孤山航电枢纽工程运维期智慧电厂建设总体规划

王成明 付豪 周强 董诗超

摘要：为提升孤山航电枢纽工程智慧运维管理水平和质量，保障运维管理的可靠性，开展了运维期智慧电厂整体架构和业务系统的总体规划和顶层设计。在综合运用大数据、工业互联网、物联网等新一代信息技术基础上，综合分析孤山航电枢纽工程生产运行信息，提出了运维期智慧电厂总体架构，设计智慧功能模块。结果表明：该智慧电厂设计可有效实现电厂、船闸及鱼道等生产业务系统智能控制和智慧管理信息的融合，并可以此为基础开发孤山智慧电厂运维期的各类智慧业务系统。

关键词：智慧电厂； 运维期； 总体规划； 孤山航电枢纽工程

中图法分类号：TV212

文献标志码：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.06.010

文章编号：1006-0081（2023）06-0053-05

0 引 言

智慧电厂是数字化、信息化和智能化理念在水电领域中的具体体现，以人工智能、大数据、云计算、物联网与移动互联等新一代信息技术为基本手段，建立泛在感知、智能分析、智能预警、智慧决策的管理体系，为水利水电工程建设提供全过程、全方位、可追溯的智能运维手段和信息协同共享平台［1-2］。

目前已投运的电厂往往采取传统水电站的建设模式，在运维期常需要多人值守值班，在监控、运维以及发生故障时，需要通过人为操作，凭经验进行判断，按照计划进行排查，很难提升生产和运维效率。而智慧电厂基于新一代信息技术，如大数据、工业互联网、云计算、人工智能、物联网技术等，在自主可控、安全可信的基础上，可实现智能控制、智慧管理、生产信息和管理信息的融合［1］。

为方便统一管理，结合现有信息化系统，在孤山航电枢纽工程开展智能化建设设计，考虑两地办公的运维需要，积极推进智能化理念融入日常管理工作，满足远程、可视、实时的建设管理需求，提高工程管理效率。

1 工程概况与建设目标

孤山航电枢纽工程位于湖北省十堰市，汉江上

游干流郧西县及郧县境内，工程任务以航运为主、结合发电需求。孤山航电枢纽工程电站装有4台灯泡贯流式水轮发电机组，单机容量45 MW，总装机容量180 MW，年利用小时数为3 275 h，多年平均发电量5.9亿kW·h。电站按无人值班（少人值守）设计。

枢纽从左至右总体布置格局为：左岸非溢流坝段、船闸、左区泄水闸、生态放水闸（纵向围堰）坝段、右区泄水闸、电站厂房及右岸非溢流坝段。鱼道布置在右岸并靠岸位置。郧西业主营地布置在大坝上游左岸，是电站运维人员的主要办公和生活场所。电站投运后接入孤山襄阳集控中心。目前4台机组已正式投产发电，右区泄水设施已投入运行，左区泄水设施及船闸正在建设中。

在水利部《智慧水利总体方案》框架下，以枢纽工程运行管理需求为引领，规划孤山航电枢纽工程运维期智慧电厂建设方案。智慧电厂建设将应用GIS+BIM、云计算、大数据、数字工程、工程物联网等技术，建立全生命周期工程數据中心、应用支撑平台，全面实时感知电厂生产运行信息、智能设备管理信息、检修管理信息、安全管控信息、技术信息等全要素的工程数据，创建孤山智慧电厂的各类运维期智慧业务系统，形成以工程数据为基础、智慧应用为核心、智慧调度运行管理为目标的孤山航电枢纽智

慧电厂，以降低电厂电力生产管理和运维成本，保证电厂安全高效的运行，充分发挥电厂的经济效益［3］。

2 总体架构设计

孤山航电枢纽工程运维期智慧电厂由自动感知层、自主传输层、数据分析层、基础支撑平台层、业务应用层、可视化会商决策层构成［4］。自主感知层是数据采集的抓手，自主传输层是数据传递的通道，数据分析层是数据汇集、存储和分析的中枢，基础支撑平台层是提供模型三维可视化展示、调用以及位置服务的支撑，业务应用层为具体功能实施模块，可视化会商决策层是集成展示工程运维信息、辅助决策的“驾驶舱”。孤山航电枢纽运维期智慧电厂总体框架如图1所示。

智慧电厂系统具体划分如下［5］。

（1）泛在感知层。利用GPS、RFID、宽频定位、电子标签、智能摄像机等设备，辅以APP、电子表单、

PC端人工导入功能，可自动获取工程运行维护所需关键信息，替代传统人工巡检，提高工作效率和数据利用率，保证数据准确性，为电厂运行管理数据信息的自动采集、实时共享、及时反馈提供技术支持。

（2）自主传输层。通过建设通信网络、计算机网络和数据中心，构建有线网络与无线传输全覆盖

的枢纽区域通信环境，为组建各种智能设备的物联网奠定良好基础，保证在开阔环境和在电厂主厂房各功能室内，布置的自动感知设备所获取的各类信息数据都能够及时、准确地自主传输［6］。

（3）数据分析层。数据是智慧工程建设的关键要素，是创造价值的基础。依靠工程项目过程的积累、物联网传感设备、移动设备以及智能互联，不断获取内外部异构时变数据。数据分析层集成不同类型的大量数据，通过内置算法模型库，对数据转化处理、统计与分析，深度挖掘数据隐藏的价值，惠及业务应用层面的各项业务，通过数据-知识-智慧的跃迁实现数据资源赋能。

（4）基础支撑平台层。GIS+BIM基础支撑平台提供三维GIS与BIM模型的集成、数据交换、场

景管理、三维展示、空间分析和空间查询等基础功能服务，在此基础上结合枢纽运维管理的应用需求，实现多种专题服务接口，用于支撑枢纽运维管理的基础数据集成与可视化表达。

（5）业务应用层。主要涵盖生产运维期的管理内容，划分为智慧检修、智慧库坝、智慧调度、智慧运行四大板块。该层面向枢纽管理人员和具体智能技术专项应用的运维人员，与相关机构和部门的职能

相对应，服务于日常管理的需要，实现对枢纽运行维护各环节的高效管控。

（6）可视化会商决策层。提供跨平台、多终端的决策支持环境，对生产运维期智能控制（主要包括检修、维护、调度的过程及分析成果数据）和智慧管理（主要包括智能设备管理、智能生产管理、智能巡检、智能决策支持、智慧办公平台等）等关键数据进行集成展示，并结合虚拟现实技术，将枢纽实体运行维护的属性、状态和行为进行可视化表达，以大屏图展示的方式实现数据的集成应用和互联互通，通过AI技术，结合历史数据、类似工程经验和专家会商系统对现场异常作出实时分析，辅助决策者进行决策、反馈。

3 智慧功能模块设计

根据孤山航电枢纽工程智慧电厂运维期的管理模式，将智慧建设功能划分为智慧检修、智慧库坝、智慧调度、智慧运行四大板块［7］。

（1）智慧检修。基于大数据挖掘技术，以同步监控、动态分析、智能诊断、自主决策为目标，通过实时采集分析设备运行状态参数、实时评价设备健康状态、预警预判设备运行风险，并针对风险情况，智能配置“人、机、料、法、环”等生产要素［8］。智能决策设备检修方案，实现检修管理手段由计划性检修、事后检修向精准检修、预测检修演进，使设备检修管理模式趋于柔化、动态化和智能化［9］。该模块主要包括设备运行风险趋势预警模块、设备实时故障诊断及定位模块以及设备智慧检修管理模块。

（2）智慧库坝。利用物联网、大数据等技术，充分挖掘大坝运行安全及库容调节等数据，分析大坝运行期间健康状态，对因坝体自身缺陷或超标准调蓄工作致坝体损伤等造成的潜在安全隐患进行预警，对大坝防洪蓄水实施精确、全面、智能监控，确保大坝运行期间安全稳定。

（3）智慧调度。利用云计算、物联网、人工智能等技术，以实时感知、精准预测、智能控制为目标，对气象、水情、设备、市场、发电、防洪等数据进行充分挖掘，实现自动识别、自动决策和自动演进的流域水电调度控制，对流域梯级电站实施精细、科学、智能调控，以实现水能有效利用最大化［10］。主要包括智能感知预测模块和智能调控模塊。

（4）智慧运行。在物联网的基础上，综合发挥云计算与大数据的优势，集成以人工智能为主的多种智能技术，以搭建设备状态可知、执行过程可视、作业环境可见、绩效指标可现的生产全景可视化平台，实现设备统一信息平台管理和全方位实时监测与展现，实现全网设备的智慧运行［11］。

4 关键技术研究

孤山航电枢纽工程包括电站（含鱼道）、泄水闸、船闸等区域，枢纽区域的旅游资源开发面临管理难度大、运维困难等诸多挑战。因此，充分利用当前先进科学技术，提出适用于枢纽运行环境和特点的智慧高效可靠的运维管理整套解决方案，提升对航电枢纽工程的智能监管能力、异常状况感知水平、极端异常工况应对能力，提升枢纽工程的运维效率和质量，保障运维管理的高可靠性，是运维期智慧电厂建设的重点和难点。

4.1 无人电厂监测前端智慧感知技术

（1）结合孤山航电枢纽厂房布置、设备类型、结构以及运维需求，研究智能巡检机器人定制化方案以及最优巡检路径，实现水电站全方位无人监测［12］。传统人工巡检方式存在劳动强度大、工作效率低、检测质量分散、手段单一等问题，人工检测的数据也无法准确、及时地接入信息管理系统。相比较而言，智能巡检机器人可代替人工进行日常的巡视和检测工作，具有自动巡检功能。机器人可按照每日规划的巡视检测任务，定时开始巡视检测工作，根据预先设定的巡检点的位置，沿着预定轨迹依次进行自动巡检。机器人搭载有各种高精度数据采集设备，包括高清摄像机、红外热像仪、温湿度和气体传感器、高保真声音采集器等，通过移动监测的方式，实现管廊信息监控的全覆盖、全检测。

智能机器人巡检系统采用全数字分级分区方案，系统共分为控制级和分区级，主要由网络设备、后台智能分析设备、前端机器人感知设备组成。

（2）研究基于射频识别（RFID）、WIFI、超宽带（UWB）室内定位等技术的物联网感知网络构建方案，实现对人员、设备、物资的准确识别定位和监测。水利水电工程普遍存在人员、设备、物资等在建筑物垂直维度的室内定位需求。通过对各类定位传感器技术原理的研究，结合工程建筑物的特点，选择合适的传感器配置方案来搭建物联网感知网络架构，提供智能定位和监测解决方案，为智慧电厂提供人、物、料实时定位数据信息。

4.2 无人电厂远程高效运维管理

基于BIM、AR及云边协同的无人电厂远程高效运维管理研究主要内容为以下2点。

（1）研究基于云边协同的视频优化处理方案，依托边缘预处理技术，构建基于行为/事件感知的视频监控数据弹性存储和上传机制，保障枢纽安全智能监控。

（2）研究基于BIM模型、AR技术的全息可视化三维展示和移动式交互运维方案，实现枢纽工程及其设备信息全息显示、设备身份识别、集成管理与远程协作，提高电厂运维效率与运维质量，减少电厂运维人员投入。

4.3 无人电厂运维管理一体化平台技术

（1）研究基于国产软硬件系统的无人电厂远程智慧运维管理平台，构建整套解决方案，提出数据转换、清洗、去噪方法，实现全厂运维数据资源池的整合，为智慧电厂高级应用开发提供安全高效的数据中台服务［13］。

（2）研究建立一套完整的信息编码体系，为工程各部位、各系统、各设备、各部件的统一编码提供科学依据和技术指导，为一体化平台实现跨系统信息交换与共享等提供基础。

（3）构建水电站设备知识图谱，形成一整套完整的知识存储、查询和分析体系，实现水电站设备的全景式管理。

4.4 设备状态高可靠评估方案技术

数据驱动的设备状态高可靠评估方案关键技术研究主要内容为以下3点。

（1）结合工程所处环境特征，研究设备健康标准体系和状态评估方案，评出设备健康等级，科学有效评价设备状态。在传统的定期计划检修模式下，机电设备数量与检修所需的有限资源间的矛盾突出，已难以按规程规定的检修周期和项目进行检修，总体检修质量也难以提高。同时，由于定期检修模式没有根据各设备的状态安排设备的检修周期，导致状态较好的设备过度检修，状态较差的设备则检修不足。通过大数据分析与专家系统的支持，形成一套科学的评价体系，对设备的健康状态做出评价，以指导运维工作有序开展。

根據设备状态评价结果，智能决策是否需要开展检修工作。常规检修任务可自动派发至巡检机器人完成；必须由检修人员执行的任务，可根据检修人员分布情况，就近派发检修任务［14］。

（2）分析设备异常状态与设备运行参数之间的耦合关系，研究关键参数的特征提取和趋势预测方法，实现电厂设备的预测性维护。

（3）研究基于人工智能算法和故障诊断知识库的设备故障诊断方案，实现设备故障类型、位置及程度等的精确感知。

4.5 襄阳集控中心应急运维管理技术

（1）研究通信中断、堵塞等极端通信异常场景下襄阳集控中心的应急运维管理模式以及模式切换方案，最大化维持襄阳集控中心的核心监管功能。

（2）研究前端感知设备异常工况下襄阳集控中心的短时替代性运维管理方案，提升襄阳集控中心运维管理的鲁棒性和可靠性。

5 结 语

本文从孤山航电枢纽工程运维期智能控制与智慧管理的需求出发，结合目前先进信息化技术发展现状，阐述了枢纽工程运维期智慧电厂建设总体规划和顶层设计。通过对智慧电厂总体架构的设计，遵循统筹规划、分步实施的原则，以现代信息化技术、自动化技术为支撑，推动枢纽管理模式、生产方式全面创新，实现以数据驱动的自动感知、智能预判、智慧决策的柔性组织形态和新型电厂管理模式，建设具有竞争力的智慧电厂。

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（编辑：唐湘莤，张 爽）

General planning for construction of smart power plant in operation and maintenance period of Gushan Navigation and Hydropower Project

WANG Chengming1，FU Hao1，ZHOU Qiang1，DONG Shichao2

（1.Changjiang Survey， Planning， Design and Research Co.， Ltd.，Wuhan 430010，China；

2.Hanjiang Gushan Hydropower Development Co.，Ltd.，Shiyan 442600，China）

Abstract：

In order to improve the management level，quality，and reliability of the intelligent operation and maintenance of Gushan Navigation and Hydropower Project，the overall structure and business system of intelligent power station during operation and maintenance were planned and top-level designed.Based on the comprehensive application of new generation information technologies such as big data，industrial Internet and Internet of Things，and comprehensive analysis of production and operation information，the overall operation and maintenance architecture of intelligent power plant was proposed and the intelligent function mode was designed.The overall planning can effectively realize the integration of intelligent control and intelligent management information of production and business systems such as power plant，lock and fishway，and on this basis develop various intelligent business systems during operation and maintenance of Gushan intelligent power plant．

Key words：

smart power plant； maintenance period； overall plan； Gushan Navigation and Hydropower Project