亭子口水利樞紐智慧電廠建設(shè)探討

李陽(yáng)

(嘉陵江亭子口水利水電開發(fā)有限公司，四川蒼溪，628400)

引言

亭子口水利樞紐位于四川省廣元市蒼溪縣境內(nèi)，是嘉陵江干流開發(fā)中唯一的控制性工程，是國(guó)務(wù)院確定的完善長(zhǎng)江防洪體系六大防洪水庫(kù)工程之一，是西部大開發(fā)重點(diǎn)工程，水利部重點(diǎn)水利民生工程，四川省“再造一個(gè)都江堰灌區(qū)”關(guān)鍵性工程，以防洪、發(fā)電及城鄉(xiāng)供水、灌溉為主，兼顧航運(yùn)以及攔沙減淤等其他綜合利用工程，工程社會(huì)綜合效益顯著，是治水興水的典范。

針對(duì)當(dāng)前水電站傳統(tǒng)運(yùn)管模式復(fù)雜、人力資源大、水能資源調(diào)配效率低、安全巡檢風(fēng)險(xiǎn)高等問題，開展亭子口水利樞紐智慧電廠規(guī)劃與建設(shè)。在遠(yuǎn)端建設(shè)亭子口集控中心，涵蓋運(yùn)維調(diào)控系統(tǒng)、電網(wǎng)接入系統(tǒng)、數(shù)據(jù)交換中心、大壩監(jiān)測(cè)中心等。在電廠端以“智慧電廠”為目標(biāo)，基于5G通信技術(shù)，構(gòu)建5G+智慧電廠應(yīng)用生態(tài)體系，建立完善的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，以信息化、數(shù)字化為基礎(chǔ)，整合全廠數(shù)據(jù)信息，通過(guò)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)體系和通信標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)全廠數(shù)據(jù)互通，使得各系統(tǒng)數(shù)據(jù)充分利用，消除電廠信息孤島[1]。通過(guò)集中管控與遠(yuǎn)程運(yùn)維的創(chuàng)新實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)亭子口水電站集約化和智能化運(yùn)營(yíng)管理與安全決策，最終達(dá)到“無(wú)人值班、少人值守”。

1 5G+水下智能巡檢機(jī)器人和無(wú)人機(jī)

針對(duì)亭子口水利樞紐大壩表面缺陷巡檢、消力池等水工建筑物結(jié)構(gòu)缺陷檢測(cè)的需求，主要研發(fā)高精度壩面無(wú)人機(jī)和消力池水下智能巡檢系統(tǒng)，形成一套可推廣應(yīng)用其他水工結(jié)構(gòu)巡檢裝備。通過(guò)多傳感數(shù)據(jù)融合，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)方法與缺陷數(shù)據(jù)特征，挖掘水工建筑物表觀定量化缺陷識(shí)別模型[2]。結(jié)合巡檢數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、失穩(wěn)機(jī)理和老化壽命評(píng)估，構(gòu)建基于原位數(shù)據(jù)的健康診斷體系。在水下機(jī)器人和無(wú)人機(jī)智能巡檢作業(yè)中的基礎(chǔ)上，充分利用中國(guó)移動(dòng)5G的基礎(chǔ)設(shè)施，采用5GCPE組網(wǎng)的方案，如圖1所示，將現(xiàn)場(chǎng)巡檢的過(guò)程和可視化資料實(shí)時(shí)回傳至電站管理中心、遠(yuǎn)程專家、遠(yuǎn)程指揮中心等處，協(xié)同進(jìn)行庫(kù)壩安全的實(shí)時(shí)診斷，指導(dǎo)機(jī)器人的巡檢作業(yè)，驗(yàn)證5G大帶寬和低時(shí)延能力，提升庫(kù)壩巡檢的及時(shí)性和效率。

圖1 5G+智能巡檢實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程操控示意

該項(xiàng)目以亭子口5G基站為網(wǎng)絡(luò)覆蓋，通過(guò)5GCPE和云視訊專用設(shè)備，搭建專用的通信通道。利用中國(guó)移動(dòng)云視訊專網(wǎng)能力，為現(xiàn)場(chǎng)提供安全可靠、穩(wěn)定低時(shí)延的網(wǎng)絡(luò)和視頻語(yǔ)音能力保障。實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)和遠(yuǎn)程專家的雙向互聯(lián)互通，遠(yuǎn)程專家可以實(shí)時(shí)掌握現(xiàn)場(chǎng)巡檢的狀況，同時(shí)將指導(dǎo)建議通過(guò)視頻和語(yǔ)言的方式發(fā)送給現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員，以及時(shí)調(diào)整作業(yè)方案和計(jì)劃。平臺(tái)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 5G+智能巡檢實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程操控示意

2 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)是面向工業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化需求，構(gòu)建基于海量數(shù)據(jù)采集、匯聚、分析的服務(wù)體系，支撐工業(yè)資源泛在連接、彈性供給、高效配置的工業(yè)云平臺(tái)[3]。以網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)、平臺(tái)為中樞、數(shù)據(jù)為要素、安全為保障，既是電站數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化轉(zhuǎn)型的基礎(chǔ)設(shè)施，也是互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能與設(shè)備管理深度融合的應(yīng)用模式。是整個(gè)智慧電廠系統(tǒng)中高度抽象的平臺(tái)體系，用于集成各子功能、各子模塊，打通各系統(tǒng)的數(shù)據(jù)隔離，消除信息孤島，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和充分利用，方便用戶、電廠管理人員進(jìn)行操作、交互，達(dá)到智慧管控的目的。

2.1 統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)

基于5G、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、局域網(wǎng)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、(移動(dòng))互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)筑滿足企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)所需要的各種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，包括企業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、生產(chǎn)調(diào)度網(wǎng)絡(luò)、企業(yè)綜合管理網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)多網(wǎng)融合、互聯(lián)互通的統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。

2.2 云計(jì)算平臺(tái)

通過(guò)采用云計(jì)算技術(shù)，開展企業(yè)級(jí)云計(jì)算平臺(tái)和數(shù)據(jù)中心建設(shè)，提供高可用性、彈性伸縮的計(jì)算資源池，實(shí)現(xiàn)各類業(yè)務(wù)系統(tǒng)向云架構(gòu)遷移，滿足各類業(yè)務(wù)系統(tǒng)的彈性計(jì)算需求，構(gòu)建智能化水電廠的“云”數(shù)據(jù)中心，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行集中存儲(chǔ)和統(tǒng)一計(jì)算，現(xiàn)實(shí)各個(gè)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)共通、共享。

2.3 物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)

構(gòu)建“智慧亭子口水電”物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，利用5G網(wǎng)絡(luò)、WiFi或有線網(wǎng)絡(luò)等通信技術(shù)把傳感器、控制器、機(jī)器、人員和物等通過(guò)新的方式聯(lián)在一起，形成人與物、物與物相聯(lián)，實(shí)現(xiàn)信息化、遠(yuǎn)程管理控制和智能化的網(wǎng)絡(luò)。實(shí)現(xiàn)快速、即時(shí)、高效的信息采集、信息通信、實(shí)時(shí)監(jiān)控，提高監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的應(yīng)用水平，為正確全面的統(tǒng)計(jì)與決策分析提供保障。

2.4 大數(shù)據(jù)平臺(tái)

KXM大數(shù)據(jù)工業(yè)智能平臺(tái)是由KDM、KKM和KAM三個(gè)軟件系統(tǒng)組成，部署在水電廠現(xiàn)場(chǎng)或數(shù)據(jù)中心(主要對(duì)水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、變壓器，GIS、GCB等主要設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)、分析、診斷)，KDM用于完成數(shù)據(jù)的采集和匯聚，KKM進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算和挖掘，KAM展示挖掘結(jié)果；用于各種人工智能系統(tǒng)的開發(fā)和運(yùn)行，從海量的傳感器數(shù)據(jù)中，自動(dòng)在線挖掘有價(jià)值的特征信息，提供各種決策支持；根據(jù)用戶的業(yè)務(wù)需求，提供相應(yīng)的“人工智能模塊清單”供用戶選擇，通過(guò)KXM平臺(tái)的組態(tài)配置和參數(shù)設(shè)定，實(shí)現(xiàn)所需的人工智能系統(tǒng)，即通過(guò)大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)趨勢(shì)預(yù)警和智能診斷。

3 5G+智能巡檢系統(tǒng)

基于5G基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，加裝5G高清攝像頭、紅外測(cè)溫?cái)z像頭以及在線監(jiān)測(cè)設(shè)備，結(jié)合云端智能算法，實(shí)現(xiàn)電廠智能巡檢。智能巡檢體系主要是以信息化的技術(shù)手段輔助或代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工巡檢。以智能化的方式開展巡檢工作，緩解現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員壓力，做到代替人工巡檢，為“無(wú)人”的智慧電廠打下基礎(chǔ)。系統(tǒng)主要包括服務(wù)端、移動(dòng)端和固定端。服務(wù)端指云端服務(wù)器，用以提供智能巡檢體系各種功能云服務(wù)，如智能缺陷診斷、設(shè)備缺陷管理、巡點(diǎn)檢設(shè)備管理、設(shè)備參數(shù)記錄、報(bào)表打印等；固定端指電廠中相對(duì)固定的巡點(diǎn)檢點(diǎn)位，如高清攝像頭、固定式紅外熱成像儀，RFID測(cè)溫裝置等；移動(dòng)端指人員可隨身佩戴的儀器，如智能云臺(tái)、手持式移動(dòng)紅外成像儀等。系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 5G+智能巡檢整體網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架

4 5G+基于聲紋識(shí)別的故障診斷系統(tǒng)

水電設(shè)備機(jī)械部件發(fā)出的聲音通常是由周期性或非周期性事件引起的機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生的，這些聲音可能由許多不同的現(xiàn)象引起。通過(guò)加裝前端收音裝置，收集設(shè)備運(yùn)行聲紋，以5G網(wǎng)絡(luò)傳輸聲紋數(shù)據(jù)，后端搭建數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)，將實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)統(tǒng)一管理，開發(fā)智能算法方便后期查詢、利用，基于歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，不斷優(yōu)化、完善設(shè)備故障診斷模型，提高模型識(shí)別準(zhǔn)確度。針對(duì)歷史數(shù)據(jù)訓(xùn)練故障診斷模型，通過(guò)實(shí)時(shí)聲紋數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)診斷設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)出線異常的設(shè)備發(fā)出告警，及時(shí)通知現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維人員，進(jìn)行運(yùn)行維護(hù)。

5 5G+安全管控

主要是結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，一是開展高清攝像頭+智慧算法，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的違章作業(yè)進(jìn)行智能識(shí)別；二是人員定位：5G+分布式計(jì)算，結(jié)合員工智慧胸牌，進(jìn)行精準(zhǔn)定位，保障外來(lái)人員安全，防范非法闖入等；三是VR三維動(dòng)畫展示：建立以亭子口電站3D模型數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，應(yīng)用VR和AR技術(shù)，實(shí)現(xiàn)安全培訓(xùn)、實(shí)操演練、事故演練和考試，根據(jù)前端在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)反饋數(shù)據(jù)，結(jié)合大數(shù)據(jù)智能算法及預(yù)警措施，形成功能閉環(huán)，及時(shí)制止違章操作。

6 建設(shè)效益

智慧電廠建設(shè)將在亭子口水利樞紐安全管控能力、生產(chǎn)運(yùn)行管控能力、設(shè)備管控能力和經(jīng)營(yíng)決策水平等多方面產(chǎn)生積極作用：

(1)安全生產(chǎn)方面通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)安全風(fēng)險(xiǎn)、設(shè)備安全風(fēng)險(xiǎn)的全面管控，統(tǒng)一管理現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用系統(tǒng)和安全設(shè)施，實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通、數(shù)據(jù)共享和消息聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)智慧應(yīng)用和安全風(fēng)險(xiǎn)管控，從而提升公司安全生產(chǎn)管控水平；

(2)設(shè)備管控方面采用人工智能技術(shù)，為故障診斷、狀態(tài)監(jiān)測(cè)的科學(xué)決策提供技術(shù)支撐，并結(jié)合廠站巡檢及點(diǎn)檢數(shù)據(jù)，運(yùn)用大數(shù)據(jù)挖掘及AI技術(shù)實(shí)現(xiàn)受控廠站設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的劣化分析和智能預(yù)警報(bào)警；

(3)生產(chǎn)運(yùn)行管控方面通過(guò)優(yōu)化設(shè)備運(yùn)行、優(yōu)化生產(chǎn)運(yùn)行，對(duì)各發(fā)電廠進(jìn)行集約化管理，提高企業(yè)的生產(chǎn)效益，提升亭子口水利樞紐集中管控水平，增強(qiáng)核心競(jìng)爭(zhēng)力和綜合實(shí)力；

(4)項(xiàng)目的實(shí)施可大力提升亭子口水利樞紐信息化建設(shè)水平和智慧企業(yè)建設(shè)水平，增強(qiáng)社會(huì)對(duì)亭子口水利樞紐社會(huì)責(zé)任的認(rèn)同感，提升可持續(xù)發(fā)展的品牌價(jià)值。