智慧電廠建設研究

， (中國電力工程顧問集團西南電力設計院有限公司，四川 成都 610021)

智慧電廠建設研究

錢澄浩，張靜
(中國電力工程顧問集團西南電力設計院有限公司，四川 成都 610021)

建設智慧型電廠逐漸成為了新時代的追求目標和發展趨勢，但目前仍處于探索研究階段。基于當前智慧電廠的發展現狀，對智慧電廠智能感知、智能控制、智慧管控3層架構進行了規劃和詮釋，并提出了一種電廠二三維聯動監控的實現方法。此外，根據國家"互聯網+"智慧能源發展戰略重點推行的多能流協同供應和梯級利用要求，對首次在工程中運用和實施的多能流管控系統架構進行了研究，分析和總結了工程設計特點，并對其具備的功能進行了展望。

智慧電廠；管控；聯動監控；多能流

0 引 言

2010年以后，隨著中國“智慧中國”、“智慧城市”、“智慧園區”建設的蓬勃發展，智慧化建設逐漸從社會公共服務、市政建設向基礎工業領域拓展。在“互聯網+”時代發展的大背景下，云計算、大數據分析、移動互聯網等優勢技術不斷進入人們視線，將先進科學技術與復雜電力能源系統進行有效結合，進而提升生產經營的管控力度，已成為電廠建設所追求的新興目標，智慧電廠的概念也因此應運而生。但畢竟智慧電廠概念引入時間較短，對智慧電廠建設的構架和模式尚缺乏相應規范和標準，目前有業內人士認為智慧電廠是傳統電廠建設的基礎上增加一套智能系統[1]，也有的認為智慧電廠的建設應與德國“工業4.0”理念對接[2]。基于此，通過分析當前研究熱點及各技術流派特點，規劃了智慧電廠的整體架構，設想了相關功能，并對功能實施進行了闡釋。

分布式能源采用清潔能源或可再生能源為用戶供能，分布式能源站通常分布在集中負荷點附近，具有負荷響應迅速、能源供應直接等特點。其中，天然氣分布式能源站對外輸出通常存在著冷、熱、電、蒸汽等多種能流形式，根據用戶端對能源的不同需求，實現能源的對口供應，在實現能源效能最大化的同時，將輸送環節的損耗降至最低，這符合中國現行負荷使用和調度模式，也是國家“十三五”期間能源規劃的發展趨勢。同燃煤電廠相比，天然氣分布式能源站機組類型更小、工藝流程更簡單，使其更具備智慧電廠的建設條件。近年來，針對天然氣分布式能源站多能流高度耦合供應的特點，以及如何快速響應負荷需求，有學者提出了綜合能源系統多能流的計算方法，并進行了相應的建模研究[3]，已具備了在工程中應用的能力。在成都某分布式能源站工程中首次落地實施多能流管控系統，這里將針對工程實施方案進行總體設計和分析，為實現分布式能源站的智慧運營提供有力的支撐。

1 智慧電廠的架構

智慧電廠的架構應用一方面仍依賴于工藝系統中基礎儀控測點提供數據的準確性及控制系統的可靠性；另一方面離不開對全廠進行三維精細化的建模。在此基礎上，通過大量智能設備和網絡設備的應用對電廠人、機、料、環、法進行全面地管控，并能進入能源互聯網實時進行分析和決策。智慧電廠的架構應包括智能感知層、智能控制層、智慧管控層，如圖1所示。

圖1 智慧電廠架構示意圖

1.1 智能感知層

智能感知屬于物聯網范疇，是覆蓋面更廣、顆粒度更細、更精深的感知。對智慧電廠而言，智能感知的范疇包括生產領域和非生產領域。

對生產領域的感知，現場總線技術在目前熱工自動化領域的應用已日趨成熟，除可靠性要求較高的保護系統以及實時性要求較高的控制回路外，現場總線的適用范圍可包含大部分的儀控和電氣設備。采用現場總線技術除能獲取采集的過程信息外，還能為控制系統提供豐富的設備狀態、管理和診斷信息。

而借助于數字攝像頭、無線定位傳感器、RFID射頻芯片等新型傳感器技術，智慧電廠將數字化和智能化延伸到了電廠的非生產領域。采集的數據范圍包括：實時視頻信號、實時環境數據、實時安防數據、人員位置坐標、建構筑物數據、生產管理信息等。智能感知層的典型功能應用是可實現電廠人員的定位及智能巡檢，即在三維虛擬電廠中預先設定巡檢路線，巡檢人員可借助手機APP對設備二維碼進行掃碼完成巡檢記錄。當班值長可在三維虛擬電廠中，查看全廠運維人員的行走軌跡并調出視頻畫面，當人員接近危險源區域會自動提醒該人員遠離危險源，并在虛擬電廠中發出報警。

可看出，智能感知的目的是通過遍布全廠的智能儀控設備和傳感器構建全廠物聯網，可測量和感知、可識別與定位，最終形成信息、物理融合的一體化數據平臺[4]。

1.2 智能控制層

智慧電廠在控制層面，除采用已具備成熟技術的廠級分散控制系統(廠級DCS)[5]和機組無斷點自啟停控制系統(APS)。系統的智能化還體現在智能的運行優化、逼真的在線仿真、二三維聯動監控等幾個方面。

對建立的大數據平臺運用模糊神經元等人工智能分析和自學習技術[6]，從中發掘出有價值的信息，可以使數據平臺從被動數據系統變成主動表達的智能數據系統，控制系統能實現對機組運行的優化控制。例如在燃煤電廠中，每層每路燃燒器的風煤配比一直是控制系統調節的重點和難題，但綜合負荷需求、燃料狀態并結合爐膛內部激光傳感器獲得實時數據，智能控制系統能運用優化算法對風門開度、風粉濃度和煤粉細度等輸出最優控制。

傳統電廠仿真功能由于仿真數據與電廠實際工藝系統熱力特性差異較大，因此常用于培訓使用，但智慧電廠通過在線仿真系統，可接受機組的實時運行數據，能對機組運行過程進行回放，對于已通過仿真驗證適用的邏輯組態，可下載至控制系統，指導優化控制。

在操作臺上實現操作的二維畫面和對應三維模型的聯動，達到用透視的眼光，觀察設備運行狀態，并在需要時調出現場視頻畫面，已成為智慧電廠運行人員的希望。一種可行的技術解決方案為：電廠三維模型接入全廠一體化數據平臺，并與生產監視系統(SIS)、全廠視頻監控系統(CCTV)進行數據關聯，通過數據接口將DCS操作指令實時傳輸至一體化數據平臺。此外，在操作臺上的雙屏應分別接至DCS操作員站和一體化數據平臺操作員站。二三維聯動監控的實施方案如圖2所示。

1.3 智慧管控層

智慧電廠管控層的根本目的是實現電廠的智能運營，主要體現在智能運維、智能診斷、智能安防、智能決策4個方面。

圖2 二三維聯動監控示意圖

1)智能運維：將基于時間周期或者使用頻率的傳統設備檢修方式，改進為以大數據為基礎，實現以設備可靠性為中心的維護策略。通過制定基于設備健康狀態的檢修實施計劃，能最大限度地防止設備過修或欠修，進而再對電廠備件庫存進行優化管理。

2)智能診斷：結合專家規則推理及建立辨識模型，辨識電廠中關鍵設備在穩態、變工況和異常情況下的性能，給出控制參數調整方案。對異常數據的相關性分析，形成卡澀、粘滯、堵塞或泄漏故障的辨識模型，制定故障云策略庫，進而達到能辨識某臺設備的某個元件出現了問題，以及應該采取何種措施去處理。

3)智能安防：將全廠火災報警和消防控制系統、門禁一卡通系統、電廠周界防范及電子巡更系統、安保數字視頻監視系統進行整合。改變以往各系統之間功能上不關聯互助、信息不共享互換的孤島狀態，各系統之間可根據報警級別預定義多種應急預案，依據觸發條件實現如消防聯動、安防聯動、應急處置等功能。

4)智能決策：其一可通過對大數據的分析并結合專家系統診斷結論，對廠內設備、系統進行狀態評估、風險評估，給出預知保養方案，并能對設備和系統能耗進行建模分析，找出具有節能空間的設備進行優化改造；其二能在大數據平臺上開發出機組可用性模型、發電成本模型、負荷需求預測模型等，輔助電廠制定生產計劃及報價決策，指導電廠的經營駕駛。

2 分布式智慧能源站多能流管控

天然氣分布式能源站作為最適合智慧電廠建設條件的發電站，其建設方向通常納入到所在智慧園區規劃中，這使得分布式能源站需智慧感知其終端負荷需求隨季節、晝夜和使用時間呈現多周期的變化規律，因而對能源供應提出了更嚴格的要求[7]。多能流管控系統正是面向智慧園區這一對象而提出的，與電廠本身的控制系統不同，多能流管控系統控制對象包括電廠、廠外電/熱網管線、用戶負荷以及儲能裝置等，能通過遠程在線監測供能側運行工況及用能側信息，實現智能化分配調控[8]。

2.1 多能流管控系統架構

多能流管控系統需要一套適應調度系統及用戶側需求的數據平臺，并同時滿足電、熱、冷、天然氣、蒸汽等多能流的綜合能量管理。系統網絡架構可以分為上下兩層，如圖3所示。 可以看出，整個系統的硬件包括：應用服務器、數據庫服務器、磁盤陣列、核心交換機等。多能流管控系統的上層架構，能通過公司專網和網絡兩種方式獲取外部數據，根據上級公司的調度要求以及負荷側需求，結合對智慧能源站的綜合評估，實現多能流的能源交易、能源調度和能耗分析。

多能流管控系統與能源站的接口在系統下層網絡。能源站計量系統、控制系統、電氣監控系統和遠動設備通過約定的通訊協議，將數據以冗余通訊方式進行上行傳送；同時，多能流管控系統服務器、上位機、工程師站，能對接收的數據進行監視、存儲和管理。需注意的是與能源站控制系統的接口，上行通訊傳輸須經過接口機和單向隔離裝置，而下行傳輸則能通過RTU裝置將系統分析的結果轉為硬接線信號接至廠級DCS系統，下達信號主要包括：機組發電量、發熱量、制冷量等信號，再由能源站控制系統實現相應的運行工況。

2.2 多能流管控系統設計特點

同傳統電廠相比，分布式智慧能源站在進行多能流管控系統工程設計時，具備以下兩個特點：

1)額外的測點要求

多能流的電網和熱網系統潮流建模及解耦算法目前已有成熟技術[8]，但模型功能的實現除獲取設計和運行參數外，還需在工藝系統上設置額外的測點。主要包括冷、熱、天然氣主管道及支管道首末端設置管內瞬時流量、壓力、溫度測點；燃氣輪機、發電機、余熱鍋爐、汽輪機、燃氣鍋爐、制冷機、蓄熱罐設置工作物質進出口流量、溫度、壓力；廠內主要斷路器和開關開合狀態、兩側瞬時電壓、電流測點。

圖3 多能流管控系統網絡架構示意圖

2)特殊的監控方式

多能流管控系統監控中心位于分布式智慧能源站內，有專用的控制室、工程師室、大屏顯示墻、電子設備間及配套公共用房，雖獨立于能源站集中控制中心，但相互之間又有密切的聯系。成都某分布式能源站工程，在集中控制室操作臺和值長臺上，分別布置了2臺多能流管控系統操作員站和值長站，同時集中控制室和多能流控制室大屏進行信號通訊，實現畫面的互相調取。

2.3 多能流管控系統功能展望

多能流管控系統能在供能側實現：

1)多能流數據采集及監控，包括實時數據采集和處理、事件和告警處理、網絡拓撲著色等，主要用于實現完整的、高性能的、穩態實時數據采集和監控功能，是后續所有預警、控制等功能的基礎[9]。

2)多能流的狀態感知是多能流管控系統的核心功能，通過對多能流的狀態與量測維護、網絡拓撲分析、參數辨識與估計等，能實現機組在多種運行模式下多能分配的效率評估。

3)多能流的優化調度是智慧園區及能源互聯微網的發展需求，通過協同可調控的分布式資源，實現不同能源類型的耦合互補與最優流動，達到能源使用效率的提升[10]。同時，根據用戶負荷預測的結果，利用不同類型的儲能設備，能對能源站內部資源進行實時調度，達到削峰填谷的目的。

多能流管控系統為用能側提供的優勢功能在于節點能價，即通過最優潮流算法，推導多能流模型中節點電價、熱價，引導園區用戶對用電用熱進行選擇。

3 總 結

智慧電廠的建設以自動化、信息化、數字化、智能化為基礎，并輔以先進的智能設備和移動互聯網技術，對電廠生產能力進行分析和優化，并與社會多能流負荷需求相結合提升生產經營的智慧管控。

智慧電廠建設目標可以總結為：1)將事后處理前移到事前預警、事中控制，從而有效提高電廠運行管理和經濟效益；2)通過借助于人工智能等先進算法，實現電廠的優化控制、優化調度；3)利用能源物聯網實現跨行業相關信息和數據的優化利用。可以說，智慧電廠的建設將是“智慧園區、智慧城市”中必不可少的一環，其成功營運將會具有劃時代的意義。

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The construction of smart power plant has gradually become the goal and trend of the new era. Based on the current development of smart power plant, the three layer architecture of smart power plant, that is, ntelligent perception, intelligent control and smart management and control, is programmed and interpreted. A method of two-dimensional and three-dimensional linkage monitoring for smart plant is proposed. Besides that, according to national development strategy of "Internet plus" for wisdom energy, coordinated supply and cascade utilization of multi-energy flow are the key points. The architecture of multi-energy flow management and control system is studied, which is firstly applied and implemented in engineering project. The characteristics of engineering design are analyzed and summarized, and the possessed functions are described.

smart power plant; management and control; linkage monitoring; multi-energy flow

TM62

A

1003-6954(2017)05-0087-04

錢澄浩(1987)，碩士、工程師，從事發電熱工自動化設計工作。

2017-06-27)