摘要：要实现水电站无人值班，必须具备全面的安全可靠的支撑体系。从网络、设备、安全等方面进行研究，通过双网互备、主动防御技术保证通信网络和运行环境安全；通过设备管理、故障诊断技术保证设备稳定可靠；通过报警、联动、人员定位等技术保证设备和人员安全；通过大数据分析技术进行经验积累和能力提升，促使水电站无人值班技术更成熟。在此基础上，分析了无人值班技术的应用效果，表明无人值班水电站与传统水电站相比，误操作率和安全事故发生率都有所降低，设备故障处理更精准高效，整体管理成本降低。因此，无人值班水电站从技术上是可行的，具有良好的社会效益和经济效益，研究成果对各大流域梯级集控均具有普遍的借鉴意义。

　　关键词：流域集控；水电站运营；值班方式；水电站管理

　　Abstract:In order to realize unattended hydropower station,it is necessary to have a comprehensive safe and reliable support system.From the

　　aspects of network,equipment,security and so on,the communication network and operation environment security are guaranteed by dual-

　　network mutual backup and active defense technology.Ensure equipment stability and reliability through equipment management and fault

　　diagnosis technology.Ensure equipment and personnel safety through alarm,linkage,personnel positioning and other technologies.Through the

　　big data analysis technology to accumulate experience and improve the ability to promote the hydropower station unmanned on-duty technology

　　more mature.On this basis,the application effect of unmanned on-duty technology is analyzed.It shows that compared with traditional

　　hydropower stations,the error rate and safety accident rate of unmanned on-duty hydropower stations are reduced,the equipment fault

　　handling is more accurate and efficient,and the overall management cost is reduced.Therefore,unmanned hydropower station is technically

　　feasible,and it has good social and economic benefits.The research results are of general reference significance to cascade centralized control in major river basins.

　　Key words:watershed centralized control;hydropower station operation;duty mode;hydropower station management

　　0引言

　　我国河流众多，径流丰沛、落差巨大，蕴藏着非常丰富的水能资源，理论蕴藏量6.94亿kW，技术可开发量5.42亿kW，均居世界第一位。水电站作为我国清洁能源的最重要组成部分，在我国的能源结构和电网稳定保障上有着不可替代的作用，梯级水电站群是目前我国水能资源开发利用的主要方式。但我国水能资源利用率低于欧美日等发达国家，主要原因是大部分水电站处于偏远山区高山峡谷地带，工作生活以及交通条件恶劣，水电站自动化和智能化程度还不够，无人值班技术没有得到充分应用。

　　在法国、日本、美国、加拿大等发达国家,经过多年的研究和探索,积累了大量的水电站控制和管理经验,水电站基本采用无人值班运行方式[1]，机组开停机流程,工况转换流程等均由集控中心通过监控系统及自动装置来完成，职工生活在城市里，无须进电站值班。

　　随着我国通信技术、计算机技术以及软件技术的高速发展，水电站自动化程度大大提高，为实现水电站“无人值班”奠定了良好的基础。

　　本文从网络、硬件设备、软件技术、安全措施等方面进行研究，介绍了无人值班技术所必须具备的支撑系统，并对无人值班技术的应用成果进行分析，表明无人值班技术相比有人值班技术，无论从管理成本还是从人文关怀等方面来说，都是具有很大的优越性的。

　　1系统结构和功能

　　系统由集控中心、水电站和通信网络组成，总体结构如图1所示。电站侧采集实时信息，包括测值信息、视频信息等，传输到集控中心；集控中心基于实时数据、历史数据、基础数据等进行分析，对水电站进行远程调控。

　　系统功能层次包括基础层、网络层、数据层、服务层、应用层等，如图2所示。基础层包括数据库、操作系统、传感器等系统软硬件环境；网络层包括水利专网、光纤电力专网等，确保信息传输畅通；数据层包括采集的各类信息，这是数据分析的基础；服务层是在数据层的基础上，提供数据访问、计算引擎、图形、报表、告警等服务，为应用层提供后台支持；应用层通过相关图表、人机交互等方式，实现系统功能。

　　2无人值班技术支撑体系

　　要实现水电站无人值班状态下安全运行，必须具备完善的技术支撑系统，包括网络、可靠设备、故障诊断，报警、安全防护等。

　　2.1网络通信技术

　　水电站实行无人值班，就全靠流域集控中心对水电站进行管理，水电站所有的工况都要实时上传，集控指令也要实时下发，因此畅通的通信网络是最基本的支撑体系之一。通过网络，实现集控和各级水电站之间的通信，集控才具备了千里眼功能，可对现场工况进行监控。

　　《水利系统通信业务导则》(SL/T 292—2020)中明确了“水利系统通信业务(Telecommunication Service of Water Sector)应用主要包括自动监测传输、语音通信、视频会商、视频监控、应急通信、预警反馈、计算机通信网络等”[2]。

　　水利系统通信网(Water Sector Communication Net⁃work)是由水利部门自建和利用公网等其他通信资源组建的水利系统通信业务信息传送网络，是水利基础设施重要组成部分。

　　水利专网通信系统发展应顺应以数据为中心的网络融合的发展趋势，大力推进智能光网络、IPv6、4G/5G、IMS等新IP技术在水利系统的探索应用，更好地支持语音、数据和多媒体业务等，为智慧水利提供可靠、高效的信息保障平台。

　　水利部于2017年组织实施的“流域偏远水文站信息传输卫星便携站建设”项目，把卫星路由器模块、视频编解码器模块、语音网关模块和无线WiFi模块等IP化组件通过合理设计集成在一个终端箱内[3]，利用已建Ku波段卫星主站，形成星状/网状混合组网，传输话音、数据、图像业务。

　　通过将数据、话音、视频等以IP方式接入卫星通信网，数据可由笔记本电脑直接接入网络交换机；语音信号经过语音网关转化为IP信号再接入网络交换机；视频编解码器可将接收到的模拟视频信号转化成IP信号通过卫星链路进行传送，同时也可以将接收的IP视频信号转化成模拟信号，实现视频的双向交互[4]。

　　本文介绍的黔源集控以光纤电力专网为物理承载链路，运用SDH设备建设了完整的调度数据网及综合数据网网络，同时，运用国产应急卫星通信作为备用信道，为“少人值守+无人值班”技术提供了通信保障。

　　2.2网络安全主动防御技术

　　由于无人值班水电站和集控高度依赖网络通信，因此，网络安全防护尤为重要。面对层出不穷的新漏洞与攻击方法的难题，传统的消极被动防御的方法无法有效抵御各种攻击。本系统采取网络安全主动防御技术，确保无人值班水电站及集控系统的安全运行。

　　网络安全主动防御技术包括可信计算环境[5]、可信区域边界、可信通信网络[6]和可信安全管理中心，如图3所示。可信计算环境基于可信计算3.0技术，采用国产自研的设备和国产密码机制，可信计算环境由若干个可信计算节点组成，采用基于TPCM的可信启动机制、身份验证、密码协商，实现可信计算；可信边界策略采用基于TDE模型的边界访问控制策略，对进入和流出计算环境的信息流进行可信度量和安全检查，确保不会有违背系统安全策略的信息流经过边界；采用组合层次式非对称密码机制，对通信数据包的保密性和完整性进行保护，确保其在传输过程中不会被非授权窃听和篡改；可信通信网络采用规则认证库，通过规则认证平台对通信对象进行可信验证，实现可信传输。

　　2.3设备管理和故障诊断技术

　　水电站设备众多，结构复杂，稳定可靠的水电站设备是无人值班的根本保证[7]。设备的可靠性，除了产品自身质量过硬外，还需要对设备进行全寿命周期管理和故障诊断预警。

　　黔源集控采用数字孪生技术，对主设备进行全寿命周期管理，如图4所示，包括运行、检修、试验诊断等过程，生成诊断报告和检修建议，给所有的设备建立健康档案，做到对所有设备的健康状况了如指掌，避免设备超期服役、带病工作，影响电站整体运行。

　　实时运行的故障诊断预警系统，整合了专家经验，通过对实测数据层层分析，可迅速定位故障，提出检修建议，为无人值班水电站持续稳定运行提供了保证。以制动器异常为例，诊断过程如下：一级原因、二级原因、故障表现、对应的检修建议等；其中一级原因包括信号系统异常、控制系统故障、制动器本体故障、管路故障等；每一个一级原因对应若干个二级原因以及相应的故障表现和对应的检修建议。集控管理人员根据这些检修建议，可以及时排除水电站设备可能存在的故障，确保设备安全可靠。

　　2.4分级分层及时报警技术

　　ONCALL系统在水电站“少人值守+无人值班”的运行模式下发挥了重要作用[8]，在事故发生时，即时将相关信息通知巡检人员和相关责任人，相关人员迅速赶往事故现场处理问题，避免事故的扩大化，为水电站的安全生产提供了有力保障。

　　黔源集控采用新一代的水电智能ONCALL系统，融合了当下流行的互联网思维，作为一个独立的系统运行于III区，分发推送生产控制信息的同时，同时提供第三方接口给电站其他系统。发送媒介保留了传统短信Mo⁃dem，增加了微信，提高了并发处理消息的能力，大幅降低使用成本。为了确保安全，ONCALL系统采用了双机网络模型，如图5所示。

　　2.5全方位联动技术

　　水电站无人值班情况下，为了确保站区范围内所有设备和人员安全，完备的联动技术必不可少。

　　由于电站辅控系统设备众多，为实现不同的联动目的，将设备分别组成不同的联动体，制定对应的联动策略。主要可分为火灾消防联动体、安全防护联动体等，如图6~7所示。各联动体中心主体作为主动者，相关联部分作为从动者，在主动者发现或产生某个事件时，触发从动者动作。

　　2.6人员定位技术

　　由于摄像头观察范围固定且有限，因此安全防护的主要策略，除了在关键位置安装摄像头，还需要更全面的感知系统。人员定位技术就是其中之一。

　　现有的人员定位技术包括RFID、WiFi、UWB、蓝牙、ZigBee[9-10]等技术，各种技术在建设费用、定位精度和传输距离等方面各不相同[11]，其中，UWB建设成本最高，定位精度最高，达到0.3 m，传输距离中等；RFID建设成本较高，适合通过性判断，其他3种建设成本较低，定位精度相应较低。

　　水电站根据区域重要程度、建设成本以及管理需求，合理配置一种或几种定位技术，满足相应的精度要求。例如，机器密集或危险地带，精度要求较高；开阔地带精度可适当降低。

　　通过人员定位技术，集控可以随时观察到现场作业人员的行踪和位置，防止进入危险地带。例如在检修设备时，防止检修人员走错位置。在作业人员到达指定位置后，可启动工业视频监控系统，打开对应位置的视频监控，进一步进行精细化监护[12]。在开闸放水时，通过人员定位技术，可以迅速找到站区的人员，第一时间通知人员撤离现场。

　　2.7大数据分析技术

　　由于目前国内“少人值守，无人值班”技术还未成熟，不断地总结经验是提升“无人值班”水电站可靠性的重要途径。通过网络源源不断地上传到集控中心的海量运行数据，是分析问题、总结经验的重要信息资源，需要及时整理提炼。

　　基于大数据分析技术[13]，主要是数据清洗和挖掘，以及数据建模，对水电站运行过程进行后评价，从典型故障分析、开停机原因分析、人身安全、设备安全、环境安全等多个方面进行统计，从中发现规律，寻求解决和提升的办法。

　　3应用效果分析

　　3.1误操作概率降低

　　水电站误操作类型主要包括电气、机械、监控系统、现场作业等，引起误操作的主要原因包括规章制度执行不严、违规操作、习惯性动作、精神疲惫或状态欠佳等[14]。

　　“无人值班”方式，通过逻辑严密的五防、闭锁、两票三制以及设备联动技术，改变了以往工人从事单调重复劳动的模式，避免了丢三落四、边聊边干等操作陋习，尤其是夜班情况下，克服了人的生物钟带来的影响，误操作概率大幅度降低，减少不必要的停机次数。

　　3.2安全事故发生率降低

　　水电站安全事故主要包括触电、厂房淹水、设备起火等。水电站设备包括水轮机、发电机、变压器、开关站等，厂房建筑通常包括上下好几层。由于现场环境噪声大，设备结构复杂，经常会由于沟通不畅、光线不佳或视线死角等导致安全事故。

　　“无人值班”模式下，通过人员定位技术，跟踪人员位置，发现人员在危险地带滞留及时报警；通过增加长镜头广域摄像头进行影像识别，发现人员有危险操作行为趋势或者非正常状态，及时报警；基于设备联动策略的全方位设备联动技术，及时开启或关闭相关阀门、通道等，安全事故发生率明显降低。

　　3.3处理设备故障更精准高效

　　水电站设备主要包括水轮机、发电机、调速器、主变压器、励磁、GIS、油气水、通讯、通风、工业电视系统、消防报警系统等，种类和数量都较多，需要定期和不定期进行A、B、C、D级检修，分别对发电机组进行全面的解体检查和修理，以保持、恢复或提高设备性能；有针对性地实施部分A级检修项目或定期滚动检修；进行零件的更换、设备的消缺、调整、预防性试验，对主要设备的附属系统和设备进行消缺。

　　各级检修需要耗费大量的时间和人力物力，但是由于是定期和不定期的检修，并不能确保设备每时每刻都处于健康运行状态。

　　“无人值班”模式下，随着综合性和专业性人员的增加，以及设备管理和故障诊断技术的不断提高，对设备故障的判断更准确，预警更及时，避免了设备故障导致的停机，也减少了大量冗余检修。

　　3.4整体管理成本降低

　　传统的水电站由于需要倒班，通常定员人数较多，平均为数十人甚至上百人。水电站一般建在河流的上游，通常处于较为边远偏僻的山区，地势陡峻，交通不便，大部分人住在市区，这就需要耗费大量时间和费用往返于电站和市区之间。水电站普遍存在的职业病危害因素有噪声、工频电磁场[15]、振动、电焊烟尘、氡及氡子体、六氟化硫等[16]，对员工的健康造成极大的危害，相应的管理成本居高不下。“无人值班”电站，省去了大量单调重复劳动，节约了大批人员来去电站的时间和费用，避免了职业病的发生，整体管理成本大幅降低。

　　4结束语

　　实现水电站“少人值守，无人值班”是水电站发展的必然趋势，是推动水电流域集控和水电站由劳动密集型向知识密集型转变，并进一步朝着智能化和智慧化方向发展的必由之路。但由于以往技术条件的限制，“无人值班”水电站进展缓慢。近年来，随着网络、软件、安全等技术的飞速发展，水电站实现“无人值班”已具备条件。

　　本文对水电站无人值班技术支撑系统进行了深入探讨，分析了通信、软件、安全等技术的发展现状，详细阐述这些技术在无人值班水电站实现过程中的技术路线和所起的作用。7大技术环环相扣、层层推进，可确保无人值班水电站安全可靠运行，大数据技术的应用，更使系统具有强大的自我提升的能力。本文的技术研究和应用效果分析表明，无人值班水电站技术上可行，安全和经济效益可期，相比于有人值班水电站来说，具有绝对的优越性。

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