韓茜丹，張仁貢，黃林根

（1.浙江珊溪經(jīng)濟發(fā)展有限責任公司，浙江 溫州 325300；2.浙江禹貢信息科技有限公司，浙江 杭州 310009）

基于安全生產(chǎn)標準化的智慧水電系列核心技術(shù)的研究與應(yīng)用

韓茜丹1，張仁貢2，黃林根2

（1.浙江珊溪經(jīng)濟發(fā)展有限責任公司，浙江 溫州 325300；2.浙江禹貢信息科技有限公司，浙江 杭州 310009）

針對農(nóng)村水電站的生產(chǎn)設(shè)備老化、專業(yè)人員缺乏、安全生產(chǎn)管理不標準、發(fā)電效率低下等問題，結(jié)合全國開展的農(nóng)村水電站安全生產(chǎn)標準化管理，對基于安全生產(chǎn)標準化的智慧水電系列核心技術(shù)進行研究，開發(fā)一款針對農(nóng)村水電站的智慧水電安全監(jiān)管云平臺，該平臺的應(yīng)用實踐證明，能夠提高水電站的安全監(jiān)管水平、減少管理人員的工作負擔、增加了農(nóng)村水電站的管理和發(fā)電效益，具有很好的借鑒意義。

安全生產(chǎn)；標準化管理；智慧水電；農(nóng)村水電站；云平臺

1 引言

現(xiàn)階段我國農(nóng)村水電站在技術(shù)和管理上存在一些不足：①水輪發(fā)電機組及配變電設(shè)備陳舊，以致于安全運行故障或事故時有發(fā)生；②專業(yè)管理和技術(shù)人員不足。農(nóng)村水電的運行管理隊伍普遍薄弱，專業(yè)基礎(chǔ)差，甚至很多電站雇傭農(nóng)村農(nóng)民充當運行管理人員；③安全生產(chǎn)意識薄弱。水電站的業(yè)主安全意識薄弱，同時也對運行管理和技術(shù)人員缺乏安全生產(chǎn)教育，粗心大意。④發(fā)電效率不高。尤其是徑流式電站未根據(jù)上游水位或前池水位自動控制和調(diào)節(jié)功率，發(fā)電效率低。

李克強總理于2015年在政府工作報告中提出了“互聯(lián)網(wǎng)+”行動計劃，“推動移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等新一代技術(shù)與各行各業(yè)相結(jié)合”，這為農(nóng)村水電行業(yè)解決上述問題提供了很好的思路。

本論文從智慧水電站的角度，論述如何采用移動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代技術(shù)構(gòu)建現(xiàn)代化的水電站。

2 農(nóng)村水電站自動化歷程

農(nóng)村水電站（即總裝機容量小于5萬kW）的自動化技術(shù)演變大致分為以下3個階段：

第1階段為20世紀70年代之前，機電電磁技術(shù)為主。

第2階段為70～90年代，沿襲了大中型水電站的計算機監(jiān)控技術(shù)模式，將該模式略加修改，應(yīng)用到農(nóng)村水電站。

第3階段為2001年以來，少數(shù)生產(chǎn)廠家結(jié)合了農(nóng)村水電站的特點，研制開發(fā)出了適合農(nóng)村水電站的計算機監(jiān)控模式。但是，總的來說，農(nóng)村水電站的計算機監(jiān)控系統(tǒng)造價依然很高！

在歷史上農(nóng)村水電建設(shè)是重建輕管的，技術(shù)力量缺乏，投入資金不多。因此迫切需要即簡單實用又經(jīng)濟可靠的計算機監(jiān)控系統(tǒng)。移動化互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的應(yīng)用，為農(nóng)村水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的升級帶來了契機。

3 總體構(gòu)架

不妨將運用了移動化互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)為基礎(chǔ)的計算機監(jiān)控系統(tǒng)稱之為“智慧水電”，它將農(nóng)村水電站的計算機監(jiān)控水平提升到了第4階段，既簡單實用又經(jīng)濟可靠的，投資低，冗余功能少的，且融合了安全生產(chǎn)標準化管理的內(nèi)涵。

總體構(gòu)架如圖1。從圖1可知，智慧水電站綜合運用了移動化互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，采用標準化的解決方案，軟件運行為Saas構(gòu)架，具有很高的可拓性，設(shè)有感知層、互聯(lián)層、智能層、應(yīng)用層等4個層次。

圖1 智慧農(nóng)村水電站總體構(gòu)架圖

4 核心技術(shù)

智慧水電站系統(tǒng)所用的研發(fā)核心技術(shù)諸多，如現(xiàn)場總線技術(shù)、PLC技術(shù)、TCP/IP技術(shù)等，由于篇幅有限而不再累述，本文重點論述一些國際最先進技術(shù)，如移動互聯(lián)網(wǎng)（＋）、云技術(shù)、大數(shù)據(jù)服務(wù)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云視頻監(jiān)控等技術(shù)。

4.1 基于大數(shù)據(jù)庫開發(fā)的云技術(shù)

基于ISO/OSI互聯(lián)標準B/S構(gòu)架模式、云技術(shù)架構(gòu)模式、access control（A/C）模式的研究，將采用大數(shù)據(jù)技術(shù)把狀態(tài)監(jiān)控數(shù)據(jù)和視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)存儲到歷史數(shù)據(jù)庫中，便于查詢、統(tǒng)計和打印。同時將數(shù)據(jù)通過云技術(shù)進行存儲和備份，海量的視頻數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)很難采用本地的服務(wù)器進行長期的存儲，通過云技術(shù)進行存儲是非常必要。該技術(shù)結(jié)合大數(shù)據(jù)開發(fā)技術(shù)，采用MYBASE開發(fā)云數(shù)據(jù)庫，部署云數(shù)據(jù)引擎，存儲狀態(tài)和視頻數(shù)據(jù)，向執(zhí)行器傳送狀態(tài)數(shù)據(jù)信號；云服務(wù)具有安全性高、容災(zāi)能力強、可拓展性強、與移動終端聯(lián)接緊密等特點。

基于云技術(shù)的大數(shù)據(jù)庫，具有節(jié)約服務(wù)器空間和網(wǎng)絡(luò)投資成本低等優(yōu)點，在提高系統(tǒng)可靠性、可拓性、安全性等方面，更加符合實際需求，系統(tǒng)框架如圖2。

由圖2可知，視頻遠程監(jiān)控系統(tǒng)和移動互聯(lián)控制智能系統(tǒng)等，將狀態(tài)數(shù)據(jù)和視頻數(shù)據(jù)傳送入到云數(shù)據(jù)庫中，通過云鏈路和云令牌將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆乒ぷ髡?，實現(xiàn)狀態(tài)和視頻的統(tǒng)一監(jiān)管，同時云數(shù)據(jù)能夠為移動互聯(lián)終端提供數(shù)據(jù)服務(wù)。

圖2 基于云技術(shù)的大數(shù)據(jù)庫平臺框架圖

4.2 基于物聯(lián)網(wǎng)的節(jié)點裝置開發(fā)

目前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能交通、智能家居、智能環(huán)保等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，本文在農(nóng)村水電站計算機監(jiān)控中引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，開發(fā)了具有國家專利的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點裝置，該裝置將視頻監(jiān)控和狀態(tài)監(jiān)控數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一接口，結(jié)合移動互聯(lián)網(wǎng)（＋）技術(shù)，將狀態(tài)和視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆茢?shù)據(jù)庫中，其結(jié)構(gòu)如圖3。

從圖3可知，通過視頻輸入模塊、以太網(wǎng)傳輸模塊、無線信號接收模塊，分別將視頻、狀態(tài)、模擬等數(shù)據(jù)接入到節(jié)點裝置中，通過中央處理器的處理，將視頻、狀態(tài)等信號傳輸?shù)娇刂坪惋@示裝置。

圖3 物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點裝置構(gòu)架圖

4.3 移動互聯(lián)（＋）技術(shù)

基于移動互聯(lián)（＋）技術(shù)的基礎(chǔ)層、云層服務(wù)和客戶層的開發(fā)?？蛻魧影ㄆ桨咫娔X、智能手機、MID、電子書、數(shù)據(jù)庫管理員、用戶等；云層服務(wù)包括觸發(fā)器、云數(shù)據(jù)庫、引擎、應(yīng)用層、進程、通信接口、組件界面等，如圖4所示。

由圖4可知，應(yīng)用層包括多節(jié)點協(xié)調(diào)模塊、視頻流模塊、報警閾值模塊、狀態(tài)管理模塊、算法集成模塊等。該層是核心層，它提供狀態(tài)監(jiān)控、視頻監(jiān)控、巡檢、報警、設(shè)備管理等?；A(chǔ)層包括物聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點、PLC、服務(wù)器、工作站、視頻處理模塊、智能采集模塊等，同時這些模塊與智能傳感設(shè)備聯(lián)接，包括水電站的各種智能電量設(shè)備（電流、電壓、功率）、非智能電量監(jiān)測設(shè)備（水位、溫度、壓力等）、采集脈沖參數(shù)傳感器、攝像前端系統(tǒng)等。視頻處理器、PLC、服務(wù)器、工作站、智能采集設(shè)備等之間通過各種所需要的協(xié)議相互鏈接。物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點將信號通過4G網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)傳輸至云端服務(wù)器，為各種應(yīng)用提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。攝像裝置、各種智能保護裝置、智能傳感器、智能檢測裝置、專家?guī)煜到y(tǒng)、服務(wù)器等不一定全部具備，但其數(shù)據(jù)接口可以通過物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點或物聯(lián)網(wǎng)接口，將信號傳輸?shù)皆品?wù)器。

云服務(wù)層包含云數(shù)據(jù)庫、云數(shù)據(jù)引擎、觸發(fā)器、云數(shù)據(jù)庫管理模塊、云狀態(tài)監(jiān)管模塊、云視頻流層、云監(jiān)管層、云專家?guī)?、云?jīng)驗層、云接口、組件界面（包括APP、微信）等。

客戶層包括云數(shù)據(jù)庫設(shè)計人員、工程師、云數(shù)據(jù)庫管理員、云層管理員、專家、移動終端等。

圖4 移動互聯(lián)技術(shù)構(gòu)架圖

4.4 云視頻監(jiān)控技術(shù)

視頻遠程監(jiān)管系統(tǒng)采用了基于云技術(shù)的構(gòu)架，在平臺上集成了視頻監(jiān)控，通過智能遠程控制系統(tǒng)實現(xiàn)了控制的移動互聯(lián)功能，同時移動終端遠程啟動報警裝置，防止人及動物進入水電安全監(jiān)管的區(qū)域，保障了水電站安全運行。

無線視頻通訊H.264視頻編解碼壓縮技術(shù)與無線通訊技術(shù)相互結(jié)合，數(shù)據(jù)利用窄帶3G通道傳輸視頻編碼后，傳輸?shù)揭苿咏K端，使監(jiān)管人員隨時隨地監(jiān)管到水電站的安全生產(chǎn)情況。

對于偏遠的農(nóng)村水電站電信網(wǎng)絡(luò)不通的情況，可采用5.8G視頻無線監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有通信頻率高、傳播距離極長、網(wǎng)橋結(jié)構(gòu)，區(qū)域輻射范圍大等特點，如圖5所示。

圖5 5.8G網(wǎng)橋視頻監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

5 智慧平臺組建技術(shù)

通過以上技術(shù)的研究與突破，成功開發(fā)了國家專利產(chǎn)品智慧水電站云監(jiān)控平臺V4.0。該平臺主要有智慧水電運行監(jiān)控平臺和智慧水電安全管理平臺兩大部分組成，如圖6所以。

圖6 智慧農(nóng)村水電站云監(jiān)控平臺V4.0結(jié)構(gòu)圖

智慧水電運行監(jiān)控云平臺主要包括視頻監(jiān)控、雷達水位測報、自動發(fā)電控制、事故故障報警、機組狀態(tài)監(jiān)測、升壓站監(jiān)控、公用設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控、微機保護等10多個云系統(tǒng)。實現(xiàn)了隨時隨地遠程監(jiān)控水電站的狀態(tài)和視頻。若水電集團公司管理多水電站群，可將中控室設(shè)在城市里，配合遠程無線大屏切換系統(tǒng)，可同時監(jiān)控N個水電站，減少了運行維護的成本。

智慧水電云平臺是結(jié)合農(nóng)村水電安全生產(chǎn)標準化管理而定制的互聯(lián)網(wǎng)（＋）平臺，主要包括安全巡檢、設(shè)備管理及評級、安全工器具管理、備品備件管理、兩票管理、五防、運行臺帳管理、維護檢修臺帳管理、檢修工具及物資管理等10多個云系統(tǒng)，這些系統(tǒng)采用移動終端，很方便錄入和管理，與農(nóng)村水電站安全生產(chǎn)標準化管理相配套，即可自動形成記錄和臺帳，采用規(guī)定的表格形式報表和打印。

6 案例分析

目前，智慧農(nóng)村水電站云監(jiān)控平臺V4.0已經(jīng)推廣應(yīng)用到浙江、四川、湖南、安徽、河南、廣州等較發(fā)達省份的40多個示范水電站。現(xiàn)以某水電站為例。

該電站位于浙江省的一個偏遠山區(qū)，離縣城有25 km，2014年創(chuàng)建水利部一級安全生產(chǎn)標準化管理，2015年3月實施安裝智慧云監(jiān)控平臺V4.0，實現(xiàn)了在縣城的無線視頻、雷達水位測報、事故故障報警、安全管理等。可在手機端隨時隨地進行監(jiān)控（圖7）。

該系統(tǒng)應(yīng)用后，得到水電站的很高評價，附近幾家水電站經(jīng)過參觀學(xué)習后，也紛紛安裝了該平臺。

7 結(jié)束語

圖7 智慧水電云監(jiān)控平臺V4.0移動端主界面

對基于安全生產(chǎn)標準化的智慧水電系列核心技術(shù)進行研究，將其研究成果集成到農(nóng)村水電站的智慧水電安全監(jiān)管云平臺，該平臺的應(yīng)用實踐證明，能夠提高水電站的安全監(jiān)管水平、減少管理人員的工作負擔、增加了農(nóng)村水電站的管理和發(fā)電效益，具有很好的推廣及借鑒意義。

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TV736

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1672-5387（2017）06-0065-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.06.023

2016-11-26

韓茜丹（1982－），女，助理工程師，研究方向：水電站運行管理。