傳統(tǒng)火電廠建設(shè)智慧電廠的典型方向及構(gòu)架體系

潘玉松，陳旭偉，張 鵬

(1.國電泰州發(fā)電有限公司，江蘇 泰州 225327；2.北京國電智深控制技術(shù)有限公司，北京 昌平 102200)

0 引言

在當(dāng)下第四次工業(yè)革命的浪潮中，美國推出了“先進制造業(yè)國家戰(zhàn)略計劃”，2014年成立了美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟(IIC)，旨在實現(xiàn)智能工業(yè)應(yīng)用，改變原先的工業(yè)運營模式；2013年德國正式推出“工業(yè)4.0”，旨在推動傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域的計算機化，使之向智能生產(chǎn)、智能工廠轉(zhuǎn)型。為了應(yīng)對國際競爭，提高國家制造業(yè)創(chuàng)新能力，推進工業(yè)化和信息化深度融合，國家2015年推出了《中國制造2025》[1]，并在十三五規(guī)劃中明確提出“推進能源革命，加快能源技術(shù)創(chuàng)新，建設(shè)清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系”[2]，2016年國家發(fā)改委發(fā)布了《關(guān)于推進“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源發(fā)展的指導(dǎo)意見》[3]，至此，智慧電廠的建設(shè)概念日益清晰。

經(jīng)過近20年的充分發(fā)展，我國火力發(fā)電行業(yè)取得了令人矚目的進步，一是發(fā)電裝備制造水平顯著提升，機組等級實現(xiàn)了300 MW到1 000 MW的各種技術(shù)流派的全覆蓋，相關(guān)生產(chǎn)指標(biāo)已經(jīng)實現(xiàn)世界行業(yè)內(nèi)領(lǐng)先；二是生產(chǎn)自動控制水平取得了突破性發(fā)展，分布式控制系統(tǒng)(distributed control system，DCS)技術(shù)已經(jīng)實現(xiàn)國產(chǎn)，其他的可編程控制器(programmable logic controller，PLC)、現(xiàn)場總線技術(shù)也逐步國產(chǎn)化；三是信息化建設(shè)取得體系化成果，絕大多數(shù)電廠都建成了DCS、安全儀表系統(tǒng)(safety instrumented system，SIS)、管理信息系統(tǒng)(management information system，MIS)，隨著計算機技術(shù)的進步，相關(guān)應(yīng)用更加高效、準(zhǔn)確。然而隨著電力市場的變化，為了與新能源發(fā)電的高效協(xié)調(diào)，需要火電廠提升發(fā)電靈活性，滿足電網(wǎng)的負(fù)荷響應(yīng)要求，及時綜合分析燃料、電量等市場信息，智慧電廠的建設(shè)成為必然之路[4]。

當(dāng)前，GE、西門子、ABB等公司先后推出Predix、MindSphere、Ability等工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，為智慧火電提供功能強大的平臺支撐；各大發(fā)電集團也在積極推進智慧電廠建設(shè)，期望通過智慧電廠的建設(shè)引領(lǐng)傳統(tǒng)發(fā)電企業(yè)實現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級。其中，國家能源投資集團的大渡河公司，采用“互聯(lián)網(wǎng)+大數(shù)據(jù)”技術(shù)，建成了公司層面的“綜合決策中心”、“專業(yè)數(shù)據(jù)中心”和“智慧工程、智慧電廠、智慧調(diào)度、智慧檢修”四個基層智慧模塊，是國內(nèi)首個整體流域水力發(fā)電站的智慧企業(yè)建設(shè)樣板；大唐集團的姜堰燃?xì)怆娬具\用了三維建模技術(shù)和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，實現(xiàn)了企業(yè)檔案三維數(shù)字化、設(shè)備故障診斷可視化和技能培訓(xùn)智能化，在人員定位和廠區(qū)無線方面做出了積極嘗試[5]；國家能源投資集團的高安屯燃?xì)怆娬敬罅渴褂昧爽F(xiàn)場總線設(shè)備，提升了生產(chǎn)自動化水平，構(gòu)建了生產(chǎn)故障遠程實時診斷專家系統(tǒng)，提升了機組可靠性，大幅降低了人員工作量，全廠只需30名工作人員，為智能發(fā)電做出了有借鑒意義的探索。

在智慧電廠建設(shè)的探索中，也出現(xiàn)過一些誤區(qū)，一是片面化的理解智慧電廠，比如用數(shù)字化建設(shè)、信息化建設(shè)代替智慧電廠功能；二是用新的技術(shù)手段堆砌智慧概念，比如用虛擬現(xiàn)實、無線定位、生物識別的應(yīng)用來簡單化智慧電廠功能；三是智慧主體不清，一味地追求生產(chǎn)、管理信息數(shù)據(jù)的智能化展示，關(guān)鍵的智能發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用很少，智能發(fā)電和智慧管理的協(xié)調(diào)不多。本文將從傳統(tǒng)火電廠的實際出發(fā)，結(jié)合智慧電廠建設(shè)的典型方向，論述智慧電廠的構(gòu)架設(shè)計，從數(shù)據(jù)流、信息系統(tǒng)以及應(yīng)用模塊等方面，闡述構(gòu)架形式。

1 智慧電廠建設(shè)的典型方向

1.1 智慧電廠建設(shè)的目標(biāo)

綜合國內(nèi)外對智慧電廠(工業(yè))的定義，智慧電廠的建設(shè)目標(biāo)可以簡要概括為：面向電廠全生命周期，利用新的信息技術(shù)(云技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng))、智能分析技術(shù)(智能算法、數(shù)據(jù)深度分析)、智能感知控制技術(shù)(機器人、視頻識別(radio frequency identification，RFID))，實現(xiàn)生產(chǎn)發(fā)電的智能化和業(yè)務(wù)管理的智慧化，為電網(wǎng)持續(xù)提供安全、靈活、清潔、經(jīng)濟的電力。

1.2 智慧電廠的特征

泛在感知——通過先進的傳感測量手段及網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，實現(xiàn)對電力生產(chǎn)和管理過程中環(huán)境、狀態(tài)、位置等信息的全方位監(jiān)測、識別和多維感知。

信息融合——利用云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等先進技術(shù)，對電力生產(chǎn)與管理過程中的海量數(shù)據(jù)進行規(guī)劃、處理與分析，實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的深度融合[6]。

業(yè)務(wù)智能——基于發(fā)電核心業(yè)務(wù)，運用預(yù)測控制、魯棒控制、PID自整定控制等先進算法，同時使用大數(shù)據(jù)分析、自迭代深度學(xué)習(xí)等技術(shù)進行多目標(biāo)優(yōu)化，構(gòu)建具備“自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)、自診斷、自組織、自趨優(yōu)”的智能發(fā)電系統(tǒng)和智慧管理系統(tǒng)，利用AI技術(shù)、模式識別等方法，獲得電力生產(chǎn)經(jīng)營中關(guān)鍵指標(biāo)的關(guān)聯(lián)性和內(nèi)在規(guī)律，及時準(zhǔn)確判斷機組所處狀態(tài)和企業(yè)管理狀態(tài)，及時優(yōu)化或給出調(diào)整建議，提升企業(yè)運營競爭力。

管控一體——建立智能發(fā)電與智慧管理系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)共享、業(yè)務(wù)聯(lián)動機制，實現(xiàn)各項生產(chǎn)指標(biāo)的最優(yōu)化與企業(yè)安全經(jīng)濟效益的最大化[7]。

1.3 智慧電廠建設(shè)路徑

隨著云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)以及人工智能等技術(shù)的發(fā)展，火電廠建設(shè)智慧電廠的路徑逐步清晰，一般應(yīng)為以下幾個推進階段：

1) 完成數(shù)字化建設(shè)。

一是完成電廠全口徑信息采集工作，并將所有信息轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)，形成涵蓋結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的統(tǒng)一數(shù)據(jù)源；二是進行數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化工作，包括進行基于元器件的統(tǒng)一編碼工作，以及基于時間序列的非結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的存儲標(biāo)準(zhǔn)化工作；三是整合生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)庫、關(guān)系數(shù)據(jù)庫和其他數(shù)據(jù)庫(包括文本數(shù)據(jù)和視頻數(shù)據(jù)等)，構(gòu)建統(tǒng)一的數(shù)據(jù)中心(含知識庫)，以確保所有數(shù)據(jù)來源唯一重復(fù)使用。

2) 完成物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)。

一是完成廠內(nèi)無線專用網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，為廠區(qū)物物相聯(lián)打造好基礎(chǔ)；二是完成必要的檢測感知元器件的升級，重點包括智能傳感器、智能執(zhí)行器、門禁系統(tǒng)、智能視頻探頭、設(shè)備RFID標(biāo)識建設(shè)等，實現(xiàn)設(shè)備信息、環(huán)境信息的及時交互共享；三是完成人員定位系統(tǒng)和智能終端的建設(shè)，打通廠區(qū)內(nèi)人與人、人與物、物與物的聯(lián)接，為廠區(qū)全方位收集信息，實施管控打好基礎(chǔ)。

3) 完成模型化建設(shè)。

一是在DCS層面采用一些成熟的機理算法，構(gòu)建一些系統(tǒng)的多變量預(yù)測數(shù)理模型，圍繞智能發(fā)電進行運行策略的智能升級；二是結(jié)合企業(yè)管理流程和管理行為，構(gòu)建管理模型；三是完成廠區(qū)全景三維建模和發(fā)電機組的三維建模工作，結(jié)合VR、AR、MR技術(shù)，打造電廠安防、運行、維護、檢修和培訓(xùn)的可視化模型。

4) 實現(xiàn)智能一體化。

一是采用現(xiàn)代信息處理和通信技術(shù)，整合原有企業(yè)的信息系統(tǒng)，打通管理壁壘；二是整合DCS、PLC、現(xiàn)場總線等設(shè)備控制系統(tǒng)，形成一體化聯(lián)動的智能發(fā)電模塊；三是針對安全生產(chǎn)管理和經(jīng)營業(yè)務(wù)管理需要，構(gòu)建智慧安全、智慧運行、智慧檢修、智慧工程、智慧物資、智慧燃料、智慧營銷、智慧行政和智慧黨群等智慧管理應(yīng)用模塊，并完成與數(shù)據(jù)中心的信息互聯(lián)共享；三是應(yīng)用大數(shù)據(jù)分析等綜合智能決策技術(shù)，構(gòu)建能聯(lián)動智能發(fā)電和智慧管理模塊的一體化決策平臺。

圖1 傳統(tǒng)火電廠管理架構(gòu)圖Fig.1 Management rack of traditional thermal power plant

2 智慧電廠的構(gòu)建體系

2.1 傳統(tǒng)火電的典型構(gòu)架及缺陷

智慧電廠的建設(shè)應(yīng)該立足于傳統(tǒng)火電廠的實際情況，圍繞電力市場的新形勢和企業(yè)管理的新要求來切實創(chuàng)新，利用當(dāng)下的先進技術(shù)來有的放矢，以便取得實效。圖1是傳統(tǒng)火電廠的管理架構(gòu)圖[8]。

由于傳統(tǒng)火力發(fā)電企業(yè)的信息化建設(shè)大多是分步、分系統(tǒng)開展的，實際工作中反映出越來越多的不足，主要包括：1)沒有跨部門的結(jié)構(gòu)化流程，各系統(tǒng)以職能部門流程為導(dǎo)向開發(fā)，跨部門的流程往往靠人工銜接，運作過程被割裂；2)系統(tǒng)設(shè)計上存在本位主義，各系統(tǒng)從職能部門利益出發(fā)，各自為政，造成內(nèi)耗；3)決策目標(biāo)不唯一、清晰，沒有統(tǒng)一的驅(qū)動原則，各系統(tǒng)的運作缺乏前瞻性，反復(fù)做無用功，浪費信息資源；4)各系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和流程優(yōu)化技術(shù)不精，不能使信息資源得到充分的發(fā)揮；5)各系統(tǒng)的開發(fā)技術(shù)不統(tǒng)一，在數(shù)據(jù)處理和共享交互上缺乏整體協(xié)同性，部分系統(tǒng)甚至無法與外部系統(tǒng)交互信息，孤島運行。

2.2 智慧電廠的數(shù)據(jù)構(gòu)架

高效利用電廠過程信息是智慧電廠建設(shè)的關(guān)鍵之一，對電廠生產(chǎn)、經(jīng)營和管理信息的數(shù)字化整合[9]主要包括“數(shù)據(jù)采集—數(shù)據(jù)傳輸—數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化—數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲及分析”這幾個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，相關(guān)數(shù)據(jù)構(gòu)架如圖2所示。

為有利于后期智慧功能的拓展，智慧電廠的數(shù)據(jù)架構(gòu)應(yīng)該選用數(shù)據(jù)交互便捷、數(shù)據(jù)分析高效的技術(shù)路線，當(dāng)下使用云平臺技術(shù)，構(gòu)建基礎(chǔ)數(shù)據(jù)構(gòu)架，比使用常規(guī)的小型機數(shù)據(jù)庫具有數(shù)據(jù)更加安全、交互更加便捷、計算更加高效的優(yōu)點，也為各發(fā)電集團整合所屬企業(yè)數(shù)據(jù)資源，打造行業(yè)資源中心做好了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)構(gòu)架準(zhǔn)備。

2.3 智慧電廠的應(yīng)用構(gòu)架

智慧電廠的應(yīng)用構(gòu)架設(shè)置可以秉承“業(yè)務(wù)智慧、提質(zhì)增效”的原則，應(yīng)該從發(fā)電業(yè)務(wù)[10]和管理業(yè)務(wù)兩個方面進行智慧變革，應(yīng)用架構(gòu)如圖3所示。

整體架構(gòu)包含智能發(fā)電和智慧管理兩部分，由于最終目標(biāo)都是服務(wù)于生產(chǎn)發(fā)電，所以核心應(yīng)為智能發(fā)電：一是使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等高級算法，優(yōu)化DCS控制算法，提升控制效果；二是多目標(biāo)優(yōu)化等智能控制策略，優(yōu)化系統(tǒng)運行，提升系統(tǒng)運行效率和靈活性；三是使用一些先進的智能檢測技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)和人工智能技術(shù)，提升設(shè)備全生命周期管理的水平。智慧管理作為一個支撐服務(wù)體系，整合了企業(yè)管理業(yè)務(wù)，基于生產(chǎn)發(fā)電實際，圍繞構(gòu)建“安全、高效、和諧”的智慧電廠的目標(biāo)，實現(xiàn)所有管理行為和業(yè)務(wù)流程實施規(guī)范、運行流暢。

圖2 智慧電廠數(shù)據(jù)構(gòu)架圖Fig.2 Data architecture of smart power plant

圖3 智慧電廠應(yīng)用模塊構(gòu)架圖Fig.3 Application module architecture of smart power plant

其中，智慧管理部分，重點是利用企業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)營、管理等數(shù)據(jù)信息，圍繞安全運行、環(huán)保排放、成本最優(yōu)、作業(yè)高效等目標(biāo)，在安全管理、污染物排放、配煤摻燒、電力營銷、內(nèi)部管控等方面，既能實現(xiàn)個體目標(biāo)最優(yōu)智慧分析，又能實現(xiàn)綜合目標(biāo)最優(yōu)智慧分析，為企業(yè)人員從多角度、多維度地給出生產(chǎn)營建議。智能發(fā)電部分，既能實現(xiàn)針對機組內(nèi)部特性的自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)、自診斷的智能發(fā)電優(yōu)化，又能及時響應(yīng)企業(yè)人員根據(jù)智慧管理模塊提供的信息做出的運營決策，進行自組織、自趨優(yōu)的發(fā)電調(diào)整。

2.4 智慧電廠的信息交互構(gòu)架

智慧電廠建設(shè)中，信息交互構(gòu)架應(yīng)該對內(nèi)在滿足信息交互的火電標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，實現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的充分交互。同時，應(yīng)該兼顧與外部的信息交互需要，主要包括系統(tǒng)內(nèi)主管各級單位的專有系統(tǒng)的信息交互，系統(tǒng)外與電網(wǎng)、政府職能部門的業(yè)務(wù)信息交互。整體信息交互構(gòu)架如圖4所示。

2.5 智慧電廠的新舊系統(tǒng)架構(gòu)和硬件網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架

智慧電廠的建設(shè)應(yīng)該充分運用火電企業(yè)過去寶貴的設(shè)備系統(tǒng)資源，結(jié)合傳統(tǒng)火電企業(yè)的設(shè)備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，新舊系統(tǒng)融合架構(gòu)圖如圖5所示。

智慧電廠的硬件網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架主要考慮的是與各級主管單位的硬件網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架關(guān)系，構(gòu)建時應(yīng)在安全的基礎(chǔ)上，充分考慮靈活的網(wǎng)絡(luò)拓展需要，如圖6所示。

圖4 智慧電廠信息交互構(gòu)架圖Fig.4 Information interaction framework of smart power plant

圖5 智慧電廠新舊系統(tǒng)融合架構(gòu)圖Fig.5 Integration of old and new systems in smart power plants

圖6 智慧電廠硬件網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架圖Fig.6 Hardware network architecture of smart power plant

3 結(jié)論

智慧電廠建設(shè)是傳統(tǒng)火電企業(yè)轉(zhuǎn)型升級的必由之路，其建設(shè)工作是“互聯(lián)網(wǎng)+火力發(fā)電”模式的新智能體現(xiàn)，切實有效的整體構(gòu)架搭建，能確保企業(yè)的安全環(huán)保、節(jié)能高效、少人值守、精細(xì)管控、靈活和諧等需求得到整體落實，更為企業(yè)持續(xù)提升打好基礎(chǔ)。