寺沟口水电站智慧运维研究及应用

黄 勇，陈慧清，刘晓东，侯彦峰，霍云超，王晨祥

(1.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西 西安 710000；2.青海省门源神牛水电开发有限责任公司，青海 门源 810300)

0 引言

电站全生命周期智慧运维以设备全过程、项目全过程、资产全寿命周期管理为理念[1]，以数据共享为基础，以智能控制为手段，以自动化、互动化、人性化为基本特征，以本质安全、高效可靠、绿色环保、和谐友好为目标，统筹规划设计、设备制造、施工建设、运维检修全过程，通过电站业务数据的一体化整合和深度挖掘分析，提升电站的整体运维能力和生产管控能力，提高企业效益[2]。

本文以寺沟口水电站为研究对象，从水电站的数字化建设、智能化建设、远程控制中心建设出发，介绍该水电站智慧运维建设成果。

1 我国水电站概况

传统水电站在规划设计、制造、建设、运行等阶段之间没有贯彻全生命周期的原则，使得水电站在投运后存在大量改造和补充完善工作来满足实际运行的要求。

特别是运维、检修阶段，传统水电站存在以下不足：

(1)以技术人员为核心，水电站生产运行过程中实际存在较多人为失误[3]。

(2)主要采用固定时间周期性检修的方式，造成全厂设备处于被动和应答式改造状态，往往是设备处于安全边界隐患突发甚至爆发时才进行改造工作，为安全生产造成极大困扰和危险，另外，设备改造工作往往是局部改造，经济性也很差[4]。

(3)出现突发故障时，缺乏会商机制和平台，主要依靠运检人员的技术和经验，复杂问题往往通过会议(或远程电话)邀请多方分析解决问题，费时费力效果不佳[5]。

此外传统水电站多系统并存、系统异构、数据孤岛等现象比较突出，多系统并存现状容易出现信息孤岛，无法发挥数字化、信息化的优势和价值，降低了管理效率，严重阻碍着现代化发电企业安全、高效、经济等发展目标[6]。

综上，针对传统水电站运维管理存在的不足，亟需借助互联网手段、大数据平台，创新管理模式，提升水电站的管理水平。

2 寺沟口水电站概况

寺沟口水电站位于青海省门源回族自治县境内，是大通河干流上重要的水利工程。坝址位于民门公路130 km处，距互助县威远镇74 km，距省会西宁117 km。电站厂房位于大通河左岸寺沟口附近，距上游坝址0.8 km，距互助土族自治县巴扎乡甘禅口17 km。

寺沟口水电站是一座低坝引水式电站，该枢纽工程的主要建筑物有溢流坝、泄洪闸及引水发电建筑物等组成。正常蓄水位为2424 m，总库容500万m3，引水洞及压力管总长699.0 m设计引用流量72 m3/s，最大发电头22 m，安装3台4 MW的水轮发电机组，总装机12 MW，保证出力2607 kW，多年平均发电量6425万kW/h。

寺沟口水电站在运维阶段面临以下难题：①自然环境恶劣，冬春季多雨雪冰冻天气；②该电站设备数量大、类型多；③专业运维人才严重缺乏。随着电站设备运行年限的增长，设备运维管理工作量及故障处理难度逐步增加，寺沟口水电站急需创新现有的管理模式。

3 寺沟口水电站智慧运维设计

寺沟口水电站智慧运维改造及管控系统建设，遵循全生命周期理念，在总体思路上要着眼于解决现有系统一体化程度低、通信标准不统一、信息共享困难、业务协调工作量大、网源协调能力差、决策能力低等问题，通过采用“云大物移智”等新兴技术手段和大数据平台，实现水电站信息数字化、通信网络化、集成标准化、运管一体化、业务互动化、运行最优化、决策智能化，提升源网协调能力，促进管理模式转变，提高运行管理水平[7]。

3.1 数字化建设

3.1.1 水电站全信息数字模型构建

依据行业规范标准，结合寺沟口水电站设计图纸、改造记录等历史资料，利用BIM技术进行三维数字化逆向建模。建模的内容包括首部枢纽、厂房、生活区、开关站等在内的所有设备设施(水工建筑物、设备、管线等)，建模标准及精度严格执行相关标准规范，模型组织结构以方便应用为原则、参照电厂运维管理模式进行划分，同时将设备的几何参数和物理参数实际参数和信息附加至相应的三维模型上，通过模型转换工具将不同三维模型转换成统一格式并进行融合集成，寺沟口水电站全信息数字模型构建示例见图1。

图1 寺沟口水电站全信息数字模型构建示例

3.1.2 水电站全寿命周期管理系统建设

(1)三维综合展示

将水电站所有设施设备三维模型在统一平台上进行展示，并按照统一的空间对象及数据编码规则关联集成设备全面综合信息数据(如设备状态信息、缺陷信息、台账信息、物资信息、文档等)，在虚拟现实环境下实现信息数据的集成展示、查询共享、统计分析等。

(2)数字化文档管理

通过编码编号将各种非结构化图文档资料与相应的数字化模型关联起来，实现可视化图文档资料管理。整合寺沟口水电站在设计、制造、安装、调试、运维过程中的图纸、报告、图片、操作说明、维修手册等图文档资料，在数据梳理及编码编号的基础上，建立图文档与相关数字模型之间的关联关系，以三维模型为载体对图文档资料进行统一管理，实现可视化图文档资料集成管理及应用。

(3)数字化设备管理模块

遵循设备全寿命周期管理理念，将设备巡检、维护、检修、更换、报废全过程产生的数据(结构化、非结构化)以数字模型为载体，通过设备唯一标识码统筹和关联起来，实现设备全寿命周期可视化管理。在三维可视化环境下，对设备状态评估结果、检修计划、检修报告等信息数据与电站设备空间对象进行关联展示、查询与分析。寺沟口水电站全寿命周期管理系统界面见图2。

图2 寺沟口水电站全寿命周期管理系统

3.1.3 水电站动态数据集成

基于水电站全寿命周期管理系统，在虚拟可视化环境下，集成水电站监测、监控等实时数据。利用三维场景与可视化信息集成展示开发维护工具，将水工建筑物缺陷的位置在三维可视化信息集成展示与会商平台上进行标识，并关联缺陷相关的文字描述、图片和记录表格等数据，在三维环境下实现数据的展示、查询、统计与分析等，寺沟口水电站动态数据集成模块展示见图3。

图3 寺沟口水电站动态数据集成模块

3.2 智能化建设

在数字化建设的基础上，综合应用智能安全帽、智能视频识别、移动互联网等技术，实现智能管控。智能化建设主要包括智能作业管理、智能安全管控和移动APP应用。

(1)智能作业管理

将数字电站与生产作业流程相结合，在数字电站中显示故障设备，或将故障设备通过数字电站管理和表达，做到故障设备文档自动推送和运检工作任务自动提醒。

(2)智能地线管理

建设智能地线管理模块，实现对水电站接地线进行智能管理。

(3)智能安全管理

基于数字孪生电站，在生产区部署定位装置，人员佩戴智能安全帽，通过定位智能安全帽，定位工作人员位置，将人员位置信息标注在三维模型中，实时监测生产区域人员位置信息，见图4。基于作业风险库，在数字孪生电站中对作业危险区域进行标识，一旦运维人员误入危险区域，系统自动进行报警并提醒。

智能安全帽应通过后台下发指令或用户按键开启摄像及拍照功能，实时采集作业现场的影像，并存储到智能安全帽本地，且能同时上传至智能安全帽管控系统。智能安全帽具有可见光检测、红外检测、扫码识别等功能，并存储到智能安全帽本地，且能同时上传至智能安全帽管控系统进行分析与处理。智能安全帽应通过按键或后台触发开启音频采集功能，并能实时上传至安全帽管控系统，实现远方与现地语音交流与指导。

图4 寺沟口水电站人员定位系统

(4)智能物资管理

基于二维码技术，实现水电厂备品备件及物资的智慧管理功能，实现物资数据采集、物资领用出库与归还、备品备件管理和物资查询。

(5)智能工具管理

开发智能工具管理模块，实现工器具的租用、使用说明、校检周期提醒、寿命管理、补货管理、预约管理、工具的正确借还、工具入库管理及其配套说明管理等在线智能管理。智能工具管理模块包括电脑终端和手机终端，其中电脑终端实现工具借还、工具管理及数据分析等功能，手机端实现工具搜索、现场借还及实用助手等功能。

(6)智能培训管理

建设智能培训管理模块，实现廉政安全、运维专业知识培训课件推送功能，具备权限的人员在管理系统中上传对应的培训资料(含廉政培训、安规培训、技术培训等)，选择需要培训的人员，进行信息推送。需培训人员收到信息后可以在手机终端进行学习，并反馈相关信息，同时包括问卷考试及调查等。

(7)智慧生活

建立智慧生活模块，实现员工生活需求的在线信息交互、后勤物业报修、用车申请等功能，使后勤部门可以精准存储、保质保量、提供后勤管理的服务水平。

(8)移动APP应用

移动APP基本功能包括信息查询、工单管理、巡检管理、报缺管理、备品备件管理、信息上传、数据同步等。

3.3 远程控制中心

远程控制系统采用分层分布式体系结构，整个系统分为远程控制层、厂站层和现地层三层。远程控制层设计算机监控系统，厂站层设置厂站级计算机监控系统，现地层主要由各主/辅设备的现地控制单元以及分散式或集中式测控部分构成。

远程控制中心的任务是通过计算机监控系统对寺沟口水电站进行数据采集与处理、安全运行监视、运行调度、操作控制和管理等功能，同时负责接受上级调度系统下达的各项指令，向上级调度传送所需的数据，以便对整个电站进行有效地监视、调度、控制及管理。

4 寺沟口水电站智慧运维应用效果

4.1 社会效益

寺沟口水电站智慧运维，实现了水电站信息数字化、通信网络化、集成标准化、运管一体化、业务互动化、运行最优化、决策智能化，提升源网协调能力，促进管理模式转变，提高运行管理水平，同时提高企业新技术应用及创新能力，提升企业核心竞争力。

4.2 经济效益

综合应用数字化、智能化、移动互联等技术，通过可视化档案管理、数字化设备管理、仿真培训、虚拟巡检、设备物资自动盘点、任务事件智能提醒、移动办公、远程集控等数字化、智能化应用，提高运维管理人员的作业效率，减少运维生产相关的人、材、物等资源；通过设备改造、智能监测设备增加，实时掌控设备的运行状态，提高设备可靠性；通过统一数据中心进行水电站生产运维数据的多业务、多因素综合分析，提前感知设备故障，提前处理设备缺陷，综合优化发电、检修、维修全过程，减少停机时间及弃水流量，增加发电量，提高发电效率。

4.3 安全效益

运用物联网技术，研究开发智慧地线管理系统，实现接地线的智能管控，全面消除由于接地线问题造成的安全生产问题；综合运用三维模型、精确定位、智能识别、红外检测、扫码识别、大数据、智能安全帽等技术，建立安全风险识别库及智能安全管控系统，实现水电站运维人员生产作业的全过程追踪管理，杜绝越界、走错间隔、误入危险区域等安全隐患，保障运维人员安全，提高安全管理水平。

5 结语

对寺沟口水电站借助采用“云大物移智”等新兴技术手段和大数据平台，遵循全寿命周期管理理念，通过数字化建设、智能化建设、远程控制中心建设，为该水电站打造建设以智慧运维管控和区域运检中心为支撑的“无人值班，少人值守”的新型管理模式，可以提高行业竞争力，减少设备检修时间和维护成本，保障发电效率，同时提高水电站的管理效率与水平。