智能電廠概念、體系架構及核心技術

張晉賓，周四維

智能電廠概念、體系架構及核心技術

張晉賓，周四維

（電力規劃設計總院，北京 100120）

為規范智能電廠體系建設，本文首先辨析了“智能”與“智慧”、“smart”與“intelligent”的概念，分析比對了智能電廠的定義，界定了智能電廠的用語及內涵。然后在分析ISA 95模型和信息-物理系統（CPS）功能層級的基礎上，構建了包括生命周期、系統層級和智能功能3個維度的智能電廠參考體系架構。建議在智能電廠建設中需強化智能儀表/設備、通信、建模、分析、控制、決策、安全等7個方面的核心技術。

智能電廠；概念；體系架構；生命周期；系統層級；智能功能；核心技術

隨著國家《能源發展‘十三五’規劃》《電力發展‘十三五’規劃》《新一代人工智能發展規劃》的先后發布，國內逐漸展開了智能電廠建設工作。自2016年以來，國內有關智能電廠的科技創新不斷涌現，但各種與智能電廠相關的概念、技術較為混雜，亟需規范。

本文在辨析智能電廠相關概念和定義的基礎上，分析了智能電廠體系架構，給出智能電廠核心技術和發展方向，以促進中國智能電廠建設的健康發展。

1 概念與定義

1.1 “智能”與“智慧”

《辭海》中，將“智慧”釋義為①對事物能認識、辨析、判斷處理和發明創造的能力；②才智、智謀；③般若（佛教用語，指一種超越世俗認識的特殊認識，通過般若可到達涅槃彼岸，為成佛所必需）。將“智能”釋義為①智慧和才能，智力；②有智慧才能。

顯然，工程中的“智慧”對應“智慧”的第1個釋義，而“智能”則強調的是“智慧和能力”。由此可見，工程界一部分人認為智慧高于智能的認識是片面和錯誤的。智慧與智能無上下高低之分，只有視角和維度之別。《易經》所言“形而上者謂之道，形而下者謂之器”。這里“道”指的是抽象、理論、共相，“器”指的是感性、實踐、各相。可以理解“智慧”為“道”，“智能”為“器”。沒有器，無以載道；而無道，則不成器。

此外，從語義和用法角度辨析，“智慧”偏向于指生物體，常作為“智力”的代名詞，“智能”則有將能力發揮出來之意。從學術角度辨析，“智能”最重要的特征就是能感知環境并根據環境狀況進行決策和執行，對于應用人工智能等技術或具有智能屬性并需發揮智能作用的對象，冠之以“智能”為妥。因此，筆者認為，學術術語宜用“智能電廠”，而不宜用“智慧電廠”。如在國務院《新一代人工智能發展規劃》中也是采用“智能工廠”，而未采用“智慧工廠”的稱謂。

1.2 “smart”與“intelligent”

在國際工程界和學術界，常采用“intelligent”和“smart”表示“智慧”或“智能”。在（《朗文英語聯想活用詞典》）中，“intelligent”釋義為“having a high level of natural mental ability so that you are good at thinking about and understanding thing”（擁有高級自然心智能力，故善于思考和理解事物）；“smart”釋義為“a word used especially in American English meaning good at learning and understanding things quickly”（美國英語常用詞，意指善于快速學習和理解事物）[1]。由此可見，“intelligent”傾向于指自然造物，與人或動物關聯度高些，故有“artificial intelligence”（AI,“人工智能”或“仿人智能”）之說；而“smart”則無論人或物，只要具備快速學習、思考或理解能力，則可稱之“smart”。

當前全球智能技術應用程度均屬于弱智能、窄智能或應用智能層級，還未達到強智能、廣智能或通用智能的水平。國際上包括國際標準化組織（ISO）和國際電工委員會（IEC）也是常采用“smart factory”（智能工廠）、“smart grid”（智能電網）、“smart manufacturing”（智能制造）等用語。

綜上，智能電廠的英文不宜采用“intelligent power plant”，而宜采用“smart power plant”。

1.3 “智能電廠”定義

在中國自動化學會發電自動化專業委員會與電力行業熱工自動化技術委員會2016年共同發布的《智能電廠技術發展綱要》中，將“智能電廠”定義為：“在廣泛采用現代數字信息處理和通信技術基礎上，集成智能的傳感與執行、控制和管理等技術，達到更安全、高效、環保運行，與智能電網及需求側相互協調，與社會資源和環境相互融合的發電廠”[2]。

在電力規劃設計總院2019年6月發布的《中國電力發展報告2018》中，將“智能電廠”定義為：面向電廠全生命周期，融合利用新一代信息通信、人工智能、檢測、控制、工程、運維、管理等技術，以發電系統為載體，在其關鍵環節或過程，形成具有一定自主性的感知、學習、分析、決策、通信與協調控制能力，能動態地適應發電環境的變化，并與智能電網高度協調，從而達到全局（包括發電產出、可利用率、效率、安全性、可靠性、可維修性、靈活性、設備磨損/損耗等）或局部優化目標，實現安全、可靠、綠色、經濟、靈活的電力可持續供給的電廠[3]。該定義中電廠全生命周期活動模型，參照ISO 15926國際標準，細分為：概念流程設計，概念工程設計（前端），詳細流程設計，詳細工程設計，設備、材料及服務的采購和控制，施工，調試，試運，運行，電廠及設備維護，退役，電廠拆除 和場地恢復等過程[4-5]。電廠全生命周期活動模型如圖1所示。

圖1 電廠全生命周期活動模型

總而言之，智能電廠是新一代AI、信息通信技術（ICT）、發電運行技術（OT）、發電工程技術（ET）、發電管理技術（MT）等多種技術融合應用的系統有機體。

新一代工業物聯網、工業大數據、高性能計算、虛擬現實、感知/認知等新理論新技術的共同推動，使得自感知、自學習、自決策、自執行、自適應、自組織等電廠高級智能功能的實現變為可能。智能電廠是集成了技術創新、模式創新和組織方式創新的先進系統。

2 智能電廠體系架構

2.1 ISA 95層級

ANSI/ISA 95是國際自動化學會（ISA）發布的“企業-控制系統集成”系列標準，現已成為IEC/ISO 62264國際系列標準。該標準中定義的企業技術和業務過程模型層級簡稱ISA 95層級[6]。該層級基于20世紀90年代美國普渡大學學者提出的普渡企業參考架構（PERA），故也稱普渡模型[7]。

ISA 95層級結構從下至上共分5層。

第0層：物理過程層

第1層：傳感和操作層 涉及對物理過程對象的傳感、測量、操作、執行等活動。

第2層：監視和控制層 涉及對物理過程對象的監視和控制活動，包括分散控制系統（DCS）、數據采集與監視控制系統（SCADA）、可編程邏輯控制器（PLC）等。

第3層：工作流層 涉及生產所期望產品的工作流活動，如制造企業生產過程執行系統（MES）。

第4層：業務層 指管理生產運行所需的與業務相關的活動，如企業資源計劃（ERP）。

ISA 95層級已在工業界成功應用近30年，但隨著新一代工業物聯網、信息-物理系統（cyber-physical systems，CPS）、工業4.0、智能工廠等技術的興起，該層級結構已不適應新形勢的需要，因此ISA也在著手對該層級結構進行修訂。

2.2 CPS功能層級

CPS通過計算(computation)、通信（commu- nication）、控制(control)即3C技術的有機融合與深度協作，構建信息世界和物理世界的有機融合體，實現大型發電等工程系統的實時感知、動態控制和信息服務。CPS包含泛在環境感知、嵌入式計算、網絡通信、智能控制等先進技術，是具有廣闊應用前景的下一代智能系統。因此，德國推出的工業4.0即以CPS為基石。

CPS包括感知、網絡和控制3大部分，圖2為CPS 5C功能體系架構。由圖2可見，CPS 5C功能體系架構[8]從低到高是由智能感知/連接層（connection level）、信息挖掘層（conversion level）、網絡化內容管理層（cyber level）、認知層（cognition level）和配置層（configuration level）等組成。

圖2 CPS 5C功能體系架構

第1層：智能感知/連接層 包括人員、物體、材料、過程等的智能感知、智能傳感以及信號的采集、調制和處理等。

第2層：信息挖掘層 包括多維數據關聯，對發電機組、主輔機設備部件等的健康和狀態分析，發電系統和設備衰退與性能預測等。

第3層：網絡化內容管理層 包括電廠數字雙胞胎（digital twin）及基于時間機的變化特征識別與提取、數據挖掘、優化控制、智能控制等。

第4層：認知層 包括仿真與綜合分析、遠程可視化、協同診斷和決策等。

第5層：配置層 包括自配置、自調整、自優化等。

2.3 智能電廠參考體系架構

在ISA 95基礎上，借鑒CPS和工業4.0等智能體系架構，智能電廠參考體系架構可分為生命周期、系統和智能功能3個層級，每個層級包含5個要素。圖3為智能電廠包含對象及其關系的智能電廠參考體系架構[9]。

圖3 智能電廠參考體系架構

2.3.1生命周期維度

智能電廠生命周期維度由設計、制造、安裝、運維、退役等組成。

1）設計 指根據電廠的所有約束條件以及所選擇的技術來對需求進行的構造和優化。設計類別一般包括需求分析、產品設計、流程設計、工程設計等。工程設計階段有可行性研究階段、初步設計階段、施工圖設計階段、竣工圖設計階段等。

2）制造 指通過將物料進行加工、運送、裝配、檢驗等活動生產發電機組及其設備等的過程，通常包括加工、裝配、運送、檢驗等過程。

3）安裝 指按照規定的方法、程序、步驟等把發電設備、系統等固定在電廠范圍內，使其能正常運行的過程，包括發電機組、設備、管道等工程安裝，也包括發電機組及其設備的調試、試運行等活動過程。

4）運維 指電廠正式投入商業運行后的全部運行、維護、檢修等活動過程。

5）退役 指電廠永久退出運行、發電設備拆除和場地復原等活動過程。

2.3.2系統層級維度

智能電廠系統層級維度表示與發電過程相關的結構層級劃分。結合國內電廠組織結構，智能電廠系統層級維度由發電系統及其設備層、監控裝置層、車間（分場）層、電廠層、互聯世界層構成。

1）發電系統及其設備層 包括發電工藝、電氣、測量和控制等設備或系統以及電廠建（構）筑物等，如發電機組、主輔機系統、附屬系統、管道、設備、材料等，也包括傳感器、圖像/視頻采集設備、執行器、斷路器、開關柜、主廠房等。

2）監控裝置層 指電廠中用于實現發電系統、過程及設備等的監視、控制和監督的計算機控制裝置，如DCS、PLC、現場總線控制系統、功能安全系統、邊緣計算系統等。

3）車間（分場）層 指實現車間或分場的生產管理的層級，如對應化學車間、燃料車間等。

4）電廠層 指實現電廠廠級或企業級，面向電廠經營管理的層級，包括電廠計劃、生產、物流、銷售、服務等管理系統。

5）互聯世界層 指電廠內外與電廠關聯的某一資產或資產組合體與另一資產或資產組合體之間的關系。如車間（分場）之間組成的電廠內聯網（intranet），電廠產業鏈上下游不同企業間組成的外聯網（extranet）等，可實現發電設計協同、發電生產協同、供應鏈協同、售電服務協同等。

2.3.3智能功能維度

智能功能維度是為實現電廠的自感知、自決策、自執行、自學習、自適應、自預測、自組織等功能的智能層級劃分，分為感知/執行、通信、信息、功能、業務等5層，每一層都對下一層的信息進行精煉、增值和升華，提升了信息的智能利用程度。

1）感知/執行層 對應CPS的智能感知-連接層，是對電廠物理世界進行測量、感知并輸入信息世界，將信息世界中的決策指令輸出到電廠物理世界操作執行的層級。除智能測量儀器儀表外，也包括虛擬測量、射頻識別（RFID）、機器視覺（包括二維碼、虛擬現實VR、增強現實AR、混合現實MR等）、地理信息系統（GIS）、無線定位跟蹤系統等。

2)通信層 指通過無線或有線通信媒介，實現電廠內機器-人員-過程-物料等資源之間全方位交互與集成以及電廠產業鏈中不同企業之間通信互聯的通信層級，包括橫向通信互聯、縱向通信互聯和端到端通信互聯等。

3）信息層 指用于表示其功能所需的資產信息的層級。大體對應CPS的第2層（信息挖掘層）和第3層（網絡化內容管理層）。信息層可利用工業大數據分析、機器學習、專家系統等手段，采用描述性分析、預測性分析、規范性分析等方法，遵循觀察、分析、行動的流程，在感知/執行層、通信層基礎上，為發電系統/設備功能和性能異常及性能衰退的早期預測、健康狀態分析及故障分析診斷處理，提供管理、控制方面的決策支持。

4）功能層 對應于CPS的第4層（認知層）和第5層（配置層），發電資產的全部邏輯功能和服務均被分配至功能層。本層從信息層的數據中獲取信息，并進行深度處理后形成決策執行信息，再返回信息層，直至通過感知/執行層最終執行。通過上下級各層的高度協同，從而使發電運營實現自感知、自決策、自執行、自學習、自適應、自組織等高級智能功能。

5）業務層 指電廠業務流程及其框架性要求的層級。該層雖來源于ISA 95第4層（業務層），但卻高于ISA 95第4層，是緣于本層憑AI賦能而具有商業智能，可將業務數據轉換為業務信息，進而做出適時的行為決策，執行適時的業務管控。本層可包括法律法規要求，與資產特性相關的業務，如供應鏈、營銷管理等，也可通過企業間價值鏈的整合，形成新型產業形態、業態。

3 智能電廠核心技術

智能電廠核心技術主要包括以下方面。

1）智能儀表/設備 包括智能感知（傳感、測量等）、執行等智能儀器儀表和智能工業機器人、工業無人機、智能汽輪機、智能鍋爐、智能水泵等智能設備以及VR、AR、MR等智能穿戴。一個對象不能被感知測量，就不能對其進行控制管理優化。

2）新一代通信技術 傳統的通信技術不能兼顧電廠控制和電廠管理等不同任務對時間敏感性的要求，處理VR、AR等高吞吐任務時時效性差，通信的互操作性、可信性等指標也較低。基于可信計算機的時間敏感網（TSN）、5G等新一代通信技術的互操作性、可信性等指標則大大提升。

3)建模與仿真 digital twin指物理資產的虛擬數字表示，包括功能、性能、結構、商務、位置等方面。digital thread指將設計、制造、安裝、運維等全生命周期的數字資產互聯互通，集成一體。digital twin和digital thread是建模與仿真的核心，也是構成數字電廠、智能電廠的基礎。當前，國內僅停留在電廠的數字化，而未深入到數字電廠、智能電廠的核心。

4)數據分析 數據分析將大量的電廠生產運維數據集轉化為有用的信息集，使得電廠用戶可以識別發電運行和維護中的隱性知識，實現發電資產性能衰退和健康預測等高級功能。數據分析包括描述性分析、預測性分析、規范性分析等層級。目前國內做得較好的電廠也僅達到描述性分析層級。

5)智能控制 指應用神經網絡、貝葉斯概率、模糊邏輯、多變量模型識別及預測、智能體、機器學習、強化學習、進化計算和遺傳算法等人工智能計算方法的控制技術。通過智能控制在電廠的深度應用，可實現自動發電控制（AGC）等各類復雜控制的自主運行[10]。

6)自主決策或決策支持 對發電過程的監控、資產的運維/檢修/管理進行自主決策或提供系統性、可視化、預知性的決策支持。

7)可擴展的多層次安全體系 包括功能安全和信息安全等。

4 結 語

由新一代AI、ICT、OT、ET、MT等有機融合而成的智能電廠，終極目標是構建具有自感知、自決策、自執行、自適應、自學習、自組織等高級智能功能，具有高度韌性、魯棒性和安全性（包括功能安全和信息安全）的新型發電運營和管理模式。

智能電廠作為具有代表性的發電顛覆性技術，具有一定的前沿性。只有做好頂層設計，建立科學的標準規范體系，堅持政府推動、科技引領、應用驅動、市場主導原則，才能使智能電廠技術釋放所積蓄的巨大能量，成為電力發展新的強大引擎，推動發電生產力的整體躍升。

［1］ Longman Group UK Limited. Longman language activator[M]. Hong Kong: Person ESL, 2003: 687-688.

［2］ 中國自動化學會發電自動化專業委員會, 電力行業熱工自動化技術委員會. 智能電廠技術發展綱要[M].北京: 中國電力出版社, 2016: 4.

China Automation Society Power Generation Automation Professional Committee, Electric Power Industry Thermal Automation Technology Committee. Outline of technology development of smart power plant[M]. Beijing: China Electric Power Press, 2016: 4.

［3］ 電力規劃設計總院. 中國電力發展報告2018[M]. 北京: 中國電力出版社, 2019: 122-123.

China Electric Power Planning & Engineering Institute. Report on China’s electric power development 2018[M]. Beijing: China Electric Power Press, 2019: 122-123.

［4］ International Organization for Standardization. Industrial automation systems and integration-Integration of life-cycle data for process plants including oil and gas production facilities-part 1: overview and fundamental principles: ISO 15926-1[S]. [S.l.]: ISO, 2004.

［5］ 張晉賓, 周四維, 陸星羽. 智能電廠概念、架構、功能及實施[J]. 中國儀器儀表, 2017(4): 33-39.

ZHANG Jinbin, ZHOU Siwei, LU Xingyu. Concept, architecture, function and implantation of smart power plant[J]. China Instrumentation, 2017(4): 33-39.

［6］ IEC. Enterprise-control system integration-part 1: models and terminology: IEC 62264-1: 2013[S]. Switzerland: IEC, 2013.

［7］ Purdue enterprise reference architecture [EB/OL]. (2018-06-03) [2019-06-27]. https://en.wikipedia.org/wiki/Purdue Enterprise_Refe rence Architecture.

［8］ 李杰, 邱伯華, 劉宗長, 等. CPS—新一代工業智 能[M]. 上海: 上海交通大學出版社, 2017: 30.

LI Jie, QIU Bohua, LIU Zongchang, et al. CPS-the new generation of industrial intelligence[M]. Shanghai: Shanghai Jiao Tong University Press, 2017: 30.

［9］ 張晉賓, 周四維. 智能電廠概念及體系架構模型研 究[J]. 中國電力, 2018, 51(10): 2-7.

ZHANG Jinbin, ZHOU Siwei. Study on the concept of the smart power plant and its architecture model[J]. Electric Power, 2018, 51(10): 2-7.

［10］ BEVRANI H, HIYAMA T. Intelligent automatic generation control[M]. New York: CRC Press, 2011: 42.

Concept, architecture and core technology of smart power plant

ZHANG Jinbin, ZHOU Siwei

(China Electric Power Planning & Engineering Institute, Beijing 100120, China)

To normalize the development of smart power plant, this paper specifies the term of smart power plant, based on differentiating and analyzing “Zhineng” and “Zhihui” in Chinese, “smart” and “intelligent”. It establishes the reference architecture of smart power plant including three dimensions about life cycle, system level and smart function after analyzing ISA 95 model and cyber-physical system (CPS) function level. Finally, the core technologies, including smart device, communication, modeling, analysis, control, making decision, safety and security, are explained.

smart power plant, concept, system architecture, life cycle, system level, smart function, core technology

TM621

A

10.19666/j.rlfd.201907146

2019-07-20

張晉賓(1967—)，男，碩士，教授級高級工程師，主要研究方向為發電新技術，jbzhang@eppei.com。

張晉賓, 周四維. 智能電廠概念、體系架構及核心技術[J]. 熱力發電, 2019, 48(9): 9-13. ZHANG Jinbin, ZHOU Siwei. Concept, architecture and core technology of smart power plant[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(9): 9-13.

（責任編輯 杜亞勤）