智慧電廠建設與智能發電技術應用探討

薄玉龍

（中國聯合工程有限公司，浙江 杭州 310052）

0 引言

社會生產與生活的電力需求量提升，新能源、清潔能源不斷發展，電氣企業需要轉變現有管理模式，通過創新驅動實現發展。同時注重創新管理體制，帶動技術進步發展，全面提升生產運營效率，使企業生產成本降低，加強市場競爭實力。在現代背景下，大量建設智慧型電廠可以滿足電力企業發展需求，同時注重管理模式創新。

1 智慧電廠總體規劃

火電智慧電廠是在現代數字處理技術、通信技術基礎上，將傳感、自動控制、自動執行等技術結合，實現安全高效的運行，與智慧電網互相協調，讓電力生產和社會資源相協調，能提高發電廠生產的標準化和自動化水平。借助于物聯網、大數據及一體化控制平臺，實現智能傳輸、智能控制、智能管理及智能配置，實現自動化生產和管理，充分利用智能技術支持感知決策，提高管控一體化水平。智慧電廠面向生產設備全生命周期展開生產和運營管理，尤其是設備控制層面，通過網絡、傳感器及自動化控制技術的應用，提高設備自主控制能力，減少人為操作，預防人為差錯的發生。通過智能系統的應用提高設備運行可靠性，降低生產故障率，有利于生產效益的保障。火電智慧電廠的架構體系主要分為智能控制層、一體化智能平臺及智能檢測層，智能結構分工明確。智能檢測層主要對現場進行檢測，收集設備信息和數據，將信息、數據與智能控制層共享，及時響應智能控制層指令。火電智慧電廠通過嵌入式系統將電廠生產過程和全壽命周期相關信號、參數轉化為數據，在數據庫中保存，為后續大數據技術的分析做好準備，智能檢測層主要利用傳感器、信息技術實現智能化檢測和感知。智能控制層主要利用設備層的數據信息進行智能運行和診斷，監控設備數據，讓智慧電廠高效穩定運行。隨著大數據技術的應用，智能算法得到演化，新技術不斷發展，被不斷應用在生產過程中。經過大數據技術優化，智能系統對設備性能指標進行實時計算，掌握機組運行狀態，對技術人員進行指導，大幅提高生產環節的安全性，更有利于安全生產[1]。當生產設備發生故障時，能根據數據分析提供故障診斷意見，規避人為主觀因素的影響，給維修人員提供技術支持。一體化智能平臺用于統計指標和監測信息，通過大數據技術進行生產數據的收集，專項分析數據，實現設備狀態、監督及故障診斷，實現在線監管，優化生產負荷。一體化管理平臺也涵蓋人力資源管理、財務管理及生產管理等功能，將火電廠管理工作整合，實現一體化管理，有利于深度挖掘管理數據，將生產和管理結合起來，更有利于火電廠的長遠發展。

2 智慧電廠建設及智能發電技術的應用

2.1 遙視系統

遙視系統可全方位監控電廠，應用范圍應用十分范圍，具有局限性。電廠中遙視系統可通過攝像頭，實現監視、錄像，并能與其他設備配合實現安全、門禁等功能。人工智能技術的出現，能夠準確提取、科學分析監控視頻的詳細信息，以探索設備故障有關事件，并給予針對性處理。當前很多人工智能在遙視系統中的應用備受行內專業人士的關注，取得了顯著的效果。電廠遙視系統的功能需求較碎片化，設備監控方面為其重點研究方向，功能的實現主要通過圖像處理。傳統機器學習方法的應用還沒有得到廣泛推廣。深度學習可以學習圖像中的特征，為遙測系統的信息分析帶來了許多新的方法。然而，這種方法仍處于初級階段，應加強技術的優化。

2.2 建立智能化獨立子系統

現階段，某電廠建立獨立子系統，涉及綜合管控系統、燃料智能化管理系統。對于燃料智能化管理系統，必須全方位管理燃料，基于電廠燃料管理需求，做好總體規劃設計，同時融合信息化、智能化理念，將條碼技術、網絡技術、計算機技術融入燃料管理中，以此提升電廠燃料管理新高度，以智能化方式管理燃料全過程[2]。電廠智能管控系統，需要通過智慧小區、智慧城市理念，充分發揮信息技術、計算機技術支持，利用協議轉化、信息集成、數據接口方式，將火災消防報警系統、門禁管理系統、視頻監控系統與數據平臺連接在一起，以此實現不同子系統設備聯動、信息共享，確保電廠管理的便利性、高效性、安全性。針對用戶異常行為，可以及時診斷用能異常，分析費用聯動。通過用能全域數據模型，監控能源消費，同時分析能源損耗。

2.3 專家診斷系統

根據生產、運維數據，建立云端數據庫，并通過數據分析建立專家診斷系統，能及時診斷故障和事故，積極預測風險，提高生產安全性。尤其是對火電智慧電廠中汽輪機組、風機、磨煤制粉設備等核心機械設備的關鍵部件，展開全程溫度檢測，預估運行狀態。例如：滾動軸承溫度閾值為95℃，滑動軸承溫度閾值為80℃，引風機電機定子、軸承的溫度閾值分別為130℃、110℃，當工業設備出現溫度異常后，需立即發出報警信息，避免溫度過高停機后才察覺。因此需要對重要部件設定報警值，充分利用溫度傳感器對重要部件全程監控，當溫度升高至報警閾值后，立即發出警報信息。通過對核心設備部件溫度狀態實時識別，可以保證設備穩定運行。除溫度外，部分部件經長時間運行已達部件壽命，狀態劣化，需要及時更換。如泵軸承、風機軸承等部件，其維修周期約為1×105h，以5×104h 為1 個周期，利用數據模型模擬核心部件，預估部件服役狀態，根據模型預測結果判斷設備能否正常運轉，決策是否進行維修或更換[3]。專家診斷系統能對生產設備展開狀態評估，利用數據模型分析設備壽命和故障，制訂檢修決策。同時能對設備進行在線診斷，提供檢修意見，大幅提高人工檢修工作的效率。

2.4 智能設備

（1）精益設備檢修業務的管理，固化了設備檢修的業務流程，實現了一個有效管理的復制，避免了某些重復性的工作。按照a、b、c 各級的每一個年度進行檢修，根據每一個年度的機組檢修工藝設計方案，實現”一鍵啟動”的所有檢修工作項目，機組的所有檢修工作項目都啟動，根據需要套用的檢修模板，自動向相應的檢修標項列表，精益檢修管理，在線了解各種設備檢修的工作區域、進度、質量、成本等方面的變化。

（2）預知性維護，分別為各個專業人員所統計的預防性維護指標，其中包括實施率、及時度、合格率等，并對其進行跟蹤挖掘。由被動維修，到預防性維修，再發展為可以預測的維修。通過連續測量和分析，預測性的保養系統是一種準確的保養指標，包括與設備零部件殘留壽命、機械零部件的剩余壽命等密切相關的保養指標。關鍵運行參數資料可以被廣泛地用來判斷機器的工作輔助和決策，判斷機器工作的運行情況、優化設備進行維護的工作時間和位置，從而真正實現了對機器運行的可控、在管。這樣我們就已經做到了在進行維護和檢修之前心里有數，在進行維護的過程中得心應手。

2.5 智能診斷處理及報警功能

為了提高火電機組報警的可靠性、智能性、易用性，針對當前報警功能存在的不足，采用智能診斷處理及報警系統，主要包括四個模塊：滋擾報警抑制模塊、智能預警模塊、報警根源分析模塊、報警增強展現模塊。

2.5.1 滋擾報警抑制

滋擾報警通常不代表出現故障，振蕩報警和重復報警是其主要形式。其危害是對運行人員正常操作造成干擾。滋擾報警抑制功能通過多變量聯合判斷、統計分析、濾波延遲等技術手段抑制、減少滋擾報警。

2.5.2 智能預警

主要功能是檢測設備參數是否處于正常范圍之內，當發現設備參數偏離正常范圍時，向有關人員發出預警信號。可實現大量需要監視的重要參數劣化分析的自動監測和提前預警，從而防止事故的進一步擴大，可快速定位存在異常的部位和參數，提供實時和歷史相結合的分析手段，可以幫助運行相關人員分析過程存在的問題。

2.5.3 智能報警根源分析

故障根源回溯的依據是將高級值班員的專業知識和豐富經驗、運行規程、設備設計資料等表達和固化為代碼形式的邏輯故障知識庫。系統依靠邏輯故障知識庫、推理機及高性能歷史站的數據進行故障樹專家推理分析[4]。

2.6 根據需求痛點，設計智慧電廠業務能力點

基于電力生產中的業務實際痛點需求，將枕頭壩電廠智慧業務能力劃分為五層，從基礎往上依次為：設備智能層、系統智能層、作業智能層、生產智能層、電廠管理層。設備智能層對應智慧業務能力的“泛在感知”場景，主要包含實現設備狀態感知和自主運行的能力。系統智能層對應智慧業務能力的“數字孿生”和“多系統聯動”場景，通過各種數字化手段實現控制單元的智能化升級，實現多系統之間聯動控制，構建基于設備機理的數字孿生云端電廠。作業智能層對應智慧業務能力的“無人巡檢”“智能操作”“智能作業輔助”三大場景，實現電廠運行監盤、巡檢、操作、定期輪換/試驗、消缺、檢修、事故處理及作業現場智能化管理等作業行為的智能化。生產智能層對應智慧業務能力的“安全風險管理”和“智能生產管理”場景，對設備管理、檢修管理、缺陷管理、安全風險管理、備品備件及工器具管理等生產管理活動提供智能化支持。電廠管理層對應智慧業務能力的“電廠駕駛艙”場景，基于領導層的視野，實現智慧電廠的宏觀態勢整體管控能力，其核心包括生產態勢管理、所有安全生產風險的集中管控，以及應急指揮的一體化管控能力。

2.7 建立數據集成平臺

智慧型電廠運營期間，注重建立數據管理平臺，對電廠設計、調試、采購與運維進行整合，尤其是各環節資料、文件、數據等，屬于企業工程數據管理庫，可以整合、共享、存儲工程信息，屬于重要載體。一般來說，數據集成平臺涉及工程信息檢索、數據管理、電子檔案維修、流程管理、資產可視化、生產可視化等。在數據集成平臺上，數字化移交屬于重要內容，能夠為數據平臺建設奠定基礎。不同單位應做好協同工作。數據平臺通過統一標識編碼格式，將不同數據連接在一起，以三維數字模型、CAD 圖紙、Office 文檔方式提交，但是卻無法通過電子文件方式提交，必須提交紙質版文件，通過數據集成管理平臺，實現統一化錄入和集成，發送至生產信息管控平臺[5]。所以，數據管理平臺將數據作為核心可以準確抓取對象，在建立關系圖示的同時做好導航。

2.8 交流和直流一體化電源系統中的直流充電模塊

組成直流充電模塊的主要元素有交流配電單元、單元充電模塊、單元直流饋電、單元集中監控、絕緣監測和蓄電池組等。因為相關開關器件的質量有所不同，它們的性能同樣不同。受這方面因素影響，往往每個開關電源模塊的最大輸出功率能達到幾千瓦。但在智慧電廠建設的實踐中，依靠直流系統，僅僅需要幾百千瓦的供電電能。因此，這就需要遴選并且并聯相對多個高頻開關電源模塊，用來保證充電機能夠完成一定大功率電能的輸出。針對隔離變壓器而言，因為它具有相應的高頻化特點，需要具有相對較小的體積和質量，才能體現它的有利性。另外，如果選擇運用一定的軟開關技術，還可在一定程度上大幅度減少對開關的相關損耗，并能相應提高它們的變換效率。在智慧電廠的直流供電系統中，絕緣監測技術同樣必不可少，因為這項技術可以實施對正負母線的接地絕緣，并能對正母線接地可能出現的失誤操作、對負母線接地出現的單點接地等問題實施必要的實時監測，以防出現斷路器的拒動問題。

2.9 開關設備智能化

電廠部分開關設備主要采用開關本體+傳感器+智能元件的方式實現進一步智能化。傳感器主要包括FS6氣體密度、微水、開關本體放電、電流波形開關的分合、蓄能發動機的打壓時間和工作狀態，智能元件包括智能終端設備、連接合并單元、保護、測量和控制裝置等。智能元件的監測信息按照DL/T860 標準連接到綜合信息平臺，將分析結果上傳到主站或狀態監測裝置。進一步實現了智能化在線檢測功能，如開關測量數字化、控制網絡、狀態可視化、功能集成和信息交互。另外，開關采用隔離斷路器，電子式電流、電壓互感器套管安裝在開關座上，取代了臥式隔離開關的靜態側絕緣子，節省了隔離開關、電廠和設備的集成和共享。每個隔離開關配備有1 個狀態檢測裝置，并放置在間隔智能元件柜中。

3 結語

隨著我國社會經濟和信息科學的進步，智慧電廠已經越來越多地受到了電力企業的關注，其發展亦是必然的結果，智慧電廠所具有的預期性和效果也是顯著的。智慧電廠建設作為電力的主要動力來源，必將得到進一步深入發展。