基于工業互聯網的電力安全生產探討

劉三軍，劉中華，方 草，崔 希

（1.國家電投集團江西電力有限公司，江西 南昌 330096；2.國家電投集團江西電力有限公司分宜發電廠，江西 分宜 336600；3.國家電投集團上海發電設備成套設計研究院，上海 200240）

0 引言

隨著社會的不斷發展以及互聯網與人工智能的技術進步，技術迭代導致的國內外安全生產事故頻發，特別是電廠特殊的復雜生產環境給安全管理工作提出了更高的要求。繼黎巴嫩貝魯特港口大爆炸發生后，北京南四環一儲能電站又發生鋰電池爆炸事故，針對國內外安全事故頻發的現狀，黨的十九屆五中全會提出要加快發展現代產業體系，推進能源革命，加快數字化發展，推動互聯網、大數據、人工智能等同各產業深度融合，建設智慧能源系統，優化電力生產和輸送通道布局。深入到企業集團層面，則要筑牢能源發展新跑道，打開企業發展的關鍵點，其中最為關鍵的一點就是新技術領域能力，數字化智能化技術是一個非常重要的切入點。而推動數字化智能化技術的發展和應用是每一家發電企業向多元化發展，能源基礎技術向高層次發展的重要途徑。

國家電投集團江西電力有限公司分宜發電廠緊密結合當下社會互聯網技術發展形勢，以智能電廠大項目中的智能安全功能為基礎，利用圖像智能識別分析、智能兩票、智能門禁、自主DCS、狀態檢修、數字孿生體和智能巡點檢等工業互聯網技術，將工業互聯網與安全生產相關內容發展成為四個部分，即工業互聯網與人員安全、設備安全、運行安全和網絡信息安全，從本質上保障了火力發電廠電力生產環節的安全可靠[1]。

1 工業互聯網與人的安全

工業互聯網與人的安全主要體現在網絡軟硬件結合對廠區人員的安全基礎管理流程方面，從項目啟動到項目結束，管理功能貫穿始終，事前有安全管理手段進行權限審查，事中有監控系統跟蹤報警保護，事后則有智能統計分析系統整合復盤。在整個項目人員管理的全流程中，對歷來傳統模式感到棘手困難的問題，以智能化手段輔助，最終實現工業互聯網對人員的智能安全管控。

1.1 生產區域安全實時感知

智能安防系統在整個廠區大范圍布置了智能攝像頭（見圖1），其中重要生產區域和生產道路區域尤為密集，布置在重點區域的攝像頭均具有人臉識別功能和安全帽佩戴識別功能，并對抓拍到的人員自動檢索上報，配合一體化平臺軟件體系，在全生產區域實現了人臉識別和人員軌跡查詢功能[2]。

圖1 生產區域智能攝像頭布局

1.2 生產區域安全事前預防

整個生產區的重要關口均配備智能門禁系統（見圖2），相關工作人員在進入生產區域之前，經由一體化平臺智能兩票模塊自動配置目的地關口權限，工作人員僅能進入被授予權限的區域，且智能門禁將會判定工作人員安全帽佩戴情況，使得人員可識別、有授權，在未正確佩戴安全帽的場合也會被禁止進入相關區域。如此以來，通過工業互聯網實現了事前權限配置，避免誤入、錯入生產重地的情況發生[3-4]。

圖2 生產區域智能門禁布局

1.3 聯動一體化平臺的安防設備全廠普及

結合一體化平臺軟件管理，做到安全管理貫穿項目執行的全過程，涉及項目執行的各方面，實現人員安全的智能分析和統計。信息錄入能夠做到當場在線學習、便捷采集以及一鍵上傳，提供便捷的、一站式的入廠人員信息初始化和過程管理[5]。

人臉庫在采集標準化、規范化之后，做到一份人臉資料全廠通用，一份人臉檔案同步于人員信息、門禁信息以及視頻對比數據庫中，作為安防系統自動判斷是否滿足人臉庫的依據。

一體化平臺通過過程管理的智能聯動，可以查看、檢索、導出項目和人員的全部相關信息，同時實現項目到期提醒、資質到期提醒等功能。

智能安防設備均配置陌生人報警功能，同時組態違章邏輯，實現違章抓拍，能抓拍現場違章照片，并通過人臉識別功能識別出人員信息，一鍵轉違章處理，違章自動考核，嚴重違章3次者自動歸入黑名單，自動收回入廠門禁權限，并提醒HSE管理人員。

1.4 區域三分離管理

智能安防系統部署道閘、高旋門、訪客一體機對進入辦公區、生產區的人員、車輛進行管理，統一納入全廠智能門禁體系：訪客、外包工通過訪客一體機認證后自動授權進入辦公區；正式員工、認證合格的外包工自動授權進入生產區，項目到期自動收回外包工權限。

對進入生產區域的人員，門禁系統自動進行佩戴安全帽檢測，進入后發送安全短信提醒。

1.5 安全信息大屏通報

將各方面安全生產相關數據匯集統計，經由計算法形成各個模塊，將數據展示于大屏，便于事后對人員分布進行統計和行為模式分析，具體如圖3所示。

圖3 智能安全大屏展示

安全大屏所展示的內容以電廠現場數據為基礎，以智能電廠設備網絡為架構，進行了算法方面的設計。例如圖中所示施工單位“日工作小時”，其計算方式如下

式中：T為該單位日均工作小時（昨日）；tn為該單位昨日每位員工進廠時間片段；N為該單位昨日進廠人數累計值。

以上述公式為例，發電企業可以自由定制算法并計劃監管外包單位的出工情況，做到有效有力的管控，以工業互聯網的形式實現對人員的安全管理。

面對長期以來困擾發電企業的外包單位人員管理困難的問題，智能安防系統以權限控制為預警，以人臉抓拍和軌跡跟蹤為監督，以信息統計和行為分析為數據基礎，通過對管理流程貫穿始終的跟蹤控制，有效解決了因外包項目環境復雜、外包人員人數眾多流動性大導致的管理困難問題。

2 工業互聯網與設備的安全

工業互聯網與設備的安全主要體現在對設備的維護檢修、對重要生產部件的預見性診斷和報警、建立數字孿生體系對檢測困難的設備實時監控等方面。該信息系統對于設備的定義涵蓋全廠所有主機及重要輔機，使用的工業互聯網技術涉及機器深度學習、大數據和數字孿生體等領域，通過數據中心、模型中心、時間中心完成狀態量的計算、監測與事件觸發等功能，內置預設的規則庫、故障庫與現場實際檢修情況相結合，得出狀態評價基礎信息、評價方法、關鍵參數、維護策略、效果與收益評估、持續改進策略等優化結論，在一體化平臺、專業設備視圖等功能模塊的輔助下，以聯動虛擬電廠、智能巡點檢、SIS、ERP系統，實現實時數據、設備報警信息、設備缺陷信息的三維展示[6]。

2.1 設備運維的范圍和思路

發電企業經過長年積累的技術改造，新增和升級的設備復雜且繁多，處于優化和成本考慮，設備的運維系統專門針對主機和重要輔機設備的欠修、過修進行，優化設備的檢修成本，提升設備的安全性能，其范圍涵蓋如表1所示。

表1 設備運維范圍

設備運維信息系統經過組態化建模平臺的邏輯搭建之后，可以根據狀態監測量判斷故障特征，進而分析出故障原因類型，根據不同的故障類型，將報警推送至智能預警平臺。

總體來說，對設備運維的思路主要體現在利用互聯網信息平臺的先手優勢，在設備運行階段，通過大數據規則庫智能分析，判斷出設備在不可視、難以測量的層面的狀態，以豐富的經驗庫預知設備可能出現的問題并告知用戶，將故障和隱患消滅在萌芽階段，深度保證了設備的安全。

2.2 以數字孿生體保障重要設備部件的安全

鍋爐受熱面作為電廠鍋爐專業的重要部件，因其面積廣、傳感器安裝困難、建立測量體系所需測點繁多等種種原因，長期以來難以保證對其的精確測量和監控，一定程度上限制了鍋爐的可靠性、安全性。

江西分宜電廠的鍋爐受熱面數字孿生系統作為率先開發的國內第一臺660 MW超超臨界塔式鍋爐數字孿生體，通過工業互聯網搭建的一體化平臺信息交互共享系統，綜合考慮了鍋爐煤質、爐膛熱負荷、水動力、熱偏差、機組調峰等特征，結合長周期運行過程中管材外壁沾污結焦、內壁氧化、腐蝕、結垢等導致的傳熱性能劣化數據，結合管材磨損、腐蝕、脹粗等導致的強度性能下降數據，結合管材材質老化數據、受熱面離線檢測數據（壁厚、脹粗、金相等），進行以過熱器/再熱器出口汽溫為目標的燃燒調整優化，實現設備監管一體的基于鍋爐受熱面數字孿生系統的鍋爐運行優化，保障了鍋爐本體這一重要設備的安全[7]，見圖4。

圖4 鍋爐受熱面數字孿生體系統

綜上所述，隨著科技進步發展，現代化智能電廠的設備只會越來越多，而發電企業的檢修人員卻不可能無限擴容，啟用基于工業互聯網的對設備運維系統，既可以滿足設備增長對維護檢修的需求，又能減輕電廠檢修人員的工作壓力，降低發電企業用人成本，智能運維提升了檢修維護的安全性，為解決電廠人少設備多的難題提供了一個實際可行的方案。

3 工業互聯網與運行的安全

現階段的主流發電廠在運行領域基本采用DCS控制系統結合智能化組態的方式以達到運行的安全指標要求。DCS控制系統為運行安全提供了穩定可靠的基礎平臺，然而國內電廠以及其他高端工業控制行業領域較多數還在使用國外DCS產品并形成了一定程度上的依賴性，國電投集團針對這一情況自主研發了NuCON工業控制系統平臺，該套純國產DCS系統成功應用于“國和一號”示范工程，并且在江西分宜電廠首次投用于大容量火電機組。國產化的NuCON系統以不遜于國外DCS的性能全方位涵蓋單元機組、公用系統和輔網系統，形成全廠控制系統一體化，廣泛兼容現場總線技術，全廠使用現場總線通訊的設備達到2938臺，設備數量占比達到72%，形成高度集中的控制模式[8]。

對于普通DCS系統難以檢測控制其運行的設備，同樣以鍋爐受熱面為例，工業互聯網平臺則利用數字孿生系統，對鍋爐受熱面進行精確計算優化，以NuCON系統為基礎平臺，聯合智能燃燒與吹灰，最少降低/提高受熱面主、再蒸汽管材超溫/欠溫10℃，最少提高鍋爐效率0.6%，大幅保障了鍋爐運行的平穩安全，在發電端口配合智能AGC，可以帶來巨大的經濟和安全效益。

3.1 安全可靠的DCS系統

NuCON工業控制軟件平臺作為國產DCS控制系統（詳見圖5），不僅為智能燃燒吹灰和AGC提供了安全可靠的基礎平臺，其作為DCS系統固有的冗余配置、網絡拓撲結構為保障運行安全奠定了重要基礎，上文提及的江西分宜發電廠1號機組使用NuCON系統從2020年5月29日投運開始計算，連續運行一年未曾停機檢修，該國產DCS系統對運行的安全保障性能可見一斑。

圖5 NuCON工業控制軟件平臺網絡拓撲

3.2 智能燃燒與智能吹灰

智能燃燒系統最初的建模由非對稱神經網絡模型完成，在投入試運行階段以后，系統篩選得出并儲存數據樣本，非對稱神經網絡模型根據這些樣本進行自動學習更新。通過系統輸入的反饋數據，智能燃燒系統以網絡模型優化算法并得到最優的控制目標輸出理論優化指令，經過燃燒優化專家提供的經驗限幅將優化指令轉換為最終控制目標并輸出至DCS系統，輔助數字孿生體完成對運行的安全控制[9]，見圖6。

圖6 智能燃燒邏輯架構

基于鍋爐受熱面的灰污生成特性和機理，智能吹灰系統采集其相關參數，經過計算模塊得到的有效清潔因子，排除了鍋爐運行工況的干擾，單純反應受熱面污染程度。智能吹灰系統又通過檢測該有效清潔因子以深入探知爐內灰污情況，實施監測評估鍋爐積灰結渣程度和趨勢，建立灰污增長模型，設置規則庫，對積灰結焦的情況實施監測報警，后臺制定吹灰計劃，融入運行管理之中，實現通過工業互聯網提高運行安全的目標，見圖7。

圖7 智能吹灰控制界面

3.3 智能AGC

智能AGC作為一個國內較為成熟的技術項目，其主要目的是滿足電網調度的要求，通過在汽機主控、鍋爐主控、燃料主控、主汽溫和再熱汽溫控制回路分別應用動態自回歸預測、免疫調節控制、模糊調節運算、狀態觀測網絡、粒子群尋優算法等技術，實現AGC調節的智能化，智能化的同時也穩定了供電網絡的調度運行[10-11]，見圖8。

圖8 智能AGC邏輯結構

無論是DCS平臺，還是智能燃燒/吹灰/AGC，還是針對燃燒運行的數字孿生體，它們所反映的都是工業互聯網在發電企業日益增長的運行安全需求下的縮影，現代化智能電廠往往面臨運行人少但工況繁多且復雜的情況，工業互聯網的出現在很大程度上可以緩解這一問題，在工業互聯網與運行安全相結合的前提下，甚至以往某些不可精準控制的單元也可以形成成熟的控制環節，保證其運行可控即是最大的安全。

4 工業互聯網與網絡信息的安全

工業互聯網對網絡信息的安全表現為網絡戰略性防御和局域網絡自主化的特性。隨著發電企業不斷進行的技術革新和改造，遠程運維、大數據通訊、APP信息共享等互聯網信息平臺的出現，將電廠的網絡信息系統從內部封閉逐漸向對外開放轉變，從而促使原本純粹的企業內部網絡向著外部萬維網開放，這種變化在利好自動化智能化的同時，也會帶來黑客和網絡攻擊等新的問題[11]。

4.1 網絡戰略性防御系統

智能電廠一體化平臺網絡系統由優化的網絡、硬件資源設計，其全部應用服務按系統部署在專有云平臺上，由云平臺對存儲進行統一管理，藉此提升IT設備管理效率與信息安全。智能電廠云平臺通過自動化云部署、彈性伸縮、資源監控等智能化創新應用，提升了IT設備管理效率；基于S3存儲，實現了數據安全；基于SDN，實現了網絡安全；基于OAUTH與Spring Security，實現了應用系統安全[12]。

這一網絡防御體系基于一體化平臺統一的網絡安全防護策略與DCS、SIS系統，通過集成安全防護產品，保護DCS系統和SIS系統免受黑客、病毒、惡意代碼等的侵襲，降低電力監控系統的安全事件或導致電力一次系統事故的發生概率，保障電站安全穩定運行，同時提高電廠網絡安全態勢感知、預警與應急處置能力。

4.2 局域網絡自主化

國內自主研制的NuCON工業控制軟件平臺，提供了安全物理環境、安全通信網絡、安全區域邊界、DCS系統環境、安全管理中心、數據擺渡及外設監控、工業控制系統安全擴展等全方位的防護措施，從機柜、卡件、控制器、服務器等硬件，到信息平臺、網絡架構、冗余配置等各方面都充分國產化、自主化，其生產企業也是本土企業，從出產到安裝到調試到投運，整條產業鏈全部都在國內進行，保證了控制系統的安全性、穩定性和可靠性。

近年來國際形勢風起云涌，境外勢力屢屢抬頭，或是通過國外進口貿易卡死國內企業發展，或是通過收買國內私營資本挖掘信息庫，發電企業作為掌握國家經濟命脈的關系到國計民生的重要單位，對網絡防御和自主化的需求迫在眉睫，將工業互聯網信息技術應用在網絡信息領域，是每一個現代化智能電廠的必經之路。

5 結語

現代社會信息爆炸，科學突飛猛進，技術日新月異，發電企業想要適應現代化社會，就必須時刻跟上社會進步的速度，在奮力追趕的同時，與工業互聯網緊密結合，解決設備技術越來越深奧、指標要求越來越嚴格、工況越來越復雜、用人成本越來越高昂等問題。這些由互聯網時代帶來的問題自然而然地激發了對安全生產定義的重新思考，導致安全生產的定義越來越廣。面對新的安全生產問題，發電企業需要跟進工業互聯網信息平臺，加速自動化、智能化，實現智慧化無人值守，充分保障工業互聯網對人、對設備、對運行和對網絡信息的安全，進而保證整個工業生產的安全，最終在激烈的競爭中處于不敗之地，成為中國社會乃至整個世界電力行業的標桿企業。