近日，国家能源投资集团有限责任公司在四川省成都市正式发布“云上水电”平台，这一平台将探索构建“低成本、大范围、高成效”的水电一体化专业数据服务新范式，为水电行业的高质量发展带来新动力。

近年来，随着新型电力系统建设的深入推进，水电产业迎来数字化智能化转型新机遇、新挑战。国家能源集团紧跟国家数字化发展步伐，将新一代信息技术与工业经济深度融合，聚焦水电应用场景，“云上水电”应运而生。“云上水电”诞生的背后，是国家能源集团多年来在水电数智化建设方面的不懈探索与追求。“‘云上水电’带来的绝不只是汇聚数据。它是数据驱动水电生产运行的新模态，是水电智能化、绿色化发展的新范式。”“云上水电”集成了一系列功能强大、操作简单、易于上手的研发工具。用户可以通过物联网平台，安全高效地采集和传输水电各类实时数据，可以通过水电数据治理平台，快速形成水电数据资产目录；还可以利用水电数据中台强大的湖仓一体和存算分离能力，进行实时数仓加工，实现生产运营指标秒级计算。

一、当传统水电遇上智慧化，会碰撞出怎样的火花？

深圳大成智能电气科技有限公司研发的大型水轮发电机励磁设备热像、电流与声纹在线监测及安全管控系统，成功为国家能源投资集团“云上水电”平台添砖加瓦。

碳刷和集电环是励磁系统中的重要部分，负责转动和静止部件之间的电能传递。它们不仅需要承受机械压力，也直接承担电气负荷。这些压力容易导致发电机的碳刷组件存在不良、过压（松）、压偏、跳动、发热、断裂、主轴漏油等隐患问题。如果这些问题未能及时解决，极易形成电刷通流回路接触电阻增大，造成碳刷或集电环表面过热或冷热不均，影响到发电机的安全运行。目前的监控设备很难直观预判发电机励磁碳刷隐患，对碳刷电流扰动、发电机轴系扭振、碳刷与集电环发热、环境粉尘过高等问题无法作出及时判断，更没有可视化的在线监测和实时预警，一旦出现故障，必将引起发电机组非计划停机，甚至可能会延长事故处理时间，对电网稳定性和发电机设备安全带来风险。因此，实现碳刷和集电环精确监测和实时预警，对保障发电机组的稳定运行至关重要。

二、大型水轮发电机励磁设备热像、电流与声纹在线监测及安全管控系统介绍

2.1 系统概述

大成智能发电机励磁可视化智能安全管控系统的设计原则是以数据驱动和智能化为核心，利用人工智能（AI）和边缘计算技术进行高效的数据处理和分析。主要由感知层设备（红外热像单元、电流传感器、声波传感器、粉尘传感器）、边缘计算处理器及后台物联网数据监测软件组成。

系统实时获取发电机集电环、碳刷有效热像视频、温升、碳刷电流，以及主轴端设备运行声纹，再通过边缘计算处理器对数据进行处理，提取碳刷组件热像图、碳刷电流、主轴端设备声纹等特征数据、结合计算机AI和边缘计算技术，进行在线或离线热像分析，智能跟踪每个碳刷与主轴端设备的安全状态并进行动态分析，提供相关设备运行数据，实现预测性维护、故障诊断和提前预警，提高发电机励磁系统的运行安全和稳定性。并提供基于数据分析的维护建议，为设备运维人员顺利实施状态检修提供可靠依据和检维修建议。

系统提供良好的人机界面，在本软件平台上可以方便地进行数据存储，实时监控，智能分析，输出温度预警、超限警讯、历史记录、曲线等，支持输出至电厂DCS 系统或上传至PaaS大数据集控中心，为电气运管人员安全管理提供了有力的辅助工具，提升了设备的管理水平和管理手段。

图1、系统设计原则图

2.2系统架构

本系统基于层次化架构设计，旨在通过智能监测技术实现发电机励磁系统的高效、实时监控和预测性维护。系统包括感知层、数据处理层、通信层和应用层四个主要部分。层与层之间的数据信号通过数据总线传输，实现系统的全面监控，保障感知层装置功能性和可靠性不受应用层影响。此外,各监测装置独立运行，增强系统的灵活性和稳定性。

感知层：通过在机组关键部位部署安装传感器，如红外热像装置、电流监测传感器、声纹监测装置和粉尘传感器，实时采集发电机励磁系统的各项运行数据，包括碳刷组件热像图、碳刷电流、和声纹特征值。

数据处理层：对采集数据进行验证、清洗、过滤、缓存，并利用机器学习方法，提取有效特征值，并将处理后的数据上传后台进行分析。实现数据的统一管理、监控、规约转换功能。

通信层：负责系统内各层之间的数据传输。通过安全可靠的通信协议，将处理过的数据发送到应用层，同时保证数据传输的实时性和准确性。

应用层： 建立在企业服务器层之上高级应用服务，基于工业数字孪生建模、知识推理等系统决策技术，通过对边缘计算层上传的各类数据进行分析、处理，以及命令的发布、数据库建立及管理，并可根椐需方要求定制各类人机界面和输出各类数据分析报表，采用高级数据分析和机器学习算法，实现全面监控、故障诊断和预测性维护。使操作人员能够直观了解设备状态，及时做出维护和调整决策，实现对电力设备可视化劣化诊断与安全预警。

网络拓扑图如下：

图2、系统组织架构图

2.3系统特点

1）系统采用高性能优质传感器，智能实时采集并捕捉碳刷组件热像图、碳刷电流、集电环运行声音特征值和励磁室粉尘溶度等数据，智能跟踪集电环、碳刷的安全运行状态，并进行动态分析，确保数据的一致性及均衡采集，为数据分析奠定基础；

2）采用先进的边缘计算技术，实行对数据进行验证、清洗、过滤、缓存，以及有效提取特征值和边缘计算处理，实时上传，保证感知层与平台之间不存在数据延迟和可伸缩性；

3）系统人机交互界面，采用数字孪生技术，主界面支持机组集电环SVG图形群组，实现发电机组集电环、刷架、碳刷等实时监测数据动态展现，虚拟运行状况、直观的可视化交互，操作简单方便。

4）系统提供了成熟智能监测算法模型，确保设备监控的精准和高效，提前预判励磁碳刷、滑环、主轴等运行状态并报警，提高机组安全运行水平；

5）系统自动生成并输出《励磁碳刷/滑环的运行报告及维保建议》（日报或月报），对发电厂机组励磁碳刷的维修更换进行统计记录，可供设备运维人员检修碳刷提供参考数据；

6）系统提供发电机集电环日常运维指导意见库和健康度管理库，预测集电环故障的发展趋势，励磁碳刷和主轴运行状态分析和预判，及时发现故障隐患，减少突发性事故，提供基于数据分析的维护建议，为设备运维人员顺利实施状态检修提供可靠依据和检维修建议；

7）系统可实现大平台展现，上传至PaaS大数据集控中心，实现了数据的集中管理和可视化展现。平台实时展现：实时监控，声纹智能分析，温度预警、电流超限警讯、历史记录、曲线等功能，为管理人员提供了及时的信息和警示，提高管理的效率和及时性、设备的管理水平。

图3、系统界面图

图4、云上平台指挥中心