能源互聯網背景下的智能電站建設研究

劉魯京,蘇 暉

(神華國華電力研究中心，北京，100025)

能源互聯網背景下的智能電站建設研究

劉魯京1,蘇 暉1

(神華國華電力研究中心，北京，100025)

智能電站是構建“能源互聯網”體系的關鍵因素，其全面感知、價值挖掘、融合應用、普適計算的特征可有效支撐能源互聯網橫向多源互補，縱向“源-網-荷-儲”協調的發展思路，代表了“能源互聯網”時代背景下電源技術發展的必然趨勢。因此，智能電站如何規劃、建設、發展，使之在能源互聯網中發揮應有作用將是重要研究課題。本文從智能電站概念、關鍵技術等方面概述了能源互聯網時代下智能電站的特征，重點研究智能電站的構建及其關鍵技術對能源互聯網的影響，并在此基礎上提出智能電站的發展趨勢。

智能電站;能源互聯網;大數據分析

0 引言

當前，世界能源消費以化石能源為主，化石能源的日趨枯竭以及環境污染已經成為威脅人類長久生存發展的兩大核心問題。為此，世界各國都在努力探索新的能源供給與消費路徑，力圖推動一場以可再生能源和新能源發展為核心的能源產業革命，并逐漸形成發展能源互聯網的共識。在此大背景下，傳統的火力發電不僅承擔著前所未有的社會輿論壓力，更處于能源產業革命的風口浪尖上，將逐步面臨如何持續生存的問題。

但新能源的革命與發展進程將是一個漫長的過程，以風能和太陽能為代表的新能源受能源品質、能源技術、能源價格等因素的影響，無法立刻形成大規模發電。且我國經過長期發展，煤炭、石油、天然氣等一次能源的支柱地位短期內無法改變，我國電力發展仍然需要以火力發電作為基礎電源，以提供優質、穩定的電能。

與此同時，隨著信息革命時代的到來，以大數據、云計算、物聯網等為代表的信息技術取得了長足的發展，能源互聯網的提出也將促使傳統的火力發電以靈活、高效、可靠的方式開辟新的能源利用途徑。

本文將重點從互聯網、大數據、云計算的角度研究智能電站的主要技術特征，進而著重探討智能電站的生產運營對能源互聯網的影響以及與能源互聯網的關系，它在能源互聯網體系中的定位與主要職責。最后結合我國相關能源政策和技術的發展方向，探索一條智能電站的發展方向和發展路徑。

1 智能電站基本概念及特征

1.1 智能電站概念

我國發電行業經歷數字化、信息化的發展階段，已經基本實現了利用數據監控生產過程監控與企業現代化管理。但在電站生產過程中，不同類型的數據之間有著明顯的界限，數據的綜合利用率低下，無法將不同類型的數據進行關聯，利用數據分析、整合挖掘潛在的關聯關系，從而提供更準確、靈活、可靠生產運行方式。

隨著信息技術的持續發展，電站由數字化、信息化向智能化轉變的構想應運而生，在“能源互聯網”概念提出后，建設智能電站的理念也逐漸清晰。

智能電站是建立在高速通信網絡和計算機網絡之上，以大數據分析技術為基礎，利用先進的傳感測量技術、自動控制技術、現場總線、云平臺、系統化數據挖掘技術與物理電站高度融合，實現精細化管理、預防性檢修、智能化監控，與能源互聯網高度互聯融合的新型電站。

智能電站在以下兩個方面有著顯著的創新：

1）理念上創新

提高效率、優化資源配置、全要素數據融合是智能電站的顯著特點，其本質是網絡互聯、信息對稱、數據驅動。以信息網絡為紐帶，實現電站與能源互聯網的數據對接、能源資源快速調配將催化更廣泛的技術與商業模式創新。

2）以數據為中心

智能電站支持全數據類型，并實現全方位、全時段的數據覆蓋。“互聯網+數據+發電”將呈現平臺化、高集成、深關聯、綜合性的運營業態。

1.2 智能電站主要特征

根據智能電站的概念，可提煉為以下四個主要特征：

1）靈活性、可靠性極高的自動化控制

智能電站將人工智能控制理論方法廣泛用于智能設備中，依靠智能設備，實現工控系統高靈活性、高可靠性的自動化控制，主動超前適應電網對負荷的要求，主動調節機組至邊界條件附近運行，實現節能降耗。

2）新型信息—電力交互網

智能電站將不僅僅承擔發電和調峰的角色，而將以信息—電力一體化架構實現電站與電網的信息共享和數據流雙向交互。通過實現電站、電網統一協調控制，奠定智能電站的基礎，達到全面感知，自動預判的效果。

3）平臺化、云服務的信息網絡架構

利用電站一體化平臺，數據就源輸入，多次使用，實現數據采集、存儲、分析、展示一體化管理，推動電站各業務間數據有序流動。通過云服務的模式。

4）全面智能化的管控方式

利用大數據分析、云計算、機器學習等智能學習方法作為智能電站的技術支撐，對智能電站進行全壽命周期管理，整個過程將實現“自我學習、自我進化”的生命化特征。

2 智能電站總體框架

人們已經普遍認為，未來的能源互聯網應該是能量與信息雙層互聯、雙向流動的。信息網絡與能源物理過程的深度融合，使得信息與物理過程相互緊密作用甚至改變相互之間的進程。基于以上認識，數據作為連接信息網絡與物理過程的橋梁，將在智能電站中占據核心地位。以整合電站數據資源，對數據以云模式進行存儲、建模和計算分析，是構建智能電站整體框架的基本思路，可將智能電站總體框架分為三層：

1）智能化設備與自動化控制層

在現有的電站設備層中，基本實現了利用數據對單元內設備進行監控，設置報警限值，以保障設備安全、穩定運行為首要目標，但利用數據感知設備狀態的能力卻非常有限，區域內設備之間存在的關聯關系也難以追蹤，這種形式通常以加強應急措施為主要解決方案，缺乏主動預測、分析的能力。

智能化設備與自動化控制層通過建立統一的編碼體系，采用現場總線技術（FCS）、實時在線測量技術，采集、集成相關設備和系統上的數據，并利用人工智能算法，構建全面感知智能化自動控制體系。最終實現機組優化控制，提高機組效率和安全性。

2）數據整合與業務智能層

數據整合與業務智能層基于廠級監控系統之上，結合管理層信息系統的數據，利用統一的云平臺串聯起從基建工程到生產運營的數據，通過大數據分析技術獲取潛在的、新穎的、有效的數據模型，發現數據之間的關聯、共性和差異性，實現生產運營、營銷、庫存、財務、供應商的各種指標的結構、趨勢、相關性分析。該層是下層控制層與上層決策層的橋梁，對控制層生產數據進行采集，通過數據挖掘與智能分析統計，將有效數據提供給決策分析層，同時將決策層所下達的控制信息，反饋到控制層。

3）數據建模與決策分析層

該層在智能電站中具有兩個重要意義：首先是利用數據建模，剖析內部任意層面數據的內在聯系，滿足集團與電網的管理要求、調度要求，確保電站的運營安全穩定、利益最大化，提升電站的核心競爭力。其次是與能源互聯網信息網絡、能源網絡高度融合，通過數據交互，發現在電力市場競爭中的發展規律與趨勢，實現實時成本核算、主動超前感知能源互聯網的調度要求。

圖1 智能電站總體框架

3 智能電站與能源互聯網的關系

傳統的電力交互出發點是滿足社會各類生產生活的需求，電網中負荷具有高度的靈活自由的波動變化，而為了保持電能的供需動態平衡，追隨負荷的波動變化，往往在發電端實行嚴格管理，不能隨意實現靈活快速的電源資源配置。這一方面是由于電能供需平衡的固有屬性造成的，另一方面也源于信息交互不夠發達，從而無法做到迅速調配發電端資源。

因此，在能源互聯網中需要解決發電端資源配置的問題就具有了很大意義，大力發展智能電站，通過建立智能電站與電網信息交互、數據共享的基礎平臺，利用云計算、大數據分析技術提高對負荷波動變化的應對能力，細化負荷波動變化的預測計劃，由電網統籌決策，智能電站協同調配，從而實現智能電站“即插即發”的高效供電方式。

智能電站作為能源互聯網體系中電源側的發展趨勢，與能源互聯網有著以下三方面關系：

1）大數據分析、云計算為代表的新型技術為解決信息采集、分析諸多不足提供了技術支撐。智能電站在以大數據分析為基礎的理念下，可將信息采集和感知的范圍從僅關注電站內設備層、監控層、管理層擴展到能源互聯網，并實現普遍的交互，從而可以建立電能供給決策模型，為對內對外協調聯動提供完整的分析決策平臺。利用大數據分析技術、云計算技術，對大規模數據進行集成與深度挖掘，為發電、交易、服務提供不斷創新的優化平臺，解決了應用計算能力與速度不足的問題。

2）智能電站以信息的感知為前提，以數據分析為基礎，在構建智能電站時應圍繞信息網絡建設，強調與能源互聯網的互聯互通，突出應對負荷波動響應能力，從而可有效解決傳統被動接收電網信息的單向信息傳遞模式。

3）在能源互聯網體系的構建中，普遍存在著把不同的能源所產生的電能離散化，如將各種能源根據其特點供應給不同特性的負荷，通過信息技術將電能源與負荷進行整合。然而新能源其固有的不確定性和波動性，對電網安全產生了很大的挑戰，能源互聯網電源部署雖然是多元化的，但仍需以火力發電作為基礎性和調節性電源。隨著能源互聯網與智能電站的信息交互能力的提升和交易機制的完善，可將傳統以發電計劃+備用容量方式向發電計劃與用電計劃疊加、負荷預測與發電預測疊加的方式轉變，其靈活、快速的生產、消費一體化方式，仍需要智能電站的有力支撐。

4 智能電站發展展望

近年來，我國能源領域對于發展智能電站的重視程度和支持力度不斷提升。在“十三五規劃”中提出“能源發展八大重點工程”就包括建設高效智能電力系統和煤炭清潔高效利用這兩項與智能電站建設相關的內容，鼓勵在管控方法上按照互聯網理念、運用先進的互聯網信息技術，實現電力生產的智能化，這些政策大大加快了智能電站的發展。

具體而言，智能電站將在能源互聯網體系、技術屬性和電力市場中呈現以下發展趨勢。

1）在能源互聯網體系中，電源側將逐漸呈現由智能電站（火力發電）為主體，多種能源共同存在的，集中式與分布式協調發展、相輔相成的結構。智能電站作為基礎電源和調節性電源，為能源互聯網提供可靠的、安全的、高品質的電能。

2）技術屬性方面，先進的信息技術與智能化管控手段將在智能電站中不斷的深化發展，這體現在兩個方面：一方面是以智能設備為前提的智能化控制，有效整合生產運營的各類數據，實現安全、可靠、靈活的發電；另一方面是全面感知能源互聯網需求，主動預測負荷波動，實現電能的信息化管理，網絡化輸送。

3）新一輪的電改政策出臺，將對電力市場、能源互聯網和智能電站都產生很大的影響。在新的電力市場環境下，智能電站的發展還需具有充分了解、把握市場的能力：a）利用智能設備、先進信息技術，主動調節適應電網電量的發電邊界條件，實現降耗增效，調高發電品質與競爭力。b）主動感知電力市場的需求，通過與能源互聯、售電公司網互聯互通，通過大數據分析，建立售電模型分析，實現對于不同用戶的最有資源配置方案。

5 結語

本文針對智能電站的概念，將智能電站歸結為以大數據分析技術為基礎的，結合先進信息技術和工控技術，實現智能電站精細化管理、預防性檢修、智能化監控，與能源互聯網高度互聯融合的新型電站。提出了智能電站的主要特征及總體架構，得出了智能電站是未來能源互聯網電源技術側的代表的結論。在今后的工作中，將進一步從信息技術、智能控制技術、數據集成、交互與建模等方面進行深入研究。尤其基于是信息與能源交互、電站與能源互聯網交互，開展能源互聯網背景下的新一代電能響應技術研究。

[1] 馬釗,周孝信,尚宇煒,等.能源互聯網概念、關鍵技術及發展模式探索[J].電網技術, 2015(11):3014-3022.

[2] 葛志偉,劉戰禮,周保中,等.火力發電廠數字化發展現狀以及向智能化電廠轉型分析[J].發電與空調, 2015(5):45-47.

[3] 曹軍威,袁仲達,明陽陽,等.能源互聯網大數據分析技術綜述[J].南方電網技術, 2015,9(11):1-12.

[4] 薛飛,李剛.能源互聯網的網絡化能源集成探討[J]. 電力系統自動化,2016(1):9-16.

[5] 陳世和.智能電站發展現狀及展望[C]//智能化電站技術發展研討暨電站自動化2013年會論文集. 2013.

Research on the construction of intelligent power station in the context of energy Internet

Liu Lujing1,Su Hui1
(Guohua Electric Power Research Center,Beijing,100025)

Smart power plant is the key factor of building energy Internet system,it comprehensive perception,value mining,intergration of application,the characteristics of pervasive computing can effectively support the energy internet ,the development of vertical and horizontal coordination,represents the inevitable trend of power technology development in the background of energy Internet.Therefore,how to plan,build,develop and make it become an important research topic in the energy Internet.This paper summarizes the characteristics of smart power plant in the era of energy Internet from the concept of smart power plant,the key technology and so on,focus on the construction of smart power plant and the impact of key technologies on the energy Internet,and on the basis of this,the development trend of smart power plant is proposed.

Smart power plant, Energy Internet, Big Data Analysis

劉魯京 (1988-)，男，碩士，2014年畢業于華北電力大學控制與計算機工程學院，工程師，神華國華（北京）電力研究院有限公司，主要研究方向為發電企業信息化。

蘇暉 (1984-)，男 2005年畢業于河北工業大學電子信息工程專業，高級工程師，2012年獲華北電力大學動力工程碩士學位。現工作于神華國華電力研究中心，從事熱工及信息專業工作。