基于5G技术的水电站智能巡检设计方案.pdf

25第 46 卷 第 10 期2023 年 10 月Vol.46No.10Oct.2023水 电 站 机 电 技 术Mechanical&ElectricalTechniqueofHydropowerStation1 前言水电站作为国家重要的能源供应设施之一，为社会经济发展提供了重要的支撑作用。在水电站的日常运行过程中，设备损耗、漏水、裂纹等风险难以避免，这些问题如果不能及时发现并解决，就会对水电站设施和人员的安全造成威胁，甚至可能导致重大的安全事故。因此，巡检是实现水电站可靠运行的重要措施之一1。5G 技术具有高带宽、低延迟、高速率和多连接等特点，为水电站智能巡检提供了更加优越的技术平台2。通过 5G 技术，各种传感器可以实现快速、实时的数据采集和传输，水电站可以采用大量无人机、巡检机器人等设备，实现对水电站中人员、机械、物料、系统和设施的全面覆盖和监测，保障巡检的全过程，同时也克服了传统人工巡检的不足。2 基于 5 G的水电站智能巡检应用2.1 5 G无人机在水电站巡检中的应用水电站作用重大，但由于设施分散、环境复杂、设备过多等特点，导致普通巡检极其困难，无法快速、深入地发现设施潜在风险，这些安全隐患日积月累会造成重大安全事故后果。利用无人机技术，可以实现全方位、多角度、高清晰度的照片和视频采集3，对水电站进行快速广泛的监测与巡视，在发现待修复的问题后能够及时报告，从而快速解决问题。5G 无人机为水电站巡检带来了前所未有的应用优势。首先，无人机可搭载超清摄像头对水电站上下水库以及流域河道进行巡视，并将采集到的图像视频实时回传，为实现水电站全覆盖的目标提供有力支撑4。同时，针对大坝坝体和边坡等水工结构物常规巡检手段精度和效率低下、制约枢纽安全健康评估的问题，5G 网联无人机可依托水电站 5G虚拟专网，建立大坝安全监测与检测技术的 AI 智能巡检系统，助力水工结构状态缺陷预警和隐患报警，保障大坝运行安全，全面提升水电站运营效率和智能化水平。利用 5G 技术、传感、无线通信、大数据等技术手段，实现远程监测水库安全关键数据，如大坝变形（水平位移、垂直位移、挠度、接缝位移、界面位移）、渗流（渗流压力、渗流量）、环境量（上下游水位、降水量、气温、水温）、压力（应力）、雨水情况、闸门状态等，并通过 5G 将数据高速回传至平台。此外，5G 网络的高带宽和低时延对于无人机巡检基础架构的建设和运行，以及无人机地面操作和实时云侧数据处理，提供了强大的支持。由于 5G收稿日期：2023-08-08作者简介：何 秋（1983-），男，高级工程师，从事抽水蓄能电站运维管理工作。基于 5 G技术的水电站智能巡检设计方案何 秋1，高建伟1，宗 悦2，杨 棵3（1.华东桐柏抽水蓄能发电有限责任公司，浙江 天台 317200；2.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122；3.三峡大学电气与新能源学院，湖北 宜昌 443002）摘 要：水电站巡检是水电站安全可靠运行的关键。针对传统巡检方式存在的弊端，本文提出了一种基于 5G 技术的水电站智能巡检设计方案。利用 5G 技术高带宽、低延迟、高速率和多连接的特点，将无人机、巡检机器人、高清摄像头等巡检设备采集的数据通过多接入边缘计算快速传输和处理，并利用智能巡检系统进行决策，实现对水电站设备进行全面实时的监测与控制，从而保障水电站的安全运行。关键词：5G；水电站；多接入边缘计算；智能巡检中图分类号：TN929.5文献标识码：B文章编号：1672-5387（2023）10-0025-03D O I：10.13599/ki.11-5130.2023.10.00826第 46 卷水 电 站 机 电 技 术网络技术的低时延和高速率的特性，使得无人机与云端的实时数据交互更为迅速和简便，让水电站管理人员能够实时掌握设施的状态、运行情况和存在的潜在安全隐患，避免设备存在的安全问题放大或导致事故发生。2.2 5 G巡检机器人在水电站中的应用随着机器人技术的不断发展和智能化程度的不断提高，现代水电站采用巡检机器人的情况越来越多。根据 5G 技术的特点，基于 5G 的巡检机器人在水电站应用中具备以下优势：（1）高效性：由于 5G 技术的低延迟特性，操作人员能够通过远程控制中心实时监控机器人的运行状态，对其进行调度和控制，同时水电站巡检机器人也可以快速地接收远程指令并执行相关任务。（2）安全性：巡检机器人能够深入水电站的各项设备和难以进行人工巡检的地方，如水轮发电机、输电线路、水库大坝等，为水电站的安全和稳定运营提供了强有力的技术手段，并减少了人员的安全风险。（3）实时性：巡检机器人能够通过高速数据传输和低延时特性，实现对大量传感器，包括温度传感器、压力传感器、振动传感器等数据的实时采集和处理，并通过传感器数据的融合分析，更准确地监测设备状态和环境参数，实时掌握水电站的运行状态。（4）精确性：巡检机器人搭载高分辨率摄像头和图像识别算法，可以对设备的各个细节部位进行实时监测和图像识别。例如，机器人可以识别设备表面的裂纹、磨损和漏水等问题，并及时报警或进行维护，不会出现由于人工巡检造成的巡视不到位等问题。3 水电站智能巡检总体设计3.1 通信设计方案5G 是社会高质量发展的战略性基础设施，可加速各领域企业转型进程，推动大量新应用落地。传统集中部署的 5G 核心网无法支撑新的业务需求，将业务转移到网络边缘已成为行业发展趋势。多接入边缘计算部署在边缘，可以实现低时延、高带宽的通信服务，如 AR/VR 虚拟现实技术服务、移动视频监控系统、移动广播系统、信息安全和超清视频等。此外，多接入边缘计算部署设备具有 CDN 的功能，它可以减少时延，使用户在更短的时间内获取内容，提高响应速度。与传统 CDN 相比，多接入边缘计算更接近无线网络，由于物理距离的减小，多接入边缘计算的时延将进一步降低，而多接入边缘计算还包含了本地化计算和对外开放的能力，因此具有低时延和智能系统特性。针对低时延业务需求的特殊性，水电站选择直接部署多接入边缘计算，以满足远程控制、巡检和本地数据不被传输的需求。水电站智能巡检整体框架图如图 1 所示。通信运营商提供的 5G 核心网通过 PTN 传输网接入水电站，并在水电站中部署多接入边缘计算。同时，BBU通过光缆接入 RRU，为水电站内高清摄像头、智能头盔、无人机、巡检机器人等巡检设备提供安全认证。由于 5G 高带宽、低延迟、多连接的 3 大特点，可以对边缘计算服务器进行多路访问，配置在 PTN网络与调度平台服务器之间，通过智能巡检系统实现监控数据的智能分析、自主分析、智能决策等边缘计算服务。同时，多接入边缘计算配合水电站端口UPF，有效降低数据传输时延，并采用通用机器学习系统集成行业内领先的 AI 视觉检测算法，支持水电站多种场景下的多种算法检测任务，实现对水电站中人员、机械、物料、系统和设施的安全管控。图 1 水电站智能巡检整体框架图3.2 智能巡检系统框架如图 2 所示，智能巡检系统主要由 5 个部分构27第 46 卷水 电 站 机 电 技 术成。设备层主要是水电站中巡检、管控的监测设备，如无人机、巡检机器人、高清摄像头、智能巡检头盔等终端设备。然后将设备采集的实时数据通过网络传输到平台层，利用多接入边缘计算和 5G 通信技术的方法实现数据快速传输和网络全覆盖5。数据层的作用是将传输来的数据进行分析处理，包括对机器学习的模型训练、模型评估等以及对巡检设备采集的图片、视频进行储存和处理。算法层利用训练好的机器学习模型对目标实现监测、识别、定位等功能，最终到达应用层，将分析结果传给监控室、管理人员和行业专家进行智能决策。通过智能巡检系统可将状态监控、事件推进、安全策略、统计报表、自动化、人员轨迹、无线、视频等功能有效集成，实现统一调度、统一管理、智能联动，云端维护系统远程实时维护。同时，可根据一体化调度软件实现通信网络系统的统一管理和调度，短时间内确定人员轨迹、锁定障碍物位置，并利用智能终端第一时间实现与其他系统的集成联动，实现网络、电力、安装设备检测、环境综合监测等数据智能融合分析，以及云服务平台专家远程指导维修，从而缓解站内技术力量不足6。图 2 智能巡检系统4 基于 5 G技术的水电站智能巡检应用效果4.1 实时数据传输通过上述 5G 通信设计方案，水电站中无人机、巡检机器人、高清摄像头等巡检设备可以通过 5G的高带宽和低延迟等特性快速传输实时采集的反映水电站信息的高清图片和视频，如大坝坝体和边坡等水工结构物，水电站人员、机械、物料、系统和设施等，覆盖全站。相比于其他传统的通信巡检方案而言，基于 5G 的水电站智能巡检设计具有更快的传输效率，能够实现水电站的实时监测。4.2 多接入边缘计算处理数据在水电站智能巡检过程中，水电站智能巡检设备将会传输大量的数据，利用 5G 技术的多接入边缘计算，可以将水电站内采集的所有数据在靠近水电站的一侧处理。通过部署在水电站的多接入边缘计算减少了网络带宽的使用，同时减低了传输的成本，进一步提高了数据的传输速度和处理速度。4.3 智能分析与智能决策将实时传输得到的高清图片和视频通过在水电站智能巡检系统中集成行业内领先的 AI 视觉检测算法进行分析，对水电站目标实现监测、识别、定位等功能，再结合水电站管理人员和专家的决策以及智能巡检系统智能决策，实现对水电站中人员、机械、物料、系统和设施的安全管控。5 结束语水电站是重要的能源设施，因此保障水电站安全可靠的运行至关重要。5G 技术赋能水电站，通过无人机、巡检机器人、高清摄像头等巡检设备结合智能巡检系统和通信设计方案可以实现水电站的数据实时传输、自主分析、智能决策等功能，从而保障水电站安全可靠的运行，相比于传统的水电站巡检技术，基于 5G 技术的智能巡检方法具有更多的优势。参考文献：1刘鹤，刘芬香，伍林.水电站智能巡检系统设计 J.水电站机电技术，2019，42（12）：24-27.2石叶子.5G 技术在瀑布沟水电站的应用背景及意义 J.水电站机电技术，2023，46（1）；42-44，93.3王苗庚，龚卿，蓝炜莹，等.基于 5G 的蓄能电站智能视频监控系统设计方案 J.水电站机电技术，2022，45（11）：69-72.4柳玉宾，纪宇飞，梁振飞，等.水电厂无人机智能巡检技术的应用 J.水电站机电技术，2020，43（11）：189-190.5谢石木林.基于 5G 的变电站电气设备智能巡检技术研究与应用 J.电力信息与通信技术，2021，19（12）：109-116.6毛琦，刘宇.水电厂智能化远程巡检系统的实践探索及思考 J.水电站机电技术，2021，44（10）：23-25，29.123Mechanical&Electrical Technique of Hydropower Station(Vol.46 No.10)ABSTRACTSAnalysis of operating range of variable-speed pumped storage unit in pump modeDENG Lei 1,LI Guo-feng 2,ZHENG Jin-sheng 2,NI Jin-bing 1,DENG Xiang-ping 2(1.Pumped Storage Tech Economic Research Institute of State Grid Xinyuan Company Ltd.Beijing 100761,China;2.DEC Dongfeng Electric Machinery Co.,Ltd,Deyang 618000,China)Abstract:This paper,by taking a 300 MW variable-speed pump turbine as an example,analyzes the influence of speed variation range,lift amplitude,maximum input power,static suction head,hump margin and runner diameter on the operating range in pump mode,and accordingly puts forward proposals on assessment indicators such as appropriately increasing speed variation range,controlling lift amplitude,relaxing the limit of maximum input power,increasing static suction head and bringing down hump.Meanwhile,the focus of hydraulic design should be on optimizing cavitation performance and improving hump margin,and in the course of model selection,the optimal runner diameter should be determined through comprehensive performance comparison for the purpose of expanding its operating range in pump mode,improving its ability to regulate input power,and offering reference for parameter selection and hydraulic design of variable-speed pump turbine.Keywords:variable-speed pump turbine;input power regulation ability;operating range;speed variation rangeStudy on the influence of wicket gate at different heights on pump performanceGENG Bo,LIU De-min,HE Hai-ping,ZHU Qiang,LI Guo-feng(DEC Dongfeng Electric Machinery Co.,Ltd,Deyang 618000,China)Abstract:In this paper,a study on the influence of wicket gate at different heights on the performance of a pump in a pump station has been made.Through the calculation of different wicket gate heights in all working conditions,the influence of wicket gate at different heights on the efficiency,lift,hump and cavitation of the pump is known.As revealed by the results,with the increase of wicket gate height,the slope of the lift-flow curve becomes gentle,the hump worsens,the optimal efficiency point shifts to the large flow,and the cavitation performance of the pump remains unchanged.According to the analysis of velocity field and pressure field,different wicket gate heights have little influence on the fluid flow in the optimal working condition.Keywords:pump;height of wicket gate;efficiency;hump;cavitation5G technology-based intelligent patrol inspection design scheme for hydropower plantHE Qiu 1,GAO Jian-wei 1,ZONG Yue 2,YANG Ke 3(1.East China Tongbai Pumped Storage Power Station Co.,Ltd.,Tiantai 317200,China;2.PowerChina Huadong Engineering Corporation Limited,Hangzhou 311122,China;3.College of Electrical Engineering and New Energy of China Three Gorges University,Yichang 443002,China)Abstract:Patrol inspection is critical to the safe and reliable operation of a hydropower plant.Given the drawbacks of conventional patrol inspection,this paper puts forward a 5G technology-based intelligent patrol inspection design scheme for hydropower plant.It makes use of the characteristics of 5G technology,including high bandwidth,low latency,high data rate and multi-connectivity,and multi-access edge computing to have the data collected by such inspection equipment as unmanned aerial vehicles,patrol robots and HD cameras quickly transmitted and processed,and makes decisions with the intelligent inspection system,to realize the comprehensive and real-time monitoring and control of hydropower plant equipment,thus ensuring the safe operation of a hydropower plant.Keywords:5G;hydropower plant;multi-access edge computing;intelligent patrol inspectionApplication of optical fiber strain technology in the building of physical field model of hydraulic turbine tailrace gateLUO Jin-wen,TANG Xiao-dan,LI Chu-hui,LIU Shao-yong,HUANG Tian-xiong,HU Qing-xiong(Wudongde Hydropower Station of China Changjiang Electric Power Co.,Ltd.,Kunming 650000,China)Abstract:The tailrace gate of a hydraulic turbine is an important water-flowing and pressure-bearing component of a hydroelectric unit.It is not only the focus of field operation and maintenance as its reliability bears on the safe operation of the whole hydropower plant,but also one of the important core components of future digital twin units.This paper takes the tailrace gate of a giant Francis turbine as the object of study and sets optical fiber strain measuring points on the tailrace gate based on the fiber grating strain sensor technology to build an on-line strain monitoring system,which is the first case in the industry.The study compared and analyzed the on-line strain monitoring data and finite element simulating calculation,technically verifying the building of a physical field model of tailrace gate.Keywords:tailrace gate;fiber grating;strain monitoring;physical field