智能電廠體系架構(gòu)與智能應(yīng)用研究

摘 要：隨著國家“雙碳”目標(biāo)的規(guī)劃以及信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等的飛速發(fā)展，發(fā)電廠逐步向智能化、智慧化發(fā)展。智能電廠控制系統(tǒng)面向發(fā)電生產(chǎn)運(yùn)行控制過程，建立生產(chǎn)一體化數(shù)據(jù)平臺(tái)，在數(shù)據(jù)融合、互聯(lián)互通的基礎(chǔ)上，靈活運(yùn)用各種人工智能算法、數(shù)據(jù)采集、智能分析技術(shù)，有效提升設(shè)備運(yùn)行和系統(tǒng)控制的智能化水平，查找實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)信息中的特征和規(guī)律，為運(yùn)行人員提供可靠依據(jù)與指導(dǎo)性意見。

關(guān)鍵詞：智能電廠 ?智慧電廠 智能控制 ?體系架構(gòu)

中圖分類號(hào)： TM621 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? 文章編號(hào)：1672-3791（2021）10（c）-0000-00

Research on System Architecture and Intelligent Application of Intelligent Power Plant

LUO Changyong

（Shaanxi Binchang Power Generation Co.， Ltd.， China Energy Group， Xi’an， Shaanxi Province， 710018 China）

Abstract：With the planning of the national "double carbon" goal and the rapid development of information technology and computer technology， power plants are gradually developing towards intelligence and smart. The intelligent power plant control system is oriented to the power generation production and operation control process， establishes a production integrated data platform， and flexibly uses various artificial intelligence algorithms， data acquisition and intelligent analysis technologies on the basis of data fusion and interconnection， in order to effectively improve the intelligent level of equipment operation and system control， and find the characteristics and laws in the actual production data information， provide reliable basis and guiding opinions for operators.

Key Words： Intelligent power plant; Smart power plant; Intelligent control; System architecture

1智能電廠背景

國家發(fā)改委《關(guān)于推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源發(fā)展的指導(dǎo)意見》，鼓勵(lì)能源企業(yè)運(yùn)用大數(shù)據(jù)、智能化技術(shù)對(duì)設(shè)備狀態(tài)、電能負(fù)載等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析挖掘與預(yù)測，開展精準(zhǔn)調(diào)度、故障判斷和預(yù)測性維護(hù)，提高能源利用效率和安全穩(wěn)定運(yùn)行水平。國務(wù)院《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》要求：加強(qiáng)智能工廠關(guān)鍵技術(shù)和體系方法的應(yīng)用示范，鼓勵(lì)和引導(dǎo)企業(yè)建設(shè)工廠大數(shù)據(jù)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)化分布式生產(chǎn)設(shè)施等，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化、生產(chǎn)數(shù)據(jù)可視化、生產(chǎn)過程透明化、生產(chǎn)現(xiàn)場無人化，提升工廠運(yùn)營管理智能化水平。

中國自動(dòng)化學(xué)會(huì)發(fā)電自動(dòng)化專業(yè)委員會(huì)2016年組織編制《智能電廠技術(shù)發(fā)展綱要》里對(duì)智能電廠的定義：廣泛采用現(xiàn)代數(shù)字信息處理和通信技術(shù)基礎(chǔ)上，集成智能的傳感與執(zhí)行、控制和管理等技術(shù)，達(dá)到更安全、高效、環(huán)保運(yùn)行，與智能電網(wǎng)及需求側(cè)相互協(xié)調(diào)，與社會(huì)資源和環(huán)境相互融合的發(fā)電廠[1]。

中國電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)2018年01月24日發(fā)布的T/CEC 164-2018《火力發(fā)電廠智能化技術(shù)導(dǎo)則》對(duì)火力發(fā)電廠智能化進(jìn)行了定義：火力發(fā)電廠在廣泛采用現(xiàn)代數(shù)字信息處理和通信技術(shù)基礎(chǔ)上，集成智能的傳感與執(zhí)行、控制和管理等技術(shù)，達(dá)到更安全、高效、環(huán)保運(yùn)行，與智能電網(wǎng)及需求側(cè)相互協(xié)調(diào)，與社會(huì)資源和環(huán)境相互融合的發(fā)展過程[2]。

在國家能源轉(zhuǎn)型的背景下，“智能發(fā)電”的概念應(yīng)運(yùn)而生。2016年07月25日，中國能源報(bào)發(fā)表《智能發(fā)電：第四次工業(yè)革命的大趨勢》，明確了智能發(fā)電的概念。2016年12月，國家能源局發(fā)布了《電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，對(duì)發(fā)展智能發(fā)電技術(shù)進(jìn)行了專項(xiàng)闡述。

2智能電廠體系架構(gòu)現(xiàn)狀

智能電廠是基于“智能發(fā)電”概念的一種實(shí)現(xiàn)形式。以智能電廠控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為核心，運(yùn)用先進(jìn)技術(shù)與關(guān)鍵算法，全面采集分析了電廠的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以及結(jié)合不同管理模塊提供經(jīng)營決策等業(yè)務(wù)，覆蓋火力發(fā)電廠全壽命周期的智能發(fā)電廠技術(shù)方案。主要可理解為三層或者兩層體系架構(gòu)。

2.1三層體系架構(gòu)

智能電廠以一體化管控平臺(tái)作為支撐，建設(shè)圍繞以設(shè)備為中心的生產(chǎn)管理、以人為中心的安全管理、以財(cái)務(wù)為中心的經(jīng)營管理“三個(gè)中心”為主線的智能發(fā)電集成應(yīng)用系統(tǒng)，形成一種智能化電廠建設(shè)支撐系統(tǒng)。

三層體系架構(gòu)，由低到高分別是智能設(shè)備層、智能發(fā)電層和智能管理層。三層架構(gòu)各有分工，高度融合，在滿足安全的前提下高效合理地組織流信息流和指令流[3]。

智能設(shè)備層在電廠傳統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行基礎(chǔ)上，采用先進(jìn)的計(jì)算測量方法，對(duì)電廠生產(chǎn)過程進(jìn)行全方位檢測和感知[4]，并將設(shè)備狀態(tài)、系統(tǒng)參數(shù)及環(huán)境信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，通過專用信息傳輸網(wǎng)絡(luò)，為智能發(fā)電層及智能管理層提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。智能設(shè)備層中可嵌入重要參數(shù)軟測量信號(hào)、現(xiàn)場總線技術(shù)、智能機(jī)器人、紅外檢測等技術(shù)手段，提高設(shè)備運(yùn)行可靠性，有效提升風(fēng)險(xiǎn)防控水平。

智能控制層主要包括智能控制及智能生產(chǎn)監(jiān)管，是智能電廠控制的核心[5]。智能控制層以智能DCS為核心，擴(kuò)展智能優(yōu)化庫、開發(fā)服務(wù)器等資源，實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)測、智能控制、智能診斷與優(yōu)化運(yùn)行。智能控制中可嵌入先進(jìn)的實(shí)時(shí)控制與優(yōu)化算法模塊、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、智能預(yù)警診斷系統(tǒng)、自啟停控制系統(tǒng)[6]等，實(shí)現(xiàn)對(duì)電廠設(shè)備及系統(tǒng)性能的實(shí)時(shí)計(jì)算，全面、精確、直觀地反映當(dāng)前機(jī)組性能指標(biāo)和能耗等情況，指導(dǎo)機(jī)組運(yùn)行人員進(jìn)行合理調(diào)整，達(dá)到提高機(jī)組運(yùn)行效率、降低煤耗的目的。

智能管理層中整合企業(yè)現(xiàn)有信息系統(tǒng)，打通各應(yīng)用間的信息流，實(shí)現(xiàn)信息的全方位共享和業(yè)務(wù)流程的無縫對(duì)接和生產(chǎn)經(jīng)營過程中各相關(guān)業(yè)務(wù)領(lǐng)域的協(xié)同，提高業(yè)務(wù)執(zhí)行效果和效率，將整體運(yùn)營保持在一條科學(xué)、可持續(xù)發(fā)展的道路上，最終達(dá)到閉環(huán)管控、流程化運(yùn)作、集約化發(fā)展和精細(xì)化管理。

2.2雙層體系架構(gòu)

智慧電廠建設(shè)以數(shù)據(jù)為核心，將生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和管理數(shù)據(jù)清晰劃分，按照數(shù)據(jù)類型的不同，智能電廠業(yè)務(wù)功能分為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和管理數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享與功能協(xié)同，在智能電廠建設(shè)體系結(jié)構(gòu)下，分別形成智能發(fā)電運(yùn)行控制系統(tǒng)（ICS）、智能公共服務(wù)系統(tǒng)（ISS）。

智能發(fā)電運(yùn)行控制系統(tǒng)以DCS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)為架構(gòu)，建立一體化智能發(fā)電運(yùn)行控制平臺(tái)，作為智能化電廠架構(gòu)中實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)運(yùn)行智能控制的有效主體，通過在系統(tǒng)內(nèi)結(jié)合部分智能模塊應(yīng)用，成為實(shí)現(xiàn)智能發(fā)電的重要手段。

智能發(fā)電公共服務(wù)平臺(tái)利用數(shù)字化移交、智能設(shè)備數(shù)據(jù)等豐富的電廠數(shù)據(jù)信息，融合云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、專家系統(tǒng)等多種技術(shù)手段，用于提高電廠信息系統(tǒng)的智能化水平。提高精細(xì)化管理水平和安全管理，優(yōu)化了決策支持系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)企業(yè)資產(chǎn)優(yōu)化配置和整體效益的最大。

3基于雙層體系架構(gòu)下的智能應(yīng)用探討

結(jié)合某智能電廠項(xiàng)目，在數(shù)據(jù)融合和技術(shù)融合的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)構(gòu)建一套新型的工業(yè)控制體系，打造一體化支撐平臺(tái)和工作平臺(tái)，推薦使用智能項(xiàng)目如下。

3.1智能發(fā)電運(yùn)行控制系統(tǒng)應(yīng)用

將工業(yè)領(lǐng)域的專有知識(shí)注入人工智能模型中，并將其與先進(jìn)控制系統(tǒng)相集成，形成一系列融合智能算法的創(chuàng)新控制體系，應(yīng)用于生產(chǎn)運(yùn)行控制層面。

3.1.1性能計(jì)算與耗差分析

通過采集DCS數(shù)據(jù)（鍋爐煤量、煙氣含氧量、汽輪機(jī)排汽焓、給水流量、蒸汽流量等）對(duì)單個(gè)設(shè)備或子系統(tǒng)進(jìn)行效率計(jì)算，進(jìn)而計(jì)算機(jī)組整體效率、煤耗、廠用電等參數(shù)，計(jì)算結(jié)果實(shí)時(shí)顯示并在歷史數(shù)據(jù)庫中保存。耗差分析采用能量平衡和汽輪機(jī)變工況計(jì)算方法，分析結(jié)果實(shí)時(shí)在線推送給運(yùn)行人員，指導(dǎo)運(yùn)行人員進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整機(jī)組運(yùn)行，提升機(jī)組運(yùn)行效率，為智能控制的優(yōu)化、在線分析及診斷提供重要數(shù)據(jù)保證。

3.1.2智能報(bào)警

利用智能發(fā)電控制系統(tǒng)高性能服務(wù)器的信息處理能力，通過推理機(jī)制和故障分析，建立報(bào)警模型，實(shí)現(xiàn)報(bào)警過濾、溯源、診斷、預(yù)測等功能，幫助運(yùn)行人員快速處理各類異常，實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)同，智能監(jiān)盤。

3.1.3智能吹灰

以傳熱效率、蒸汽消耗、管壁磨損綜合最優(yōu)為目標(biāo)，以煙氣溫度差、汽溫偏差、減溫水開度等作為邊界條件，建立監(jiān)測模型，通過安全性、經(jīng)濟(jì)性分析評(píng)估，判斷當(dāng)前工況下鍋爐各受熱面的吹灰方案，自動(dòng)啟動(dòng)相應(yīng)的吹灰程控系統(tǒng)。

3.1.4高級(jí)值班員決策應(yīng)用

基于對(duì)機(jī)組工藝數(shù)據(jù)的分析，確立運(yùn)行分析的范圍，將運(yùn)行指標(biāo)分析與偏差管理結(jié)合，在數(shù)據(jù)分析層面把運(yùn)行績效管理與工藝過程管理緊密、深入結(jié)合，揭示各個(gè)指標(biāo)的最優(yōu)控制區(qū)間、其與鍋爐效率之間的關(guān)系、各個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)的控制效果、關(guān)鍵指標(biāo)的尋優(yōu)管理、納入指標(biāo)考核、機(jī)理與特性，指導(dǎo)運(yùn)行人員不斷提高運(yùn)行水平，從而達(dá)到提升綜合指標(biāo)水平的目的。

3.1.5脫硝噴氨優(yōu)化

采用網(wǎng)格取樣的方法對(duì)鍋爐脫硝出口NOx含量進(jìn)行精準(zhǔn)測量，采用先進(jìn)智能優(yōu)化控制方案對(duì)脫硝噴氨控制方案進(jìn)行優(yōu)化，可以自適應(yīng)地使用多種先進(jìn)的智能算法進(jìn)行精準(zhǔn)噴氨，實(shí)現(xiàn)機(jī)組負(fù)荷的靈活性調(diào)節(jié)，尤其在低負(fù)荷時(shí)確保了控制精度，同時(shí)提升了設(shè)備可靠性[7]。

3.2智能發(fā)電公共服務(wù)平臺(tái)應(yīng)用

通過數(shù)據(jù)平臺(tái)、報(bào)表平臺(tái)、算法平臺(tái)之間的集成融合關(guān)系，為跨部門跨應(yīng)用的信息集成、數(shù)據(jù)整合、信息共享、統(tǒng)一展現(xiàn)提供支撐，也為智能分析決策與數(shù)據(jù)挖掘提供支持，形成智能一體管控平臺(tái)，主要智能管理應(yīng)用如下。

3.2.1 全生命周期管理

建設(shè)設(shè)備全生命周期監(jiān)測診斷系統(tǒng)，對(duì)典型設(shè)備建立其完整服役運(yùn)行周期過程監(jiān)測，實(shí)時(shí)監(jiān)測設(shè)備內(nèi)部部件的數(shù)據(jù)和信號(hào)譜線，形成不同類型、不同部件的設(shè)備資產(chǎn)健康大數(shù)據(jù)，在故障趨勢出現(xiàn)的最早時(shí)刻及時(shí)告警，避免故障進(jìn)一步演變和劣化，從而引起設(shè)備損壞、停運(yùn)。

3.2.2 智能巡檢應(yīng)用

將AI技術(shù)運(yùn)用于電力生產(chǎn)過程，結(jié)合視頻傳感技術(shù)、視頻智能分析技術(shù)，配合各類算法，將視頻監(jiān)控圖像信息在平臺(tái)進(jìn)行分析處理。在鍋爐房、汽機(jī)房、升壓站、輸煤等處分別設(shè)置智能巡檢機(jī)器人，綜合運(yùn)用圖像識(shí)別、無線通信、視覺識(shí)別等多種技術(shù)，搭建數(shù)字化、可視化、智能化的操作及遠(yuǎn)程交互平臺(tái)。

3.2.3 決策與經(jīng)營管理

建設(shè)智慧企業(yè)決策分析與智能運(yùn)行管控應(yīng)用，提供全公司所有業(yè)務(wù)領(lǐng)域、所有管理層級(jí)的決策分析主題，為各級(jí)決策、管理人員提供風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、指標(biāo)監(jiān)控以及報(bào)表統(tǒng)計(jì)工具。通過對(duì)計(jì)劃過程管理保證經(jīng)營目標(biāo)實(shí)現(xiàn)，通過利潤、電價(jià)、電量實(shí)時(shí)分析、指標(biāo)管理、預(yù)算分析與管理、指標(biāo)分析與管理、輔助決策等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)精確地“實(shí)時(shí)成本”分析，與“日利潤”預(yù)測，可以在一定的期間范圍內(nèi)反映企業(yè)的經(jīng)營成果;發(fā)揮各管理技術(shù)之間的協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)發(fā)電生產(chǎn)成本的預(yù)控與動(dòng)態(tài)分析，提升電廠競價(jià)上網(wǎng)分析報(bào)價(jià)能力，保證效益的最大化。

4結(jié)語

在智能智造總體要求背景下，全面推進(jìn)智能發(fā)電建設(shè)，充分運(yùn)用大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)應(yīng)用、人工智能等技術(shù)，將電力工業(yè)技術(shù)與電子信息技術(shù)、企業(yè)管理技術(shù)高度融合，使發(fā)電企業(yè)生產(chǎn)全過程實(shí)現(xiàn)自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)、自趨優(yōu)、自恢復(fù)、自組織，促進(jìn)電力企業(yè)生產(chǎn)更安全、更高效、更清潔、更低碳、更靈活，進(jìn)一步提升質(zhì)量效益，增強(qiáng)核心競爭力，為智能電廠發(fā)展提供有力的技術(shù)支撐與保障。

參考文獻(xiàn)

[1] 中國自動(dòng)化學(xué)會(huì)發(fā)電自動(dòng)化專業(yè)委員會(huì)，電力行業(yè)熱工自動(dòng)化技術(shù)委員會(huì).智能電廠技術(shù)發(fā)展綱要[M].北京：中國電力出版社，2016：12.

[2] 中國電力企業(yè)聯(lián)合會(huì).火力發(fā)電廠智能化技術(shù)導(dǎo)則： T/CEC 164-2018[M].北京：中國電力出版社，2018：5.

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

[4] 朱寧.火電智能化體系架構(gòu)和重點(diǎn)環(huán)節(jié)應(yīng)用[J].中國能源， 2020，42（8）：9-12.

[5] 趙晉松，張朝陽，顧巍峰，等.基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的智能電廠平臺(tái)架構(gòu)[J].熱力發(fā)電，2019，48（9）：101-107.

[6] 鄭偉平.智慧電廠一體化大數(shù)據(jù)平臺(tái)的關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用[J].集成電路應(yīng)用，2021，38（10）：80-81.

[7] 王海燕.智慧電廠智能控制技術(shù)路線探討與研究[J].數(shù)字通信世界，2020（4）：195.

作者簡介：駱長勇（1985—），男，本科，工程師，研究方向?yàn)榛鹆Πl(fā)電廠熱控自動(dòng)化專業(yè)工程建設(shè)、技術(shù)管理等。