淺談1000MW火力發電廠智慧電廠建設

蔡正杰

摘 ?要：基于工業互聯網、云計算、大數據分析，利用先進的5G、MEC等信息技術、工業技術和管理手段，實現精確感知生產數據、優化生產過程、減少人工干預，最終使電廠具備“自分析、自診斷、自趨優、自管理、自恢復、自學習、自適應、自組織、自提升”的能力，實現公司管理更加規范、安全水平進一步提升、設備運行更加可靠、經濟效益進一步提升、人員可控、狀態預知、少人值守、節能環保、降本增效的目標。

關鍵詞：1000MW火力發電 ?智慧電廠 ?5G ?工業互聯網 ?物聯網

中圖分類號：TM62 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A文章編號：1674-098X（2021）04（b）-0083-05

Discussion on the construction of Gansu Power Investment Changle 1000MW Thermal Power Generation Unit Smart Power Plant

CAI Zhengjie

（Gansu Power Investment Changle Power Generation Co.， Ltd.， Jiuquan， Gansu ?Province， 736100 ?China）

Abstract： Based on industrial Internet， cloud computing and big data analysis， the latest advanced 5G， MEC and other information technology， industrial technology and management means are used to realize accurate perception of production data， optimize production process and reduce manual intervention. Finally， the power plant has the ability of "self analysis， self diagnosis， self optimization， self management， self recovery， self-learning， self adaptation， self organization and self promotion"， To achieve the goals of more standardized company management， further improvement of safety level， more reliable equipment operation， further improvement of economic benefits， controllable personnel， state prediction， less people on duty， energy conservation and environmental protection， cost reduction and efficiency.

Key words： 1000MW thermal power generation， smart power plant， 5G， industrial Internet， Internet of Things

1 ?智慧電廠發展趨勢

智慧發電企業建設是貫徹國家發展戰略的要求。為應對時代變化，國家提出了“以信息化帶動工業化，以工業化促進信息化”、深入實施“兩化融合”的大政方針，推出“大眾創業、萬眾創新”的政策舉措，以及《中國制造2025》的行動綱領，引領企業在新時代的轉型發展。建設智慧發電企業，無疑是順應時代潮流，貫徹國家發展戰略之舉。

智慧發電企業建設是企業自身發展的需求。從外部看，經濟發展進入新常態，煤價大幅反彈，不可控因素加大，電量低速增長，利用小時持續回落，電力供大于求的局面短期難以改變。同時，電力體制改革加快推進，市場競爭日趨激烈，成本控制壓力倒逼發電企業不斷提升管理水平與管控效率。從內部看，貫徹落實中央關于供給側結構性改革的戰略部署，使發電企業面臨著發展方式的巨大轉變，致力于內涵式發展、持續提質增效已經成為行業共識，這一轉變對公司的風險管控、資源集約化管理、內部協同等提出了更高的要求，公司信息化、智能化需求不斷加大[1]。

2 ?智慧電廠建設原則

智慧電廠信息系統建設總體思想與原則：統一規劃、融合設計、分步實施、控制造價。在具體設計當中，注重以下方面要求。

2.1 先進性原則

系統架構方面系統采用國際領先的多層技術構架，全面集成生產信息、管理信息業務。實現在設計思想、系統架構、采用技術、選用平臺上均要具有先進性、前瞻性、擴充性、開放性的總體目標。

2.2 完整性原則

智慧電廠信息系統規劃設計遵循系統性和完整性原則， 把整個電廠信息系統看作一個有機整體，全盤考慮，統一規劃，避免信息孤島的產生，避免局部系統優化時對總體目標的損害， 爭取達到整體最優化。

2.3 實用性原則

遵循實用性原則，在硬件和系統軟件平臺的建設規劃方面充分考慮電力企業特點，適合電力企業組織形式、業務要求和工作習慣， 將生產信息與管理信息融合設計，便于數據信息的收集、存儲、維護與更新，便于軟件系統的升級維護。為適應電廠不同層次人員，使用簡單、實用、人性化的需求，提供靈活、方便、高效的工作平臺。

2.4 開放性原則

遵循開放的設計理念，符合各種形式通訊標準及通用開發平臺的接口標準，具有良好的可移植性、可擴展性、可維護性和互連性。按照分層設計，實現軟件模塊化。

2.5 安全性原則

遵循安全可靠性原則，硬件網絡系統方面進行安全防護規劃設計，同時，在軟件系統方面有一套完備的安全體系，切實可行的安全技術。

2.6 經濟性原則

統一規劃、分步實施的前提下，充分考慮經濟性原則。最大限度地控制項目實施風險、節約投資。可以在當前條件下實施滿足當前需求的功能模塊，隨著管理水平和管理素養的不斷提高，在條件允許時再跟進實施擴展功能模塊，而后續的功能模塊可以無縫地與前期實施的功能模塊進行集成，最大限度地保護了既有的費用投資和數據投資。

3 ?智慧電廠建設目標

通過大數據、物聯網、AIOT、三維工廠、5G、邊緣計算等新技術打造集團級工業互聯網平臺，實現數據中臺支撐的、端邊云網業一體化的、多維度數據融合和多場景交互的智慧應用，提升公司的經營決策和運營管控能力。

4 ?智慧電廠建設內容

4.1 智慧管理層

4.1.1 智慧中心-集中運營監控中心

（1）運營管控中心。管理駕駛艙系統包含關鍵設備運行狀態管理、環保指標數據管理、生產運行指標數據管理、統計分析管理、生產報表管理、能耗指標分析管理、人力資源/財務/辦公一體化/檔案管理等功能。管理駕駛艙中的集中分析以統一指標體系為基礎，供應商需依據電廠的實際指標參數情況，建立符合電廠實際應用分析需求的指標體系[2]。

（2）技術服務中心。區域數據中心是基于統一的數據交換服務，構建二級單位生產實時數據和經營管理數據融合的數據中心庫，橫向與集團公司內部管理系統對接，縱向完成所屬電廠數據接入融合，實現“橫向集成、縱向貫通”的業務目標;專家遠程診斷中心基于多元數據深度融合，提供多種類算法模型工具，支持生產過程關聯分析挖掘機組安全、高效、清潔、低碳、靈活的運行潛力;節能管控服務中心基于區域數據中心，抽取各電廠的能耗指標、運行參數、設備狀態等信息，形成節能中心數據庫，進行能耗監視、節能挖潛;檢修調控中心建立二級單位區域（流域）檢修需求池，實現檢修技術資源調配、現場過程管控、檢修標準庫就地調閱、檢修驗收閉環資料同步獲取等功能，支持檢修調控中心人員進行網絡進度圖對比分析與人力資源配置匹配分析，匯集動態指標開展檢修人員績效評定[3]。

4.1.2 智慧中心-廠級數據中心

通過大數據平臺的建設，對電廠各類型數據進行匯聚和分析，為電廠各個業務場景的實際應用提供數據服務，支撐電廠生產經營、現場管理、機組運行、供應管理、營銷管理、日常人員管理等實際應用場景，提供科學、智能、靈活的信息技術支持。

大數據平臺結合數據中臺的數據治理、數據服務等先進的能力，通過數據服務API、元數據管理、數據標準管理、數據質量管理、數據血緣管理實現對電廠各類型數據進行治理與分析，提升電廠相關數據質量及能力，為管理駕駛艙、設備管理、生產管理等各類綜合業務應用提供良好的數據、模型、接口等服務支撐。

4.1.3 智慧運行管理-智慧監盤

其功能可基于DCS歷史站存儲的海量數據，通過數據采集、傳輸、存儲和人工智能建模算法，充分挖掘DCS歷史數據中蘊藏的規律，建立面向主題的知識庫和專家系統規則，在DCS系統里實現熱力系統在線預警和故障診斷，同時利用機組實際工況數據驗證智慧化監盤系統模型的準確性和穩定性，不斷優化迭代算法，提高預警準確性和時效性，將運行工況不斷逼近最優工況。智能監盤可幫助實現熱力系統的在線自診斷、自預警功能，最終達到機組運行少人值守、降低運行人員勞動強度、提高機組安全經濟性的目的。

4.1.4 智慧設備管理-全生命周期設備管理

（1）互聯網+安全生產管控平臺。設備全生命周期管理將設備臺賬、定期工作、等級檢修、技術改造、異動管理、定值管理、技術監督、設備評級、檢修記事、備品備件等納入設備全壽命周期管理，通過設備二維碼、藍牙信標為檢修、兩票、缺陷提供數據就地管理。在PC端和移動端實現設備、缺陷、兩票、運行、點檢、工單、安全、燃料、物資、計劃、合同、經營等業務功能，通過WIFI、二維碼、藍牙、移動終端等設備聯接生產區及辦公區，構建全方位、全要素運營管控體系[4]。

（2）檢修過程智能管控系統。構建本質安全型的檢修過程智能管控體系，以檢修標準化為核心，結合線上線下交互模式;為設備檢修提供多維度的指導支持，對發電設備維護和檢修過程各環節進行科學化、標準化的管理;對檢修工藝、流程、人員安排不斷優化提升，奠定安全文明生產標準化基礎。

（3）設備狀態檢測機器人。融合移動機器人技術、超聲導波檢測技術，以及智能導航與自主運動規劃、多傳感器柔性融合技術、圖像處理與模式識別等理論方法與技術手段;形成集成現場檢測與數據無線傳輸、信號分析、故障檢測與預警等功能的一體化智能設備狀態檢測解決方案，提高檢測精度與效率，降低維護成本。

（4）設備故障在線預警平臺。設備狀態監測功能應能夠實時采集電廠聯網設備的運行狀態，實現與IoT平臺、SIS系統對接，實現設備性能的在線監測、故障診斷、預防性維護以及狀態檢修。無線測量傳感器設備能夠采集電廠設備的關鍵特征值，判斷設備所處狀態，具有較高的測量精度，支持無線數據傳輸（可支持5G網絡）。

4.1.5 智慧安全管理

（1）智慧安全管理-安全生產培訓平臺。安全生產云培訓平臺以多媒體安全培訓課程資源為核心，采用“培訓管理平臺+在線教育平臺+終端+移動APP”線上線下結合的模式，全方位覆蓋發電企業各類人員安全培訓及考試。實現發電企業安全培訓方式多樣化、管理流程化，監督日常化、培訓全員化。

（2）智慧安全管理-安全風險管控平臺。安全風險管控平臺包括：安全預警控制，安全積分管理，安全風險可視化管控，智能安全檢查，班組安全智能管控，應急智能管控，人員定位系統。

（3）智慧安全管理-數字可視化安全管理系統。數字可視化安全管理系統包括：由定位系統、監控系統、三維系統報警系統、狀態數據采集系統等組成;中間部分：通過中間件平臺進行數據整合優化、接口對接;應用層：在應用層實現實時定位、三維顯示、實時報警、作業規劃、實時動態監控、監控聯動等功能。

4.1.6 智慧營銷管理

（1）實時成本分析系統。建立成本分析數學模型，以廠級邊際成本為基礎，通過盈虧平衡分析、利潤敏感度分析、預算與執行分析、成本預測分析、電量預測與預安排等分析模型。

應用比例計算法、量本利分析法、因素分析法等相關測算方法預測機組發電實時成本及年度、月度成本，尋找優化發電運營方案，合理整合資源配置，為企業經營工作指導方向，最大限度優化和釋放企業整體盈利能力，為決策分析提供支持。

（2）競價上網分析系統。通過實時地計算出發電成本，能夠正確地預測生產成本變化趨勢，為控制成本提供準確的依據。

（3）全面對標分析系統。基于實時成本，建立全面對標分析系統，以經濟效益為中心，通過開展生產運營與企業經營的對標管理工作，找出安全生產和企業運營管理中存在的差距，制定有效的改進措施，不斷完善管理制度、工作程序，全面提升企業管理水平。以指標找差距，以差距查管理，以管理促提高，形成閉環控制。通過指標的改善，提高發電企業的經營績效。

（4）生產經營分析系統。建立數據分析模型，實現跨系統的數據分析和數據挖掘，為廠領導和管理人員提供管理駕駛艙和綜合決策分析功能。

對實時/歷史數據、現場總線設備數據、運行數據、經營財務數據的全面整合，建立相關數據分析模型，指導生產優化，智能經營分析，輔助決策支持，提升管理效率和管理水平，有效減輕管理人員工作量。

（5）自動報表系統。自動報表系統是基于網絡和數據庫的通用統計數據采集處理系統，與電廠各專業系統集成，實現報表制作及數據填報和數據處理分析。基于數據整合共享理念和實施框架，使系統間數據不再具有差異性和不確定性，真正實現數據一次填報，多次使用，實現“數據一個源，業務一條線”，可大大提高報表的填報效率，以及報表數據的精確程度，顯著提高工作效率。

4.1.7 智慧燃料管理-燃料智能化

（1）燃料智能管控。燃料智能管控系統以燃料管理全程可知、可控為目標，覆蓋燃煤計量、采樣、制樣、樣品封裝與標識、樣品傳輸、儲存以及化驗;各個管理環節，進行煤質、煤量、煤價三方面的全流程監控，實現燃料全過程管理規范化、工作標準化、信息集成化、設備自動化、作業機械化、過程可視化。

（2）智能煤場管理。智能煤場管理系統以煤場信息實時掌握為目標，應用三維仿真建模、激光掃描、定位、數據疊加等技術，進行煤場進、耗、存煤的量、質、價等信息精細化管理：提供全面感知煤場信息、優化煤場儲煤結構、動態模擬煤場實景、智能控制設備作業、監測預警煤場安全等功能。

（3）燃料全價值尋優。以智慧燃料為主線，以全過程指導為動力，分析電廠燃料全流程“購、卸、存、輸、配、送、燒、排”等創造價值的關鍵控制點;尋找關聯各環節的最優指導，構建大燃料全流程一體化智慧管控體系;提供基于模型驅動的智能支持、尋優指導功能，實現燃料全過程管控與全價值尋優。

全過程閉環管控。綜合展示燃料的動態及過程管理信息，對燃料需求指導、采購指導、接卸指導、取煤指導、煤倉出力指導的生產及執行效果進行評價和分析，構建燃料從采購到入爐全過程閉環管控機制。

4.2 智慧生產監管層

4.2.1 SIS系統

廠級監控信息系統，是一個介于DCS系統和MIS系統之間的具有獨立功能的系統。以機組的性能計算、廠級經濟性分析、廠級負荷分配以及機組的經濟運行為主要目的。SIS系統的實時性體現在SIS系統實時分析機組的運行參數，通過系統強大的數據挖掘、數據處理與優化的功能，對機組乃至全廠的運行狀況進行準確的分析、診斷與優化的系統。

4.2.2 智慧廠區管控

智慧廠區管控系統是電廠全生命周期的數據集成平臺的一個子系統，與電廠全生命周期的數據集成平臺間設有數據接口，最終納入平臺統一管理。

智慧廠區管控系統以數據資源池為基礎建立統一的智慧廠區管理共享平臺，用戶登錄后可根據分配的權限推送出與之配套的管控信息界面。數字化廠區管控系統從功能應用范圍分為五個模塊，即智能生產視頻監控、智能消防、智能門禁管理、人員定位、智能安防。主要集成系統如下：生產視頻監視系統，門禁一卡通系統，安防系統，火災報警，人員定位。

4.2.3 智慧巡點檢

在傳統視頻監視基礎上，充分開發利用視頻新技術，包括：視頻融合技術，視頻分析技術，紅外熱成像技術。

4.2.4 三維可視化

以三維可視化展示為媒介，以智能化移動終端為工具，構建更高階段的信息化與自動化電廠，并全面實現電廠的智能化安全生產和智能化調度經營。幫助電廠提高設備可靠度及機組出力水平;減少或杜絕非停、降負荷及環保排放事故;大幅度降低運維費用和運維工作量;提高安全性能，合理延長設備壽命;實現預測性維修管理，延長檢修周期，降低檢修費用;實現精細化運行管理，提高發電量，降低煤耗;實現電廠遠程管理;提高管理效率，大幅度減少電廠人員;集團內或區域內專家資源與知識資源統一調配和共享;遠程監控與診斷服務成為新常態，設備及數據庫的不斷豐富與分享;全面支持電廠設備管理模式創新和管理能力提升[5]。

4.2.5 斗輪機無人值守

實現斗輪機作業遠程全自動操作，斗輪機司機可定期巡檢就地設備的運行情況，斗輪機的作業指令均來自煤控室，指令包括：斗輪機作業煤場區域選擇、斗輪機作業模式（堆料/取料/分流）、一鍵起停、斗輪機能夠實現全自動目標尋跡與堆取料作業全程無需人員干預以及斗輪機各種工作模式的無擾動全自動切換。

4.3 智慧控制層

4.3.1 智能DCS

智能DCS系統具備大數據分析、在線尋優、自學習、自診斷等功能，支持預測控制、自整定、魯棒控制等先進控制算法，助力電廠實現智能化控制轉型。智能DCS系統的數據聯動，可實現二、三維數據的自動交互，全方位立體式展示生產運行過程，輔助運行人員快速掌握控制系統結構、直觀解讀真實控制系統傳遞的數據信號，支持系統冗余功能，在與現場DCS及激勵式仿真系統實時交互的共享數據流基礎上，真正做到了與DCS系統融為一體，可真實再現DCS系統的自我診斷保護、預警功能，可對控制站進行系統級、模塊級、通道級故障模擬預警，具備輔助生產人員制定反事故措施能力，為企業安全生產保駕護航。

4.3.2 機組一鍵啟停（APS）

APS功能是發電機組最高級自動控制技術之一，APS將機組將各個控制系統（順序控制系統、模擬量控制系統、鍋爐爐膛安全監控系統、給水泵控制系統、汽輪機旁路控制系統等）分階段銜接起來，借助智慧電廠數據平臺進行數據分析處理功能，安全快速完成機組自動啟動和自動停運，提升機組自動運營水平。機組APS自啟停系統總體達到：機組自啟停控制系統投入和退出應不影響機組的正常運行與控制;機組自啟停控制系統應合理劃分功能組，設置獨立及并行運行方式;機組自啟停控制系統具備完整的人機界面系統，并能對運行人員的規范操作提供參考;機組智能自啟停系統可與視頻圖像輔助巡檢、設備狀態監控、故障預警等進行聯動。

4.3.3 輔助系統一鍵啟停

以化學鍋爐補給水系統為例，范圍自雙介質過濾器、超濾、一二級反滲透、EDI至除鹽水箱，包括各系統輔助加藥系統。各系統分別進行了單系統程控調試及一鍵制水各系統聯調。鍋爐補給水系統設備和程控均運行正常，所有儀表、信號指示均準確無誤。包括化水系統、輸煤系統均實現整個系統的一鍵啟停。

4.3.4 基于智能技術的鍋爐燃燒優化控制技術

智能鍋爐燃燒優化控制系統包含兩個方面的優化工作，一方面根據大量的燃燒調整試驗，優化并診斷現有燃燒和制粉系統存在的問題，優化控制目標包括：分離器擋板開度、粉管風速調平、各磨煤機出力分配、一次風量、磨煤機加載力等;另一方面鍋爐燃燒優化控制軟件應使用先進的智能技術。該系統采集機組大量運行數據，運用大數據及人工智能技術，實現對入爐煤質進行在線監測，并在此基礎上建立燃燒優化神經網絡模型，采用多目標遺傳算法優化技術，在保證機組運行安全的條件下，優化鍋爐配風配煤燃燒運行參數， 根據機組負荷和煤質的變化，自動調整燃燒運行參數（閉環優化控制），實現全負荷、全煤質工況的鍋爐燃燒參數的全自動動態滾、動優化，達到鍋爐安全、經濟、環保運行的目的。平均可降低機組煤耗1～2g/kWh左右。

4.3.5 基于先進算法的協調、一次調頻、AGC優化

運用DCS控制系統的預測控制和過程模型改進負荷響應速率。其基本原理是運用基于模型預測的多變量控制方式，采用前饋功能模型化、控制參數模糊化的作用，協調鍋爐和汽機動態特性，以提高負荷響應速度。它具有更快的響應時間和更小的超調量，同時兼顧機組穩定性。

4.4 智慧設備層

4.4.1 現場總線設備

采用現場總線技術的智能設備，為電廠控制及管理提供豐富的數據信息，是智能電廠的基本要素。總線設備包括：（1）變送器;（2）執行機構;（3）閥島;（4）現場總線型閥門定位器;（5）電氣現場總線設備等。

4.4.2 AMS

智能設備管理系統是針對智能儀表、智能閥門定位器、智能控制設備等進行在線組態、調試、校驗管理、診斷及數據庫事件記錄的一體化方案。它集智能儀控設備的數據采集、數據分析于一體，為智能儀控設備的預防性維護、預測性維護提供解決方案。

4.4.3 輸煤系統軌道機器人

以降低勞動強度、減少人身傷害為目標。該機器人通過U型軌道確定巡檢范圍，運用增量式編碼器自修正定位系統和兼容無線系統的網絡優化方法提高系統定位精確性和數據傳輸穩定性。該機器人可根據人工巡檢經驗設置機器人巡檢參數，當傳感器檢測到的環境參數超出許可范圍時即啟動預警系統。

4.4.4 升壓站巡檢機器人

升壓站智能巡檢機器人包括實時監視、機器人實時狀態控制、機器人巡視任務管理、數據查詢統計、系統互聯、系統配置六個功能模塊。機器人遠程專家診斷協同平臺功能，使現場人員可通過各類終端視頻連線遠程專家/接入視頻會商系統，實時共享圖像和監控數據，獲取遠程技術指導。從而實現可視化檢修指揮，遠程專家指導，高效及時消除缺陷等。

4.4.5 AI音響（語言機器人）

AI音箱搭載了來自獵戶星空的語音合成技術，成為“應用最廣泛”的AI語音系統。AI音響可以作為指揮電廠的控制中心，可使用AI音箱喚醒智慧中心系統，并發布指令。打造人工智能語音+智慧中心，搭載人工智能技術，配備了擁有深度學習和理解功能的智能語音系統。它搭載多路陣列式麥克風，能實現遠場語音功能。還要實現互聯互通的便捷式語音交流體驗，能通過語音來操控智慧中心。

參考文獻

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