馬鋼北湖電廠發電智慧運營應用及探索

晏 超，張 鵬，王 琴，張劍秋，束 軍

（馬鋼股份公司能環部 安徽馬鞍山 243000）

前言

在節能減排政策的要求和發電集約化、高效管理需求的驅動下，建設智慧電廠已成為行業共識的目標，十四五期間我國電力發展將加快電網基礎設施智能化改造，推動能源企業安全清潔、高效發展。中國寶武科技創新部發布的《中國寶武智慧制造行動方案》中明確提出智慧制造工作進入全面提升階段，加快建設智能產線和智慧工廠，要深化推進智慧制造，加速建設智慧生態圈。同期馬鋼能環部北湖電廠全面對接智慧發電發展，項目建立的智慧營運中心提供開放的接口，通過智慧平臺實現在線監測、遠程維護、事故預警、優化運行，以達到減員增效、降低排放和減少非停的目的，力爭形成采用智慧運營創新亮點，模塊化智慧應用在同行業的推廣將推動智慧電廠的快速發展。

1 智慧運營的關鍵問題

綜合分析當前電力生產形勢和未來發展趨勢，北湖電廠建設團隊認為發電智慧運營應基于可靈活開發、實時拓展的核心平臺，著力解決連續生產過程的要素管控，針對電廠生產周期過程管理中的重點區塊和部位，利用自動工況優化、在線實時監測和要素偵測等先進技術，強調運行過程的人機協作，利用先進智能化分析手段，構建智能分析決策系統，最終利用遠程操控的集成控制手段，實現全廠高效清潔運營，整體智慧系統著力解決以下幾點問題。

(1)解決傳統電廠基礎集成程度不足問題。智慧化燃氣電廠是利用數字化和信息化技術，在物理電廠中高度集成傳感量測、自動控制、分析決策和信息通信等現代技術，構筑智慧運營的基礎[1]。

(2)解決傳統電廠數據挖掘、利用程度不足問題。大數據和人工智能疊加應用，使非人工智慧運營成為可能，通過對主要工藝和設備工況數據的采集和判定，能給出產線系統故障的早期預警，幫助運營團隊早發現、預處理，契合電力生產連續性的剛性需求，減少非計劃停機。

(3)解決傳統電廠生產、經營、管理等信息系統碎片化嚴重等問題。智慧電廠將實現信息一體化的建設，致力于將跨區域的信息統一規劃、構造跨區域數據中心，使得不同區域、不同系統各業務之間信息傳輸更暢通，為實現大集控及能源智慧云的構建奠定基礎。

(4)解決智慧營運應用與生產運行的融合問題。在虛擬現實及仿真應用、大數據平臺與人工智能、安全生產管理、生產要素勘測集成等方面實際應用注重在生產運行系統中的“嵌入”，從現場視角考慮智慧應用的落地，如在特定環境實現“機器替代人”，無人化房所應用等。

2 北湖電廠智慧運營頂部思路

結合國內各企業智慧電廠發展經驗和CCPP 項目的自身特點，北湖電廠智慧運營構建出國內首個5G+私有數據云模塊化智慧電廠模型，實現燃機電廠設備（感知）層、中間層和系統層智能貫通，系統網絡架構見圖1。

圖1 智慧電廠平臺網絡示意圖

智慧電廠平臺廣泛采用現代信息處理和通信技術、智能測量和控制技術，以及基于多接入邊緣計算(MEC)應用的數據處理技術，最大限度地實現電廠的安全、經濟、高效、環保、智能運行。具體實現思路如下。

(1)打造虛擬電廠是對發電生產全要素合集的認知梳理，從現場視角出發選擇要素優化是發揮智慧電廠效力的前提。

(2)依托大數據分析、診斷與優化，建立以發電提質為核心的運營體系，實現生產效率提升。

(3)建立5G 通信網絡，5G 基站拓展性好，且其最低空口時延可達1 ms，故摒棄傳統的資源堆疊式擴容“剛性網絡”體系，建立可重構、可改進的“柔性網絡”架構以滿足工業化智慧電廠的需求。

(4)建立以私有云數據中心，實現信息系統集成，打通信息孤島；集成設備數據，實現跨域貫通的綜合數據庫，為大數據下集中控制和工藝優化提供基礎支撐。

(5)構造智慧電廠軟件平臺，應用電廠智能技術，融合馬鋼電力生產經驗，通過持續學習歷史數據和實時數據，產生具有價值的洞察。在設備預警、設備診斷、能耗分析、負荷優化、技術監控和以可靠性為中心的巡檢等方面全面感知、全面互聯、重點智控。

(6)采用模塊化智能組件，在底層設計上實現自我閉環，在數據應用上充分共享，在架構布局上開放靈活，強調組件對機組運營和設備狀態的支撐。

3 北湖電廠智慧運營應用

北湖電廠智慧應用目標是基于大數據分析，強化發電生產要素整合處理，優化多約束條件下全工況特性，實現跨生產分區綠色智慧運營。在功能應用上充分體現數字化、模塊化、可視化、信息化、智能化、可操作性等特點，其中典型應用如下。

(1)建立上下貫通、實時管控、數據完備的數據運營中心，實現電力生產全過程數字化信息管理，全方位、立體化描繪電廠生產全景，實現生產全過程管理數字化、標準化。智慧管控中心借助硬件支撐系統、實時數據庫系統、三維引擎支撐平臺、核心防護系統、一體化信息平臺、智慧決策系統及與第三方集成接口，實現技術手段與生產經營管理的無縫融合。生產管理方面，建設涵蓋運行管理、安全管理、檢修管理、物資管理、項目管理、預算管理的生產信息化體系。經營管理方面，實現經營指標實時監控、計劃進度實時跟蹤，同時引入財務系統數據，開展指標深度分析，使生產建立在靈活的經營基礎之上。

(2)基于電廠物理設備布局（包括燃機島、鍋爐房及結構、設備、管道、橋架等）搭建全系統三維場景,真實展示發電主體系統的設備物理分布。通過對實物關系的全景如實映射，幫助運營人員理解和把握工藝要點。可視化三維實景展示系統可實現對生產信息采集、工藝分析、設備預警、實時工況的集合展示，在復雜的電廠三維工藝模型導入不同的運行維護數據，并通過圖形、色彩等可視化功能再現生產實景，結合三維狀態與專業文檔，最終形成三維可視化的電力生產管理。

(3)以UWB 技術為核心，通過定位基站對人、設備、車輛等不同定位標簽的物理空間高精度定位，實現在安全可視化領域的廣泛應用。電廠危險源點多面廣，高溫、高壓、煤氣等區域工作專業要求極高，形成的“兩票三制”等做法雖較為完備，但人員執行情況差異明顯，通過空間定位技術可有效約束工作區域和專業人員的相互關系，對不同設備、不同工作進行區域性的虛擬權限控制，對違規進入及時報警，解決了人員流動性大、控制難的老問題。該人員定位系統具備定位、軌跡回放、動態預警、區域監測等可視化功能[2]，與其他系統配套構建出諸如安全管理、門禁管理等高級應用。見圖2。

圖2 人員定位及軌跡回放應用

(4)基于大數據分析技術、人工智能技術、在線建模技術和專家系統構建智能預警服務。以電力生產線檢修周期的工況積累作為大數據分析源，挖掘有效數據，給出發電機組系統在不同負荷條件下的正常運行參數范圍，設置動態報警運行參數閾值，并相應地提出超限后果預判分析。按系統、設備、參數不同索引方式，進行重要性分類，集成工藝要求形成精準報警，避免誤報誤判[3]。系統還可提供具體告警信息,如超限預警、診斷故障主因、劣化趨勢、誤操作信息等,以使運行方獲得更多的故障診斷處理時間,提高單位機組可靠性。

(5)基于大數據分析的運行優化系統包括機組計算模型的建立和機組離線性能測試系統。通過基于大數據分析(分類、聚類、關聯分析等)的技術手段，從實時數據庫、關系數據庫等多個數據源收集、轉換、挖掘和分析海量歷史數據，并確定機組的多重約束條件下的全工況特性，為優化運行提供更準確的基礎數據。工況分析模塊根據歷史數據建立各種工況下的模型，并采用最佳的迭代方法來指導運行:判斷機組當前工況，一般依據負荷狀態，同時考慮煤氣平衡條件和環境條件、產線狀態等，計算當前工況指標。在相同的工作條件下，將當前指數與歷史最佳指數進行比較。如果優于后者，保持當前運行狀態，將當前可控運行值替換為歷史最優值，并存儲在數據庫中;建議將各項可控參數調整到歷史最佳水平，并自動建立最優作業計劃和典型工況的經濟評價。根據優化方案，評估和指導當前流程，通過數據積累實現全工況經濟、可靠高效運行。

(6)智能巡檢由智能機器人巡檢組件、電纜管廊集中監控組件、嵌入式在線診斷組件構成，以全自主模式代替或輔助人工進行馬鋼CCPP 發電工程項目巡檢，覆蓋CCPP主廠房、余熱鍋爐、220kV升壓站等生產主要產線設備，達到數據分析專業、檢測方式多樣、巡檢反饋智能、巡檢工作標準等目標。巡檢全過程自動管理、專業信息實時上傳，實現煤氣管路泄露巡視、機械設備油、水管道滲漏、余熱鍋爐在線溫度檢測、易燃氣有毒氣體探測、發電機及其輔助設備聲音檢測等要素監控功能。采用智能聯合巡檢的方式可以減少運維人員或者代替運維人員進行巡檢，大大降低了危險系數，保障人身、設備安全。見圖3。

圖3 智巡機器人應用

(7)無人化房所實現真正意義無人化運營，由動力設備電動組件、環境控制組件、狀態視頻組件、照明智控組件集成，可實現遠程操控、房所狀態自動調節、故障感知主動上報的全場景無人化支持。設備要素數據實時傳輸后臺，并形成生產運營和設備狀態數據報表，為發電廠“無人值守、關門運行”打下基礎，在一定程度上代替人工完成設備的操巡工作，減少值班人員配置，減輕值班人員的工作強度，降低人員成本。見圖4。

圖4 無人化房所應用

(8)跨區運營系統實現不同機組運行參數和運行曲線優化積累。根據能損分析的結果，得出機組能損耗差排序；在不同運行工況下給出實際運行參數與標準參數的對比關系，得出對比優化曲線；然后給出當前運行狀況下的優化操作指導建議，使不同區域機組共享最優工況模型，逐步實現三個生產分區的信息互通和集中管控、工況協同優化。

4 結語

在中國寶武智慧制造發展過程中，智能制造技術將會產生更為重要的價值和作用。項目團隊在發電智慧運營頂層思路、智慧應用層面深入思考，在綜合評估智慧手段應用的基礎上，將智能技術、檢測方法和數據分析手段綜合立體運用于生產中，提供出可行的應用工程實例，也為國內發電行業的智慧產業升級積累了寶貴的經驗。北湖電廠所建智慧體系極具參考價值，它的推廣應用將促進發電智造的體系化發展，是通過技術升級實現生產方式換代的一個縮影，為最終實現少人值守、無人智造探索出一條全新的技術路線，在寶武系統的智能制造發展乃至國內同類型企業中起到了良好的示范效果。隨著電力生產智慧生態圈的構建和智造手段的進一步發展，北湖電廠所探索的發電智慧運營必將迎來新的跨越。