耿海濤,朱亞迪
(1.湖北華電武昌熱電有限公司,湖北省 武漢市 430061;2.華電電力科學(xué)研究院有限公司,浙江省 杭州市 310030)
經(jīng)過近幾十年的發(fā)展,我國電廠已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了信息化的建設(shè),建立了以分布式控制系統(tǒng)(distributed control system,DCS)+安全儀表系統(tǒng)(safety instrumented system,SIS)+管理信息系統(tǒng)(management information system,MIS)為核心的信息化網(wǎng)路架構(gòu)[1]。隨著以德國“工業(yè)4.0”和美國“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”為代表的新工業(yè)革命的發(fā)展,以及“中國制造 2025”、“互聯(lián)網(wǎng)+”行動(dòng)計(jì)劃的頒布實(shí)施,數(shù)字化技術(shù)正以前所未有的方式改變工業(yè)的生產(chǎn)和運(yùn)營方式,電力行業(yè)亦是如此。
《中國制造2025》中將“推進(jìn)信息化與工業(yè)化深度融合”納入戰(zhàn)略任務(wù)重點(diǎn),電力裝備是十大重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域之一[2]?!秶鴦?wù)院關(guān)于積極推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”行動(dòng)的指導(dǎo)意見》中,特別將“互聯(lián)網(wǎng)+能源”作為重點(diǎn)行動(dòng),強(qiáng)調(diào)“推進(jìn)能源生產(chǎn)智能化”,“鼓勵(lì)能源企業(yè)運(yùn)用大數(shù)據(jù)技術(shù)對設(shè)備狀態(tài)、電能負(fù)載等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析挖掘與預(yù)測,開展精準(zhǔn)調(diào)度、故障判斷和預(yù)測性維護(hù),提高能源利用效率和安全穩(wěn)定運(yùn)行水平”[3]。另外,國家能源局發(fā)布的《電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中也明確提出“提升電源側(cè)智能水平,加強(qiáng)傳統(tǒng)能源和新能源發(fā)電的廠站級(jí)智能化建設(shè)”[4]。
關(guān)于智能電廠的研究應(yīng)用,國內(nèi)已經(jīng)作了大量的研究[5-8],許多專家學(xué)者對智能電廠提出了不同的見解,文獻(xiàn)[9]認(rèn)為智能電廠是數(shù)字化電廠的進(jìn)一步發(fā)展,實(shí)現(xiàn)智能發(fā)電首先是要進(jìn)一步提高電廠的數(shù)字化水平;文獻(xiàn)[10]認(rèn)為智能電廠以新一代智能管控一體化系統(tǒng)為核心,全面開拓和整合電廠的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理及管理決策等業(yè)務(wù)。除此以外,國內(nèi)在發(fā)電廠關(guān)鍵技術(shù)的智能化方面做了大量的研究,如智能供熱技術(shù)、故障診斷等[11-12]。
國外發(fā)電廠智能化建設(shè)以西門子和GE公司為代表,其認(rèn)為智能電廠的核心是對設(shè)備生產(chǎn)信息進(jìn)行深度挖掘,從而指導(dǎo)企業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)營和管理。對此,西門子和GE分別推出了以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的 Mindsphere和 Predix工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái),融合大數(shù)據(jù)和云計(jì)算等技術(shù)手段,對發(fā)電企業(yè)機(jī)組運(yùn)行方式進(jìn)行優(yōu)化,對設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行全面監(jiān)測和診斷,進(jìn)而提高發(fā)電企業(yè)的生產(chǎn)、經(jīng)營及管理水平。
中國智能電廠聯(lián)盟于2016年底發(fā)布了《智能電廠技術(shù)發(fā)展綱要》[13](以下簡稱綱要)。綱要對智能電廠作如下定義:智能電廠是指在廣泛采用現(xiàn)代數(shù)字信息處理技術(shù)和通信技術(shù)基礎(chǔ)上,集成智能的傳感與執(zhí)行、控制和管理等技術(shù),達(dá)到更安全、高效、環(huán)保運(yùn)行,與智能電網(wǎng)及需求側(cè)相互協(xié)調(diào),與社會(huì)資源和環(huán)境相互融合的發(fā)電廠。
智能電廠是數(shù)字化電廠的進(jìn)一步發(fā)展,強(qiáng)調(diào)在進(jìn)一步完善基礎(chǔ)設(shè)備信息采集、過程控制的基礎(chǔ)上,加強(qiáng)對電廠信息的處理和應(yīng)用,并結(jié)合先進(jìn)的可視化技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息的展現(xiàn)。智能電廠的特征表現(xiàn)為數(shù)字化、信息網(wǎng)絡(luò)化、信息可視化、過程控制智能化以及生產(chǎn)管理一體化。
數(shù)字化是信息的表現(xiàn)形式,傳統(tǒng)電廠數(shù)字化往往只針對生產(chǎn)過程信息的數(shù)字化,忽略了電廠全壽命周期過程中靜態(tài)信息的數(shù)字化,如設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試、檢修等過程的靜態(tài)信息。智能電廠通過對靜態(tài)信息的數(shù)字化,形成設(shè)備基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫,為電廠的生產(chǎn)決策提供全面的數(shù)字化信息。
信息的網(wǎng)絡(luò)化,是通過統(tǒng)一的規(guī)劃和設(shè)計(jì),建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)中心,打通電廠信息孤島,實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)信息的共享,為信息的智能化挖掘和分析奠定基礎(chǔ)。
信息的可視化是基于現(xiàn)代三維建模技術(shù),建立各設(shè)備、系統(tǒng)的精細(xì)化三維結(jié)構(gòu)模型,并將相關(guān)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)信息與三維模型關(guān)聯(lián),構(gòu)成三維數(shù)字化信息平臺(tái),從而避免傳統(tǒng)二維可視造成的信息降維,為生產(chǎn)管理人員進(jìn)行操作和管理提供一個(gè)友好、直觀的信息交互方式。
過程控制智能化是在融合先進(jìn)控制技術(shù)的基礎(chǔ)上,通過對電廠生產(chǎn)、經(jīng)營和管理信息挖掘和分析,自適應(yīng)調(diào)節(jié)運(yùn)行方式,如廠級(jí)負(fù)荷優(yōu)化分配、自動(dòng)調(diào)壓等。
生產(chǎn)管理一體化是智能化電廠的支撐平臺(tái),通過統(tǒng)一規(guī)劃建設(shè),將設(shè)備、控制、生產(chǎn)、管理和決策等層面進(jìn)行整合集成的軟硬件平臺(tái)。
圍繞著智能電廠以上5個(gè)方面的特征,智能電廠的建設(shè)分為3個(gè)層級(jí):基礎(chǔ)設(shè)備層、過程控制層以及生產(chǎn)管理層,如圖1所示。
圖1 智能電廠層級(jí)圖Fig. 1 Hierarchy figure of smart power plant
智能設(shè)備層:智能設(shè)備層主要任務(wù)是全面獲取電廠的信息,并有效執(zhí)行控制指令。廣泛的設(shè)備層不僅包括現(xiàn)場安裝的智能儀表、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、工藝設(shè)備、接口和基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò),還包括人員所攜帶的移動(dòng)監(jiān)測設(shè)備(如點(diǎn)檢儀、測振儀等)、智能巡檢機(jī)器人等[14]。
智能控制層是在傳統(tǒng)DCS控制的基礎(chǔ)上,通過嵌入優(yōu)化調(diào)度、優(yōu)化調(diào)整等控制思想,實(shí)現(xiàn)控制過程的智能化,如燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組的快速啟停機(jī)、自啟停技術(shù)等。
智能生產(chǎn)管理層包含3個(gè)層面:智能生產(chǎn)層、智能管理層和智能經(jīng)營決策層,這3個(gè)層面有一個(gè)共同的特點(diǎn),需要通過大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)手段,對信息進(jìn)行深層次的挖掘和分析,進(jìn)而提供指導(dǎo)意見。
智能生產(chǎn)層:除了包含傳統(tǒng)SIS的指標(biāo)統(tǒng)計(jì),信息監(jiān)測以外,還包括基于專家系統(tǒng)的設(shè)備狀態(tài)診斷、檢修維護(hù)、設(shè)備監(jiān)督等。
智能管理層:包括資產(chǎn)、財(cái)務(wù)、人員、安全等管理的智能化,如智能倉儲(chǔ)系統(tǒng)、基于人員定位的安全管理系統(tǒng)、智能燃料管理系統(tǒng)等。
智能經(jīng)營決策層:通過互聯(lián)網(wǎng)或能源互聯(lián)網(wǎng)與集團(tuán)公司、產(chǎn)業(yè)鏈上下游進(jìn)行連接,并進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,為電廠經(jīng)營決策提供支持。如商務(wù)智能系統(tǒng)、需求側(cè)響應(yīng)系統(tǒng)等
實(shí)現(xiàn)3個(gè)層級(jí)的智能化是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程,建設(shè)過程應(yīng)堅(jiān)持“結(jié)合實(shí)際、統(tǒng)一規(guī)劃、分步實(shí)施”的方針策略。對于新建機(jī)組,應(yīng)在可研設(shè)計(jì)階段融入智能化電廠的理念,按照設(shè)備層、控制層和生產(chǎn)管理層逐層建設(shè)。對于在役電廠,根據(jù)機(jī)組現(xiàn)有的信息系統(tǒng)、控制系統(tǒng)有選擇性的開展智能化建設(shè)。目前,針對智能電廠的3個(gè)層級(jí),國內(nèi)外已經(jīng)探索出部分關(guān)鍵技術(shù),并逐步形成應(yīng)用成果。
智能儀表具有在線采集設(shè)備運(yùn)行信息、遠(yuǎn)程整定、自診斷等功能,可將大量現(xiàn)場信息傳送至全廠生產(chǎn)管理系統(tǒng),智能儀表往往與現(xiàn)場總線技術(shù)結(jié)合在一起使用,比如可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速通道(highway addressable remote transducer,HART)協(xié)議的智能儀表以及HART協(xié)議的智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)的應(yīng)用。
針對燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組中燃?xì)廨啓C(jī)、余熱鍋爐、汽輪機(jī)自身的特性以及熱力系統(tǒng)的組成,合理優(yōu)化主、輔機(jī)設(shè)備的啟停時(shí)間和啟停步序,包括:汽輪機(jī)進(jìn)汽管道疏水閥控制邏輯優(yōu)化、金屬溫度匹配優(yōu)化、旁通閥調(diào)節(jié)邏輯優(yōu)化、汽輪機(jī)暖機(jī)控制邏輯優(yōu)化,提高下位電站的進(jìn)汽及升負(fù)荷速率。另外,通過對機(jī)組啟停機(jī)過程設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的分析,建立燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組啟停過程的評價(jià)體系,對主輔機(jī)設(shè)備在啟停機(jī)過程中的健康狀態(tài)、能耗水平進(jìn)行評估。
發(fā)電廠機(jī)組自啟停系統(tǒng)(automatic plant startup and shutdown,APS)為機(jī)組級(jí)高度自動(dòng)化的控制系統(tǒng),基于單元機(jī)組整機(jī)自動(dòng)啟停控制思想,以電廠基本系統(tǒng)(機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)、汽機(jī)電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)、鍋爐燃燒管理系統(tǒng)和鍋爐、汽機(jī)及相應(yīng)輔機(jī)順序控制等)為基礎(chǔ)。在機(jī)組啟動(dòng)和停止時(shí),APS為機(jī)組控制系統(tǒng)的中心,根據(jù)機(jī)組啟停要求,按規(guī)定好的程序發(fā)出各個(gè)系統(tǒng)、子系統(tǒng)、設(shè)備的啟停指令,同時(shí)接收各系統(tǒng)的反饋信息,進(jìn)行綜合分析與判斷,完成實(shí)現(xiàn)單元機(jī)組的自動(dòng)啟動(dòng)或停止。
基于互聯(lián)網(wǎng)+的安全管理是通過定位基站和定位標(biāo)簽采集定位數(shù)據(jù),通過基礎(chǔ)配置維護(hù)區(qū)域、標(biāo)簽和人員的關(guān)系,通過集成定位數(shù)據(jù)和關(guān)系模型,形成人員定位、人員軌跡回放、動(dòng)態(tài)預(yù)警、區(qū)域及設(shè)備監(jiān)測等應(yīng)用功能,如圖2所示,在這些集成應(yīng)用功能的基礎(chǔ)上,開展進(jìn)一步的數(shù)據(jù)分析和處理,形成諸如安全管理、考勤管理、考核管理等高級(jí)應(yīng)用功能。
圖2 基于互聯(lián)網(wǎng)+的人員定位系統(tǒng)Fig. 2 Personnel location system base on internet plus
通過對兩票信息、巡檢信息、值班日志、設(shè)備管理信息的挖掘,構(gòu)建智能化運(yùn)檢系統(tǒng)。智能運(yùn)檢系統(tǒng)主要功能包括:
1)自動(dòng)生成巡檢路線。目前,運(yùn)檢人員進(jìn)行巡檢時(shí)主要依據(jù)經(jīng)驗(yàn)或者運(yùn)行規(guī)程中的規(guī)定路線。智能運(yùn)檢系統(tǒng)可根據(jù)兩票信息、值班日志、設(shè)備缺陷信息及交接班信息設(shè)備健康程度智能生成巡檢路線,以加強(qiáng)對缺陷發(fā)生較多的設(shè)備巡檢。
2)移動(dòng)化巡檢。通過設(shè)備二維碼標(biāo)簽,結(jié)合移動(dòng)設(shè)備,實(shí)現(xiàn)移動(dòng)化巡檢。用戶使用移動(dòng)設(shè)備對設(shè)備進(jìn)行掃描之后可以直接進(jìn)行模型的定位,同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)對點(diǎn)檢線路管理、點(diǎn)檢計(jì)劃管理以及點(diǎn)檢結(jié)果的錄入和查詢等,如圖3所示。
圖3 智能運(yùn)檢移動(dòng)終端Fig. 3 Mobile terminal of smart operation and overhauling
設(shè)備故障預(yù)警管理是信息技術(shù)與數(shù)據(jù)技術(shù)融合的典型應(yīng)用。利用機(jī)器學(xué)習(xí)和大數(shù)據(jù)技術(shù),對設(shè)備的正常運(yùn)行工況信息進(jìn)行學(xué)習(xí),建立設(shè)備正常運(yùn)行狀態(tài)預(yù)測模型。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)劣化或者故障時(shí),預(yù)測模型會(huì)與實(shí)測值產(chǎn)生偏差,從而向工作人員或者工作流發(fā)出報(bào)警。與傳統(tǒng)預(yù)警診斷技術(shù)相比,故障預(yù)警技術(shù)能夠在漸變性故障發(fā)生之前,通過劣化趨勢分析及時(shí)報(bào)警,并提供該異常的具體變化趨勢,以及相關(guān)異常參數(shù)情況,供故障預(yù)警與分析。該技術(shù)能夠在各種運(yùn)行工況下持續(xù)監(jiān)視所有設(shè)備和生產(chǎn)流程,可用于監(jiān)視負(fù)荷變化工況和機(jī)組啟動(dòng)/停機(jī)工況,并能在到達(dá)臨界點(diǎn)之前發(fā)現(xiàn)蠕變?nèi)毕?。該系統(tǒng)包括狀態(tài)預(yù)估模型管理、智能集中監(jiān)測、智能告警管理。
1)狀態(tài)預(yù)估模型管理。
狀態(tài)預(yù)估模型管理提供預(yù)警監(jiān)測模型的配置、訓(xùn)練、啟用等管理過程,完成數(shù)字化電廠各專業(yè)相關(guān)設(shè)備的趨勢預(yù)警模型的構(gòu)建,通過本模塊,將電廠有價(jià)值的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),固化到模型中,通過模擬人工智能實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)視。
2)集中監(jiān)測管理。
集中監(jiān)測模塊向?qū)I(yè)診斷人員提供遠(yuǎn)程監(jiān)控功能,包括廠級(jí)告警趨勢、各機(jī)組告警情況、系統(tǒng)工程模型告警分析等。通過集中監(jiān)測,遠(yuǎn)程診斷員可實(shí)時(shí)掌控電廠各設(shè)備的運(yùn)行情況,并對設(shè)備故障預(yù)警進(jìn)行及時(shí)分析與處理。
3)智能告警管理。
告警管理模塊面向?qū)I(yè)診斷人員、運(yùn)行人員、設(shè)備管理人員,提供告警自動(dòng)產(chǎn)生、告警自動(dòng)合并、告警輔助分析、告警處理、告警閉環(huán)歸檔等全流程服務(wù)。通過告警深度分析功能,結(jié)合三維虛擬電廠,對告警設(shè)備及相關(guān)測點(diǎn)進(jìn)行綜合,輔助故障診斷。
基于設(shè)計(jì)院提供的三維模型(包括汽機(jī)房、鍋爐房及結(jié)構(gòu)、設(shè)備、管道、橋架等,以及化學(xué),供水等工藝設(shè)備管道)構(gòu)建全廠三維模型。在此基礎(chǔ)上開發(fā)以下功能:
1)通過電廠標(biāo)識(shí)系統(tǒng)(kraftwerk-kennzeichen system,KKS)編碼以及設(shè)備標(biāo)簽,使設(shè)備三維與設(shè)備信息相互關(guān)聯(lián),實(shí)現(xiàn)對電廠設(shè)備基礎(chǔ)信息的可視化管理以及資產(chǎn)與信息的一體化管理,如圖4所示。
圖4 三維可視化設(shè)備資產(chǎn)管理系統(tǒng)Fig. 4 3D visualized equipment asset management system
2)在三維虛擬電廠的基礎(chǔ)上,與虛擬現(xiàn)實(shí)(virtual reality, VR)技術(shù)進(jìn)行結(jié)合,實(shí)現(xiàn)三維可視化仿真培訓(xùn),如基于VR的電廠全場景漫游、三維可視化拆解、組裝,電廠設(shè)備檢修過程仿真等,如圖5所示。
升壓站作為智能電廠與智能電網(wǎng)的結(jié)合點(diǎn),其智能化建設(shè)將會(huì)是智能電廠建設(shè)的重點(diǎn)環(huán)節(jié)。智能升壓站是采用先進(jìn)、可靠、集成、低碳、環(huán)保的智能設(shè)備,以全站信息數(shù)字化、通信平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)化、信息共享標(biāo)準(zhǔn)化為基本要求,自動(dòng)完成信息采集、測量、控制、保護(hù)、計(jì)量和監(jiān)測等基本功能,并可根據(jù)需要支持電網(wǎng)實(shí)時(shí)自動(dòng)控制、智能調(diào)節(jié)、在線分析決策、協(xié)同互動(dòng)等高級(jí)功能的升壓站[15]。
圖5 三維虛擬電廠Fig. 5 3D virtualization power plant
一體化平臺(tái)以設(shè)備管理和發(fā)電生產(chǎn)為主線,以資產(chǎn)管理為核心,對電廠人員、資金、材料、設(shè)備、技術(shù)等各種資源進(jìn)行優(yōu)化管理,實(shí)現(xiàn)電廠實(shí)時(shí)生產(chǎn)過程與人、財(cái)、物等價(jià)值鏈的高度集成與協(xié)作,引導(dǎo)企業(yè)從常規(guī)管理邁向精細(xì)化閉環(huán)管理。管控一體化主要實(shí)現(xiàn):
1)生產(chǎn)實(shí)時(shí)信息與管理信息系統(tǒng)的集成,使管理信息系統(tǒng)的應(yīng)用模式由管控分離向管控一體化轉(zhuǎn)變;
2)完成應(yīng)用系統(tǒng)從部門級(jí)單項(xiàng)應(yīng)用到企業(yè)級(jí),涵蓋生產(chǎn)、采供及人事、設(shè)備等環(huán)節(jié)的整體應(yīng)用,使系統(tǒng)的應(yīng)用架構(gòu)由分散應(yīng)用向整合應(yīng)用轉(zhuǎn)變;
3)達(dá)成在全廠范圍內(nèi)形成信息共享、增值的機(jī)制,使系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理由分散管理向集中管理轉(zhuǎn)變。
智能電廠是傳統(tǒng)數(shù)字化電廠的進(jìn)一步延伸,除傳統(tǒng)數(shù)字化電廠所要求的及時(shí)、全面、準(zhǔn)確地獲得電廠的信息以外,更加強(qiáng)調(diào)對所獲得信息的融合及挖掘分析,以期實(shí)現(xiàn)電廠的安全可靠、經(jīng)濟(jì)高效、精益管理以及管控一體。
安全可靠:以可靠性為中心,利用大數(shù)據(jù)和云計(jì)算等技術(shù)手段挖掘和分析設(shè)備生產(chǎn)信息,診斷設(shè)備的健康狀態(tài),優(yōu)化設(shè)備檢修策略;深入融合人員信息、設(shè)備狀態(tài)信息、環(huán)境信息以及安全管理信息,構(gòu)建起以人、機(jī)、環(huán)境及管理為核心的數(shù)字化安全管理體系。
經(jīng)濟(jì)高效:以節(jié)能監(jiān)督為中心,利用人工智能、云計(jì)算等技術(shù)手段挖掘分析機(jī)組、系統(tǒng)和設(shè)備的生產(chǎn)信息,診斷機(jī)組經(jīng)濟(jì)性水平;融合先進(jìn)仿真技術(shù),優(yōu)化調(diào)整機(jī)組及系統(tǒng)的運(yùn)行方式。通過機(jī)組快速啟停機(jī)、自啟停機(jī)、負(fù)荷優(yōu)化分配等優(yōu)化控制技術(shù)的應(yīng)用,結(jié)合不同機(jī)組實(shí)際性能,建立滿足經(jīng)濟(jì)、環(huán)保和高效的多目標(biāo)柔性優(yōu)化控制策略。
精益管理:以設(shè)備為核心,整合設(shè)備資產(chǎn)信息,結(jié)合設(shè)備三維虛擬技術(shù),建立可視化設(shè)備資產(chǎn)信息管理中心;結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)技術(shù),構(gòu)建數(shù)字化倉儲(chǔ)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)備品備件的數(shù)字化管理;結(jié)合設(shè)備可靠性和經(jīng)濟(jì)性狀態(tài),合理優(yōu)化定期工作。
智能電廠的是現(xiàn)有數(shù)字化電廠的進(jìn)一步延伸,不僅僅是現(xiàn)場設(shè)備、控制系統(tǒng)的智能化升級(jí),還需深入融合大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、可視化等先進(jìn)技術(shù),并與企業(yè)、集團(tuán)的發(fā)展戰(zhàn)略相融合,統(tǒng)一規(guī)劃實(shí)施,提高生產(chǎn)效率、降低企業(yè)綜合成本,提升企業(yè)市場應(yīng)變能力,為企業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)營和科學(xué)決策提供更好幫助。