智慧電廠的結構形態和發展方向

潘威丞

摘? 要：隨著我國電力體制改革，智慧電廠建設已逐漸成為電廠發展的新方向。在國家數字化、信息化、智能化等政策的號召驅動下，綜合利用人工智能技術推進電廠數字化轉型，有效強化電廠中心競爭力，保持電廠穩定持續發展是當下時代電廠的發展目的。本文系統地分析了智慧電廠的結構形態和建設思路，為當今時代下電廠進行數字化轉型提供了指導意見。

關鍵詞：數字化? 智慧電廠? 人工智能? 電廠發展

中圖分類號：F426.61;F49? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2021）06（c）-0041-04

Abstract： With the reform of China's power system， the construction of smart power plant has gradually become a new direction of power plant development. Driven by the call of national policies on digitization， informatization and intelligence， the development purpose of power plants in the current era is to comprehensively use artificial intelligence technology to promote the digital transformation of power plants， effectively strengthen the central competitiveness of power plants， and maintain the stable and sustainable development of power plants. This paper systematically analyzes the structural form and construction ideas of smart power plant， and provides guidance for the digital transformation of power plant in today's era.

Key Words： Digitalization; Smart power plant; Artificial intelligence; Power Plant

1? 智慧電廠的總體概述

綜合利用邊緣計算和人工智能技術推進電廠數字化轉型，有效提升電廠核心競爭力，推動電廠可持續發展是電廠發展的必然趨勢。2014年6月，習近平總書記提出了“四個革命、一個合作”的能源革命戰略思想，為開拓新時代中國特色能源發展新前景描繪了宏偉的藍圖。2016年底，我國正式發布了《關于推進互聯網+智慧能源發展的指導意見》，進一步明確指出促進能源和信息深度融合，實現智能發電是發電企業提升管理水平、培育市場競爭優勢的創新舉措和有效途徑。2017年底，智慧電廠開始在全國部分區域試點，各大發電企業開始深入智慧電廠領域。“新基建”各項政策的不斷出臺，也為智慧電廠的發展按下了“快進鍵”，至此，智慧電廠開始進入快速發展階段。2020年9月21日，國務院國資委正式印發《關于加快推進國有企業數字化轉型工作的通知》，促進國有企業數字化、網絡化、智能化發展，提升產業基礎能力和產業鏈現代化水平，發揮國有企業的示范引領作用。2021年3月5日，我國提出要在“十四五”時期大力推進大數據、工業互聯網、人工智能等技術同各產業領域深度融合，加速5G、互聯網+、數據中心等建設，系統布局新型基礎設施從而推動先進制造業集群發展[1-3]。

總的來講，智慧發電的數字化轉型和智慧化改造的主體是第四次工業革命及工業數字轉型大背景下的各個能源企業，其目的是使電廠得到更加安全的運行過程，更好的經濟效益和更環保的效益指標。為實現這一目的，需要“數據+模型”的深度融合及應用，例如，以“數字孿生”推動數據融合;以“全量數據”為基礎，以大數據分析技術為依托實現全量分析、實時分析;以“機理模型為準繩、以大數據模型為核心，以經驗模型為閉環”，實現全面的狀態評估、科學的決策分析，實現精準的協同執行等[4]。

2? 智慧電廠建設的挑戰與困境

智慧電廠的建設，不是單純地采用某種技術，對單一設備或系統進行升級，也不是加裝一些智能裝置。而是它在應用廣泛的現代通信技術、數字信息處理和人工智能的基礎上，集智能傳感、執行和控制于一體。伴隨能源產業政策，電廠數字化、智慧化轉型的過程中，必然伴隨著諸多困境與挑戰。

2.1 多維信息源處理

目前，隨著信息系統的不斷增多，系統的復雜性不斷加深，使得各個系統之間數據的組織越來越困難。而無論是一個熟練的操作工，還是有豐富經驗的專家，都只能服務于極度有限的目標，其知識難以高效和規模化地應用系統中的數據。同時，人的認知能力很強且擅長抽象思維，但人并不擅長處理多維信息之間的關系及精確量化分析。制約決策質量的不再是如何獲取信息，而是對信息進行精確的分析與對目標的優化。在電廠生產過程中，以人的知識和經驗推動的生產系統已經逼近了生產力的邊界，有相當大一部分產能價值沒有被釋放出來。

2.2 數據孤島

由于電廠的建設是在原有設備或系統基礎上進行升級、改造、整合而來，因此在數字化、智慧化電廠的建設過程中，難以形成一致的規范，建設過程中必然存在數據不連通的現象。同時目前行業內缺少統一的建設標準，各單位均根據自己需求單獨進行智慧化改造，系統水平參差不齊，難以大面積推廣，各個系統大多采用傳統的煙囪式、垂直式的建設方式，使系統之間存在明顯壁壘。

2.3 數據業務評估

受電廠歷史因素影響，目前多數電廠關鍵位置缺乏數據測點，其數據不足以支撐整個機組系統、設備、巡檢點的全方位覆蓋。從數據的體量上來看，當前無論是SIS還是點巡檢的記錄都屬于采樣數據，其數據置信度不能夠支撐狀態評估。從評估的手段上來看，目前主要還是依托于人和機理模型，對業務狀態評估的精準性不足。

2.4 協同執行方式

當前的協同系統只能夠按照特定的模式和規則，或按照人的指令執行。知識和經驗如何高效以及規模化地應用，狀態評估的結果及科學決策如何快速應用于生產運維都是當下面臨的難點。電廠協同執行要考慮決策的分發與實施的層級關系、時間尺度和順序相關性，要有一定的容錯能力，但目前多數電廠不能滿足這些要求。

3? 智慧電廠的結構框架

如圖1所示，在智慧電廠的建設過程中，首先要完成底層數據池的搭建，滿足數據的存儲與交換，具備數據匯聚整合、數據提純加工、數據服務可視化、數據價值變現的4個核心功能，并同時完成四碼合一的動態編碼體系——KKS功能位置編碼、設備資產編碼、固定資產編碼、物資編碼。集成散落在企業各方的數據，并對異常數據進行清洗，完成海量數據的存儲與計算，有效消除數據孤島，實現實時的數據信息共享與全局的數據資產管理。以“數據池”為地基，并以智能安全維護保障體系全面支撐電廠頂層應用及軟件的功能實現[5]。

數據傳入上層，需要對現有有線、無線網絡進行改造，使用5G、IPv6等更高效、更全面、更安全的模式所代替。5G通信速率高、延時短，能實現海量數據的及時采集，實現更細粒度的“次重要”數據統一采集和集中分析，將有價值但不經常使用、不舍得投資硬接線接入的數據，真正接入大數據中心，打通廠級數據池的“最后一公里”。將智能可穿戴設備、臨時攝像頭、臨時傳感器、臨時標簽、溫度測點、電伴熱投運等數據源產生的不那么經常使用的數據或開關量均可采集至企業中臺。通過光纖等有線網絡連接萬物，成本較高、適用性較差，所以泛在電力物聯網必須通過無線網絡進行補充連接。5G通信有利于海量對象的協調，降低通信成本，有助于真正實現電廠的智慧運行。

中臺是用于溝通底層數據池和頂層應用/平臺的橋梁，對于中臺而言，需要分別從數據、電廠行業所需業務以及人工智能服務同時出發，實現智慧電廠正常穩定運行。中臺跨越非常大。第一，需要保證底層的數據池中數據得到有效處理，實現電廠數字化管理的標準化、精細化，具有數據融合、數據分析、數據抽取、數據治理的能力。通過集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，結合三維模型打造以數據驅動的中臺架構。第二，中臺需要能夠有效推動電廠業務，保證前臺需求和后臺數據的溝通穩定和諧。中臺需要理解業務接下來的發展方向，針對具體生產、運維、管理建立業務模型，對某一專業領域建立機理模型，并實現業務之間的相融融合，打破其溝通壁壘。第三，中臺又需要極強的自我調節能力，能夠通過不斷更新自身的智能化深度的同時不斷協調配合中臺在數據與業務之間的平衡。中臺需要保證其具有能夠接入三方的通用標準，具有訓練強化自我更新的能力，實現生產、運營、安全、維護的穩定運行。

頂層應用是基于中臺建模實現電廠具體智能化需求的位置，其貫穿于智慧生產、智慧運營、智慧管理、智慧維護等方面。利用底層數據池的數據，通過指導、自主學習、設備故障庫、運行優化等構建支撐體系，實現遠程診斷、遠程控制、智能巡檢、無人值守、狀態檢修、故障診斷、故障預防等智慧電廠功能，做到區域/行業互聯網平臺深度融合，實現全產業鏈協同[6]。

4? 智慧電廠的建設思路

智慧電廠是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展過程。因此，智慧電廠的建設應包含電廠建設（設計、安裝、調試）、運行（過程檢測、控制、操作）、維修（維護、檢修）、生產與資產管理等全生命周期進行統籌規劃[7]。

4.1 全范圍的智慧建設

將全廠設備設計、制造、安裝、運行、退役等全壽命周期數據數字化，通過信息共享、功能融合的一體化平臺管控，進行全范圍覆蓋的數據與設備資產管理，形成橫縱交錯的全方位建設。從縱向來看，將從基礎數據的智慧化接入出發，以中臺過程為導向，從而保證生產、運維管理、管控的一體化。從橫向而看，各個位置產生的數據匯入數據池、橫跨多個平臺，重新進行大數據整合。基于數據挖掘找到數據間的內在邏輯關系，從而匯入中臺實現各類基于數據業務的高級應用。基于三維建模技術實現電廠的數字場景重現，從而實現設計圖紙的具現化。通過使用三維激光掃描技術，將物理場景進行實地模型創建，從而修正整個廠區的三維虛擬場景。結合數據池中的數據，打造數字孿生體系，最終以三維可視化的形式，在PC端、移動終端、管理者駕駛艙到完美呈現和應用。

4.2 全方位的數據處理

智慧電廠建設的基礎是將各類智能傳感設備進行升級，完善各類數據池中數據的順利獲取，將數據傳入中臺中，并將非結構化數據進行數據清洗，從而實現對頂層應用端的生產和經營管理進行全方位監測。將檢測數據對接到底層數據源的設備元器件中，進行智能融合和智能分析，與業務、AI算法深度集成，從而對頂層相關模塊進行決策提供依據。在數據從數據池中的海量數據，利用數據清洗、深度學習、數據挖掘等技術，評估識別操作與生產決策的有效性，提高智能評估的準確性。因為數據在準確、全面的前提下才能保證上端分析與診斷的精確度。通過對數據池中相關性數據的挖掘分析+機理模型的構建+專家經驗的甄別+人工智能（AI）形成各類設備及系統的專家診斷知識庫。

4.3 全覆蓋的評價指標

只有當評價指標涵蓋在各個領域的范圍時，才能誕生一個完整的智慧電廠。通過大數據的挖掘與提煉，對各類資源管理與開發、運行等各類信息進行感知、挖掘，經過綜合分析和提煉，利用檔案數據進行趨勢統計進行縱向分析，利用生產活動質量評價、經營報告等分類統計進行橫向評價，使其為電廠的生產、管理、投資決策服務。

5? 結語

本文主要從智慧電廠的建設思路出發，對智慧電廠建設的整體概況、面臨的挑戰與困境、以及建設思路進行分析介紹。大數據、云計算、物聯網和移動技術為代表的互聯網技術發展迅速，正在給電力企業帶來巨大影響，數字化轉型勢必成為電力行業的重要關注點。它貫穿于電廠整體流程，勢必為新時代下電廠的智慧化發展提供新的方向。

參考文獻

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[5] 潘玉松，陳旭偉，張鵬.傳統火電廠建設智慧電廠的典型方向及構架體系[J].分布式能源，2018，3（5）：48-53.

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[7] 何立榮，劉春波.構建云、大、物、移的智能電廠[J].中國設備工程，2018（4）：12-17.