(黄河水电公司宁电分公司 宁夏青铜峡 751601)
摘要：随着人工智能技术的飞速发展和我国互联网 + 战略部署，水电厂智能化将是传统水电厂发展的必然趋势。本文从传统水电厂存在的问题入手，详细介绍了水电厂智能化的主体架构的和业务功能。
关键词：人工智能；水电厂
0 引言
近年来， 我国智能电网—“电网2.0”行业发展迅速，能源电力行业不断演化升级，数字化、物联网及5G等新技术突破催生电力互联网；电网智能化水平提升带动多种能源优化互补，在输配变电和用户环节已形成“坚强智能电网”，但在水力发电方面智能化建设相对滞后。水力发电作为装机占比第二大的电力种类，在电网中的重要性不言而喻。随着人工智能技术的飞速发展和我国互联网 + 战略部署，水电厂智能化将是传统水电厂发展的必然趋势。
本文结合近年我国水电站现状， 提出传统水力发电厂存在的问题，介绍了智能化水电厂的主体架构和主要业务功能，以及智能化水电厂带来的经济效益和管理效益。
1.传统水电站存在的问题
1.1硬件配置落户和系统互不兼容，难以实现实时数据的传输和共享
传统水电厂控制对象众多，变送器和信息采集装置结构冗杂，易受到电磁干扰，而且采集装置的数据处理、存储、分析难以实现集中控制。不同厂家设备或系统数据结构模型难以相互兼容，导致数据、 信息的采集与传输迟滞、 低效，由于系统的互不兼容性，导致出现应用孤岛。海量、多维度的数据对当下水电厂数据存储和并行计算能力提出了较高的要求。传统的设备实时监控、大坝监测和水库调度的独立性设计应用软件不能实现数据互通，难以满足日渐增长的业务需求。
1.2难以适应当前大环境下的需求
水电厂在电力系统中担任调峰、调频、调相和事故备用的作用，传统水电厂只能实现电力流、数据流单向流向电网，无法主动参与电力系统的协调。如果水电厂仍沿袭以往的运行模式，将难以满足电力体制改革能源现货交易的需求。
综上所述，建设智能化水电厂，利用人工智能技术和大数据的思想建设信息统一数据平台，综合应用互联网、大数据资源，充分发挥智能化系统强大的信息处理能力，全面掌握生产经营流程，科学制定生产经营计划，打造全过程控制生产过程、少人工干预的智能化水电厂，是传统水电厂技术发展的必由之路。
2.智能化水电厂亟待解决的问题
2.1随机性
生产场景内事件发生的各种条件相互转换，并受潜在和隐含因素的作用，从而导致事件的出现与否表现出不确定性。发电设备在设计、制造、安装、检修、调试、维保过程受人的主观作用，人的学习能力和情感意志将影响事件形成条件和随机过程，导致不确定性。
2.2模糊性
发电设备失效现象在场景多变、流程复杂和强人工干预下，呈现为模糊性，具体体现为概念模糊和生产场景中到底包含哪些事件、哪些问题有模糊性传统工程试验和统计分析越来越难以满足精细化生产管理的要求，由此得出的结论也很难推广和应用到实例化对象上。
2.3知识的不完善性
随着近年来高参数、自动化发电新技术快速推广，发电设备改造力度加大，发电灵活性运行需求增长，使得发电生产场景和设备运行出现新状况和新变化，导致人工梳理的知识沉淀和知识转化难以满足生产需求。
3.智能化水电厂的总体架构
.png)
图一：智能发电功能架构
如图一，智能化水电厂以大数据、云平台为支撑，由智能运行控制平台（ICS)和智能公共服务平台（ISS）两个中心构成，智能运行控制平台（ICS)具有智能控制、智能检测、运行监控三个功能，实现对水电厂的一体化管控，智能公共服务平台（ISS）具有智能安全、智能管理、智能服务三个功能，各平台采用“横向隔离，纵向认证”数据传输方式，实现数据的集中处理和云端存储。形成精细管理和高度集控的发电运行控制与管理模式，借助三维可视化多媒体技术、大数据云计算、先进可靠的信号采集技术 ，提高设备运行的可靠程度，优化系统运行方式，利用人工智能代替部分人工操作，提高综合效益。
3.1智能运行控制平台（ICS）
.png)
图二：智能运行控制平台（ICS）
如图二，智能运行控制平台（ICS）采用纵向分层、横向分区的结构，从上到下依次分为应用层、计算层和数据层。数据层对智能化电厂的所有数据资源统一管理，为整个智慧电厂运营管理中心提供数据支持。计算层专注于算法的研究和升级，通过不断开发、更新、优化算法，一方面尽力用机器取代电厂的人力，另一方面最大程度地优化电厂的决策。智能控制引擎负责对电厂进行集控调度，与传统调度中心不同的是，调度中心在调度模型中运转，不同电厂的调度中心，核心模型大体相同，相互之间的区别只是在于调度模型中所流转的数据。智能检测和智能运行监测负责为电厂提供运行保障，其职能分为两个方面: 一是在电厂有人参与运行的阶段，运检中心负责对人和流程进行标准化管控，偏向于传统电厂的管理职能; 二是随着人不断从电厂的运行过程中退出，被机器取代，运检中心负责对设备和流程进行标准化管控，并基于监测中心的结果向算法中心提出算法要求，优化电厂设备运行方式并实现水电厂智能控制一体化。
3.2智能公共服务平台（ISS）
.png)
图三：智能公共服务平台（ISS）
如图三，智能公共服务平台（ISS）通过IMS(IP Multimedia SubsystemIP,多媒体系统)多媒体业务形式，引入语音、数据、视频三重融合等差异化业务，通过多媒体检测技术、展示技术、建模技术、闭环管控技术等智能化技术，根据按照水电生产管理流程，开发智能安全、智能管理、智能服务的相关功能，实现电厂生产、管理、安全、营销需求响应全覆盖。满足用户更新颖、更多样化多媒体业务的需求。
4.业务功能
4.1数据平台一体化
智能化水电厂采用集成可靠的数据采集装置，实现各类信息的自动采集、实时监测、集中控制等功能，数据量众多且数据关联性强，多维度的数据处理对计算机并行计算能力提出了新的要求，这些工作都由智能化水电厂的一体化数据平台完成。数据平台作为基础建设系统，为应用层和计算层提供数据支持和基础服务作用。
4.2三维数字化
通过数字化设计，实现三维虚拟电厂设计，集成数字化档案信息和实时运行数据，实现全厂三维可视化运行管理。将数字化仿真系统应用于电厂全生命周期各个阶段，为重要过程阶段设计方案的制订和优化提供重要支撑。建立与设备实体特征相一致的数字孪生体，确保组长周期安全运行。建立电厂三维可视化平台，实现设备状态跟踪和风险管控。
4.3设备实时监控
智能化水电厂监控系统采用“集中分散”拟人控制结构，高度融合人工智能技术，监控系统和监管系统间功能分配将不断调整，控制系统将从封闭走向开放，极大提高监控智能化水平。智能监控系统在传统监控系统的基础上，还具备了数据清洗、数据中断恢复、重要数据自恢复、保证数据时标一致性的功能，能够全方位检测和感知生产现场设备。
4.4设备预警和故障分析
智能化水电厂采用先进监测技术、机理建模，通过数据深度挖掘、建立计算机神经网络模型、利用专家系统等方法，对设备状态全寿命过程进行检测、故障预警、故障，提出故障处理操作指导深入发掘相关数据点的内在联系和规律，通过人机交互和图形展示分析结果，为发电设备的运行管理和检维修提供优化建议，可以实现超前预警功能，避免发生严重事故。
4.4.1设备运行异常预警
机组系统输入输出之间存在较强的因果关系，采用单参数预警模式无法及时反映出系统运行异常；如图四计算神经网
.png)
图四：计算机神经网络模型关联度分析
络模型通过输出与实际值之间的相关性系数，以设备镜像为基础，对设备健康状态进行实时监测预警、早期预报，利用安全裕度分析确定设备风险发展趋势，实现设备安全趋势跟踪和风险监控。
4.4.2设备故障根源分析
将专业知识和丰富经验等表达，固化为代码形式的逻辑故障知识库。当重要报警项出现时，进行根源分析反向推理，通过多叉树反向推理遍历算法，自动识别故障来源路径，快速定位初始原因及演变过程并提示运行人员，避免故障的进一步恶化.
4.5 调度优化
调度优化功能实现是基于控制系统的数学建模，根据流域内水文数据的实时传输和区域内的洪水预报信息，并考虑用水需求和电力调度经济运行要求，实现流域水电一体化调控和实时调整。通过实时监测数据，提供水库的经济运行方案，并闭环调整偏差情况，对入库洪水进行拦蓄和控制泄放，保障下游的安全，发挥水库最大的效益。
4.6状态检修
状态检修是指面向水电厂所有设备和系统的状态监测与分析，利用神经网络模型实现各测点实时数据和设备整体运行工况的关联，当某测点的数据出现异常变化时，能结合其他相关测点的数据变化，整体分析设备当前实际状态，并分析对象的失效模式。将所有设备统一接入到数据平台，通过综合分析诊断实现状态评估及检修决策。
5.智能电厂的效益
5.1提高经济和社会效益
智能化水电厂通过联合优化调度，实时调整各电站出力和水库余量。尽可能地减少弃水，提高综合效益；同时，保证各台机均在最优工况下运行，避免机组低效率运行，从而降低耗水率，增加了出力，提高了经济效益。智能化水电厂可提高电站水库的蓄洪和滞洪能力，特别是在防洪防汛和安全供水方面，能实现实时监测和滚动调节功能，加强了社会经济发展，对改善生态环境、保障城市和农业用水、开发利用旅游资源产生较大的作用。
5.2 提高管理水平、劳动生产率
智能化水电厂依托一体化数据平台，通过数据分析整合为电站提供高效、最优的调度方案，可以实现“无人值守”，提高劳动生产率和管理水平。降低机组低负荷运行和振动区运行时间，以设备安全风险监控为基础，不断优化设备寿命预测模型和状态检修策略，指导运行巡检和检修，降低备检修成本与运维成本，最终实现状态检修。
5.3 提高电厂、电网协调运行的效益
智能化水电厂可以改善电能质量，提高水电厂参与电网调频、调峰和事故备用的调节能力，提高电网对风能、光伏电站等新能源的消纳能力，增强了电网与电厂的协同性，为电网的安全稳定运行提供保障。
7.结语
智能化水电厂打造了“电厂无人、云端集控”的电厂形态，电厂内部仅有的员工，是“机器”。这里的机器，不是传统电力生产中结构简单的机器，而是具有电厂生产和管理能力的“新员工”。而人作为电厂的“老员工”，都聚于“云端”，对可视化电厂进行统一的优化。传统电厂变成了数字虚拟电厂，传统组织变成了云端组织。大大提高了管理水平和安全生产经济运行水平。
参考文献：
[1]刘吉臻，胡勇，德良，夏明，崔青汝等． 《智能发电厂的架构及特征 》［J］． 中国电机工程学报2010.03
[2]张 毅，王德宽，刘晓波，文正国，王 聪等.水电厂智能化技术发展趋势与应用［J］．水电站机电技术 2013.5
[3]中国自动化学会发电自动化专业委员会，电力行业热工自动化技术委员会． 智能电厂技术发展纲要［M］． 北京: 中国电力出版社，2016
作者简介：安旭东（1976年1月28日），性别：男；籍贯：宁夏；民族：汉；学历：本科；研究方向：电力系统水电运行。
柴正英（1995.02.27—），性别:男；籍贯:甘肃会宁；民族：汉；学历：本科；研究方向：人工智能。