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摘要：本文從智慧電廠特點(diǎn)闡述開始，提出智慧電廠的整體設(shè)計架構(gòu)及技術(shù)發(fā)展建議，通過一體化大數(shù)據(jù)管控平臺，實(shí)現(xiàn)智慧設(shè)備及控制層、智慧設(shè)備管理及診斷層、智慧運(yùn)維及管理層、智慧經(jīng)營及決策層之間的融合，實(shí)現(xiàn)發(fā)電過程的智能控制、智能安全、智能管理。

關(guān)鍵詞：智慧電廠；體系架構(gòu)；智慧經(jīng)營；智慧決策

1　前言

近年來，技術(shù)發(fā)展日新月異，技術(shù)更新、技術(shù)進(jìn)步、新技術(shù)產(chǎn)生的速度不斷加快。隨著大數(shù)據(jù)、云計算、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的出現(xiàn)與使用，集成化、智能化、智慧化已成為現(xiàn)代電力企業(yè)追求的運(yùn)營目標(biāo)。

2016年3月，國務(wù)院發(fā)布《關(guān)于推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源發(fā)展的指導(dǎo)意見》，意見指出要“推進(jìn)化石能源生產(chǎn)潔凈高效智能化”，其中要“加快化石能源生產(chǎn)檢測、管理和調(diào)度體系的網(wǎng)絡(luò)化改造，建設(shè)市場導(dǎo)向的生產(chǎn)計劃決策平臺與智能化信息管理系統(tǒng)”，為智慧電廠的建設(shè)提供了指導(dǎo)。

目前，國內(nèi)各發(fā)電集團(tuán)均對智慧電廠的建設(shè)進(jìn)行了積極探索和嘗試，但從智慧電廠的建設(shè)和應(yīng)用情況來看，我國在智慧電廠領(lǐng)域中應(yīng)用更多的側(cè)重于信息集成展示以及智慧管理等層面，而在生產(chǎn)過程中智能化的應(yīng)用很少，智慧管理與實(shí)時生產(chǎn)之間存在一定的脫節(jié)，偏離了智能生產(chǎn)的初衷，因此，本文從整體設(shè)計和規(guī)劃的角度提出智慧電廠的體系架構(gòu)，并著重闡述建設(shè)智慧電廠的關(guān)鍵技術(shù)。

2　智慧電廠特點(diǎn)

智慧電廠的特點(diǎn)是以物理電廠為基礎(chǔ)，通過對各系統(tǒng)的科技含量和管理內(nèi)涵等資源進(jìn)行深入挖掘和全面梳理后，利用系統(tǒng)性理論和資源配置優(yōu)化的理念，重新對所有資源應(yīng)用價值的再認(rèn)識、再整合，并融入現(xiàn)代先進(jìn)管理體系、現(xiàn)代通信與信息技術(shù)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、智能控制技術(shù)、發(fā)電行業(yè)技術(shù)等匯集應(yīng)用而形成的新型電廠。

火力發(fā)電廠具有系統(tǒng)多樣性、復(fù)雜性等特點(diǎn)，同時其對運(yùn)行調(diào)節(jié)的操控性有著較高的要求，因此建設(shè)智慧電廠還需要解決一系列的問題。目前，有利因素是電廠自動化控制水平較高，已經(jīng)形成較為完善的運(yùn)行管理流程，結(jié)合已具備的先進(jìn)電廠運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，為推進(jìn)智慧電廠建設(shè)創(chuàng)造了條件。

鑒于火電廠的系統(tǒng)復(fù)雜性，結(jié)合運(yùn)行實(shí)際，現(xiàn)提出智慧電廠如下建設(shè)模式：

（1）采用智能設(shè)備，搭建數(shù)字化、標(biāo)準(zhǔn)化網(wǎng)絡(luò)信息平臺；

（2）以功能需求為目標(biāo)，完善監(jiān)控數(shù)據(jù)采集；

（3）建立專家分析決策系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)智能自動調(diào)節(jié)運(yùn)行，或提供智能優(yōu)化運(yùn)行方案；

（4）將智慧電廠的建設(shè)貫穿基建期、調(diào)試期及運(yùn)行優(yōu)化期，實(shí)現(xiàn)電廠全壽期智慧運(yùn)行管理。

3　智慧電廠體系架構(gòu)及技術(shù)發(fā)展建議

智慧電廠以一體化大數(shù)據(jù)管控平臺為支撐，融合智慧設(shè)備及控制層、智慧設(shè)備管理及診斷層、智慧運(yùn)維及管理層、智慧經(jīng)營及決策層，在發(fā)電廠控制系統(tǒng)、廠級監(jiān)控系統(tǒng)、管理信息系統(tǒng)、輔助監(jiān)控系統(tǒng)等基礎(chǔ)上，構(gòu)建智慧發(fā)電運(yùn)行控制與管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)發(fā)電過程的智能控制、智能安全、智能管理。其體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 智慧電廠體系架構(gòu)

3.1　智慧設(shè)備及控制層

設(shè)備及控制層在電廠傳統(tǒng)運(yùn)行設(shè)備層的基礎(chǔ)上，嵌入高精度的機(jī)組重要參數(shù)測量技術(shù)，為智能控制層中的優(yōu)化控制、在線經(jīng)濟(jì)性分析及診斷系統(tǒng)提供重要數(shù)據(jù)保證；其次，在智能設(shè)備層中實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場總線設(shè)備及先進(jìn)測量設(shè)備的接入，對生產(chǎn)現(xiàn)場進(jìn)行全方位檢測和感知；可以大幅度減少設(shè)備調(diào)校、維護(hù)工作量。

（1）主輔一體化控制系統(tǒng)

為適應(yīng)智慧電廠全廠信號、管理內(nèi)容數(shù)字化的要求，基于DCS實(shí)現(xiàn)主輔控一體化控制系統(tǒng)，利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確可靠的數(shù)字化信息交換、跨平臺的資源實(shí)時共享，實(shí)現(xiàn)全廠數(shù)據(jù)的完整性、一致性、可交換性、可互訪性，消除信息孤島，促進(jìn)廠級優(yōu)化控制功能的實(shí)現(xiàn)和智能管理水平的提高。

（2）現(xiàn)場總線技術(shù)及設(shè)備的應(yīng)用

現(xiàn)場總線系統(tǒng)是連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的全數(shù)字、雙向、多站的通信系統(tǒng)，主要解決工業(yè)現(xiàn)場的智能化儀器儀表、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等現(xiàn)場設(shè)備間的數(shù)字通信以及這些智能現(xiàn)場設(shè)備和控制系統(tǒng)之間的信息傳遞問題，并且能夠通過相應(yīng)設(shè)備管理、診斷軟件對智能現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行及時有效的設(shè)置和預(yù)警。

現(xiàn)場總線的應(yīng)用是電廠智慧化的基礎(chǔ)之一，為智慧化平臺、設(shè)備管理系統(tǒng)、診斷系統(tǒng)提供大量數(shù)據(jù)支撐，為后期深入挖掘現(xiàn)場設(shè)備的智能化功能，提高電廠運(yùn)營的安全性和測控設(shè)備信息化管理水平奠定基礎(chǔ)。

（3）機(jī)組自啟停控制系統(tǒng)（APS）

APS功能是發(fā)電機(jī)組最高級自動控制技術(shù)之一，具有高度的復(fù)雜性，是DCS中所有常規(guī)控制子系統(tǒng)的統(tǒng)領(lǐng)。APS的實(shí)施可顯著增加機(jī)組控制系統(tǒng)的自動化水平，最大限度減少運(yùn)行人員的操作強(qiáng)度和人員數(shù)量，實(shí)現(xiàn)減員增效。

（4）鍋爐吹灰監(jiān)測及智能吹灰系統(tǒng)

鍋爐智能吹灰針對鍋爐積灰和吹灰過程，在線計算和監(jiān)測鍋爐各個受熱面積灰臟污程度，并預(yù)測未來積灰趨勢，結(jié)合鍋爐吹灰成本和積灰損失，綜合考慮安全性和經(jīng)濟(jì)性，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行成本的最低。優(yōu)化系統(tǒng)可減少水冷壁的磨損及水冷壁破損導(dǎo)致的非計劃停運(yùn)，減小水冷壁損壞概率，降低水冷壁更換和維護(hù)的費(fèi)用，提高鍋爐效率。

（5）鍋爐島關(guān)鍵部件參數(shù)場分布監(jiān)測及智能調(diào)控系統(tǒng)

隨著環(huán)保要求的不斷提高，特別是NOx超低排放的實(shí)施，鍋爐燃燒系統(tǒng)、脫硝系統(tǒng)的運(yùn)行方式發(fā)生了很大的變化，由此導(dǎo)致鍋爐汽溫偏差大、水冷壁高溫腐蝕、空預(yù)器堵塞等問題十分突出，因此監(jiān)測鍋爐島中制粉系統(tǒng)煤粉濃度粒度、水冷壁近壁區(qū)煙氣組分、脫硝裝置出口NOx場分布、空預(yù)器冷端綜合溫度，對于防控上述問題的出現(xiàn)至關(guān)重要。

（6）先進(jìn)控制算法的應(yīng)用

由于燃煤電廠機(jī)組對象特性復(fù)雜且需不斷適應(yīng)外界工況的變化，傳統(tǒng)DCS控制功能已不能滿足多樣化生產(chǎn)需求，因此在控制層需結(jié)合先進(jìn)控制算法及智能控制策略等技術(shù)手段，包括預(yù)測控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊控制、PID自整定等先進(jìn)控制算法，來滿足對象多樣化的需求。

將先進(jìn)控制算法嵌入更具針對性、實(shí)用性的優(yōu)化控制系統(tǒng)，形成具備“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”的運(yùn)行優(yōu)化系統(tǒng)，助力企業(yè)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，提高運(yùn)行水平，最大程度降低運(yùn)行成本，提升企業(yè)盈利能力。

3.2　智慧設(shè)備管理及診斷層

基于控制層的大量監(jiān)測數(shù)據(jù)，設(shè)備管理及診斷層通過軟、硬件平臺及先進(jìn)算法對設(shè)備/機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)，設(shè)備效率、可用性、經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析，并通過分析診斷結(jié)果實(shí)現(xiàn)設(shè)備的狀態(tài)檢修。

（1）智能設(shè)備管理

針對電廠應(yīng)用的HART/現(xiàn)場總線智能設(shè)備，通過管理系統(tǒng)完成現(xiàn)場總線與智能設(shè)備的參數(shù)信息查詢和設(shè)定，構(gòu)成現(xiàn)場設(shè)備綜合管理系統(tǒng)信息庫，達(dá)到設(shè)備的風(fēng)險評估和智能預(yù)警，將被動的管理模式改變?yōu)榭深A(yù)測性的管理維護(hù)模式，對現(xiàn)場智能儀控設(shè)備進(jìn)行智慧管理與維護(hù)，提升機(jī)組設(shè)備管理及診斷能力，降低維護(hù)成本。

（2）大型轉(zhuǎn)機(jī)智能故障在線監(jiān)測與診斷

系統(tǒng)能夠設(shè)置、采集、自動分析處理機(jī)械設(shè)備的振動數(shù)據(jù)，并自動給出分析診斷結(jié)果，報告機(jī)械設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，提供維護(hù)檢修建議，協(xié)助設(shè)備管理工程師，做出科學(xué)的檢修計劃決策。監(jiān)測對象可以包括汽輪發(fā)電機(jī)組、六大風(fēng)機(jī)、小汽機(jī)、循泵、凝泵等大型轉(zhuǎn)機(jī)設(shè)備。

3.3　智慧運(yùn)維及管理層

運(yùn)維及管理層通過一體化信息管理系統(tǒng)，匯集、融合全廠生產(chǎn)過程與管理的數(shù)據(jù)與信息，實(shí)現(xiàn)廠級能效對標(biāo)與考核系統(tǒng)、運(yùn)行管理系統(tǒng)、智能巡檢、精密點(diǎn)檢與設(shè)備遠(yuǎn)程管理、設(shè)備定期輪換管理、可視化設(shè)備潤滑智能管理、可視化技術(shù)監(jiān)督智能管理、可視化三維作業(yè)指導(dǎo)書及檢修培訓(xùn)、缺陷管理、移動應(yīng)用、遠(yuǎn)程診斷、三維虛擬電廠與安全管控、三維建檔等管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)發(fā)電廠的閉環(huán)、自組織的精細(xì)化管理系統(tǒng)。

3.4　智慧經(jīng)營及決策層

經(jīng)營及決策層通過生產(chǎn)、運(yùn)營系統(tǒng)提供的海量數(shù)據(jù)開展大數(shù)據(jù)應(yīng)用及相關(guān)模塊的開發(fā)，實(shí)現(xiàn)管理數(shù)據(jù)與生產(chǎn)數(shù)據(jù)之間的相互融合，提升整個集團(tuán)公司精細(xì)化管理水平，主要包含：電廠輔助決策功能、倉儲成本分析、智能供應(yīng)鏈支持、績效評價等功能。

同時采用網(wǎng)絡(luò)化手段，搭建具有遠(yuǎn)程監(jiān)視及診斷管理功能的集團(tuán)公司級大數(shù)據(jù)分析及診斷平臺。大數(shù)據(jù)平臺充分利用已建廠的運(yùn)行數(shù)據(jù)，建成大規(guī)模數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)監(jiān)視數(shù)據(jù)和故障診斷判據(jù)信息資源共享，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)分析與診斷。在大數(shù)據(jù)及診斷中心的專家人員，可實(shí)現(xiàn)集團(tuán)級的資源統(tǒng)一調(diào)配和信息共享，進(jìn)而提升整個集團(tuán)的維護(hù)及診斷水平。

4　智慧電廠建設(shè)思路

智慧電廠的建設(shè)，是一個循序漸進(jìn)的過程，總體建設(shè)建議采用“頂層設(shè)計、分步實(shí)施”原則，做好總體規(guī)劃，涵蓋設(shè)計、制造、基建、運(yùn)營、退役五個過程，體現(xiàn)全生命周期管理特點(diǎn)。

根據(jù)智慧電廠功能層次規(guī)劃及相關(guān)的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，各發(fā)電廠應(yīng)結(jié)合企業(yè)自身現(xiàn)狀和特點(diǎn)，因地制宜、注重實(shí)效，積極穩(wěn)妥地推進(jìn)智慧電廠的建設(shè)，不斷積累建設(shè)與運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)，使成果應(yīng)用水平不斷提升。

5　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。目前智慧電廠的建設(shè)剛剛起步，各集團(tuán)都在摸索階段，上述方案是針對電站項(xiàng)目做的一個初步規(guī)劃，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。

可以確定，隨著能源革命的到來，電站智慧化建設(shè)將是一個明確的發(fā)展方向，是一個科技創(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，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。

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作者簡介：

屠學(xué)偉（1983- ），男，碩士，現(xiàn)任國核電力規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司儀控工程師，主要從事火電機(jī)組、智慧能源儀控方面的設(shè)計研究工作。

鄭亞鋒（1980- ），男，碩士，現(xiàn)任國核電力規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司設(shè)計總工程師，主要從事火電機(jī)組、智慧能源的設(shè)計研究及管理工作。

摘自《自動化博覽》2019年1月刊