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文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B文章編號(hào)：1003-0492（2023）11-068-04中圖分類號(hào)：TM621

★屠學(xué)偉（國核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京100095）

關(guān)鍵詞：燃煤機(jī)組；智慧電廠；智能化技術(shù)；信息化技術(shù)；自動(dòng)化技術(shù)

1　引言

自2021年四季度以來，火電核準(zhǔn)裝機(jī)速度明顯加快。2022年8月政策層面提出：2022年-2023年每年開工煤電項(xiàng)目8000萬千瓦，2024年保障投運(yùn)煤電機(jī)組8000萬千瓦。與此相對(duì)應(yīng)，目前多省份發(fā)改系統(tǒng)已相繼核準(zhǔn)批復(fù)或開工多個(gè)火電項(xiàng)目。火力發(fā)電作為電力生產(chǎn)的主導(dǎo)軍，伴隨新形勢下的國家政策、國內(nèi)外的宏觀環(huán)境及信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，其建設(shè)已從自動(dòng)化、數(shù)字化、信息化逐步向智能化、智慧化轉(zhuǎn)變，火電板塊發(fā)展迎來重要機(jī)遇期。

智慧電廠的建設(shè)，除了智能信息集成展示以及智能管理等層面的建設(shè)外，生產(chǎn)過程智能化的應(yīng)用也必不可少。國電雙維上海廟項(xiàng)目以“服務(wù)于發(fā)電生產(chǎn)過程，提高電廠智能化生產(chǎn)水平”為初衷，從整體上對(duì)智慧電廠進(jìn)行了規(guī)劃和設(shè)計(jì)。因此，本文將從智慧電廠整體設(shè)計(jì)框架開始，著重闡述上海廟項(xiàng)目智慧電廠所具備的關(guān)鍵技術(shù)和特征。

2　系統(tǒng)架構(gòu)

智慧電廠的系統(tǒng)架構(gòu)主要由基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層、智能平臺(tái)層、智能業(yè)務(wù)層和人工智能層構(gòu)成，如圖1所示，為智慧電廠建設(shè)提供總體框架和技術(shù)保障。其一方面為業(yè)務(wù)應(yīng)用提供規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化、易管理、可擴(kuò)展的基礎(chǔ)技術(shù)平臺(tái)和運(yùn)營管理環(huán)境；另一方面為跨部門跨應(yīng)用的信息集成、數(shù)據(jù)整合、信息共享、統(tǒng)一展現(xiàn)提供支撐，也為智能化分析決策與數(shù)據(jù)挖掘提供有力支持。

圖1 智慧電廠系統(tǒng)架構(gòu)

3　數(shù)據(jù)架構(gòu)

數(shù)據(jù)中心是智慧電廠的核心組成部分，如圖2所示，它采用基于Hadoop的大數(shù)據(jù)平臺(tái)，將Hadoop和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫、關(guān)系數(shù)據(jù)庫等相關(guān)產(chǎn)品深度融合，實(shí)現(xiàn)全數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、分析、計(jì)算和自學(xué)習(xí)，為高級(jí)功能模塊提供數(shù)據(jù)源。

廠級(jí)數(shù)據(jù)中心融合結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)（實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、關(guān)系數(shù)據(jù)）、半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)由各種運(yùn)營設(shè)備產(chǎn)生，經(jīng)過采集并寫入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫；管理信息寫入到關(guān)系型數(shù)據(jù)庫；其他類型數(shù)據(jù)通過Kafka等技術(shù)寫入Hadoop中，從而匯聚到智慧電廠管控中心。

圖2 廠級(jí)數(shù)據(jù)中心構(gòu)架圖

4　硬件及網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

系統(tǒng)硬件主要由物理服務(wù)器、虛擬化服務(wù)器、存儲(chǔ)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等組成，如圖3所示，其中物理服務(wù)器主要用來支撐Hadoop分支；虛擬化服務(wù)器是業(yè)務(wù)系統(tǒng)與業(yè)務(wù)系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境的硬件平臺(tái)；存儲(chǔ)設(shè)備主要是指盤柜，其主要作用是用于業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)緩存；網(wǎng)絡(luò)設(shè)備用于所有硬件資源的連接與數(shù)據(jù)交換，承載整個(gè)智慧企業(yè)的數(shù)據(jù)、音頻、視頻等全業(yè)務(wù)類型的數(shù)據(jù)交換任務(wù)，并考慮未來網(wǎng)絡(luò)平滑擴(kuò)展升級(jí)和智能化應(yīng)用的需要。

圖3 硬件網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

5　建設(shè)內(nèi)容

5.1　基礎(chǔ)建設(shè)

以泛在感知、三維可視化、數(shù)字孿生等能力建設(shè)為基礎(chǔ)，以“兩平臺(tái)、三網(wǎng)絡(luò)”和廠級(jí)大數(shù)據(jù)智能管控中心建設(shè)為支撐，打造涵蓋智慧工程、智能生產(chǎn)、智慧管理、智能安全的智慧企業(yè)“生態(tài)圈”。

5.1.1　泛在感知能力建設(shè)

優(yōu)先選用具備豐富傳感裝置的智能設(shè)備，在傳統(tǒng)設(shè)備、線路上增設(shè)傳感器，在重要生產(chǎn)區(qū)域增設(shè)智能視頻監(jiān)控。同時(shí)，利用智能機(jī)器人、無人機(jī)、智能頭盔等智能工器具補(bǔ)充收集各類感知信息，形成泛在感知平臺(tái)，為智能控制和決策提供依據(jù)。

用智能變送器、智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)、采集一體機(jī)等智能測控單元，對(duì)發(fā)電過程實(shí)現(xiàn)全方位監(jiān)測、控制；基于先進(jìn)測量技術(shù)，實(shí)現(xiàn)入爐煤煤質(zhì)、飛灰含碳量、風(fēng)粉濃度、爐膛溫度場、汽水平衡計(jì)量等參數(shù)的在線檢測；基于機(jī)理模型和可測變量建立鍋爐熱量、鍋爐蓄能、低壓缸排汽焓等狀態(tài)參數(shù)的軟測量模型；增加基于5G、光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)囊曨l監(jiān)控巡檢設(shè)備；利用大數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，對(duì)設(shè)備運(yùn)行趨勢進(jìn)行動(dòng)態(tài)智能預(yù)測；通過超高清視頻監(jiān)控終端、智能門禁、一卡通等設(shè)備對(duì)施工現(xiàn)場、生產(chǎn)現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)時(shí)防控；通過高清相機(jī)獲取煤場的高清圖像，基于二維圖像的三維重構(gòu)技術(shù)獲取煤場的三維模型；建設(shè)輸煤廊道、管廊高清云臺(tái)相機(jī)和多重融合傳感器，進(jìn)行智慧巡檢、無人巡檢；打造智慧電站二維碼移動(dòng)信息載體系統(tǒng)。

5.1.2　基礎(chǔ)信息網(wǎng)絡(luò)建設(shè)

智慧電廠基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)由生產(chǎn)控制網(wǎng)、管理信息網(wǎng)、工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)等組成。基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)承載整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)、音頻、視頻等全業(yè)務(wù)類型的數(shù)據(jù)交換任務(wù)，并考慮未來網(wǎng)絡(luò)平滑擴(kuò)展升級(jí)和智能化應(yīng)用的需要。

（1）生產(chǎn)控制網(wǎng)絡(luò)分為I/O通訊網(wǎng)、實(shí)時(shí)控制網(wǎng)和高級(jí)應(yīng)用服務(wù)網(wǎng)。

（2）管理信息網(wǎng)采用接入層、匯聚層和核心層三層構(gòu)架，主干網(wǎng)統(tǒng)一由主機(jī)房接入，然后敷設(shè)萬兆光纖至各樓層，總體形成一個(gè)星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，為智慧電站提供安全可靠和高性能的通信網(wǎng)絡(luò)。

（3）通過廠區(qū)部署宏基站+微基站的方式，實(shí)現(xiàn)電廠范圍內(nèi)5G網(wǎng)絡(luò)全覆蓋，作為無線覆蓋的骨干網(wǎng)絡(luò)；底層設(shè)備數(shù)據(jù)交互則由Wi-Fi承載。

5.1.3　智能工器具建設(shè)

通過具備5G通訊、視頻、語音、熱成像、移動(dòng)應(yīng)用等功能的智能工器具，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場作業(yè)更安全、更高效、更便捷。智能工器具包含：智能巡點(diǎn)檢設(shè)備、智能穿戴設(shè)備、智能防誤（護(hù)）設(shè)備、三維可視化、AR/VR、人員定位、智能機(jī)器人、無人機(jī)、盤煤儀、智能移動(dòng)測速儀等。

5.1.4　廠級(jí)大數(shù)據(jù)中心建設(shè)

以5G通信、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、移動(dòng)互聯(lián)、智能感知為基礎(chǔ)，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，全方位監(jiān)測、識(shí)別和多維感知電力生產(chǎn)和管理過程，對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理、分析和融合，與業(yè)務(wù)流程深度集成，建立基于“互聯(lián)網(wǎng)+”和云技術(shù)的廠級(jí)大數(shù)據(jù)中心，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷、運(yùn)行保障、生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析等功能，為智能控制和決策提供依據(jù)。

5.2　兩平臺(tái)建設(shè)

以互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)為基礎(chǔ)，以大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和人工智能為技術(shù)手段，選用自主可控的設(shè)備、技術(shù)、產(chǎn)品，打造涵蓋生產(chǎn)、經(jīng)營、發(fā)展、黨建等各領(lǐng)域，具有“自分析、自診斷、自管理、自趨優(yōu)、自恢復(fù)、自學(xué)習(xí)、自提升”為特征的智慧電廠，遵從基礎(chǔ)設(shè)施層、平臺(tái)層、應(yīng)用層和交互層的架構(gòu)，建立智能發(fā)電平臺(tái)和智慧管理平臺(tái)，構(gòu)建管控一體化系統(tǒng)。系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。

圖4 兩平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)圖

5.2.1　智能發(fā)電平臺(tái)

智能發(fā)電平臺(tái)以DCS為基礎(chǔ)，擴(kuò)展感知信息，融合先進(jìn)控制技術(shù)與數(shù)據(jù)分析技術(shù)，形成智能發(fā)電控制系統(tǒng)（ICS），打造開放的智能發(fā)電生態(tài)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)發(fā)電過程的智能控制與運(yùn)行、智能監(jiān)測、智能安全，達(dá)到減員增效、高效環(huán)保、靈活調(diào)節(jié)和主動(dòng)安全管控的目標(biāo)。

5.2.2　智慧管理平臺(tái)

智慧管理平臺(tái)融合管理信息網(wǎng)和工業(yè)無線網(wǎng)，以大數(shù)據(jù)平臺(tái)為基礎(chǔ)支撐，充分利用5G通信、云大物移智先進(jìn)信息技術(shù)，構(gòu)建“全面、融合、智能、安全、柔性”的智慧電站信息化生態(tài)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)體系，實(shí)現(xiàn)各支撐平臺(tái)間的融合，建設(shè)覆蓋電廠工程、安全、運(yùn)行、設(shè)備、應(yīng)急、經(jīng)營、營銷、燃料、物資、風(fēng)險(xiǎn)、黨建、行政管理等業(yè)務(wù)的管理體系，實(shí)現(xiàn)對(duì)全廠設(shè)備資產(chǎn)數(shù)字化、可視化、智能化的監(jiān)控與管理，以及生產(chǎn)經(jīng)營各環(huán)節(jié)的智能預(yù)測、智能分析、智能診斷、智能決策。

5.3　智能應(yīng)用模塊建設(shè)

智能應(yīng)用模塊將智能生產(chǎn)與智慧決策技術(shù)相融合，使智慧電廠建設(shè)能夠達(dá)到高效環(huán)保運(yùn)行、靈活調(diào)節(jié)、少人值守，具體內(nèi)容如下：

（1）智慧工程：綜合運(yùn)用技術(shù)手段，圍繞基建工程，打造全面協(xié)同、閉環(huán)管理、智能決策的“智慧生態(tài)圈”，實(shí)現(xiàn)安全智能管控、施工智能管控、造價(jià)管控、物資管控等功能。

（2）智能安全：采用先進(jìn)的技術(shù)手段，進(jìn)行“物防、人防、技防”全面智能化，夯實(shí)安全基礎(chǔ)，保障安全生產(chǎn)。

（3）智能運(yùn)行：實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的智能監(jiān)視、智能分析、智能對(duì)標(biāo)與考核評(píng)價(jià)，保證機(jī)組高效環(huán)保運(yùn)行，助力少人運(yùn)行，同時(shí)有效降低供電煤耗。

（4）智能設(shè)備：建立核心編碼體系，依托三維建模構(gòu)建設(shè)備健康狀態(tài)預(yù)測模型，實(shí)現(xiàn)設(shè)備從采購、安裝、調(diào)試、運(yùn)行、檢修、改造到退役的全生命周期管理。

（5）應(yīng)急管理：建設(shè)業(yè)務(wù)上全面覆蓋、數(shù)據(jù)上互通共享、流程上相互銜接、管理上協(xié)調(diào)一致的應(yīng)急指揮管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)急事件的智能化處置。

（6）智慧經(jīng)營：基于大數(shù)據(jù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)營和管理的關(guān)鍵指標(biāo)智能跟蹤、智能監(jiān)控、智能分析，提供智能分析、決策支持。

（7）智慧營銷：采用信息化手段，對(duì)電力交易海量數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗與分析，為市場主體提供負(fù)荷預(yù)測、價(jià)格預(yù)測和收益預(yù)測等輔助決策信息。

（8）智慧燃料：基于大數(shù)據(jù)平臺(tái)、算法模型、智能設(shè)備實(shí)現(xiàn)燃料計(jì)劃預(yù)測、采購、驗(yàn)收監(jiān)管、數(shù)字化煤場、采制化一體、燃料價(jià)值鏈管理等功能，實(shí)現(xiàn)燃料的精準(zhǔn)化管理與全過程閉環(huán)管控。

（9）智慧物資：借助人工智能、數(shù)據(jù)挖掘等手段推進(jìn)物資管理的規(guī)范化、精細(xì)化、智能化。

（10）風(fēng)險(xiǎn)管控：收集、集成公司智慧企業(yè)相關(guān)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，對(duì)企業(yè)戰(zhàn)略、市場、財(cái)務(wù)、運(yùn)營和法律五大風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和核心指標(biāo)監(jiān)控、對(duì)比、分析，實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別、評(píng)估、監(jiān)控等風(fēng)險(xiǎn)管理在線作業(yè)。

（11）智慧黨建：運(yùn)用信息化新技術(shù)，打造新平臺(tái)、新模式、新形態(tài)，全面提升黨建工作科學(xué)化、智能化管理水平。

（12）一體化管理：利用智慧電廠生態(tài)系統(tǒng)與大數(shù)據(jù)架構(gòu)，建設(shè)涵蓋智慧企業(yè)建設(shè)所需的行政管理相關(guān)內(nèi)容，構(gòu)建一體化管理平臺(tái)。

6　結(jié)束語

智慧電廠是第四次工業(yè)革命大背景下發(fā)電技術(shù)的轉(zhuǎn)型，它實(shí)施以先進(jìn)傳感檢測技術(shù)、智能控制技術(shù)、故障預(yù)警為核心的智慧電廠建設(shè)，是目前形勢下電力企業(yè)適應(yīng)市場經(jīng)濟(jì)、降低發(fā)電成本、提高經(jīng)濟(jì)效益的一項(xiàng)有力措施。本文提到的方案是針對(duì)電站項(xiàng)目做的一個(gè)典型規(guī)劃方案，希望能起到拋磚引玉的作用，各發(fā)電企業(yè)可根據(jù)自身建設(shè)情況，規(guī)劃適當(dāng)項(xiàng)目。

隨著能源革命的到來，電站智慧化建設(shè)將是一個(gè)明確的發(fā)展方向，也是一個(gè)科技創(chuàng)新以及科技成果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力的過程。未來數(shù)年，電站智慧化建設(shè)將是主要投資方向，其是適應(yīng)國家綠色發(fā)展經(jīng)濟(jì)的戰(zhàn)略需求。傳統(tǒng)電廠智慧化改造將是必經(jīng)之路。

作者簡介：

屠學(xué)偉（1983-），男，山東聊城人，主任工程師，碩士，現(xiàn)就職于國核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，主要從事火電機(jī)組、智慧能源儀控方面的設(shè)計(jì)與研究工作。

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摘自《自動(dòng)化博覽》2023年11月刊