基于安全生产标准化的智慧水电系列核心技术的研究与应用

2017-07-31韩茜丹张仁贡黄林根

水电站机电技术 2017年6期

关键词：水电水电站监控

韩茜丹，张仁贡，黄林根

（1.浙江珊溪经济发展有限责任公司，浙江温州 325300；2.浙江禹贡信息科技有限公司，浙江杭州 310009）

基于安全生产标准化的智慧水电系列核心技术的研究与应用

韩茜丹1，张仁贡2，黄林根2

（1.浙江珊溪经济发展有限责任公司，浙江温州 325300；2.浙江禹贡信息科技有限公司，浙江杭州 310009）

针对农村水电站的生产设备老化、专业人员缺乏、安全生产管理不标准、发电效率低下等问题，结合全国开展的农村水电站安全生产标准化管理，对基于安全生产标准化的智慧水电系列核心技术进行研究，开发一款针对农村水电站的智慧水电安全监管云平台，该平台的应用实践证明，能够提高水电站的安全监管水平、减少管理人员的工作负担、增加了农村水电站的管理和发电效益，具有很好的借鉴意义。

安全生产；标准化管理；智慧水电；农村水电站；云平台

1 引言

现阶段我国农村水电站在技术和管理上存在一些不足：①水轮发电机组及配变电设备陈旧，以致于安全运行故障或事故时有发生；②专业管理和技术人员不足。农村水电的运行管理队伍普遍薄弱，专业基础差，甚至很多电站雇佣农村农民充当运行管理人员；③安全生产意识薄弱。水电站的业主安全意识薄弱，同时也对运行管理和技术人员缺乏安全生产教育，粗心大意。④发电效率不高。尤其是径流式电站未根据上游水位或前池水位自动控制和调节功率，发电效率低。

李克强总理于2015年在政府工作报告中提出了“互联网+”行动计划，“推动移动互联网、物联网、大数据、云计算等新一代技术与各行各业相结合”，这为农村水电行业解决上述问题提供了很好的思路。

本论文从智慧水电站的角度，论述如何采用移动互联网、大数据、云计算、物联网等现代技术构建现代化的水电站。

2 农村水电站自动化历程

农村水电站（即总装机容量小于5万kW）的自动化技术演变大致分为以下3个阶段：

第1阶段为20世纪70年代之前，机电电磁技术为主。

第2阶段为70～90年代，沿袭了大中型水电站的计算机监控技术模式，将该模式略加修改，应用到农村水电站。

第3阶段为2001年以来，少数生产厂家结合了农村水电站的特点，研制开发出了适合农村水电站的计算机监控模式。但是，总的来说，农村水电站的计算机监控系统造价依然很高！

在历史上农村水电建设是重建轻管的，技术力量缺乏，投入资金不多。因此迫切需要即简单实用又经济可靠的计算机监控系统。移动化互联网、物联网、云计算、大数据等技术的应用，为农村水电站计算机监控系统的升级带来了契机。

3 总体构架

不妨将运用了移动化互联网、物联网、云计算、大数据等技术为基础的计算机监控系统称之为“智慧水电”，它将农村水电站的计算机监控水平提升到了第4阶段，既简单实用又经济可靠的，投资低，冗余功能少的，且融合了安全生产标准化管理的内涵。

总体构架如图1。从图1可知，智慧水电站综合运用了移动化互联网、物联网、云计算、大数据等技术，采用标准化的解决方案，软件运行为Saas构架，具有很高的可拓性，设有感知层、互联层、智能层、应用层等4个层次。

图1 智慧农村水电站总体构架图

4 核心技术

智慧水电站系统所用的研发核心技术诸多，如现场总线技术、PLC技术、TCP/IP技术等，由于篇幅有限而不再累述，本文重点论述一些国际最先进技术，如移动互联网（＋）、云技术、大数据服务技术、物联网技术、云视频监控等技术。

4.1 基于大数据库开发的云技术

基于ISO/OSI互联标准B/S构架模式、云技术架构模式、access control（A/C）模式的研究，将采用大数据技术把状态监控数据和视频监控数据存储到历史数据库中，便于查询、统计和打印。同时将数据通过云技术进行存储和备份，海量的视频数据和状态数据很难采用本地的服务器进行长期的存储，通过云技术进行存储是非常必要。该技术结合大数据开发技术，采用MYBASE开发云数据库，部署云数据引擎，存储状态和视频数据，向执行器传送状态数据信号；云服务具有安全性高、容灾能力强、可拓展性强、与移动终端联接紧密等特点。

基于云技术的大数据库，具有节约服务器空间和网络投资成本低等优点，在提高系统可靠性、可拓性、安全性等方面，更加符合实际需求，系统框架如图2。

由图2可知，视频远程监控系统和移动互联控制智能系统等，将状态数据和视频数据传送入到云数据库中，通过云链路和云令牌将数据传输到云工作站，实现状态和视频的统一监管，同时云数据能够为移动互联终端提供数据服务。

图2 基于云技术的大数据库平台框架图

4.2 基于物联网的节点装置开发

目前，物联网技术在智能交通、智能家居、智能环保等领域的应用越来越广泛，本文在农村水电站计算机监控中引入物联网技术，开发了具有国家专利的物联网节点装置，该装置将视频监控和状态监控数据进行统一接口，结合移动互联网（＋）技术，将状态和视频数据传输到云数据库中，其结构如图3。

从图3可知，通过视频输入模块、以太网传输模块、无线信号接收模块，分别将视频、状态、模拟等数据接入到节点装置中，通过中央处理器的处理，将视频、状态等信号传输到控制和显示装置。

图3 物联网节点装置构架图

4.3 移动互联（＋）技术

基于移动互联（＋）技术的基础层、云层服务和客户层的开发。客户层包括平板电脑、智能手机、MID、电子书、数据库管理员、用户等；云层服务包括触发器、云数据库、引擎、应用层、进程、通信接口、组件界面等，如图4所示。

由图4可知，应用层包括多节点协调模块、视频流模块、报警阈值模块、状态管理模块、算法集成模块等。该层是核心层，它提供状态监控、视频监控、巡检、报警、设备管理等。基础层包括物联网、物联网节点、PLC、服务器、工作站、视频处理模块、智能采集模块等，同时这些模块与智能传感设备联接，包括水电站的各种智能电量设备（电流、电压、功率）、非智能电量监测设备（水位、温度、压力等）、采集脉冲参数传感器、摄像前端系统等。视频处理器、PLC、服务器、工作站、智能采集设备等之间通过各种所需要的协议相互链接。物联网节点将信号通过4G网络，将数据传输至云端服务器，为各种应用提供了数据基础。摄像装置、各种智能保护装置、智能传感器、智能检测装置、专家库系统、服务器等不一定全部具备，但其数据接口可以通过物联网节点或物联网接口，将信号传输到云服务器。

云服务层包含云数据库、云数据引擎、触发器、云数据库管理模块、云状态监管模块、云视频流层、云监管层、云专家库、云经验层、云接口、组件界面（包括APP、微信）等。

客户层包括云数据库设计人员、工程师、云数据库管理员、云层管理员、专家、移动终端等。

图4 移动互联技术构架图

4.4 云视频监控技术

视频远程监管系统采用了基于云技术的构架，在平台上集成了视频监控，通过智能远程控制系统实现了控制的移动互联功能，同时移动终端远程启动报警装置，防止人及动物进入水电安全监管的区域，保障了水电站安全运行。

无线视频通讯H.264视频编解码压缩技术与无线通讯技术相互结合，数据利用窄带3G通道传输视频编码后，传输到移动终端，使监管人员随时随地监管到水电站的安全生产情况。

对于偏远的农村水电站电信网络不通的情况，可采用5.8G视频无线监控系统。该系统具有通信频率高、传播距离极长、网桥结构，区域辐射范围大等特点，如图5所示。

图5 5.8G网桥视频监控系统结构图

5 智慧平台组建技术

通过以上技术的研究与突破，成功开发了国家专利产品智慧水电站云监控平台V4.0。该平台主要有智慧水电运行监控平台和智慧水电安全管理平台两大部分组成，如图6所以。

图6 智慧农村水电站云监控平台V4.0结构图

智慧水电运行监控云平台主要包括视频监控、雷达水位测报、自动发电控制、事故故障报警、机组状态监测、升压站监控、公用设备状态监控、微机保护等10多个云系统。实现了随时随地远程监控水电站的状态和视频。若水电集团公司管理多水电站群，可将中控室设在城市里，配合远程无线大屏切换系统，可同时监控N个水电站，减少了运行维护的成本。

智慧水电云平台是结合农村水电安全生产标准化管理而定制的互联网（＋）平台，主要包括安全巡检、设备管理及评级、安全工器具管理、备品备件管理、两票管理、五防、运行台帐管理、维护检修台帐管理、检修工具及物资管理等10多个云系统，这些系统采用移动终端，很方便录入和管理，与农村水电站安全生产标准化管理相配套，即可自动形成记录和台帐，采用规定的表格形式报表和打印。