陳國青，姜 巍

（1.廣西廣投橋鞏能源發(fā)展有限公司，廣西 來賓 546503；2.廣西廣投智能科技有限公司，廣西 南寧 530200）

目前國內(nèi)水力發(fā)電企業(yè)數(shù)字化發(fā)展相對國外有一定差距，大部分處在傳統(tǒng)數(shù)字化階段（傳統(tǒng)現(xiàn)場總線技術(shù)路線），數(shù)據(jù)之間并未充分互聯(lián)互通。只有核電是相對數(shù)字化程度較高的領(lǐng)域，數(shù)字化集成相對較高。水力發(fā)電企業(yè)數(shù)字化領(lǐng)域起步相對較晚，數(shù)字化程度并不高，并且數(shù)字化系統(tǒng)相對分散。總體來講，傳統(tǒng)水電在數(shù)字化建設(shè)領(lǐng)域均需要進一步提升，本文以廣西紅水河梯級電站的智慧水電數(shù)字化服務(wù)平臺建設(shè)和發(fā)展為案例，介紹水電企業(yè)在數(shù)字化轉(zhuǎn)型發(fā)展的成功經(jīng)驗，供同行參考。

1 平臺建設(shè)背景

1.1 電站概況

橋鞏水電站位于紅水河下游廣西壯族自治區(qū)來賓市遷江鎮(zhèn)境內(nèi)，為紅水河十級梯級水電站中的第九級，是廣西投資集團下屬，由廣西本土力量自主設(shè)計、建造和運營的水電站。電站安裝了8 臺單機容量為5.7 萬kW 和1 臺2.4 萬kW 的燈泡貫流式發(fā)電機組，總裝機容量為48 萬kW，多年來平均發(fā)電量24 億kW·h，是一座以發(fā)電為主，兼有航運、防洪、改善紅水河流域水環(huán)境等綜合利用效益的大（Ⅱ）型水電站，同時也是廣投集團依托資源優(yōu)勢，調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟，推行“鋁電結(jié)合”戰(zhàn)略的重要支撐點。電站工程于2005 年3 月開工建設(shè)，2007年11 月實現(xiàn)大江截流；2008 年7 月第一臺機組順利并網(wǎng)發(fā)電；2009 年12 月實現(xiàn)8 臺機組投產(chǎn)發(fā)電，創(chuàng)造了當(dāng)時多項“世界一流”和“全國第一”；2020年6 月6 日右岸機組完成72 h 試運行工作后正式投運，標志全廠9 臺機組全部成功投產(chǎn)發(fā)電，為國內(nèi)以后更大型同類電站的建設(shè)積累了寶貴的經(jīng)驗。

1.2 平臺建設(shè)的必要性和意義

隨著電力行業(yè)的快速發(fā)展，電力企業(yè)尤其是機組設(shè)備繁多的水力發(fā)電企業(yè)對信息化建設(shè)提出了更高的要求，從當(dāng)前水力發(fā)電企業(yè)運行實際情況來看，一方面?zhèn)鹘y(tǒng)的安全管理模式和信息化建設(shè)方案已經(jīng)不能適應(yīng)日益發(fā)展的智能化、智慧化發(fā)展趨勢[1，2]；另一方面水力發(fā)電企業(yè)屬于特殊的流程型制造業(yè)，生產(chǎn)工藝過程復(fù)雜，設(shè)備可靠性要求高，資產(chǎn)密集，屬于比較專業(yè)的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，在發(fā)展過程中，面臨著發(fā)電機組安全管理任務(wù)重、人工成本較高等問題，如何利用智能優(yōu)化技術(shù)實現(xiàn)機組的經(jīng)濟運行，實現(xiàn)高效節(jié)能是企業(yè)發(fā)展的首要目標[3，4]。

（1）數(shù)字化轉(zhuǎn)型需求力度強。能源企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型已經(jīng)被列入國家戰(zhàn)略，在我國自2016 年2 月24 日，國家發(fā)改委、能源局、工信部印發(fā)《關(guān)于推進“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源發(fā)展的指導(dǎo)意見》以來，國家共發(fā)布超過900 項能源互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)政策法規(guī)[5]。所以在節(jié)能、降本、增效政策的要求和能源集團集約化、高效管理的需求驅(qū)動下，傳統(tǒng)水電行業(yè)在面對產(chǎn)能過剩、新能源沖擊壓力下，數(shù)字化轉(zhuǎn)型發(fā)展迫在眉睫，同時由于水電行業(yè)屬于重資產(chǎn)型行業(yè)，自動化程度較高，與一般企業(yè)的運營水平差異較大，因此建立更快捷（信息能及時傳遞，得到更快響應(yīng)）、更智能（降低對人工經(jīng)驗的要求，系統(tǒng)能否提供更多的支持等）、更領(lǐng)先（機組更靈活、性能更高等）的電廠是整個行業(yè)的迫切需求，智慧水電數(shù)字化服務(wù)平臺建設(shè)項目應(yīng)運而生。

（2）生產(chǎn)環(huán)境復(fù)雜，安全管理難度大。因生產(chǎn)環(huán)境復(fù)雜、大量外包項目和外包工的存在，帶來的電廠安全管理難度大的問題。外委隊伍檢修作業(yè)通常涉及作業(yè)范圍大、人員多、人員水平參差不齊，且大多安全意識薄弱，風(fēng)險識別能力低[6]。事故往往因外委人員管理不到位引起，外來人員對廠區(qū)安全區(qū)域分布及設(shè)施不了解，存在誤闖高風(fēng)險作業(yè)區(qū)域的現(xiàn)象，導(dǎo)致人身傷亡事故的發(fā)生。電廠監(jiān)控系統(tǒng)功能不夠完善，視頻監(jiān)控和現(xiàn)場作業(yè)信息和人員信息很難聯(lián)系起來，使得視頻監(jiān)控更多的用途作為錄像備查，無法將現(xiàn)有的視頻監(jiān)控系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)和設(shè)備資產(chǎn)管理系統(tǒng)中的設(shè)備信息、人員信息、工作票信息等進行有效集成[7]。

（3）設(shè)備繁多，人力巡視和監(jiān)視成本高。機組設(shè)備繁多，傳統(tǒng)人工巡視工作量大、成本高。另外設(shè)備數(shù)據(jù)信息龐大，一臺機組需要運行人員巡視和監(jiān)控的參數(shù)上萬點，這些參數(shù)在異常工況下瞬息萬變[8]。運行人員無法及時觀察到它的變化以及這些變化反映出的機組存在的問題和潛在的故障等，單一參數(shù)的顯示以及簡單的報警已經(jīng)不能滿足要求。

（4）產(chǎn)生信息孤島，無法互通聯(lián)動。電廠目前已建成視頻監(jiān)控系統(tǒng)、生產(chǎn)管理系統(tǒng)、計算機監(jiān)控系統(tǒng)各自獨立，無法對系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)進行充分的統(tǒng)籌、融合、聯(lián)動，系統(tǒng)之間沒有實現(xiàn)信息流的橫向貫通與數(shù)據(jù)的縱向集成，各個系統(tǒng)之間都是信息孤島，容易引起新數(shù)據(jù)斷點造成的管理流程中斷，無法實現(xiàn)多個系統(tǒng)之間互聯(lián)，無法為各級管理人員提供應(yīng)急管理平臺與全面決策支持[9，10]。

（5）《兩個細則》考核頻繁，申訴免考困難大。面對越來越嚴格的輔助服務(wù)考核標準，如何在保證機組穩(wěn)定性前提下，提高機組響應(yīng)一次調(diào)頻和AGC能力，成為電廠急需解決的問題。由于電廠屬于燈泡貫流式機組，具有“水頭低、過機流量大、機組容量小”等特點，使得其參與一次調(diào)頻和AGC 的能力在“基因里”就比不上混流式等大容量水電機組，往往遭受電網(wǎng)考核較為嚴重，給電廠帶來很大經(jīng)濟損失。而且以往都是電廠根據(jù)調(diào)度給予的“兩個細則”月度和年度考核表對考核原因進行分析，表中的數(shù)據(jù)也僅僅只是考核結(jié)果，運行人員很難發(fā)現(xiàn)和找到被考核的原因，只能被動接受經(jīng)濟考核，缺乏有效的分析系統(tǒng)。

為了適應(yīng)水力發(fā)電企業(yè)發(fā)展，提供科學(xué)管理決策，高度協(xié)調(diào)整合企業(yè)現(xiàn)有生產(chǎn)系統(tǒng)和設(shè)備，亟需搭建智能智慧水電數(shù)字化服務(wù)平臺，滿足現(xiàn)實生產(chǎn)需求。建成的智慧水電數(shù)字化服務(wù)平臺系統(tǒng)也將以低成本，獲得更高的生產(chǎn)、管理效率和更廣的視野和空間，打通全廠數(shù)據(jù)通道，消除信息孤島，管理數(shù)據(jù)資產(chǎn)，以可視化圖表方式為管理者提供及時有效的高價值信息，實現(xiàn)輔助領(lǐng)導(dǎo)決策支持，成為支撐管控一體化戰(zhàn)略的核心應(yīng)用。

2 平臺的建設(shè)與應(yīng)用

2.1 整體框架

為了解決因生產(chǎn)環(huán)境復(fù)雜、大量外包項目和外包工的存在，帶來的電廠安全管理難度大的問題，解決機組設(shè)備繁多，傳統(tǒng)人工巡視工作量大、成本高難題以及電廠目前已建成視頻監(jiān)控系統(tǒng)、生產(chǎn)管理系統(tǒng)、計算機監(jiān)控系統(tǒng)各自獨立，無法對系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)進行充分的統(tǒng)籌、融合、聯(lián)動等問題。研究開發(fā)一套適應(yīng)發(fā)電企業(yè)對安全管理工作的系統(tǒng)性、規(guī)范性和有效性及全面控制各類安全生產(chǎn)風(fēng)險的智慧電廠智慧水電數(shù)字化服務(wù)平臺。系統(tǒng)集成人員、視頻、門禁車輛等多種與作業(yè)安全相關(guān)的信息，同時將各種信息交叉串聯(lián)與人員定位和視頻監(jiān)控結(jié)合在一起，通過三維虛擬現(xiàn)實技術(shù)立體展現(xiàn)，能夠清楚的看到人員等分布情況，任意位置在執(zhí)行的工作人員、工作內(nèi)容、是否存在安全風(fēng)險，還可以隨時調(diào)取監(jiān)控查看工作進展。系統(tǒng)建成后重點解決生產(chǎn)作業(yè)現(xiàn)場存在的外委人員安全管控問題、視頻監(jiān)控全覆蓋預(yù)警問題、全廠監(jiān)控數(shù)據(jù)與預(yù)警信息集中展示等問題，研究成果可以為企業(yè)提升安全管控能力提供良好指導(dǎo)作用。

圖1 總體架構(gòu)圖

圖2 系統(tǒng)平臺架構(gòu)圖

2.2 三維建模，安全管控

為了給后面機器人巡檢、無人機巡視、人員精準定位、設(shè)定電子圍欄等應(yīng)用做好鋪墊，必須先解決三維建模問題。三維建模包含全廠廠區(qū)外景建模以及定位區(qū)域內(nèi)景建模。三維建模采用無人機傾斜攝影技術(shù)+3D 激光掃描技術(shù)獲取現(xiàn)場實景的基礎(chǔ)模型數(shù)據(jù)，其中外景建模通過無人機進行廠區(qū)外景航拍和鷹眼系統(tǒng)全景監(jiān)控，通過3Dmax 建模軟件生成尺寸精準的等比例三維模型；室內(nèi)區(qū)域三維建模采用3D 激光掃描技術(shù)，生成與現(xiàn)場環(huán)境一致的點云位置信息，掃描精度偏差在±3～5 cm，確保三維建模位置、尺寸精準?；陔姀S物理設(shè)備構(gòu)建全廠的三維模型可以通過動畫特效，以人員高精度定位設(shè)備為基礎(chǔ)，對生產(chǎn)監(jiān)控區(qū)域建立三維立體坐標系，通過對運行維護人員實時位置監(jiān)視，輔助電廠的安全生產(chǎn)；通過對重點設(shè)備狀態(tài)的智能感知，并將感知結(jié)果實時與人員定位安全管理系統(tǒng)交互，實現(xiàn)對現(xiàn)場危險源的及時識別，避免事故的發(fā)生。

2.3 人員定位，強化管理

圖3 橋鞏水電站實際外景圖和三維建模外景圖

為了提高人員定位的精準度，減少信息偏差，本模塊采用基于UWB 超窄脈沖的無線定位技術(shù)，該脈沖電磁波是脈沖寬度納米級的定位載波，無線功率密度較低，有利于電廠在“少人值守”情況下實現(xiàn)安全生產(chǎn)。該模塊通過進入現(xiàn)場人員隨身佩戴的定位標簽，采用UWB 定位技術(shù)，實現(xiàn)人員實時定位。該模塊能夠從定位平臺上進行身份識別，查看人員基礎(chǔ)信息；通過將定位標簽安裝在安全帽內(nèi)，系統(tǒng)后臺實時解算人員位置并在三維地圖上顯示；當(dāng)人員遇到突發(fā)情況時候，還可以通過長按定位標簽上SOS 報警按鈕，實現(xiàn)快速報警。

此外橋鞏電廠通過本系統(tǒng)還可查詢?nèi)我馊藛T在任意時間內(nèi)的歷史軌跡，可用于事故分析、巡點檢查、作業(yè)情況分析、人員行為分析等場景。歷史軌跡由人員行走的路線軌跡和進出各區(qū)域及各建筑物的歷史時間列表構(gòu)成，可聯(lián)動對應(yīng)的歷史時間段的視頻監(jiān)控一起播放，視頻監(jiān)控畫面可按1、4、9、16 四種不同的宮格進行顯示，全方位還原當(dāng)時的真實情況。該技術(shù)特別適用于事故調(diào)查和原因分析。

2.4 智慧巡檢，減少人力

由于電廠一般環(huán)境比較復(fù)雜，設(shè)備和儀表種類繁多，通過引入智能巡檢機器人，對需要巡檢范圍內(nèi)各類設(shè)備和儀表進行自動巡檢，并判斷報警，有效地替代人力，逐步實現(xiàn)發(fā)電站全天候、全方位、全自主智能巡檢和監(jiān)控。智慧巡檢模塊數(shù)據(jù)可以無縫接入智慧安全管控平臺，另外該智能機器人具備自主行走及導(dǎo)航避障、AI 智能識別、實時視頻傳輸及錄像、紅外測溫和環(huán)境實時監(jiān)控等功能。能夠代替人工完成急、難、險、重和重復(fù)性的工作，主要用在電廠巡檢、機房巡檢等工作。

利用無人機，對大壩邊坡以及庫區(qū)開展定期巡檢，采集邊坡及庫區(qū)的圖像，并開展對比分析，發(fā)現(xiàn)滑坡體、非法作業(yè)等異常系統(tǒng)及時報警；或在大壩泄洪的時候，通過無人機監(jiān)測泄洪區(qū)域，及時發(fā)現(xiàn)下游處于危險區(qū)的人員，通過無人機進行告警提示。

利用水下機器人，可以在不排水的條件下代替人工作業(yè)實現(xiàn)壩面/水下安全結(jié)構(gòu)自主巡檢，完成超高清圖像等現(xiàn)場數(shù)據(jù)實時回傳、圖像監(jiān)測、AI 數(shù)據(jù)深度分析、水電廠三維重建等功能，從而進一步提升水電廠安全巡檢能力。例如，實現(xiàn)大壩水下部位的安全狀況、閘門槽狀態(tài)等的觀察和檢測，確保大壩及閘門操作的安全。

圖5 無人機巡視開關(guān)站

2.5 電子圍欄，安全防護

通過提前預(yù)設(shè)電子圍欄及報警規(guī)則（非法闖入、靠近、超時報警），同時系統(tǒng)支持根據(jù)接入作業(yè)內(nèi)容自動生成電子圍欄，一旦有人違反規(guī)則立即報警通知現(xiàn)場作業(yè)人員及安全管理人員。管理人員可快速定位現(xiàn)場作業(yè)人員，調(diào)取報警前后3 min 的歷史軌跡，查詢報警詳情。

2.6 門禁系統(tǒng)，兩票互聯(lián)

提供標準數(shù)據(jù)接口，將橋鞏電廠現(xiàn)有的兩票系統(tǒng)接入智慧水電數(shù)字化服務(wù)平臺，實現(xiàn)兩票分區(qū)域統(tǒng)計和查詢。統(tǒng)計各區(qū)域兩票數(shù)量，兩票類型、兩票風(fēng)險等級，對于高風(fēng)險作業(yè)重點提醒報警。除查看兩票信息外，通過UWB 人員定位模塊，可聯(lián)動快速定位至工作人員位置，查看附近作業(yè)人員，同時聯(lián)動視頻監(jiān)控查看現(xiàn)場實時情況。系統(tǒng)通過人員權(quán)限管理、開門授權(quán)等方式實現(xiàn)人臉識別打開本人權(quán)限范圍內(nèi)所有的門鎖，且開鎖人員、時間等信息可追溯。該系統(tǒng)權(quán)限包括用戶管理、門禁信息錄入、查詢統(tǒng)計、開授權(quán)票、門禁管理、圖形管理、客戶端管理、廠站定義等。門禁系統(tǒng)同時也保存出入記錄追憶數(shù)據(jù)，永久保存?？梢耘c工作票、操作票、巡檢任務(wù)關(guān)聯(lián)，自動授權(quán)相關(guān)人員在作業(yè)時間打開相應(yīng)門禁的權(quán)限，防止走錯間隔和擴大工作范圍。

圖6 智慧兩票與門禁互聯(lián)

2.7 智能分析，輔助決策

該平臺還依據(jù)新改造監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)，安裝一套一次調(diào)頻和AGC 考核在線評價系統(tǒng)，能夠解決當(dāng)前評價系統(tǒng)存在的問題和不足。解決目前燈泡貫流式機組一次調(diào)頻和AGC 常因計算不準確而被誤考核的技術(shù)問題，同時也為分析被考核原因和申請“免考”提供有力數(shù)據(jù)支撐。主要創(chuàng)新思路在于：①提供了一種基于南網(wǎng)“兩個細則”下電廠側(cè)一次調(diào)頻和AGC 考核在線評價系統(tǒng)，改變以往基于調(diào)度側(cè)分析評價方式；②數(shù)據(jù)采樣點分辨率更高，計算值更準確；③解決了因調(diào)度機構(gòu)和電廠因為通信延時造成理論和實際積分電量計算不準確的問題；④采用廠站母線頻率代替大范圍內(nèi)區(qū)域電網(wǎng)頻率，減少理論積分電量計算的誤差，體現(xiàn)不同電廠之間參與考核的公平和公正性；⑤引入機組導(dǎo)葉開度等模擬量，輔助分析一次調(diào)頻和AGC 動作情況。該系統(tǒng)上線以后，可以很方便幫助運行人員分析“被考核”原因，找到強有力證據(jù)去申訴免考，挽回“兩個細則”考核帶來的經(jīng)濟損失。同時該分析系統(tǒng)也為優(yōu)化AGC調(diào)節(jié)參數(shù)、提高機組負荷相應(yīng)速度和調(diào)節(jié)精度等各項參數(shù)控制品質(zhì)提供分析數(shù)據(jù)，為機組性能指標得到極大的提升、消除考核、提高獎勵打下基礎(chǔ)，從而實現(xiàn)機組經(jīng)濟效益與安全穩(wěn)定性的有效提升。

3 應(yīng)用效果

3.1 管理水平

通過智慧水電數(shù)字化服務(wù)平臺，將電廠運行核心系統(tǒng)的各項關(guān)鍵數(shù)據(jù)進行可視化呈現(xiàn)，從而對包括應(yīng)急指揮、生產(chǎn)管理、設(shè)備安全、環(huán)境保護、智慧決策等領(lǐng)域進行管理決策支持，幫助生產(chǎn)管理者及時了解電廠運行狀況的優(yōu)劣，并掌握影響經(jīng)濟性、安全性的各個因素及程度，實現(xiàn)對電廠生產(chǎn)成本和經(jīng)營狀況的科學(xué)分析與調(diào)優(yōu)，管理水平得到極大提升。

3.2 生產(chǎn)效率

通過全息感知技術(shù)，降低人員投入成本。尤其是通過全息感知技術(shù)，現(xiàn)場作業(yè)人員的安全狀況可以實時感知，智能兩票可以根據(jù)作業(yè)范圍許可相關(guān)門禁權(quán)限，防止走錯間隔引發(fā)安全風(fēng)險。作業(yè)違章可以實時提醒，安全管控效率提高50%，安全違章率降低80%，從而節(jié)省安全投入20%的成本。另外采用UWB 超寬帶定位技術(shù)，及時準確地獲取檢修現(xiàn)場作業(yè)信息，方便工作調(diào)度和安排，提升工作效率。在危險區(qū)域設(shè)置電子提醒圍欄，當(dāng)人員進入一定范圍內(nèi)，系統(tǒng)平臺進行報警，及時提醒，避免事故發(fā)生。

3.3 社會效益

（1）以大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，構(gòu)建橋鞏電廠全息感知、一體化管控體系，實現(xiàn)電廠與集團數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通，電廠生產(chǎn)、管理、服務(wù)等各個環(huán)節(jié)的泛在互聯(lián)；建立基于海量異構(gòu)的數(shù)據(jù)匯聚、建模分析、經(jīng)驗知識、智能決策等一體化管控平臺；建設(shè)滿足能源工業(yè)需求的安全技術(shù)體系和管理體系，構(gòu)建工業(yè)智能化發(fā)展的安全可信環(huán)境。

（2）該項目的建成填補了國內(nèi)大型燈泡貫流式機組在數(shù)字化、智能化和信息化轉(zhuǎn)型和發(fā)展的空白，極大的提高了水力發(fā)電企業(yè)的綜合效益，為其他水力發(fā)電企業(yè)的信息化建設(shè)提供經(jīng)驗，也為實現(xiàn)“無人值班，少人值守”夯實基礎(chǔ)。

（3）提升能源企業(yè)新技術(shù)應(yīng)用發(fā)展。加快機器人、智能傳感、5G、邊緣計算等在工廠的應(yīng)用，以機器換人、實現(xiàn)少人化作業(yè)。將企業(yè)體制創(chuàng)新、管理創(chuàng)新、技術(shù)創(chuàng)新相結(jié)合，構(gòu)建生產(chǎn)、經(jīng)營、管理、安全等業(yè)務(wù)流程信息化；優(yōu)化設(shè)備、合同、原料等資源分配，提升資產(chǎn)、服務(wù)、物聯(lián)、管控、勞動等效率，形成產(chǎn)供銷一體的智慧能源協(xié)同體系。

4 結(jié)語

智慧水電數(shù)字化服務(wù)平臺使得傳統(tǒng)水電企業(yè)的經(jīng)營管理模式完全發(fā)生改變，自動化設(shè)備、智能機器人的廣泛運用，將最終使電廠成為模塊化、單元化的管理形態(tài)，長期駐扎現(xiàn)場的人員逐步減少，遠程監(jiān)控、遠程協(xié)調(diào)、后方處理的作業(yè)模式將成為常態(tài)，企業(yè)基層員工的勞動積極性和創(chuàng)造力得到充分釋放，大量易導(dǎo)致生產(chǎn)事故發(fā)生的危險因素和觸發(fā)條件在管控平臺的協(xié)助下得到避免和解決，極大提高管理水平。智慧水電數(shù)字化服務(wù)平臺作為智能電廠核心平臺，聚焦于智能發(fā)電安全管理，工作效率提升，對整個智能電廠的建設(shè)起到了支撐作用，終極目標就是在極少人干預(yù)的情況下，讓系統(tǒng)實現(xiàn)精確感知、精準控制和精明決策，達成更加經(jīng)濟、高效、清潔、靈活的發(fā)電生產(chǎn)目標。