BIM技术在水电站微机监控系统中的应用

罗茂苇

贵州乌江水电开发有限责任公司思林发电厂 贵州 思南 565100

摘要：水电站微机监控系统是整个电站自动化系统的核心组成部分，为水电站提供可靠的运行方式，保障水电站的稳定运行。本文概述了BIM技术的内涵及特征，

设计开发了一套基于BIM技术的水电站微机监控系统，该系统将进一步一部分提升监控系统的三维可视化、信息数字化和故障诊断智能化水平。

关键词：BIM；水电站；微机监控系统；故障诊断；

1 概述

水电站微机监控系统是对水电站发电生产过程实行监测和控制的系统，其主要功能有自动采集水轮发电机组、水力机组辅助设备、主变压器和开关站等的电气、温度、压力、液位和流量等数据，并进行显示、分析和储存；完成各种生产流程，包括开停机、分合开关等顺序控制，,有功功率和无功功率调节，自动发电控制和自动电压控制。同时还具有人机交互、故障报警、防误操作、事故处理，以及历史数据库管理等功能。水电站微机监控系统是水电站自动化体系中最为核心的系统, 是整个电站的大脑和中枢神经系统，而传统的水电站监控系统受早期设备元器件技术发展的限制以及监测技术水平的制约，一直存在着监控可视化程度低、信息共享和交互传输能力差、故障诊断水平落后等问题，造成了水电站信息化管理水平低、预防性维护决策能力不足和运维成本高等问题，因此，各厂家和科研院所也纷纷对水电站微机监控系统进行了优化设计和改造^[1-5]。BIM（Building Information Modeling）技术已在全球范围内得到业界的广泛认可并成功应用于建筑的设计、施工、运行直至建筑全寿命周期的终结，将其引入水电站微机监控系统中，可有效解决监控系统存在的上述问题，全面提升监控系统的三维可视化、信息数字化和故障诊断智能化水平。

2 BIM技术的内涵及特征

BIM技术是一种应用于工程设计、建造、管理的数据化工具，通过对建筑的数据化、信息化模型整合，在项目策划、运行和维护的全生命周期过程中进行共享和传递，使工程技术人员对各种建筑信息作出正确理解和高效应对，为设计团队以及包括建筑、运营单位在内的各方建设主体提供协同工作的基础，在提高生产效率、节约成本和缩短工期方面发挥重要作用。BIM技术核心在于使用计算机技术，通过三维虚拟技术进行数据库的创建，实现数据的动态变化和建筑施工状态的同步。BIM技术可以准确无误的条用数据库中的系统参数，加快决策尽速，实现项目高质量的目的，有效降低成本和资金投入。最终实现建筑施工的全程控制，控制施工进度，节约资源，降低成本，提高工作效率。BIM一般具有以下特征：

（1）模型信息的完备性

除了对工程对象进行3D 几何信息和拓扑关系的描述，还包括完整的工程信息描述，如对象名称、结构类型、建筑材料、工程性能等设计信息；施工工序、进度、成本、质量以及人力、机械、材料资源等施工信息；工程安全性能、材料耐久性能等维护信息；对象之间的工程逻辑关系等。

（2）模型信息的关联性

信息模型中的对象是可识别且相互关联的，系统能够对模型的信息进行统计和分析，并生成相应的图形和文档。如果模型中的某个对象发生变化，与之关联的所有对象都会随之更新，以保持模型的完整性和健壮性。

（3）模型信息的一致性

在建筑生命期的不同阶段模型信息是一致的，同一信息无需重复输入，而且信息模型能够自动演化，模型对象在不同阶段可以简单地进行修改和扩展而无需重新创建，避免了信息不一致的错误。

3 基于BIM技术的水电站微机监控系统的设计与开发

3.1 监控系统结构

3.1.1设计原则

电站微机监控系统遵循安全、可靠、经济、适用的设计原则，旨在不断提高监控系统的三维可视化、信息数字化和故障诊断智能化水平。按照综合自动化的要求, 实现对全站主要机电设备、辅机设备和公用设备的控制、保护和测量, 并全面监视其运行状态，完成对整个电站的遥控、遥调、遥信、遥测等所有远动功能。

3.1.2 系统结构

常规的微机监控系统采用开放、分层分布式结构, 由站控层、网络层和现地层设备构成。本监控系统在常规系统的基础上引入BIM平台，具体系统结构框图如图1所示。

图1 基于BIM技术的微机监控系统结构图

3.2 监控系统配置

本监控系统主要包括BIM平台、主控计算机、操作员工作站、工程师工作站、通信工作站、机组LCU、开关站LCU、厂用电LCU、公用设备。各组成部分通过TCP/IP以太网相连；机组LCU、开关站LCU、厂用电LCU、公用设备LCU内部采用CAN总线；LCU层的PLC之间采用基于Worldfip技术的Locafip总线；监控系统各组成部分的通信形成了三层网络，使得监控系统对不同类型信号的兼容性更强、信息和数据的传输更加灵活高效、系统的可靠性更高。

3.2.1 BIM平台

BIM平台包括数据接收模块、BIM模块、数据分析模块、故障诊断模块、数据输出模块。数据接收模块用于接收主机、各LCU和通信站的数据信息；BIM模块用于水电站各设备的三维建模，加之时间和监测信息构成五维模型，工程前期通过碰撞检查，可发现和修复碰撞点，有效减少后期变更，还可对三维模型进行切图获取施工现场所用二维图纸，运维期间通过主机可实时监控现场设备和调取设备信息；数据分析模块可结合多种智能算法进行监测数据分析；故障诊断模块用于接收数据分析模块传送的数据信息，通过对数据分析判别，诊断出具体故障类型并将诊断结果进行传送；数据输出模块可输出可视化图表。

3.2.2主控计算机

主控计算机采用负载均衡的集群方式工作，设有双机切换装置，当其中一台计算机发生故障时，另一台计算机满足作为备用使用，支持主/备通道自动切换；主控计算机与云监测平台相连，可实现对电站机组设备正常运行控制、故障处理、运行参数设定和数据记录显示等运营维护工作。

3.2.3 通信工作站

通信工作站保持与水情测报系统、防汛系统、火灾系统、通风系统、闸门控制系统、地调和中调等其他系统的通信，同时通信工作站将BIM平台与外部系统连接，可充分利用BIM平台强大的数据处理分析和存储能力，同时进行信息互换与共享。

3.2.4机组LCU

机组LCU采集的数据主要有模拟量数据，含定子电压、电流、功率励磁电压、电流、频率、各轴承油温、瓦温、定子线圈和铁芯温度、流量、振动和摆度幅值、水位、闸门开度等，开关量包括断路器及隔离开关的位置信号、机组设备运行状态信号、继电保护的动作信号、手动自动方式选择信号、位置报警信号等。

3.3监控系统特点

该监控系统采用三层网络结构，提高了信息和数据交换的速度，满足了实时监控的需求，通信网络的增加同时提高了监控系统的安全性和可靠性；工程前期通过BIM模型完成设备的三维模型制作，通过碰撞检查，发现、修复碰撞点，有效减少后期变更，并对三维模型进行切图获取二维图纸，提高了水电站施工过程的信息化水平、可视化管理程度和设备安装效率；后期通过云监测平台可实现监控系统的三维可视化，机组运行的实时监控与预警，故障的智能诊断，提高了监控水平和故障处理效率，节约了运维成本。

4 结语

本文针对现有水电站微机监控系统的不足，设计了一种基于BIM技术的水电站微机监控系统，该系统充分融合了BIM技术，实现了水电站施工和运维监控的三维可视化，通信数据高效灵活的传输与共享，智能故障诊断与预警，从而提高了系统监控水平，节约了运维成本。

参考文献：

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作者简介：罗茂苇（1993.03—），男，贵州余庆人，本科学历，助理工程师，主要从事水电站电气检修维护工作。