武义县智慧水电大运维平台技术的研究与实践

2018-07-11章旭伟陶燕麟张仁贡赵克华

水电站机电技术 2018年6期

章旭伟，陶燕麟，张仁贡，赵克华

（1. 浙江省金华市武义县宣平溪水电工程管理处，浙江武义 321200；2. 武义县小水电发展有限责任公司，浙江武义 321200；3.浙江禹贡信息科技有限公司，浙江杭州 310009）

1 工程概况

武义县小水电发展责任有限公司主要经营范围是在武义县境内开展小水电项目的投资、开发和经营。截止2017年，公司现下辖11座水电站分别是麻阳一级电站、麻阳二级电站、麻阳三级站、麻阳四级站、杉坑桥电站、柳城电站、下种坑电站、章五里一级电站、章五里二级电站、章五里三级电站、峰源电站、直源电站、石硤电站，11座水电站的总装机容量为16 230 kW。

武义县小水电发展责任有限公司与浙江禹贡信息科技有限公司合作，对智慧水电建设进行研究与实践，充分考虑并采用先进、主流、可靠的应用技术，以相关国标和省标为基础，以智能化和一体化作为设计目标，通过系统实现水电站的远程集中监视、控制、预警和指挥调度，实现人员的集中管理和调配。需要充分考虑各种规范与标准，保证系统的可靠性、高效性、稳定性和开放性，形成统一化、智能化的综合管理系统。

2 系统结构

公司水电站分布在武义县各个乡镇，集控中心位于县城内。部分现地已实现无人操作，以电力行业无人生产信息化方案为借鉴。在地理纬度上实现纵向分为现地控制层和集控中心层，在管理纬度上在横向分为生产区、监控区和管理区。因此对武义小水电发展有限责任公司的智慧水电平台采用纵向分层、横向分区的体系结构。现地以自动化控制系统为核心辅以智慧监控体系结构。集控中心以远程控制和智能化管理为核心。系统建设总体结构如下页图1。

2.1 生产控制区（Ⅰ区）

生产控制区（Ⅰ区）纵向接入各水电站的现地自动化控制系统，划分为集控中心自动控制系统和现地自动控制系统。

目前已有4座水电站实现了自动化改造，还有7座未实现自动化改造，4座自动化改造的水电站其中有2座已接入集控中心，未来所有的水电站将统一接入集控中心。如水电站未接入集控中心，则现地控制层的自动化系统主要包括计算机监控系统、传感器采集设备等，而水电站如已接入集控中心，则所有计算机监控设备均设在集控中心的机房内。集控中心设置在公司总部一楼，设有监控运行中心和机房。在监控中心主要对已接入集控中心实现远程控制的水电站进行统一的远程自动化控制和视频监控。

未来计划完成剩余7座水电站的自动化改造，并且将所有的水电站统一接入到集控中心，实现远程统一开停机管理和视频监控。

2.2 监测安防区（Ⅱ区）

图1 武义县智慧水电大运维平台结构图

监测安防区（Ⅱ区）纵向接入各水电站的水雨工情、视频、安防、声音、温度等数据监测设备系统，划分为集控中心的监测安防系统和现地控制层监测安防系统。

由于集约化管理之后现地实现了无人值班，因此在现地的监测安防系统主要为设备、网络及语音告警为主。主要包括声音采集系统、温度采集系统、视频监控系统、入侵监测系统、门禁系统。

1）声音采集系统，为每台机组设置一个声音近距离的采集设备，实现声音的远程采集并在集控中心实现声音远程的数字化波形式监控。

2）温度采集系统，对于水电站的电缆连接头、断路器、变压器连接头、隔离开关、电缆室、开关柜等要通过在线测温系统进行温度监测。

3）视频监控系统，对于要开展远程控制的水电站，需在关键点位如尾水、主厂房、开关室、升压站等设置视频并接入到统一的视频监控系统。

4）门禁系统：门禁系统包括可视对讲子系统和指纹门禁系统，可在监控中心直接实现远程的对话和控制。

5）入侵监测系统：建立红外电子围栏，实现入侵监测和告警。

集控中心层的监测安防系统建立集中数据存储中心，对视频、图像、声音、温度、监测等数据采用磁盘阵列进行存储，并在软件系统界面进行实时显示。集控中心层的监测安防系统可根据需要由运行管理人员通过操作网路键盘对输入的前端监视点图像信号进行选择切换输出至大屏幕显示系统（DLP）显示，供管理人员观看高质量的前端实时图像信息，为相关部门和人员提供决策依据。

2.3 智能管理区（Ⅲ区）

智能管理区（Ⅲ区）包括业务应用系统和决策支持系统，是实现智能化管理的关键，由现地值班人员和公司总部集控中心协同完成。

智慧管理区的智能化业务系统主要包括工程巡查管理系统、安全监测预防预警系统、OA移动办公系统、安全生产标准化管理系统、GIS地理信息系统、智能化决策支持系统。各系统基于角色权限分层分级管理，权限级别从现地控制层向集控层递增，根据不同角色的不同权限实现协同式管理。

2.4 ⅠⅡⅢ区间数据通信规则

安全控制区和智能管理区，在通信策略上相互独立和隔离，安全控制区数据通过硬件防火墙策略可以实现单向传输到监测安防区，监测安防区在硬件防火墙控制策略上可实现单向传到云服务器上，数据从I区向III区单向流转，数据汇集到云服务器上后，为智能管理区提供数据支持服务（见图2）。

图2 三区数据访问控制策略

3 设计与开发

平台的建设涉及的技术很多，包括安全控制区、监测安防区、智能管理区的20多项核心技术，下面限于篇幅，仅仅介绍几种技术，作为参考。

3.1 网络建设

麻阳三级站和麻阳四级站还未接入网络，其他电站在宽带上都接入了电信宽带。其中麻阳一级站和杉坑桥利用硬件防火墙接入公网后和集控中心的硬件防火墙相连，在两端配置后形成虚拟局域网，防火墙设备采用的是台湾品牌合勤防火墙，型号为ZyWALL USG 2000，接入集控中心的水电站和集控中心通过上述的硬件防火墙，借助公网的电信宽带形成两个VLAN，一个是视频控制子网，一个是自动化控制子网，网络的拓扑结构如图3所示。

图3 网络拓扑结构图

3.2 升压站温度遥测站建设

对于远程控制的水电站的升压站进行温度实时在线监测，并将数据上传到监控中心，在监控中心可以根据设置的温度阀值，对某个水电站的升压站温度异常现象进行报警。

温度监测采用热成像技术，通过热成像摄像头进行监测点温度采集，并实时传递到集控中心，热成像温度误差控制在±5°。

通过通信网络将各升压站的前端红外在线监测设备接入网络，建立一个整体的远程红外在线自动监测体系，实现统一的监测管理。远程的升压站温度采集设备采用红外热成像在线监测设备，对视场内升压站所有运行设备进行每天定时巡检，获取覆盖范围内的红外热图像，每个在线式热成像仪按照预先设定的程序巡检，大大减少人力巡视，提高了生产效率和自动化程度。系统结构图如图4：

图4 升压站温度在线集中监控系统结构图

升压站接线图如图5所示：

3.3 主厂房声音遥测站建设

主厂房声音遥测站包括了拾音器、硬盘录像机、WiFi通信模块组成，结构如下页图6所示。

（1）拾音器

图5 升压站热成像测温设备接线图

图6 主厂房声音遥测站结构图

拾音器将声音采集到硬盘录像机后，远程服务器通过INTERNET网读取后，进行数字信号的转化输出。

（2）通信模块

采用支持WiFi和以太网两种通信模式的通信模块，以太网为主，WiFi为辅。

（3）供电模块

供电系统采用220 V市电，电源可由主厂房视频监控电源引出。

（4）安装方式

声音采集器距离水轮机1 m内距离，有网络条件下采用以太网提高网速，无网络情况下可采用WiFi传输。

3.4 水库弃水流量遥测站建设

需要对有水库的水电站的弃水情况进行统计及汇总，一是作为水库调度的依据，二是成为未来水电站增效扩容设计的主要依据，避免过度投资。弃水统计需存储同期降雨量数据。

公司下辖的11座小水电共有6座水电站有水库并且还未开展增效扩容改造，溢洪道主要为正常溢洪道有闸门，有个别为自流式溢洪道没有闸门。情况如表1所示：

表1 6座水库溢洪道类型清单

对于正常的溢洪道通过对闸门的控制系统进行开度监测，并经换算可以获知流量信息。对于自流式溢洪道通过超声波水位计监测水位信息，并经过换算可获知流量信息。

（1）闸门开度遥测

石硤电站有翻板闸，未建自动化控制系统，需要在现地控制卷扬机手工启闭，需安装一个闸门开度仪实时获取闸门开度信息。

（2）水位遥测方案

其他5个水库可以通过水位遥测站计算溢洪道的水位并计算流量，水位遥测站由RTU及通信模块、传感器、供电模块三部分组成，系统组成如图7所示。

图7水位遥测站结构图

1） RTU及通信模块：RTU是水情监测中广泛使用的设备，其功能是完成被测参数的数据采集、存贮（显示）和传输控制，并通过通信设备与信道完成数据传输。本项目拟采用具备自报式和召测式工作模式和较大自存储量的RTU设备，通信模块则具有使用GPRS网络的通信能力。

2）传感器：本项目拟采用雷达水位计作为水位采集传感器。雷达式水位传感器是一款非接触式水位计，采用脉冲雷达技术对水位进行测量，这种节能、非接触式的测量技术使得其在测量时不受温度梯度、水中污染物以及沉淀物的影响，因而可以获取精确的测量结果。该雷达物位计的安装，将使用活动金属杆横向挑出坝顶，垂直向下对水面水位进行监测的方式进行。

3）供电模块：供电系统采用220V市电，电源由闸门启闭机房引出。

4）安装方式：雷达水位计发射的信号呈圆锥形向外扩散，所以要求在最大量程的前提下，发射的信号不能遇到除目标水面以外的任何障碍物。

安装完毕后，在有风或者有其他冲击情况下，支架不会晃动、颤抖。