摘要：文章结合水电厂实际情况，详细研究制约智慧水电发展的因素，提出并介绍了电站运行状态信息感知、远程集控及智能监盘辅助、突发事件应急处理、全方位立体机器人巡检等7项新技术，为智慧水电的建设提供参考。

关键词：智慧水电；制约因素；新技术

1 概述

随着大数据、云计算、物联网、移动互联、人工智能和区块链等技术的发展，智慧/智能的概念正渗透到社会生产生活各方面，各行各业都在发生深刻的变革，传统的业务和管理模式也受到不同程度的冲击甚至颠覆[1]。国家也出台各类政策，全力推动互联网、大数据、人工智能和实体经济深度融合。这些政策的出台，为水电智能化发展营造了比较好的宏观政策环境，同时也对“大云物移智”等新兴技术在水电行业的研究和应用起到了极大的促进作用。

2 智慧水电制约因素

2.1 外部环境制约因素

水电厂作为国家重要的能源基础设施，不仅承担着发电，而且还承担着防汛、供水、通航等任务。我国大部分水电厂处于大江大河或者地方重要流域之上，一旦出现事故，对电站下游人民群众的生命财产安全会造成不可估量的损失。因此，确保电厂的安全生产，是电厂运营管理方的重要职责，也是重大压力所在。防汛事关重大，在汛期防汛值班需要水电厂有人值班，特别是对大型水电厂的闸门操作，当前大部分电厂要求人员现场观察监护，并未完全交由自动化系统操作执行。

2.2 技术制约因素

当前，云大物移智等新技术的应用，大幅提高了水电厂的全息感知能力，以往由人工巡检或者观测的电厂运行数据和设备状态可以由自动化系统或者仪器设备取代。但也应当看到，当前图像识别、声音监测、人工智能技术虽然有了长足的进步，在表计自动读取、噪音监测、跑冒滴漏能够取代部分人工巡检功能。但技术的发展还不够成熟，导致当前产品应用的投资和运维成本较高，机器人巡检还未大规模应用，图像识别识别表计还受制于仪表的安装部位，图像识别和声音监测在跑冒滴漏监测和设备故障监测方面还处于试点阶段，还不能足以取代人工对电站开展全方位的巡检，电站运行状态的全面感知还不能完全脱离人工，限制水电智慧化发展。

2.3 设备可靠性因素

水电厂实行智慧化建设对设备质量和性能提出了更高的要求。对于主辅机电设备、自动监控保护设备，产品质量都应符合规定标准，性能良好，能够满足实际需要，运行应该稳定可靠，并有必要的、适当的备用。在正常运行情况下，能够保证对全厂的有效控制，不需要人员干预；发生异常情况时能及时报警、自动停机、跳闸并自动采取必要的措施，避免事态扩大，减少损失，确保设备安全。水电厂内部附属设备都能独立自动运行，计算机监控系统能满足远程指令进行断路器切、合，机组开、停和工况的转换，以及功率调节等，能根据预先设定的要求，自动进行机组的控制和调节。对于水电厂的元器件，要求运行稳定可靠，避免误报警或误动，保障电厂稳定运行。

2.4 管理制度因素

目前国家能源局和电网公司为提升并网发电机组运行管理水平，保障电网运行安全，对参与并网的水电厂都有相关的考核管理规定，这些管理规定直接影响水电厂的经营管理效益，水电厂的运行管理模式须遵守这些规定。这对智慧水电厂的建设提出较高的要求，智慧水电厂是利用先进技术替代人去做一些低附加值或危险的工作，这样必然会减少电厂运行和检修人员的数量，若设备出现故障，赶到现场需要耗费一定的时间，可能会影响设备的修复时间，影响监管单位或电网公司对水电厂的考核，进而影响电厂的经营管理绩效。当前严格的管理政策与管理规章制度能起到保证电网安全的作用，在一定程度上对智慧水电的建设在制约。

2.5 网络安全因素

随着水电厂自动化、信息化和智能化业务系统的建设，网络的重要性日益体现。智慧水电要提升电站的全息感知能力、提升电站的远程控制能力，提升设备之间的信息交互能力和设备的自主运行能力等，而这些能力的提升必然伴随着网络的建设和增加。智慧水电依赖于安全可靠的厂内的局域通信网络和电厂与外部集控中心的远程通信网络，对网络的安全要求很高。

2.6 作业安全规程相关要求

绝大部分水电企业或水电厂依据当前的运行管理实际状况，制定了相应的作业安全规程，这些详细的管理规定为水电厂的运行操作提供了明确的指引，确保了员工人身安全和设备安全，起到了很好的效果。但是在智慧水电的建设过程，要用“大云物移智”等先进技术，替代人去做一些危险的工作和低附加值工作。作业安全规程随着智慧水电的建成，需要进行相应的修改。

2.7 业务人员素质和技能要求

智慧水电要求进一步打破运行和维护的界限，实行运行和维护一体化，人员配置会进一步减少，对人员素质的要求将会更高。水电厂工作人员要求要少而精，素质要求高，不仅具备扎实的专业技能、业务水平，还要熟练掌握各自动化系统的操作方法，要能够做到一工多艺，一专多能，满足智慧水电运行要求。水电企业或水电厂需围绕智慧水电模式加大运维人员业务技能培训力度，提升员工安全生产技能，使电站遇到紧急情况时可以果断准确的进行调控，保证电站安全。

3 智慧水电关键技术研究

3.1电站运行状态信息感知

智能化水电厂运行状态信息感知是利用智能传感器、高清视频监视系统、门禁、定位设备等设备和工具实现对电站设备、人员、机械、环境等状态和数据的全面收集和全息感知。

在智能传感器应用方面，通过利用具有信息检测、信息处理、信息记忆、逻辑思维和判断功能，集信息感知、信息处理以及通信于一体的噪声、气体浓度、水油浸、光格栅、PM2.5/PM10、温湿度和光纤测温等智能传感器，构建覆盖智能化水电厂的传感监测系统，全面采集水电厂运行中产生的各种状态信息，实现对水电厂设备状态的全息感知，也为设备状态评估、故障诊断、状态检修决策支持提供全面丰富的状态监测信息。

在高清视频监视系统应用方面，利用高清视频监控系统实现对水电站重要区域全天候、全方位的视频监视，及时掌握电厂运行状态动态，提高电厂生产进度、质量、安全、文明管控能力[2]。

在人员定位系统应用方面，根据电厂地形与建筑特点及不同智能化业务的定位需求，构建覆盖电厂全厂的统一的人员定位系统。利用先进的定位算法，提高人员定位的精度、定位信息实时性与可靠性要求。

在水电厂环境监测系统应用方面，依托自动化监测设备，对电厂生产、办公和生活等区域环境的空气及噪声进行实时监测，其中室外环境的监测设备可以对噪声、颗粒物浓度（PM2.5、PM10）、风向、风速、湿度、温度、大气压等多项环境参数要素进行全天候现场精确测量与LED屏实时显示[3]。

3.2 远程集控及智能监盘辅助

建设水电远程集控中心，由集控中心承担电厂运行值班职责，并推进集约化、信息化运行管理，电厂仅保留部分值守班组，可大大减少水电企业人力成本，实现电站的经济运行，达到提质增效的目的。智能化水电厂远程集控中心的建立是提高电厂运行自动化程度，也是生产集中运营管理的需要。集控中心模式运行稳定成熟后可根据电厂机组、综合自动化系统、通信系统等设备设施的运行情况进一步减少现场值守人员，从周期性巡视模式逐步过渡到智慧电厂。

智能监盘系统以集控中心计算机监控系统软件平台的实时数据、历史数据为基础，通过告警对象建模的模型基础，实现告警特征值整编、智能实时报警、设备流程监视、事故指导及多系统联动以及提供第三方平台的报警推送等功能，解决海量报警中无法人工寻找重要信息的问题，辅助运行人员高效监盘，降低运行人员监盘难度和工作量，提升水电厂的自动化管理水平及预防性维护决策能力，保障电厂安全稳定运行[4]。

3.3 突发事件应急处理

建立电厂设备故障应急处置知识库，知识库的应急处置对象属性包括启动源信号、应急事故等级、事故描述、确认事故方法、处理事故需要联动的部门及人员、需联动的系统。基于知识库，建立应急处置机制，通过工业电视、消防系统、语音电话、短信平台等功能的智能联动与应急处置工作流管控，实现流程化和标准化的报警应急处置。

根据设备故障报警信息，结合设备运行工况及历史报警原因，提出若干条故障报警原因，辅助运行人员快速、准确定位设备故障部位及原因。根据运行人员判断出的故障原因，结合历史故障处理方法，推荐若干条处理措施，或联动应急预案，并附加安全措施范围及风险评估值，辅助运行人员根据实际情况进行决策分析。系统支持应急预案的可视化展示，将故障处置的实际过程与应急预案进行实时对比，显示两者之间的差别，并为应急预案的优化提供支撑[5]。

3.4 全方位立体机器人巡检

远程巡检应用移动式和固定式智能感知技术，基于现场智能感知设备，将现场设备图像、声音、温度、振动、摆度、压力脉动等信号转化为数字信息，传输汇聚到远程数据终端，通过对设备运行状态的自动监测和分析，实现生产设备现场巡检无人化，做到一个专家团队远程运维管理多厂站多机组。

3.5 设备故障诊断评估分析

构建水轮发电机组、主变压器、GIS、闸门等设备故障诊断专家知识库，提供基于大数据技术与传统故障诊断技术相结合的设备故障诊断组件。设备故障诊断功能为电厂运维人员实时推送故障诊断报告，包含故障信息、故障时间、故障部位、故障原因、处理措施和运行意见。

1）故障树诊断模块

故障树诊断模块通过专门的树状结构，对故障进行深度和广度的搜索，最终完成故障推理。故障树诊断方法中的故障诊断模块主要功能为：结合故障树的结构，采用正向搜索方法，综合使用阈值比较与模糊识别的方法，自顶向下的进行故障搜索。结合底事件关键重要度，得到最终故障发生的概率，并将诊断结果从大到小排序，提交给人机交互模块。

2）专家系统故障诊断模块

专家系统主要包括知识库、推理机、解释器、自学习模块、人机交互等模块。知识库模块用于存储各种专家知识及故障信息，具有通用性添加、修改、删除等功能；推理机提供了统一的推理模式，按照各个知识库模块中的规则进行推理，并完成结果融合；解释器主要完成获取知识库中故障信息，根据推理机提供的诊断结果输出用于人机界面显示的各种信息；学习机主要功能为根据用户提交的实际故障结果反馈，对于误诊、漏诊的情况进行规则修改；人机交互模块主要提供结果输出、报表生成、非量化特征获取、诊断结果反馈、知识库管理等功能接口。

3）故障知识图谱模块

针对主机设备和辅机设备，进行知识建模，采用自底向上的方式，基于水电行业标准从数据源进行映射，设计实现数据存储模块，选定实体与实体间的关系，进行数据表的搭建，最终设计实现知识图谱的可视化模块，进行知识重构并展示。

3.6 设备状态检修决策支持

水电站的设备状态检修是当电站的生产设备状态信息显示设备状态劣化或将要发生失效时开展维修行为。简而言之，就是根据需要才对设备进行维修。由此可见，与传统的定期检修相比，状态检修为水电站带来的效益是将显著的。

设备状态检修是智能水电站建设的重要组成部分。设备状态检修的业务流程包括对设备状态进行评价，量化健康状态，然后评估设备风险，根据结果制定合理检修策略，为电厂实现状态检修提供决策支持。水电站主设备状态检修决策支持系统通过综合数据平台的数据服务总线及汇总存储接口，实现计算机监控系统、现地在线监测装置/系统、生产管理系统等外部系统的数据访问，获取其反映设备健康状态的在线、离线特征数据及静态参数，结合设备管理对象建模，实现设备数据存储、诊断分析、状态评价、风险评估、检修决策维护建议和设备健康状态综合报告自动生成等功能，并将分析结论及决策建议传输给一体化管控平台，为电站设备状态检修提供决策支持。

状态检修决策支持系统的功能模块包括：状态监视、状态诊断、状态分析与评价、趋势预测与风险评估、决策建议和修后评价等。设备状态检修通过对设备、部件的状态数据分析，评价其劣化程度，评价结果应量化。对于显著变化的状态量必要时进行趋势分析。由于不同的设备、部件劣化带来的损失和影响不同，宜进一步进行风险评估，根据设备状态等级和风险评估结果形成相应的检修建议，每次完成检修作业后，应对检修的效果进行评价，不断地优化决策的过程。由于水电站的设备故障诊断和状态评价可能需要外部专家和设备制造商的咨询意见，状态检修决策支持功能作为一体化管控平台的组件，并不局限于电站内访问，宜同时支持远程访问，如远程的故障诊断[6]。

通过全面的在线监测系统数据、监控系统数据、设备运行规程、设备制造设计参数、设备不同工况的历史运行数据进行计算，实现设备实时运行状态的智能评估报警功能，为设备的日常维护和设备检修提供依据，做到设备故障损坏前的提前报警，减小设备损失，根据设备状态评估结果制定精准的检修项目，实现设备的状态检修，减少设备的过度检修，提高设备的利用率，减少设备管理成本。实现检修管理手段由计划性检修、事后检修向精准检修、预测检修的转变。

3.7 源网协调控制技术

我国提出了构建以新能源为主体的新型电力系统的建设目标。新型电力系统具有高比例可再生能源和高比例电力电子设备的“双高”特征。新能源发电具有间歇性和不确定性，新能源的随机波动会导致接入点的电气参数发生变化，增加系统运行的控制难度；新能源并网控制特性与常规电源差异大，大量电力电子器件的持续接入使电网运行特征由“电磁耦合”向“电-电转换”转变。高占比新能源的持续接入给电网安全平稳运行带来不稳定因素，源网协调面临挑战。

开展智能水电源网协调控制技术研究，充分发挥水电机组特别是抽水蓄能机组工作灵活，启动迅速，调峰性能优异的特性，提升电网接受多样化电源的能力，降低新能源对电网安全稳定运行的影响。

4 总结

在国家能源技术领域整体实力和管理水平日益提升、各类间歇性新能源接入电网情况日益复杂、网络信息安全形势日益严峻的复杂形势下，通过智慧水电关键技术的研究，积极推动水电产业向智慧型水电管理转型升级，可以更好地满足电网安全稳定运行的需求，从发电侧有效支撑能源互联网的建设和运行。

参 考 文 献

[1]李向阳， 喇果彦， 向英， 等. 大云物移智等新技术在电网应用研究[J]. 电力信息与通信技术， 2019， 17（1）： 89-93.

[2]汪涛. 智能视频系统在人员管理中的应用——以水电厂为例[J]. 湖南科技学院学报， 2021， 42（03）： 20-26.

[3]陈录， 齐全友， 吴扬扬， 赵玉国， 张海翔. 智慧电厂建设与智能发电技术应用探讨[J]. 科技创新与应用， 2021， 11（23）： 174-176.

[4]杨涛. 智慧电厂的发展实现与应用探讨[J]. 中国设备工程， 2021， 12： 28-29.

[5]甄龙， 徐辉， 陶李. 电厂“智慧工地”的建设与应用[J]. 电力勘测设计， 2020， （S1）： 188-193.

[6]潘伟峰， 马程程， 朱传古. 水电厂主设备状态检修决策支持系统的设计与开发[J]. 水电与抽水蓄能， 2016， 2（06）： 89-95.