智慧水电规划建设方案研究
李艳君，史丽敏
（四川水利职业技术学院，四川崇州，６１１２３０）
㊀㊀ʌ摘㊀要ɔ文章从国家㊁行业㊁企业㊁员工等角度分析了进行智慧水电规划建设的必要性，从而引出智慧水电的总体规划和建设内容㊂智慧水电规划建设方案作为一项系统性㊁规划性的方案研究，立足于水电基层运营阶段的业务需求，包括运行㊁检修㊁调度㊁安全管理等，充分利用最新的信息通信技术，紧密遵循理念领先㊁功能实用㊁落地性和操作性强等特点，创新地提出水电站智慧电厂建设的系统性规划方案，旨在以价值驱动㊁合理分类㊁全面覆盖并且突出亮点的方式呈现㊂该方案可作为单一水电站智慧建设的蓝图，也可作为流域水电站智慧建设的指南，具有很强的推广和应用价值，有利于人工智能和大数据技术在水电行业的落地，有利于水电企业的提质增效和企业核心竞争力的提高㊂ ㊀㊀ʌ关键词ɔ智慧电厂㊀智能发电㊀建设方案㊀体系架构㊀现代信息技术
㊀㊀中图分类号：ＴＶ７３６㊀㊀文献标识码：Ａ㊀㊀文章编号：２０９５－１８０９（２０２０）０６－０１３７－０５
㊀㊀以人工智能技术为代表的第四次工业革命正在构建一种叠加在土地㊁工业㊁服务之上的智能基础设
施，推动智能经济时代开启，变革宏观经济㊁中观产业㊁微观企业传统发展模式向 智能＋ 转型升级㊂国家出台一系列人工智能㊁智慧能源等相关产业政策，推动产业界㊁经济界㊁学术界㊁企业界协同发展，共同建设智能经济㊁智慧企业，而智慧电厂的出现符合时代发展的必然要求㊂
１㊀研究的必要性分析
㊀１ １㊀国家智慧战略
２０２０年２月，中央全国深化改革委员会第十二次会议指出，打造集约高效㊁经济适用㊁智能绿㊁安全可靠的现代基础设施体系㊂
２０２０年‘政府工作报告“提出加强新型基础设施建设，发展新一代信息网络，拓展５Ｇ应用，建设充电桩，推广新能源汽车，激发新消费需求，助力产业升级，加强新型城镇化建设㊂
㊀１ ２㊀传统水电衍生
传统水电站自动化系统虽然很好地满足了工作需要，但由于发展阶段和技术条件限制，各系统的建设和管理相对独立，标准差异性大，网厂协调能力差，系统间信息关联交互复杂，硬件设备重复较多，软件一致性低㊂这些给系统的深化应用和管理维护带来多重障碍，导致智能决策困难，效率低下㊂
要符合未来水电站发展的智慧管理需求，智能电站向 智慧电厂 方向全面发展将是一个必然的趋势㊂相对传统水电站来说，智慧电厂的转变不仅包括二次系统的数字化和计算机监控系统的升级，也涉及水电站各种机械㊁电气设备，以及各种新设备㊁新技术㊁新思路的应用，这必将成为下一阶段水电行业的主要研究和发展方向㊂
㊀１ ３㊀管控风险挑战
水电站工作条件艰苦，环境相对恶劣，高水平㊁高技能的专业人才和管理人才引进相对较难，对外学习和交流的机会相对较少㊁相对封闭，员工视野㊁眼光以及技能与大型水电站的工程管控㊁安全生产㊁经营发展的高标准要求很难完全匹配，导致企业安全生产㊁经营发展面临着很大的管控风险㊂
㊀１ ４㊀美好生活追求
水电行业由于其特殊性，电厂选址普遍处于大山深处，远离社会发展的城市主体，加之传统施工环境㊁电厂设备和管理模式等均需要耗费大
量的人㊁财㊁物来维持其正常的工作状态，迫使水电企业的大批员工必须长期坚守在远离家人和城市的工作现场，条件十分艰苦㊂但随着社会发展，员工个性化㊁多元化需求日益增多，对改善工作生活条件的期盼越来越高㊂同时从水电生产现场的安全管控角度来讲，库坝沿岸地质脆弱，重大高危边坡
遍布各个角落，传统公司的工作模式－现场工作㊁人工巡检㊁人工排查，对员工的安全生产因不可预见要素而难以有效控制，挑战着公司安全管控的 三零 红线㊂
水电站提出的智慧电厂建设，就是用物联网㊁大数据和人工智能等先进技术实现 人㊁机㊁物㊁环㊁管 的全面感知和全面物联，转变传统发展方式，激发企业内部潜在的创新创效活力，构筑柔性化㊁人性化和智能化的新型管理模式，将职工从艰苦㊁繁重和危险的作业环境中解放出来，提高工作效率和职工幸福指数㊂
２㊀智慧水电总体规划
㊀２ １㊀定义
未来水电站智慧电厂建设将是从水电生产运营管理实际需求出发，创新生产运营管理理念，充分借助移动互联㊁物联网㊁云计算㊁数字孪生㊁大数据㊁人工智能等现代前沿信息技术，运用项目全生命周期管理最新理论和技术，以厂网协调发展的 智能自主 电站运行模式为基础，实现电站安全可靠㊁经济高效㊁友好互动，确保电源侧㊁电网的智能协调㊂
㊀２ ２㊀目标
智慧水电规划方案的目标是在广泛采用物联网㊁云计算／平台㊁大数据／分析㊁移动㊁三维等现代数
字信息处理㊁建模和通信技术基础上，集成智能传感与执行㊁智能控制和管理决策等专业技术，融入先进的管理思想，实现信息采集数字化㊁信息传输网络化㊁数据分析软件化㊁决策系统科学化㊂本方案是基于以上目标编制的，旨在以价值驱动㊁合理分类㊁全面覆盖并且突出亮点的方式清晰描述水电站智慧电厂建设项目的功能需求，作为实施期主要的建设依据㊂
水电站智慧电厂方案根据项目实际情况编制，其方案不仅需要满足水电站的实际需求，而且也需要在追求先进性㊁创新性㊁可落地㊁实用性㊁体验感的同时具备很强的通用性和复制性，适合在水电行业内全面推广应用㊂
㊀２ ３㊀体系架构
２ ３ １㊀业务架构
针对后期某水电站运营期而言，其核心管理业务主要包括：运行管理㊁设备维护管理㊁设备检修管理㊁安全管理以及库坝管理㊂（１）运行管理
目前，该流域电站运行管理主要包括基础数据管理㊁运行日志管理㊁机组启停记录管理㊁定期工作管理㊁调度令管理㊁运行操作记录㊁运行分析管理㊁事故预想㊁操作票管理㊁运行工器具管理㊁接地线管理㊁钥匙管理㊁水工水调记录管理㊁运行业绩管理㊁实时数据管理等㊂
（２）维护管理
目前，该流域电站设备维护工作是通过开展基础管理㊁设备管理㊁技术管理㊁物资管理等工作，防止设备性能劣化，降低设备故障概率，使设备长期处于健康状态㊂其核心管理业务包括设备管理与技术监督管理㊂
（３）检修管理
一般情况下，发电企业都是按照政府规定的技术监督法规㊁制造厂提供的设计文件㊁同类型机组的检修经验以及设备状态评估结果等，合理安排设备检修㊂
（４）安全管理
目前，该流域电站安全生产管理主要结合安全生产责任制㊁安全生产工作规定㊁安全奖惩办法㊁安全生产隐患排查治理管理办法㊁安全生产风险分级管控管理办法规定等相关制度办法开展相应工作㊂
（５）库坝管理
目前，该流域电站库坝管理主要负责电站水库和大坝的安全监测㊁水工建筑物运行维护㊁环水保监测与环水保设施运行㊁大坝信息化管理和防洪度汛等方面工作以及边坡的监测与监控㊂２ ３ ２㊀应用架构
某水电站智慧电厂建设规划设计是组织（变革）㊁业务（智慧）㊁技术（赋能）的全面整体升级转型，引入 工业互联网＋ 设计思想，总体应用架构分为四层，通过深度应用物联网㊁ＢＩＭ技术㊁人工智能技术㊁增强现实技术㊁智能机器人技术等业务应用层和智能感知设备为业务前端提供智能服
务，其智慧电厂建设应用架构如图１所示
㊂
图１㊀某水电站智慧电厂建设应用架构
㊀㊀（１）感知层
感知层为平台提供信息采集功能并可时刻掌握电厂生产运营状态，利用宽频定位㊁摄像头㊁智能电子设备ＩＥＤ㊁各类机器人㊁ＡＲ眼镜等设备，辅以智能手持终端㊁电子表单㊁ＰＣ端人工录入功能，可自动获取运营管理的关键信息，有利于提高工作效率㊁减少人为干扰，为实现运维㊁检修㊁调度㊁安全管理数据信息的自动采集㊁实时共享㊁及时反馈提供技术支持㊂
（２）数据层
数据层是对感知层信息的集成，包含平台所需的基础空间地理㊁三维模型㊁实时数据㊁视频数据㊁业务流程等方面的数据信息㊂通过数据中心统一的空间对象编码和模型数据配置，实现对数据库结构的管理和开发，以避免不同来源㊁不同阶段㊁不同类型的信息出现冲突㊁孤立㊁无法关联等问题㊂同时，根据管理需要，可通过接口控制实现与上级公司已有业务系统的数据共享㊂
（３）业务应用层
业务层是根据功能要求来划分管理对象，以对运营阶段状态的全面感知㊁信息的即时传达为基础，以项目全生命周期为数据中心，借助物联网㊁大数据㊁人工智能㊁三维技术㊁图像识别㊁机器人等前沿
技术，实现对运营阶段运维㊁检修㊁调度㊁安全㊁经营各个环节的高效管控㊂
（４）综合展示层
综合展示层以三维可视化为载体，集成生产实时数据㊁视频数据㊁巡检数据㊁运行维护数据㊁检修管理数据，通过统计报表㊁ＫＰＩ指标㊁电厂全景驾驶舱㊁知识库㊁专家库㊁措施库，实现电站运营过程的信息关联分析与综合管理㊂
（５）决策层
决策层是利用多终端来创建沉浸式电站运营辅助管理和总体决策支持的虚拟现实环境，通过平台实现关键信息的快速获取，风险预警与决策管控，同时满足与上级公司实现信息链接与共享的需求㊂
３㊀智慧水电建设内容
智慧水电建设内容指面向智慧电厂落地实施的信息化㊁数字化㊁智能化具体建设专题，与之对应的分项设计方案可作为实施项目招投标的主要依据㊂该建设内容针对某水电厂，可适当增减内容推广应用于其他水电厂㊂㊀３ １㊀核心管控平台
智慧电厂 管控平台以电站全生命周期数据为基础，结合视频㊁音频等数据，以三维模型作载体㊁以Ｇ
ＩＳ为背景，集成并融合下述１０个业务系统的相关数据，对电站信息进行可视化综合展示和交互㊂同时，建立运行监盘㊁巡检㊁检修㊁调度㊁安全管理过程的知识库，对数据集成㊁挖掘㊁对比㊁分析㊁展示，最终实现智能自主㊁人机协同㊂
３ １ １㊀综合展示
对业务系统数据的提取㊁汇总㊁分析和展现，以运维㊁检修㊁调度㊁安全管理人员为主要应用体，从预警㊁决策分析的视角对业务数据进行整合和加工，通过建立信息展示模型，辅以三维㊁ＧＩＳ等技术，可以实现各种灵活的查询㊁ＫＰＩ展示㊁数据分类汇总，并能以多种形式来表现数据，如三维模型㊁柱状图㊁曲线图㊁报表形式㊁格式化文件等㊂
３ １ ２㊀风险预警
在各应用系统的建设过程中，根据各系统的业务管理侧重点，构建各自的风险预警体系，从繁杂的海量信息中，按照关注重点，把数据仓库㊁联机分析处理㊁数据挖掘㊁模型库㊁数据库㊁知识库整合起来，结合风险指标体系，依据预警模型，对风险指标进行综合评判，依据评判结果设置预警参数区间，并采取相应处理对策，以可视化的三维集成平台为各级管理人员提供风险实时预警㊁风险三维展示，利用ＡＰＰ移动应用技术，将风险预警推送至移动端，保证预警的及时性㊂
３ １ ３㊀辅助决策
通过信息集成，为各级管理人员进行信息提取，并通过三维空间表达，结合统计图表分析，便于管理人员高效决策㊂以三维可视化模型为基础展示运行㊁检修㊁调度㊁安全信息及其对比㊁趋势，为各类问题的决策提供高效沟通平台和全面的信息支撑，并根据风险预警情况，结合案例库㊁专家库㊁知识库，提出建议的解决方案㊂
３ １ ４㊀应急指挥
采用三维平台展示和管理安全信息，当出现生产事故㊁大坝事故等突发事件时，可通过系统迅速调用事件发生前后的资料及影像，提供应急指挥决策支持，并通过视频㊁语音通讯手段实现对现场的统一指挥和调度，将突发事件的危害降低到最小㊂
㊀３ ２㊀ＩＴ基础设施
遵从国家相关标准㊁行业标准要求，建设主要包括网络（含常规的全厂５Ｇ信息通讯网络与基于工业Ｗｉ－Ｆｉ技术的现场无线网络）㊁数据中心㊁信息安全三项内容㊂
３ ２ １㊀网络
网络建设目标为搭建生产区智慧生产设备之间以及与营地互联网的网络通讯平台㊂网络平台的建设分为两个层次：生产区互联和生产区与营地互联㊂建设生产区网络指的是搭建智慧生产项目所需的网络
系统，形成网络集成，即全厂一张网；生产现场与营地互联采用租用运营商专线的方式，接入营地内部网络，实现现场与营地的网络互联㊂
３ ２ ２㊀数据中心
数据中心的建设目标为以生产模型的空间对象统一编码㊁数据统一配置管理㊁数据库结构统一规划为原则，建立 智慧电厂 云数据中心，为各大业务系统提供统一的数据汇集区和数据获取区，其主要工作内容如下：
（１）数据管理
数据库软件的选择考虑各种类型数据管理的需要，分别选用成熟的关系型数据库和文档数据库软件㊂在统一的数据编码规则和数据标准前提下，各业务板块子系统模块可将数据统一纳入数据中心存储㊁读取，也可独立建设数据库，但应符合数据标准且与数据中心实时或定期进行数据交换㊂管控平台从数据中心直接获取数据进行可视化展示与信息价值挖掘，便于数据的整合利用与决策支撑㊂
（２）数据采集和数据输入
包括实时数据㊁结构化数据和非结构化数据㊂３ ２ ３㊀信息安全
信息安全的建设遵循国家安全相关标准和行业标准，建立健全信息安全防护体系，设置信息安全设备㊁网络安全设备㊂主要配置网络防火墙㊁入侵防御㊁外网准入及ＩＰ地址管理审计设备㊁上网行为管理㊁桌面安全管理等安全设备㊂
㊀３ ３㊀业务应用系统
以水电站运营阶段的智能发电以及运行㊁检修㊁调度㊁安全管理为核心，贯穿水电站全生命周期数据为基础，由４大类１０个业务系统组成，如图１的业务应用层所示㊂
（１）水电站设备综合在线监测系统
对工程已设计的在线监测系统进行补充㊁完善，全面详实㊁多维度地获取水电站主要机械和电气设备的状态及其监测数据，为应用大数据分析和人工智能技术进行智能辅助监盘㊁故障诊断及状态检修提供更多的数据源，从而确保系统稳定㊁核心设备运行安全以及日常设备检修和维护㊂（２）水电站关键螺栓智能监测预警系统
根据力学特性建立力学模型并选择合适的检查方法对疲劳寿命进行状态评估并提出提高刚度㊁强度和疲劳寿命的措施㊂
（３）水电站设备声学智能监测预警系统
利用自主声学设备可以实现２４ｈ不间断监测，弥补人工巡检时域不足㊂与此同时，自主声学监测利用机器学习方法和构建专家库，消除人工技能参差不齐带来的误判漏判，并且还可以利用
其趋势性变化规律预警预测设备故障，将隐患扼杀在萌芽状态㊂
（４）水电站高压电气设备异常温升智能监测预警系统
针对水电站设备结构特性㊁布置空间位置特点等要素，建立一套水电站高压电气设备异常温升智能监测与分析系统，实现在线式监测㊁诊断与预警，保证水电站设备安全稳定可靠运行㊂（５）水电站设备健康评价与分析的智能监盘系统
利用机组实时数据，通过建立模型将系统和设备实时状态综合成一个０ １００％评价值作为健康度指标，辅助运行监盘人员熟悉主要机电系统和设备的健康状态，同时利用人工智能算法，根据原有历史数据，对系统和设备进行预警㊂（６）水电站设备状态检修系统
利用视频㊁图像的非结构化数据㊁实时生产数据㊁进行大数据分析，同时利用业务逻辑㊁阈值设定㊁历史经验数据㊁案例库等专家知识库㊁结合系统和设备健康评价与分析系统，对设备故障进行分析预测，提出维护和优化策略㊂（７）多源融合的水电站自主机器人智能巡检系统
充分利用现有的自动化控制技术㊁通信技术㊁定位技术㊁传感器技术及大数据㊁物联网㊁移动互联网
技术，在不改变原有厂房设计和布置的基础上，利用广义机器人（轮式㊁轨道式㊁固定摄像头等）模拟人对身处环境的感官，感受水电站厂房环境的变化，通过构建的大数据模型算法，自动分析现场环境情况并得出结论，实现自动预警报警功能，人机和谐㊁人机互动㊂
（８）多维信息融合的人员作业行为智能管控系统
利用物联网㊁图像识别㊁电子围栏㊁移动应用等技术，辅以智能安全帽㊁智能安全带㊁智能安全梯㊁智能手环㊁智能工具柜㊁智能钥匙㊁门禁系统㊁五防系统等智能装备，建立就地操作㊁巡检㊁检修的作业行为安全受控，规范操作步骤，定位人员位置㊂同时与两票系统㊁视频系统㊁门禁系统实现多系统关联，实时监控环境㊁设备㊁人员行为，通过三维画面生成虚拟电子围栏，并进行语音㊁手环报警通知，为现场一线人员和其他人员提供安全保护㊂（９）水电站安全安防视频分析系统
通过充分利用现代信息网络技术㊁大数据技术㊁机器学习智能分析技术，复用工业电视系统和无人机及巡检机器人视频信息，实现智能化的视频实时分析能力，为电厂提供实时㊁动态的视频识别分析，帮助电厂及时有效指挥生产运行，防范生产事故，保障人身作业安全㊂
（１０）水电站大坝外观智能安全监测系统
对传统大坝安全监测进行补充㊂采用地表三维位移全自动高精度监测预警系统预警监测大坝外部水上
变形，采用水下智能化检测监测大坝外部水下部分变形相结合，同时采用微芯桩的 点 及ＩｎＳＡＲ的 面 的智能边坡变形监测系统，对远离大坝区域的边坡及地质灾害点进行完善补充监测㊂从而实现对大坝㊁库区的 空㊁天㊁地 三位一体以及 水上㊁水下 全覆盖大坝外部监测，同时实现基于ＰＬＣ技术测控装置的大坝内观自动化监测㊂
４㊀结论
本文提出的智慧电厂建设与实践，将有助于提升水电站生产经营水平，优化经济运行，完善管理体制，增强企业经营的感知㊁洞察㊁管控能力，实现风险识别自动化㊁决策管理智能化㊂智慧电厂规划原则采用由一般到具体㊁以需求为导向㊁从宏观到微观㊁逐步深入的总体思路㊂通过对某水电站智慧电厂的规划与设计，明确未来该水电站智慧电厂建设的内涵㊁框架和任务，在此基础上进行功能和应用架构设计，并定义该水电站未来电厂体系结构㊁组成要素和制定该水电站智慧电厂建设规划核心内容㊂本文提出的规划全面采用目前市场主流和成熟的技术，在保持先进性和创新性的同时，功能齐全，针对性与实用性兼顾，可用于指导该水电站后续智慧电厂建设，包括智能基础设施工程建设㊁核心智能应用实施，也可作为单一水电站智慧建设的蓝图和流域水电站智慧建设的指南，还可作为相关建设单位的参考，同时也是众多工程技术人员㊁高等职业院校学习交流的样版㊂规划具有很强的推广和应用价值，有利于人工智能和大数据技术在水电行业的落地，有利于水电企业的提质增效和企业核心竞争力的提高㊂
作者简介：
李艳君（１９８７－），女，黑龙江桦南人，助教，硕士研究生，主要研究电力系统自动化㊁水电站计算机监控；
史丽敏（１９７６－），女，陕西渭南人，讲师，硕士学位，主要研究电气工程方向㊂
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