武義縣智慧水電大運維平臺技術(shù)的研究與實踐

章旭偉，陶燕麟，張仁貢，趙克華

（1. 浙江省金華市武義縣宣平溪水電工程管理處，浙江 武義 321200；2. 武義縣小水電發(fā)展有限責(zé)任公司，浙江 武義 321200；3.浙江禹貢信息科技有限公司，浙江 杭州 310009）

1 工程概況

武義縣小水電發(fā)展責(zé)任有限公司主要經(jīng)營范圍是在武義縣境內(nèi)開展小水電項目的投資、開發(fā)和經(jīng)營。截止2017年，公司現(xiàn)下轄11座水電站分別是麻陽一級電站、麻陽二級電站、麻陽三級站、麻陽四級站、杉坑橋電站、柳城電站、下種坑電站、章五里一級電站、章五里二級電站、章五里三級電站、峰源電站、直源電站、石硤電站，11座水電站的總裝機(jī)容量為16 230 kW。

武義縣小水電發(fā)展責(zé)任有限公司與浙江禹貢信息科技有限公司合作，對智慧水電建設(shè)進(jìn)行研究與實踐，充分考慮并采用先進(jìn)、主流、可靠的應(yīng)用技術(shù)，以相關(guān)國標(biāo)和省標(biāo)為基礎(chǔ)，以智能化和一體化作為設(shè)計目標(biāo)，通過系統(tǒng)實現(xiàn)水電站的遠(yuǎn)程集中監(jiān)視、控制、預(yù)警和指揮調(diào)度，實現(xiàn)人員的集中管理和調(diào)配。需要充分考慮各種規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)，保證系統(tǒng)的可靠性、高效性、穩(wěn)定性和開放性，形成統(tǒng)一化、智能化的綜合管理系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

公司水電站分布在武義縣各個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，集控中心位于縣城內(nèi)。部分現(xiàn)地已實現(xiàn)無人操作，以電力行業(yè)無人生產(chǎn)信息化方案為借鑒。在地理緯度上實現(xiàn)縱向分為現(xiàn)地控制層和集控中心層，在管理緯度上在橫向分為生產(chǎn)區(qū)、監(jiān)控區(qū)和管理區(qū)。因此對武義小水電發(fā)展有限責(zé)任公司的智慧水電平臺采用縱向分層、橫向分區(qū)的體系結(jié)構(gòu)。現(xiàn)地以自動化控制系統(tǒng)為核心輔以智慧監(jiān)控體系結(jié)構(gòu)。集控中心以遠(yuǎn)程控制和智能化管理為核心。系統(tǒng)建設(shè)總體結(jié)構(gòu)如下頁圖1。

2.1 生產(chǎn)控制區(qū)（Ⅰ區(qū)）

生產(chǎn)控制區(qū)（Ⅰ區(qū)）縱向接入各水電站的現(xiàn)地自動化控制系統(tǒng)，劃分為集控中心自動控制系統(tǒng)和現(xiàn)地自動控制系統(tǒng)。

目前已有4座水電站實現(xiàn)了自動化改造，還有7座未實現(xiàn)自動化改造，4座自動化改造的水電站其中有2座已接入集控中心，未來所有的水電站將統(tǒng)一接入集控中心。如水電站未接入集控中心，則現(xiàn)地控制層的自動化系統(tǒng)主要包括計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、傳感器采集設(shè)備等，而水電站如已接入集控中心，則所有計算機(jī)監(jiān)控設(shè)備均設(shè)在集控中心的機(jī)房內(nèi)。集控中心設(shè)置在公司總部一樓，設(shè)有監(jiān)控運行中心和機(jī)房。在監(jiān)控中心主要對已接入集控中心實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的水電站進(jìn)行統(tǒng)一的遠(yuǎn)程自動化控制和視頻監(jiān)控。

未來計劃完成剩余7座水電站的自動化改造，并且將所有的水電站統(tǒng)一接入到集控中心，實現(xiàn)遠(yuǎn)程統(tǒng)一開停機(jī)管理和視頻監(jiān)控。

2.2 監(jiān)測安防區(qū)（Ⅱ區(qū)）

圖1 武義縣智慧水電大運維平臺結(jié)構(gòu)圖

監(jiān)測安防區(qū)（Ⅱ區(qū)）縱向接入各水電站的水雨工情、視頻、安防、聲音、溫度等數(shù)據(jù)監(jiān)測設(shè)備系統(tǒng)，劃分為集控中心的監(jiān)測安防系統(tǒng)和現(xiàn)地控制層監(jiān)測安防系統(tǒng)。

由于集約化管理之后現(xiàn)地實現(xiàn)了無人值班，因此在現(xiàn)地的監(jiān)測安防系統(tǒng)主要為設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)及語音告警為主。主要包括聲音采集系統(tǒng)、溫度采集系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、入侵監(jiān)測系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)。

1）聲音采集系統(tǒng)，為每臺機(jī)組設(shè)置一個聲音近距離的采集設(shè)備，實現(xiàn)聲音的遠(yuǎn)程采集并在集控中心實現(xiàn)聲音遠(yuǎn)程的數(shù)字化波形式監(jiān)控。

2）溫度采集系統(tǒng)，對于水電站的電纜連接頭、斷路器、變壓器連接頭、隔離開關(guān)、電纜室、開關(guān)柜等要通過在線測溫系統(tǒng)進(jìn)行溫度監(jiān)測。

3）視頻監(jiān)控系統(tǒng)，對于要開展遠(yuǎn)程控制的水電站，需在關(guān)鍵點位如尾水、主廠房、開關(guān)室、升壓站等設(shè)置視頻并接入到統(tǒng)一的視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

4）門禁系統(tǒng)：門禁系統(tǒng)包括可視對講子系統(tǒng)和指紋門禁系統(tǒng)，可在監(jiān)控中心直接實現(xiàn)遠(yuǎn)程的對話和控制。

5）入侵監(jiān)測系統(tǒng)：建立紅外電子圍欄，實現(xiàn)入侵監(jiān)測和告警。

集控中心層的監(jiān)測安防系統(tǒng)建立集中數(shù)據(jù)存儲中心，對視頻、圖像、聲音、溫度、監(jiān)測等數(shù)據(jù)采用磁盤陣列進(jìn)行存儲，并在軟件系統(tǒng)界面進(jìn)行實時顯示。集控中心層的監(jiān)測安防系統(tǒng)可根據(jù)需要由運行管理人員通過操作網(wǎng)路鍵盤對輸入的前端監(jiān)視點圖像信號進(jìn)行選擇切換輸出至大屏幕顯示系統(tǒng)（DLP）顯示，供管理人員觀看高質(zhì)量的前端實時圖像信息，為相關(guān)部門和人員提供決策依據(jù)。

2.3 智能管理區(qū)（Ⅲ區(qū)）

智能管理區(qū)（Ⅲ區(qū)）包括業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)和決策支持系統(tǒng)，是實現(xiàn)智能化管理的關(guān)鍵，由現(xiàn)地值班人員和公司總部集控中心協(xié)同完成。

智慧管理區(qū)的智能化業(yè)務(wù)系統(tǒng)主要包括工程巡查管理系統(tǒng)、安全監(jiān)測預(yù)防預(yù)警系統(tǒng)、OA移動辦公系統(tǒng)、安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化管理系統(tǒng)、GIS地理信息系統(tǒng)、智能化決策支持系統(tǒng)。各系統(tǒng)基于角色權(quán)限分層分級管理，權(quán)限級別從現(xiàn)地控制層向集控層遞增，根據(jù)不同角色的不同權(quán)限實現(xiàn)協(xié)同式管理。

2.4 ⅠⅡⅢ區(qū)間數(shù)據(jù)通信規(guī)則

安全控制區(qū)和智能管理區(qū)，在通信策略上相互獨立和隔離，安全控制區(qū)數(shù)據(jù)通過硬件防火墻策略可以實現(xiàn)單向傳輸?shù)奖O(jiān)測安防區(qū)，監(jiān)測安防區(qū)在硬件防火墻控制策略上可實現(xiàn)單向傳到云服務(wù)器上，數(shù)據(jù)從I區(qū)向III區(qū)單向流轉(zhuǎn)，數(shù)據(jù)匯集到云服務(wù)器上后，為智能管理區(qū)提供數(shù)據(jù)支持服務(wù)（見圖2）。

圖2 三區(qū)數(shù)據(jù)訪問控制策略

3 設(shè)計與開發(fā)

平臺的建設(shè)涉及的技術(shù)很多，包括安全控制區(qū)、監(jiān)測安防區(qū)、智能管理區(qū)的20多項核心技術(shù)，下面限于篇幅，僅僅介紹幾種技術(shù)，作為參考。

3.1 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)

麻陽三級站和麻陽四級站還未接入網(wǎng)絡(luò)，其他電站在寬帶上都接入了電信寬帶。其中麻陽一級站和杉坑橋利用硬件防火墻接入公網(wǎng)后和集控中心的硬件防火墻相連，在兩端配置后形成虛擬局域網(wǎng)，防火墻設(shè)備采用的是臺灣品牌合勤防火墻，型號為ZyWALL USG 2000，接入集控中心的水電站和集控中心通過上述的硬件防火墻，借助公網(wǎng)的電信寬帶形成兩個VLAN，一個是視頻控制子網(wǎng)，一個是自動化控制子網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

3.2 升壓站溫度遙測站建設(shè)

對于遠(yuǎn)程控制的水電站的升壓站進(jìn)行溫度實時在線監(jiān)測，并將數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)控中心，在監(jiān)控中心可以根據(jù)設(shè)置的溫度閥值，對某個水電站的升壓站溫度異?，F(xiàn)象進(jìn)行報警。

溫度監(jiān)測采用熱成像技術(shù)，通過熱成像攝像頭進(jìn)行監(jiān)測點溫度采集，并實時傳遞到集控中心，熱成像溫度誤差控制在±5°。

通過通信網(wǎng)絡(luò)將各升壓站的前端紅外在線監(jiān)測設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)，建立一個整體的遠(yuǎn)程紅外在線自動監(jiān)測體系，實現(xiàn)統(tǒng)一的監(jiān)測管理。遠(yuǎn)程的升壓站溫度采集設(shè)備采用紅外熱成像在線監(jiān)測設(shè)備，對視場內(nèi)升壓站所有運行設(shè)備進(jìn)行每天定時巡檢，獲取覆蓋范圍內(nèi)的紅外熱圖像，每個在線式熱成像儀按照預(yù)先設(shè)定的程序巡檢，大大減少人力巡視，提高了生產(chǎn)效率和自動化程度。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4：

圖4 升壓站溫度在線集中監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

升壓站接線圖如圖5所示：

3.3 主廠房聲音遙測站建設(shè)

主廠房聲音遙測站包括了拾音器、硬盤錄像機(jī)、WiFi通信模塊組成，結(jié)構(gòu)如下頁圖6所示。

（1）拾音器

圖5 升壓站熱成像測溫設(shè)備接線圖

圖6 主廠房聲音遙測站結(jié)構(gòu)圖

拾音器將聲音采集到硬盤錄像機(jī)后，遠(yuǎn)程服務(wù)器通過INTERNET網(wǎng)讀取后，進(jìn)行數(shù)字信號的轉(zhuǎn)化輸出。

（2）通信模塊

采用支持WiFi和以太網(wǎng)兩種通信模式的通信模塊，以太網(wǎng)為主，WiFi為輔。

（3）供電模塊

供電系統(tǒng)采用220 V市電，電源可由主廠房視頻監(jiān)控電源引出。

（4）安裝方式

聲音采集器距離水輪機(jī)1 m內(nèi)距離，有網(wǎng)絡(luò)條件下采用以太網(wǎng)提高網(wǎng)速，無網(wǎng)絡(luò)情況下可采用WiFi傳輸。

3.4 水庫棄水流量遙測站建設(shè)

需要對有水庫的水電站的棄水情況進(jìn)行統(tǒng)計及匯總，一是作為水庫調(diào)度的依據(jù)，二是成為未來水電站增效擴(kuò)容設(shè)計的主要依據(jù)，避免過度投資。棄水統(tǒng)計需存儲同期降雨量數(shù)據(jù)。

公司下轄的11座小水電共有6座水電站有水庫并且還未開展增效擴(kuò)容改造，溢洪道主要為正常溢洪道有閘門，有個別為自流式溢洪道沒有閘門。情況如表1所示：

表1 6座水庫溢洪道類型清單

對于正常的溢洪道通過對閘門的控制系統(tǒng)進(jìn)行開度監(jiān)測，并經(jīng)換算可以獲知流量信息。對于自流式溢洪道通過超聲波水位計監(jiān)測水位信息，并經(jīng)過換算可獲知流量信息。

（1）閘門開度遙測

石硤電站有翻板閘，未建自動化控制系統(tǒng)，需要在現(xiàn)地控制卷揚(yáng)機(jī)手工啟閉，需安裝一個閘門開度儀實時獲取閘門開度信息。

（2）水位遙測方案

其他5個水庫可以通過水位遙測站計算溢洪道的水位并計算流量，水位遙測站由RTU及通信模塊、傳感器、供電模塊三部分組成，系統(tǒng)組成如圖7所示。

圖7水位遙測站結(jié)構(gòu)圖

1） RTU及通信模塊：RTU是水情監(jiān)測中廣泛使用的設(shè)備，其功能是完成被測參數(shù)的數(shù)據(jù)采集、存貯（顯示）和傳輸控制，并通過通信設(shè)備與信道完成數(shù)據(jù)傳輸。本項目擬采用具備自報式和召測式工作模式和較大自存儲量的RTU設(shè)備，通信模塊則具有使用GPRS網(wǎng)絡(luò)的通信能力。

2）傳感器：本項目擬采用雷達(dá)水位計作為水位采集傳感器。雷達(dá)式水位傳感器是一款非接觸式水位計，采用脈沖雷達(dá)技術(shù)對水位進(jìn)行測量，這種節(jié)能、非接觸式的測量技術(shù)使得其在測量時不受溫度梯度、水中污染物以及沉淀物的影響，因而可以獲取精確的測量結(jié)果。該雷達(dá)物位計的安裝，將使用活動金屬桿橫向挑出壩頂，垂直向下對水面水位進(jìn)行監(jiān)測的方式進(jìn)行。

3）供電模塊：供電系統(tǒng)采用220V市電，電源由閘門啟閉機(jī)房引出。

4）安裝方式：雷達(dá)水位計發(fā)射的信號呈圓錐形向外擴(kuò)散，所以要求在最大量程的前提下，發(fā)射的信號不能遇到除目標(biāo)水面以外的任何障礙物。

安裝完畢后，在有風(fēng)或者有其他沖擊情況下，支架不會晃動、顫抖。

4 結(jié)束語

武義小水電發(fā)展有限責(zé)任公司智慧水電站的建設(shè)是通過信息化建設(shè)，解決傳統(tǒng)管理中存在的問題，提高工作效率，減輕工作強(qiáng)度，使水電站管理趨于規(guī)范化、科學(xué)化，并實現(xiàn)水電站的遠(yuǎn)程無人控制和標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)管理，實現(xiàn)所有電站無人值守，達(dá)智能電站的目標(biāo)。

其次，通過信息化建設(shè)帶動人才梯隊建設(shè)，通過信息化引導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)化，通過標(biāo)準(zhǔn)化提升員工的業(yè)務(wù)能力，為電站的可持續(xù)發(fā)展提供基礎(chǔ)人才保障。