí)時(shí)故障診斷及安全鏈策略，安全鏈策略應(yīng)保證在電氣控制系統(tǒng)失效時(shí)，發(fā)電機(jī)安全停車(chē)。

2.1.3 水電站安防子系統(tǒng)

構(gòu)建全方位的視頻監(jiān)控、安全傳感器及火災(zāi)聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)，利用溫感及圖像識(shí)別技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水電站的安全狀況。

2.1.4 數(shù)據(jù)信息化傳輸子系統(tǒng)

利用互聯(lián)網(wǎng)+物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)安全認(rèn)證傳輸至數(shù)據(jù)服務(wù)中心，采用分布式計(jì)算+微服務(wù)架構(gòu)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和整理，為云控服務(wù)平臺(tái)提供數(shù)據(jù)支撐。

2.1.5 云端智能化服務(wù)平臺(tái)

包含電站智能運(yùn)維平臺(tái)、設(shè)備生命周期管理、大數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)模型及專(zhuān)家診斷報(bào)警，實(shí)現(xiàn)電站遠(yuǎn)程電腦及智能手機(jī)運(yùn)維監(jiān)控及運(yùn)維報(bào)告、預(yù)測(cè)診斷報(bào)告查看。

2.2 系統(tǒng)配置

系統(tǒng)配置有全方位數(shù)據(jù)采集設(shè)備、自動(dòng)化控制元件、現(xiàn)地控制單元、安全監(jiān)控單元、互聯(lián)網(wǎng)接入單元及遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)。系統(tǒng)配置如圖2所示。

（1）數(shù)據(jù)采集設(shè)備：覆蓋全站的數(shù)據(jù)采集單元，包含互感器、溫度傳感器、水位傳感器及其他采集設(shè)備。負(fù)責(zé)全方位采集電站設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，為電站運(yùn)行監(jiān)測(cè)提供真實(shí)、完整的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

（2）自動(dòng)化控制元件：包括全站的閘閥控制及電機(jī)或液壓控制元件等。自動(dòng)化控制元件是電站設(shè)備自動(dòng)化控制的執(zhí)行元件，是電站自動(dòng)化建設(shè)的基礎(chǔ)。

（3）現(xiàn)地控制單元：包括智能化一體屏、直流系統(tǒng)及停電安全鏈系統(tǒng)等。內(nèi)置發(fā)電控制系統(tǒng)、故障診斷系統(tǒng)、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)交互響應(yīng)系統(tǒng)及安全鏈系統(tǒng)等，是電站自動(dòng)化、信息化、智能化建設(shè)的關(guān)鍵單元，保障電站運(yùn)行控制的實(shí)時(shí)性、安全性和優(yōu)化性。

（4）安全監(jiān)控單元：包括全站視頻監(jiān)控、圖像分析及火災(zāi)聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)等。負(fù)責(zé)電站非電氣因素的安全防護(hù)報(bào)警，利用先進(jìn)的視頻圖像分析技術(shù)，識(shí)別火光、煙霧、高溫及異常闖入等險(xiǎn)情，并執(zhí)行警報(bào)。

（5）互聯(lián)網(wǎng)接入單元：包括電站互聯(lián)網(wǎng)安裝及接入設(shè)備、移動(dòng)4G網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備等?；ヂ?lián)網(wǎng)接入單元是遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)的必經(jīng)之路，也是電站信息化、智能化建設(shè)的保障單元。

（6）遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)：包括數(shù)據(jù)服務(wù)器及電腦、智能手機(jī)端應(yīng)用軟件。遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)負(fù)責(zé)電站數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、分析、展示，其中不僅包括設(shè)備的生命周期管理、大數(shù)據(jù)模型性能分析預(yù)控，還包括線(xiàn)上線(xiàn)下巡檢交互管控等。

2.3 系統(tǒng)功能與性能

2.3.1 信息化、自動(dòng)化、智能化

2.3.1.1 遠(yuǎn)程操作

除常規(guī)開(kāi)停機(jī)控制外，還可通過(guò)云平臺(tái)遠(yuǎn)程升級(jí)控制系統(tǒng)程序、設(shè)置運(yùn)行參數(shù)和保護(hù)定值、修改枯水期與豐水期的發(fā)電策略等。

2.3.1.2 智能化

具有無(wú)人智能啟停功能，滿(mǎn)足水流量條件機(jī)組即可無(wú)人自動(dòng)開(kāi)機(jī)。自動(dòng)生成各種生產(chǎn)管理報(bào)告，大數(shù)據(jù)系統(tǒng)提供專(zhuān)家診斷、發(fā)電效率、設(shè)備健康分析等AI功能。

2.3.1.3 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)

專(zhuān)用的云控通訊協(xié)議保證發(fā)電機(jī)及全廠所有二次設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)大數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至云服務(wù)器。除運(yùn)行所需的常用數(shù)據(jù)外，還對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)溫度、液壓站狀態(tài)（油位、油溫、壓力）、直流系統(tǒng)每節(jié)電池電壓、開(kāi)關(guān)電源狀態(tài)、關(guān)鍵空開(kāi)分合位置等進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，保證全廠設(shè)備故障及健康狀態(tài)有據(jù)可查，防患于未然。

2.3.1.4 設(shè)備狀態(tài)診斷

現(xiàn)地和云平臺(tái)可隨時(shí)調(diào)取全廠設(shè)備運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)、故障信息及故障時(shí)的波形，所有歷史運(yùn)行事件和故障波形都儲(chǔ)存在云數(shù)據(jù)庫(kù)中，可供查詢(xún)分析。智能診斷系統(tǒng)對(duì)設(shè)備老化磨損等可提前做出判斷，并將消息推送給相關(guān)人員以便安排科學(xué)維保。

2.3.1.5 專(zhuān)用云控平臺(tái)

電力生產(chǎn)方面：展示電站實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)（包括發(fā)電量、功率、電壓、電流、溫度等）；展示電站設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、遠(yuǎn)程控制（開(kāi)停機(jī)、設(shè)備控制等）；事故、故障報(bào)警；提供更詳盡的各類(lèi)報(bào)表（如24 h電氣運(yùn)行日志展示及導(dǎo)出，年月日電度報(bào)表等）。

實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控：關(guān)鍵位置監(jiān)控及測(cè)溫?cái)z像頭報(bào)警。

任務(wù)終端功能：執(zhí)行電站巡檢、消缺及隱患點(diǎn)排查任務(wù)，自動(dòng)生成巡檢報(bào)告及故障報(bào)告。

運(yùn)維：巡檢工作安排、打卡、記錄（附視頻記錄）及考核等。

2.3.1.6 電站管理

無(wú)人值班+無(wú)人值守，站內(nèi)可不設(shè)置固定運(yùn)維值班人員，安排巡檢工作人員即可，每周正常巡檢1次。主要涉及耗材更換（如碳刷、潤(rùn)滑油等）、關(guān)鍵信號(hào)檢查（執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置反饋接點(diǎn)等）、衛(wèi)生打掃等維護(hù)工作，該工作可上傳至云控系統(tǒng)，方便業(yè)主對(duì)巡檢人員工作進(jìn)行管理。

2.3.2 經(jīng)濟(jì)性

根據(jù)開(kāi)度和功率協(xié)聯(lián)曲線(xiàn)，分析水輪機(jī)接力器、轉(zhuǎn)輪磨損狀況，不停機(jī)即可探明水輪機(jī)效率開(kāi)始下降的原因，提前維修。

倒送電自切除功能，枯水期不發(fā)電時(shí)自動(dòng)切斷變壓器高壓側(cè)開(kāi)關(guān)，節(jié)省倒送電產(chǎn)生的費(fèi)用，來(lái)水后自動(dòng)合上變壓器高壓側(cè)開(kāi)關(guān)，恢復(fù)發(fā)電。

2.3.3 安全性

機(jī)組安全性：①配備大容量直流系統(tǒng)，突遇停電安全停機(jī)后可支持全廠設(shè)備運(yùn)行2 d。保證機(jī)組供電的同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池性能，若電池蓄能不足，云控平臺(tái)大數(shù)據(jù)分析可提前預(yù)警更換，電站配置柴油發(fā)電機(jī)可啟動(dòng)發(fā)電機(jī)充電，不會(huì)造成水輪機(jī)飛車(chē)事故。②防止機(jī)組飛逸、發(fā)電機(jī)損壞的多項(xiàng)保險(xiǎn)措施：雙套油源配置（正常油源+事故油源），獨(dú)立的控制和事故油路確保導(dǎo)葉接力器、進(jìn)水閥（可選配）同時(shí)動(dòng)作，雙油源三重機(jī)制保障關(guān)水。每臺(tái)機(jī)轉(zhuǎn)速由3個(gè)獨(dú)立的控制器監(jiān)測(cè)，三重機(jī)制保證及時(shí)發(fā)現(xiàn)飛逸；發(fā)電機(jī)電流電壓由2臺(tái)獨(dú)立的控制器監(jiān)測(cè)，保證出現(xiàn)異常情況時(shí)能夠進(jìn)行事故停機(jī)。任何涉及操作關(guān)停機(jī)組的設(shè)備發(fā)出報(bào)警都會(huì)觸發(fā)硬件安全鏈動(dòng)作，與常規(guī)回路一起關(guān)停機(jī)組。

廠房安全性：設(shè)置全廠及前池視頻監(jiān)控+關(guān)鍵位置溫感攝像頭，支持闖入監(jiān)測(cè)、火情監(jiān)測(cè)、電纜溝及變壓器過(guò)溫監(jiān)測(cè)報(bào)警。

數(shù)據(jù)安全性：采用深度定制化云控通訊協(xié)議，所有通訊數(shù)據(jù)采用AES128加密算法進(jìn)行加密，保證通訊安全。

3 智慧小型水電工程建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用難點(diǎn)

3.1 關(guān)鍵技術(shù)

（1）傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建。為實(shí)現(xiàn)水電站的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)上傳，需要建立一套完整的傳感器網(wǎng)絡(luò)。傳感器可以監(jiān)測(cè)水位、水溫、水質(zhì)、電壓、電流、功率等關(guān)鍵參數(shù)，同時(shí)需要考慮傳感器的定位、安裝和維護(hù)等問(wèn)題。

（2）數(shù)據(jù)采集和處理。在傳感器網(wǎng)絡(luò)建設(shè)完成后，需要采集傳感器上傳的數(shù)據(jù)，建立數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、處理和分析。這些數(shù)據(jù)可以用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水電站運(yùn)行狀態(tài)和分析歷史數(shù)據(jù)，以了解水電站運(yùn)行情況、有效預(yù)防潛在故障。

（3）遠(yuǎn)程控制和管理。利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制智慧水電站的運(yùn)行狀態(tài)，從而提高管理效率和運(yùn)行效率。管理員可以通過(guò)智能手機(jī)、電腦等設(shè)備遠(yuǎn)程登錄管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)水電站監(jiān)控、操作和故障處理等。

（4）大數(shù)據(jù)分析和人工智能技術(shù)應(yīng)用。智慧水電站的數(shù)據(jù)規(guī)模較大，需要運(yùn)用大數(shù)據(jù)分析和人工智能技術(shù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和挖掘，發(fā)現(xiàn)存在的問(wèn)題和優(yōu)化空間，以便更好地維護(hù)和管理水電站。

3.2 應(yīng)用難點(diǎn)

（1）實(shí)現(xiàn)一次設(shè)備智能化、二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化。

（2）數(shù)據(jù)采集與傳輸光纖化。節(jié)約大量二次電纜，最終解決電站抗干擾問(wèn)題。

（3）信息模型與通信標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一化。統(tǒng)一的信息模型與通信協(xié)議，無(wú)縫的系統(tǒng)互連，實(shí)現(xiàn)全廠各設(shè)備之間智能協(xié)調(diào)互動(dòng)，減少系統(tǒng)重復(fù)建設(shè)。

（4）數(shù)據(jù)信息平臺(tái)的一體化。通過(guò)一體化的數(shù)據(jù)支撐平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)智能決策、協(xié)調(diào)控制及電站優(yōu)化運(yùn)行等智能化高級(jí)應(yīng)用功能。

4 智慧小型水電工程一體化解決方案案例

武漢海卓智控電氣有限公司致力于中小水電站信息化、自動(dòng)化、智能化建設(shè)及改造，目前已在廣西、重慶、新疆等地區(qū)多個(gè)電站實(shí)現(xiàn)智能化改造，達(dá)到電站無(wú)人值守、遠(yuǎn)程運(yùn)維及降本增效的改造目標(biāo)。下面以此為案例進(jìn)行介紹。

4.1 基本技術(shù)方案

基本技術(shù)方案如圖3所示。該方案由云端控制級(jí)、場(chǎng)站控制級(jí)和現(xiàn)地控制級(jí)三部分組成。云端控制級(jí)內(nèi)嵌云端數(shù)據(jù)管理軟件，實(shí)現(xiàn)電站數(shù)據(jù)的接收、整理、分析等功能，是電站智能化管理的關(guān)鍵；場(chǎng)站控制級(jí)配置現(xiàn)地和遠(yuǎn)程電子設(shè)備及操作軟件，是電站的操控和數(shù)據(jù)展示接口，也是電站信息化、智能化的主要表現(xiàn)；現(xiàn)地控制級(jí)裝備電站的自動(dòng)化基礎(chǔ)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)電站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集、傳輸及操作命令的執(zhí)行等，是電站自動(dòng)化控制的基礎(chǔ)。

4.2 現(xiàn)地控制單元

現(xiàn)地控制單元是實(shí)現(xiàn)電站現(xiàn)地控制的主要關(guān)鍵設(shè)備，主要由搭載控制軟件的核心控制器、實(shí)現(xiàn)模擬量及開(kāi)關(guān)量采集和輸出的集成回路、自控化控制元件和執(zhí)行元件等部分組成?，F(xiàn)地控制單元產(chǎn)品如圖4所示，依據(jù)設(shè)備的公用程度進(jìn)行分柜安裝，單獨(dú)發(fā)電機(jī)組現(xiàn)地控制集中在一體化控制柜，一體化控制柜對(duì)應(yīng)發(fā)電機(jī)組數(shù)量配置；電站公共控制集中在公用柜，公用柜也可根據(jù)電站需求配置一套或多套。

4.3 海卓云控主要功能

（1）豐富完備的運(yùn)行監(jiān)視功能。①電站主接線(xiàn)圖各關(guān)鍵設(shè)備、運(yùn)行狀態(tài)、概覽數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)顯示。②每臺(tái)機(jī)組的運(yùn)行發(fā)電數(shù)據(jù)和主要設(shè)備數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示。③全站全方位視頻監(jiān)控+關(guān)鍵設(shè)備溫感攝像。④每臺(tái)機(jī)組及全站發(fā)電量數(shù)據(jù)可按年、月、日、時(shí)展示及導(dǎo)出。⑤關(guān)鍵運(yùn)行數(shù)據(jù)可按時(shí)間曲線(xiàn)顯示及導(dǎo)出。⑥運(yùn)行事件、事故波形等數(shù)據(jù)展示及保存，供調(diào)用查詢(xún)。⑦事故報(bào)警、故障報(bào)警可通過(guò)系統(tǒng)、短信、電話(huà)語(yǔ)音等方式及時(shí)通知管理員。

（2）便捷安全的遠(yuǎn)程控制功能。①隔離開(kāi)關(guān)投退及機(jī)組開(kāi)停機(jī)流程控制。②運(yùn)行參數(shù)可遠(yuǎn)程設(shè)置，可按需求優(yōu)化調(diào)節(jié)性能和發(fā)電策略。③控制器程序可遠(yuǎn)程更新，固件升級(jí)、備件更換便捷操作。④所有遠(yuǎn)程訪(fǎng)問(wèn)和操作都可通過(guò)WEB和APP進(jìn)行，雙重密碼保護(hù)，采用加密算法保證數(shù)據(jù)鏈路安全。⑤用戶(hù)對(duì)設(shè)備的操作均會(huì)留下日志。

（3）運(yùn)維服務(wù)功能。①巡檢工作計(jì)劃制定（含日巡檢、消缺維護(hù)、盯防點(diǎn)巡檢）。②巡檢打卡服務(wù)，工作記錄上傳。③自動(dòng)生成巡檢報(bào)告。④依托于運(yùn)行大數(shù)據(jù)，對(duì)機(jī)組發(fā)電效率等關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)視，提出效率變化預(yù)警。⑤對(duì)耗損件、故障易多發(fā)部件的動(dòng)作頻次進(jìn)行生命周期計(jì)算，生成關(guān)鍵設(shè)備健康分析報(bào)告及維修更換報(bào)告。海卓云控APP部分頁(yè)面如圖5所示。

4.4 電站改造前后對(duì)比

對(duì)廣西石源江電站進(jìn)行智慧化改造，取得了顯著的成效，改造前后的對(duì)比如圖6所示。改造之后取得的成效是：①實(shí)現(xiàn)集控運(yùn)維；②實(shí)現(xiàn)電站無(wú)人值守；③設(shè)備故障率大幅下降；④發(fā)電量大幅提升。

改造之后的廣西石源江電站與同流域的其他電站相比，發(fā)電量均最高，如表1所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

受?chē)?guó)家電網(wǎng)和南方電網(wǎng)“十四五”規(guī)劃對(duì)數(shù)字電網(wǎng)投資的影響，數(shù)字經(jīng)濟(jì)快速崛起，電力能源結(jié)構(gòu)向新型可再生能源發(fā)展。以云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、區(qū)塊鏈等新一代數(shù)字技術(shù)為核心驅(qū)動(dòng)力，通過(guò)數(shù)字技術(shù)與企業(yè)業(yè)務(wù)和管理深度融合，使電力能源系統(tǒng)成為一個(gè)數(shù)字化、智能化和互聯(lián)網(wǎng)化的新型電網(wǎng)。水利水電工程建設(shè)必須跟上時(shí)代的步伐，大力推廣信息化、數(shù)字化與智能化的應(yīng)用。

小型水利水電工程通常具備建設(shè)工期短、投資回報(bào)迅速且地理位置遠(yuǎn)離城市中心等特點(diǎn)，為了有效控制投資規(guī)模、顯著提升供電品質(zhì)及其可靠性，應(yīng)積極推廣利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將監(jiān)控、調(diào)速、勵(lì)磁等核心控制功能與水電站的其他控制系統(tǒng)（包括同期裝置、現(xiàn)地控制單元等）進(jìn)行系統(tǒng)集成化設(shè)計(jì)。在具體實(shí)施上，可以選擇組屏或就地分散式布局來(lái)構(gòu)建水電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。對(duì)于小型泵站的設(shè)計(jì)，也可采用類(lèi)似的設(shè)計(jì)理念。

智慧化是智能化時(shí)代的升級(jí)版，它更加強(qiáng)調(diào)整體系統(tǒng)的智能互聯(lián)和智能化管理，在信息爆炸的新時(shí)代，智慧水利水電已成為水利水電人的共識(shí)，已成為所有水利水電工程追逐的目標(biāo)。

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收稿日期：2024-08-14

作者簡(jiǎn)介：潘凌卉，女，工程師，碩士，主要研究方向?yàn)樗畔⒒?。E-mail：429275895@qq.com

通信作者：聶 偉，男，高級(jí)工程師，本科，主要從事水利水電工程機(jī)電控制技術(shù)研究。E-mail：150473577@qq.com

Abstract：Information technology and intelligent technology have not yet been widely applied in China's small-scale water conservancy and hydropower projects. This study presents a technical framework of remote centralized control for China's small-scale water conservancy and hydropower projects that combines information technology，automation，and intelligent technology. As these technologies rapidly develop in the current era，their application improves the technical and management level of small-scale water conservancy and hydropower projects. The results can provide guidance for people working in the water resources and hydropower industry to incorporate information and intelligent technologies and take specific and tailored solutions during project planning，design，manufacturing，and selection.