数字化水电站解读

华应强

(哈尔滨电机厂有限责任公司，哈尔滨 150040)

0 前 言

抽水蓄能电站是利用电力负荷低谷时的电能抽水至上水库，在用电高峰期再放水至下水库发电的水电站。在电网中主要起调峰作用，对电网整体安全、稳定至关重要。我国抽水蓄能电站建设起步比较晚，但由于后发效应，起点却较高，近年建设的几座大型抽水蓄能水电站技术已处于世界先进水平。自动化、数字化程度相比常规机组也高出不少。抽水蓄能电站是今后10a水电开发的重点。国网新源公司占全国抽水蓄能装机份额达70%之多，率先提出建设数字化智能型水电站理念。对设备厂商提出精益制造、智能化、全生命周期服务三个要求。他在电站数字化、智能化方面的思考与探索处于行业引领。无论是发电企业还是电站设备供应商对数字化智能型电站进行积极解读非常必要。目前这方面尚未有成熟的行业解决方案[1]。文章基于电厂未来运营、管理的需求及挑战，结合当前大数据、人工智能等信息技术及哈电在三维设计和数字化工厂建设方面的实践经验，对数字化智能型水电站进行解读。

1 数字化电站的实现过程

1.1 水电站数字化现状

近年新建水电站，大坝建设采用了BIM技术，BIM(Building information Modeling)是基于模型的信息化管理，是以建筑工程项目的各项相关信息数据作为基础，管理三维建筑模型，通过数字信息仿真模拟建筑物所具有的真实信息。它具有信息完备性、信息关联性、协调性、模拟性、优化性和可出图性等八大特点。设计单位、建设单位、施工单位、监理单位等项目参与方在一个平台上，共享同一建筑模型。实现了从设计、施工管控的全过程可视化及精细化管理。目前市面上有Revit、Bentley、ArchiCAD等成熟商业软件。BIM的价值主要体现在项目建设期，水电站投运后就没有什么价值了。设备供应商用UG、Solidworks等三维软件在虚拟环境中进行产品设计，通过与PLM、ERP、MES等系统集成，在虚拟环境中实现从设计到生产制造全生命周期对产品进行仿真、评估和优化。让三维模型作为唯一信息源服务于从设计到制造全过程。这个过程称之为数字化工厂。目前达索、西门子等工业软件供应商都有成熟的解决方案。并在航空航天、汽车、装备制造等行业进行了成功实施。水电站的运维、检修占了其全生命周期的90%之多。所以水电站的数字化其实是机电设备的数字化，是设备供应商数字化工厂的延续。

1.2 数字化的实质

化学试验通常要把固态物质通过试剂等方式溶解以充分混合达到分子级别接触为化学反应发生创造条件。数字化是把设备状态的物理特性转化为易测量、易识别、易存储、易检索、易监测、易传输的数字信号。它是一个把连续信息离散为数字比特的过程。比特是计算机世界最小单元相当于化学的分子。这样信息可以在比特级别被处理，充分融入由计算机组成的现代信息技术体系中。由于在虚拟工程环境中进行产品设计、工艺设计、分析、仿真和验证，因此减少物理空间的质量问题和时间成本。同时也减少技术人员对经验的依赖，比如数字样机。另一方面通过集成设计、制造、供应链管理等各个环节实现业务自动化。

1.3 设备数字化

基于模型的产品定义MBD(model based definition)是在三维模型中完整表达设计、制造信息，确定产品定义信息的唯一性。所有业务均使用三维模型进行信息传递，形成结构化数据集，该数据集不仅包含几何特征、尺寸、公差等，还包括隐含的制造信息、检验和质量信息。使设计和制造无缝联接形成闭环。最典型的应用是主机厂商在设计阶段就采用三维模型表达设计信息并在数字化工程环境中用三维模型进行分析、仿真和验证。设计完成后将模型传递到制造环节，制造部门在虚拟制造环境中，在三维模型上开展工艺设计、工艺仿真以及数控编程等。在此阶段工艺人员对产品工艺的可行性、经济性进行评估反馈给设计，以改进设计。MBD很好的解决了设计和制造的协同。由于可以在虚拟工程环境中进行分析、仿真、验证，从而减少了技术人员对经验的依赖。采用MBD解决方案很大程度上解决了产品质量问题实现精艺制造。三维模型不光可以用在产品设计制造中，还可以服务于产品全生命周期，比如电站作业指导可以用三维模型做成多媒体形式。电站技术管理完全可以用模型为中心进行集成。更进一步通过模型可以建造一个虚拟电站，使用者可以在虚拟环境中学习电站各部分构造、功能等并完成一些相关的技术验证。

1.4 数字化监测装置

一方面使用高精度、高可靠性数字测量装置获取准确数字信号。另一方面，目前主机测量更多地停留在基于部件和部套的监测，不成体系，相对孤立，如：气隙、局放、轴承振动摆度及轴心轨迹监测。随着对于机组的认识不断增强，智能化发展开始从整体和基本特征角度出发，如机组噪声测试则是从整体上分析机组的故障状态，而基于噪声检测的水轮机空化监测方法则是从物理现象特征出发的。

2 数字化电站是设备数字化与测控数字化的集成

无论是设备供应商数字化交付还是给机组安装更多传感器把机组的量测数字化，本质上只解决了数据的收集。真正的数字化应该分4步：

1)设备的数字化，其核心是MBD，是基于模型的产品定义，它不是局限于几何层面的三维模型，还包含设备的仿真、验证、检验、生产等信息，这些信息以结构化数据集的形式存储于模型，可以被各类计算机识别。

2)设备状态监测的数字化，所有设备状态信息可以被全面、准确的实时测量并以数字信号形式传输。

3)监测信息回馈到模型，在模型中进行比较，评估形成闭环。并把结果在模型上显现出来。

4)集成数字工程及协同环境，让整个流程实现自动化。这时三维模型实时准确的反映设备的真实状态，实现虚拟数字世界与现实世界的准确映射。数字真正要解决的是工作的高度自动化，实现傻瓜化运行。

3 现阶段电厂急需实现数字化的3个方向

3.1 数字化技术信息管理系统

目前，虽然设备供应商提交了设备相关的全部资料，包括三维模型、二维图纸、检验报告、工艺守则等等。但是他们都是离散化存在，即没有一个集成环境可以读所有格式资料，这些资料也没有形成结构化的数据集。比如，看三维模型你得在三维软件里看，而这个软件里却不能看二维图纸，工艺守则等，而且同一部件的相关资料都是孤立的，没有建立关联关系，以形成结构化数据集。所以以设备三维模型为中心把对应的二维图纸、检验报告、检查记录等以三维模型子对象形式进行信息集成，存入数据库。用户即可以通过PC也可以通过移动端查看相关资料。扫描设备上的识别码，可以知道该设备名称及检修、巡检必需的全部资料。另外你也可以在移动设备上填写相关资料完成巡检流程。

3.2 可视高效的作业指导及培训

目前电站运维、检修人员的知识基本靠老师傅经验传授，学习也需要大修等这样的机会。电站大修周期长达10a，导致许多新员工入职五六年不知道机组真面目。另一方面抽蓄等新机组没有现实世界中的成熟经验。以三维模型为基础开发相关的虚拟环境，就可以在虚拟世界中对运维、检修技术方案进行仿真、验证。类似产品设计中数字样机。用三维模型把电站的具体作业指导做成三维动画等多媒体教程作为标准的作业指导。将所有运维、检修逐级分解成不同任务。把这些任务放在特定情境下做成3D动画及带考核功能的游戏。并组合成一系列课程供不同阶段员工学习及考核。

3.3 基于3D可视的虚拟检修规划系统

系统里根据生产任务级别定制了对应的三维场境，根据任务加入设备、物资、工具、场地、人员、备件等元素并定制特定的流程。通过选择对应的工作流程，选择相关元素并填写相关属性就可以制定基本计划。各种定制表格自动输出。在三维可视环境中可以直观的对方案的可行性及经济性进行评估。例如设备摆放场地是否合理，人员、起吊设备的安排是否冲突、物资库存是否足够等等。

[1]晏志勇，翟国寿.我国抽水蓄能电站发展历程及前景展望[J].水力发电，2004(12)：58-59.