智慧水电数字化服务平台建设和发展

陈国青，姜 巍

（1.广西广投桥巩能源发展有限公司，广西 来宾 546503；2.广西广投智能科技有限公司，广西 南宁 530200）

目前国内水力发电企业数字化发展相对国外有一定差距，大部分处在传统数字化阶段（传统现场总线技术路线），数据之间并未充分互联互通。只有核电是相对数字化程度较高的领域，数字化集成相对较高。水力发电企业数字化领域起步相对较晚，数字化程度并不高，并且数字化系统相对分散。总体来讲，传统水电在数字化建设领域均需要进一步提升，本文以广西红水河梯级电站的智慧水电数字化服务平台建设和发展为案例，介绍水电企业在数字化转型发展的成功经验，供同行参考。

1 平台建设背景

1.1 电站概况

桥巩水电站位于红水河下游广西壮族自治区来宾市迁江镇境内，为红水河十级梯级水电站中的第九级，是广西投资集团下属，由广西本土力量自主设计、建造和运营的水电站。电站安装了8 台单机容量为5.7 万kW 和1 台2.4 万kW 的灯泡贯流式发电机组，总装机容量为48 万kW，多年来平均发电量24 亿kW·h，是一座以发电为主，兼有航运、防洪、改善红水河流域水环境等综合利用效益的大（Ⅱ）型水电站，同时也是广投集团依托资源优势，调整产业结构，发展循环经济，推行“铝电结合”战略的重要支撑点。电站工程于2005 年3 月开工建设，2007年11 月实现大江截流；2008 年7 月第一台机组顺利并网发电；2009 年12 月实现8 台机组投产发电，创造了当时多项“世界一流”和“全国第一”；2020年6 月6 日右岸机组完成72 h 试运行工作后正式投运，标志全厂9 台机组全部成功投产发电，为国内以后更大型同类电站的建设积累了宝贵的经验。

1.2 平台建设的必要性和意义

随着电力行业的快速发展，电力企业尤其是机组设备繁多的水力发电企业对信息化建设提出了更高的要求，从当前水力发电企业运行实际情况来看，一方面传统的安全管理模式和信息化建设方案已经不能适应日益发展的智能化、智慧化发展趋势[1，2]；另一方面水力发电企业属于特殊的流程型制造业，生产工艺过程复杂，设备可靠性要求高，资产密集，属于比较专业的工业应用领域，在发展过程中，面临着发电机组安全管理任务重、人工成本较高等问题，如何利用智能优化技术实现机组的经济运行，实现高效节能是企业发展的首要目标[3，4]。

（1）数字化转型需求力度强。能源企业数字化转型已经被列入国家战略，在我国自2016 年2 月24 日，国家发改委、能源局、工信部印发《关于推进“互联网+”智慧能源发展的指导意见》以来，国家共发布超过900 项能源互联网相关政策法规[5]。所以在节能、降本、增效政策的要求和能源集团集约化、高效管理的需求驱动下，传统水电行业在面对产能过剩、新能源冲击压力下，数字化转型发展迫在眉睫，同时由于水电行业属于重资产型行业，自动化程度较高，与一般企业的运营水平差异较大，因此建立更快捷（信息能及时传递，得到更快响应）、更智能（降低对人工经验的要求，系统能否提供更多的支持等）、更领先（机组更灵活、性能更高等）的电厂是整个行业的迫切需求，智慧水电数字化服务平台建设项目应运而生。

（2）生产环境复杂，安全管理难度大。因生产环境复杂、大量外包项目和外包工的存在，带来的电厂安全管理难度大的问题。外委队伍检修作业通常涉及作业范围大、人员多、人员水平参差不齐，且大多安全意识薄弱，风险识别能力低[6]。事故往往因外委人员管理不到位引起，外来人员对厂区安全区域分布及设施不了解，存在误闯高风险作业区域的现象，导致人身伤亡事故的发生。电厂监控系统功能不够完善，视频监控和现场作业信息和人员信息很难联系起来，使得视频监控更多的用途作为录像备查，无法将现有的视频监控系统、门禁系统和设备资产管理系统中的设备信息、人员信息、工作票信息等进行有效集成[7]。

（3）设备繁多，人力巡视和监视成本高。机组设备繁多，传统人工巡视工作量大、成本高。另外设备数据信息庞大，一台机组需要运行人员巡视和监控的参数上万点，这些参数在异常工况下瞬息万变[8]。运行人员无法及时观察到它的变化以及这些变化反映出的机组存在的问题和潜在的故障等，单一参数的显示以及简单的报警已经不能满足要求。

（4）产生信息孤岛，无法互通联动。电厂目前已建成视频监控系统、生产管理系统、计算机监控系统各自独立，无法对系统采集到的数据进行充分的统筹、融合、联动，系统之间没有实现信息流的横向贯通与数据的纵向集成，各个系统之间都是信息孤岛，容易引起新数据断点造成的管理流程中断，无法实现多个系统之间互联，无法为各级管理人员提供应急管理平台与全面决策支持[9，10]。

（5）《两个细则》考核频繁，申诉免考困难大。面对越来越严格的辅助服务考核标准，如何在保证机组稳定性前提下，提高机组响应一次调频和AGC能力，成为电厂急需解决的问题。由于电厂属于灯泡贯流式机组，具有“水头低、过机流量大、机组容量小”等特点，使得其参与一次调频和AGC 的能力在“基因里”就比不上混流式等大容量水电机组，往往遭受电网考核较为严重，给电厂带来很大经济损失。而且以往都是电厂根据调度给予的“两个细则”月度和年度考核表对考核原因进行分析，表中的数据也仅仅只是考核结果，运行人员很难发现和找到被考核的原因，只能被动接受经济考核，缺乏有效的分析系统。

为了适应水力发电企业发展，提供科学管理决策，高度协调整合企业现有生产系统和设备，亟需搭建智能智慧水电数字化服务平台，满足现实生产需求。建成的智慧水电数字化服务平台系统也将以低成本，获得更高的生产、管理效率和更广的视野和空间，打通全厂数据通道，消除信息孤岛，管理数据资产，以可视化图表方式为管理者提供及时有效的高价值信息，实现辅助领导决策支持，成为支撑管控一体化战略的核心应用。

2 平台的建设与应用

2.1 整体框架

为了解决因生产环境复杂、大量外包项目和外包工的存在，带来的电厂安全管理难度大的问题，解决机组设备繁多，传统人工巡视工作量大、成本高难题以及电厂目前已建成视频监控系统、生产管理系统、计算机监控系统各自独立，无法对系统采集到的数据进行充分的统筹、融合、联动等问题。研究开发一套适应发电企业对安全管理工作的系统性、规范性和有效性及全面控制各类安全生产风险的智慧电厂智慧水电数字化服务平台。系统集成人员、视频、门禁车辆等多种与作业安全相关的信息，同时将各种信息交叉串联与人员定位和视频监控结合在一起，通过三维虚拟现实技术立体展现，能够清楚的看到人员等分布情况，任意位置在执行的工作人员、工作内容、是否存在安全风险，还可以随时调取监控查看工作进展。系统建成后重点解决生产作业现场存在的外委人员安全管控问题、视频监控全覆盖预警问题、全厂监控数据与预警信息集中展示等问题，研究成果可以为企业提升安全管控能力提供良好指导作用。

图1 总体架构图

图2 系统平台架构图

2.2 三维建模，安全管控

为了给后面机器人巡检、无人机巡视、人员精准定位、设定电子围栏等应用做好铺垫，必须先解决三维建模问题。三维建模包含全厂厂区外景建模以及定位区域内景建模。三维建模采用无人机倾斜摄影技术+3D 激光扫描技术获取现场实景的基础模型数据，其中外景建模通过无人机进行厂区外景航拍和鹰眼系统全景监控，通过3Dmax 建模软件生成尺寸精准的等比例三维模型；室内区域三维建模采用3D 激光扫描技术，生成与现场环境一致的点云位置信息，扫描精度偏差在±3～5 cm，确保三维建模位置、尺寸精准。基于电厂物理设备构建全厂的三维模型可以通过动画特效，以人员高精度定位设备为基础，对生产监控区域建立三维立体坐标系，通过对运行维护人员实时位置监视，辅助电厂的安全生产；通过对重点设备状态的智能感知，并将感知结果实时与人员定位安全管理系统交互，实现对现场危险源的及时识别，避免事故的发生。

2.3 人员定位，强化管理

图3 桥巩水电站实际外景图和三维建模外景图

为了提高人员定位的精准度，减少信息偏差，本模块采用基于UWB 超窄脉冲的无线定位技术，该脉冲电磁波是脉冲宽度纳米级的定位载波，无线功率密度较低，有利于电厂在“少人值守”情况下实现安全生产。该模块通过进入现场人员随身佩戴的定位标签，采用UWB 定位技术，实现人员实时定位。该模块能够从定位平台上进行身份识别，查看人员基础信息；通过将定位标签安装在安全帽内，系统后台实时解算人员位置并在三维地图上显示；当人员遇到突发情况时候，还可以通过长按定位标签上SOS 报警按钮，实现快速报警。

此外桥巩电厂通过本系统还可查询任意人员在任意时间内的历史轨迹，可用于事故分析、巡点检查、作业情况分析、人员行为分析等场景。历史轨迹由人员行走的路线轨迹和进出各区域及各建筑物的历史时间列表构成，可联动对应的历史时间段的视频监控一起播放，视频监控画面可按1、4、9、16 四种不同的宫格进行显示，全方位还原当时的真实情况。该技术特别适用于事故调查和原因分析。

2.4 智慧巡检，减少人力

由于电厂一般环境比较复杂，设备和仪表种类繁多，通过引入智能巡检机器人，对需要巡检范围内各类设备和仪表进行自动巡检，并判断报警，有效地替代人力，逐步实现发电站全天候、全方位、全自主智能巡检和监控。智慧巡检模块数据可以无缝接入智慧安全管控平台，另外该智能机器人具备自主行走及导航避障、AI 智能识别、实时视频传输及录像、红外测温和环境实时监控等功能。能够代替人工完成急、难、险、重和重复性的工作，主要用在电厂巡检、机房巡检等工作。

利用无人机，对大坝边坡以及库区开展定期巡检，采集边坡及库区的图像，并开展对比分析，发现滑坡体、非法作业等异常系统及时报警；或在大坝泄洪的时候，通过无人机监测泄洪区域，及时发现下游处于危险区的人员，通过无人机进行告警提示。

利用水下机器人，可以在不排水的条件下代替人工作业实现坝面/水下安全结构自主巡检，完成超高清图像等现场数据实时回传、图像监测、AI 数据深度分析、水电厂三维重建等功能，从而进一步提升水电厂安全巡检能力。例如，实现大坝水下部位的安全状况、闸门槽状态等的观察和检测，确保大坝及闸门操作的安全。

图5 无人机巡视开关站

2.5 电子围栏，安全防护

通过提前预设电子围栏及报警规则（非法闯入、靠近、超时报警），同时系统支持根据接入作业内容自动生成电子围栏，一旦有人违反规则立即报警通知现场作业人员及安全管理人员。管理人员可快速定位现场作业人员，调取报警前后3 min 的历史轨迹，查询报警详情。

2.6 门禁系统，两票互联

提供标准数据接口，将桥巩电厂现有的两票系统接入智慧水电数字化服务平台，实现两票分区域统计和查询。统计各区域两票数量，两票类型、两票风险等级，对于高风险作业重点提醒报警。除查看两票信息外，通过UWB 人员定位模块，可联动快速定位至工作人员位置，查看附近作业人员，同时联动视频监控查看现场实时情况。系统通过人员权限管理、开门授权等方式实现人脸识别打开本人权限范围内所有的门锁，且开锁人员、时间等信息可追溯。该系统权限包括用户管理、门禁信息录入、查询统计、开授权票、门禁管理、图形管理、客户端管理、厂站定义等。门禁系统同时也保存出入记录追忆数据，永久保存。可以与工作票、操作票、巡检任务关联，自动授权相关人员在作业时间打开相应门禁的权限，防止走错间隔和扩大工作范围。

图6 智慧两票与门禁互联

2.7 智能分析，辅助决策

该平台还依据新改造监控系统数据，安装一套一次调频和AGC 考核在线评价系统，能够解决当前评价系统存在的问题和不足。解决目前灯泡贯流式机组一次调频和AGC 常因计算不准确而被误考核的技术问题，同时也为分析被考核原因和申请“免考”提供有力数据支撑。主要创新思路在于：①提供了一种基于南网“两个细则”下电厂侧一次调频和AGC 考核在线评价系统，改变以往基于调度侧分析评价方式；②数据采样点分辨率更高，计算值更准确；③解决了因调度机构和电厂因为通信延时造成理论和实际积分电量计算不准确的问题；④采用厂站母线频率代替大范围内区域电网频率，减少理论积分电量计算的误差，体现不同电厂之间参与考核的公平和公正性；⑤引入机组导叶开度等模拟量，辅助分析一次调频和AGC 动作情况。该系统上线以后，可以很方便帮助运行人员分析“被考核”原因，找到强有力证据去申诉免考，挽回“两个细则”考核带来的经济损失。同时该分析系统也为优化AGC调节参数、提高机组负荷相应速度和调节精度等各项参数控制品质提供分析数据，为机组性能指标得到极大的提升、消除考核、提高奖励打下基础，从而实现机组经济效益与安全稳定性的有效提升。

3 应用效果

3.1 管理水平

通过智慧水电数字化服务平台，将电厂运行核心系统的各项关键数据进行可视化呈现，从而对包括应急指挥、生产管理、设备安全、环境保护、智慧决策等领域进行管理决策支持，帮助生产管理者及时了解电厂运行状况的优劣，并掌握影响经济性、安全性的各个因素及程度，实现对电厂生产成本和经营状况的科学分析与调优，管理水平得到极大提升。

3.2 生产效率

通过全息感知技术，降低人员投入成本。尤其是通过全息感知技术，现场作业人员的安全状况可以实时感知，智能两票可以根据作业范围许可相关门禁权限，防止走错间隔引发安全风险。作业违章可以实时提醒，安全管控效率提高50%，安全违章率降低80%，从而节省安全投入20%的成本。另外采用UWB 超宽带定位技术，及时准确地获取检修现场作业信息，方便工作调度和安排，提升工作效率。在危险区域设置电子提醒围栏，当人员进入一定范围内，系统平台进行报警，及时提醒，避免事故发生。

3.3 社会效益

（1）以大数据、云计算、人工智能、物联网等技术，构建桥巩电厂全息感知、一体化管控体系，实现电厂与集团数据的互联互通，电厂生产、管理、服务等各个环节的泛在互联；建立基于海量异构的数据汇聚、建模分析、经验知识、智能决策等一体化管控平台；建设满足能源工业需求的安全技术体系和管理体系，构建工业智能化发展的安全可信环境。

（2）该项目的建成填补了国内大型灯泡贯流式机组在数字化、智能化和信息化转型和发展的空白，极大的提高了水力发电企业的综合效益，为其他水力发电企业的信息化建设提供经验，也为实现“无人值班，少人值守”夯实基础。

（3）提升能源企业新技术应用发展。加快机器人、智能传感、5G、边缘计算等在工厂的应用，以机器换人、实现少人化作业。将企业体制创新、管理创新、技术创新相结合，构建生产、经营、管理、安全等业务流程信息化；优化设备、合同、原料等资源分配，提升资产、服务、物联、管控、劳动等效率，形成产供销一体的智慧能源协同体系。

4 结语

智慧水电数字化服务平台使得传统水电企业的经营管理模式完全发生改变，自动化设备、智能机器人的广泛运用，将最终使电厂成为模块化、单元化的管理形态，长期驻扎现场的人员逐步减少，远程监控、远程协调、后方处理的作业模式将成为常态，企业基层员工的劳动积极性和创造力得到充分释放，大量易导致生产事故发生的危险因素和触发条件在管控平台的协助下得到避免和解决，极大提高管理水平。智慧水电数字化服务平台作为智能电厂核心平台，聚焦于智能发电安全管理，工作效率提升，对整个智能电厂的建设起到了支撑作用，终极目标就是在极少人干预的情况下，让系统实现精确感知、精准控制和精明决策，达成更加经济、高效、清洁、灵活的发电生产目标。