針對火力發電廠中智慧電廠存在的 問題和優化對策研究

宮健

吉林電力股份有限公司長春熱電分公司，吉林長春，130600

0 引言

火力發電是我國最先興建的發電模式，在經濟發展中起到了能源支柱的作用。后來，國家為了減少碳排放、緩解霧霾等環境問題，實現碳中和，正在逐步降低火力發電占比，2015年火力發電占全國發電總量的七成，2020年降至66%。可以看到，火力發電在短期內仍占我國能源結構中的主要地位。

火力發電的方式會不可避免地對環境造成破壞，如排放溫室氣體、酸性氣體、可吸入顆粒物等。為了提高電廠能源利用率，優化管理模式，減少環境危害物質的排放，應用智慧電廠成為一種新型電廠運行方式并被廣泛使用。

1 智慧電廠的發展背景

近年來，互聯網和人工智能為主的計算機技術蓬勃發展，逐漸出現了制造業高度數字化、網絡化，并融入信息物理融合系統的工廠，這被稱為第四次工業革命。在此基礎上，各國提出了將計算機技術應用于各領域的推廣計劃，國外稱之為智能工廠、智能制造。美國制定了自己的智能制造計劃“工業互聯網”，德國提出“工業革命4.0”計劃，都劍指智能制造。中國也在2015年提出了自己的智能制造計劃，宣布將融合工業化與信息化，發展制造業智能化、數字化。后來，國務院又陸續出臺《工業互聯網發展行動計劃》《新一代人工智能發展規劃》《深化“互聯網+先進制造業”發展工業互聯網的指導意見》等多項文件，為我國智能制造的發展指明了方向。時間推進到2020年，智能制造戰略的多項成果已經落地，制造業信息化與智能化的技術日趨成熟，人工智能開始廣泛應用于工業生產的方方面面[1]。

在智能制造的背景下，國家能源局著手推動能源行業的智能化發展，發布了《關于推進“互聯網+”智慧能源發展的指導意見》。意見指出，要開展能源行業大數據采集工作，實施能源行業大數據戰略，將大數據在能源領域多方位融合。火力發電廠作為能源行業的中流砥柱，在火電廠中開展智慧能源戰略，最能體現出智能制造的發展成果，因此，智慧電廠作為智慧能源的集大成者，在火電廠中逐漸推廣開來。

2 智慧電廠的含義和作用

智慧電廠是一種管理模式的總稱，是由一系列數據、軟件、人員、規范建立起來的綜合管理體系。智慧電廠的建設，是能源制造業的思想轉變的標志，是發電行業實現更高更快發展的有效途徑，也是我國智能制造計劃階段性成果之一。在電廠不斷創新發電技術的基礎上，引入人工智能、大數據、信息技術、檢測技術，實現電廠運行智能化、數字化轉變。經過智慧電廠改造后，電廠具有一定程度的自動決策能力，實現了能根據采集的信息獲取用電環境的變化、及時調整發電運行參數、自動發布維護維修提示和發生重大突發情況時自動執行預設保護指令等多種應用。

總的來說，與傳統火電廠相比，智慧電廠可以提高資源利用率，提高電廠管理效率，降低管理成本，實現發電系統精準管控，提高電廠安全性，降低操作難度。智慧電廠能助力我國低碳經濟的建設和環保節能事業的推廣，為早日實現碳中和打下基礎[2]。

3 智慧電廠系統的組織結構與傳統電廠的區別

3.1 監測設備層面

傳統火電廠的監測設備往往是就地安裝，就地使用，設備之間聯系少，無法遠程監控、維護，設備狀態主要靠人工讀取。智慧電廠通過基站和網點實現全廠WIFI覆蓋，監測設備帶有網絡模塊，連接設備之間信息能夠實時地互通互傳，并匯總到每個終端，使所有終端使用者都能實時監控電廠運行的數據。另一方面，借助一系列傳感器，可以對監測設備狀態和電廠各項參數，如有報錯將推送給運維人員，及時發現及時處理，保障電廠穩定運行。

3.2 系統控制層面

如何將采集的信息作出正確處理，并發布指令給執行人員，就是控制系統的功能。除了上述功能，智慧電廠還涉及了復雜的管控內容，我們常用SCADA系統來進行控制。該系統能接受工人指令并傳達給相應設備，使設備作出正確的操作。可以控制諸如系統自啟停、緊急跳閘、脫硫脫硝運行、AGC優化等。控制系統用先進的算法和人工智能輔助，定期進行版本更新以適應運行環境的變化，并引入最新的機器學習、機器視覺等新技術，使控制系統具備一定的成長能力，適應電廠操作環境和工人操作習慣，提高利用率[3]。

3.3 中樞管理層面

要讓智慧電廠按既定規則運行，最重要的還是統一全廠上下對智慧電廠進行適應，這就要求設立智慧電廠的中樞管理。管理層面要明確智慧電廠的實施目的，制定行之有效的管理方案。借助信息技術，構建電廠三維視圖，提高監視能力，制定燃料計劃、物資計劃等專項管理方案，布置天眼探頭于傳感器，定位巡邏人員，監視設備運行，觀察機組狀態。在智慧電廠搭建的數據平臺基礎上，結合電廠自身情況，將管理細則逐一落實到位，實現精細化管理。

4 火電廠的智慧電廠建設存在的問題

4.1 信息化程度不夠

在火電廠智慧化的過程中，信息化是非常重要的一環。如前文所說，信息化程度影響到設備之間的連接狀態，也就進一步影響信息采集和大數據平臺建立，最終影響了智慧電廠的統籌和管控。因此，在智慧電廠建設中，信息技術的應用有著嚴格的標準，整套系統交付前，對人員也有著必備的崗前培訓、現場教學，運行期還有即時的技術支持。但是，由于工人素質、培訓內容難度、智慧化程度等多方面原因，部分工人無法掌握信息技術相關技能，操作系統、終端、APP等應用操作不熟練，信息技術推廣效果差。就出現工人只能部分借助智慧化作業，甚至出現放棄智慧化，回退傳統作業的現象，智慧電廠對設備運行、檢修、維護的支持作用不能體現，也讓整個系統出現漏洞而影響其整體置信度，最終結果將是系統失效[4]。

4.2 控制系統復雜，應用難度大

智慧電廠的控制系統，是建立在大數據、人工智能、機器學習等一系列高新技術為基礎的自動化智能控制系統。該系統通過對各種來源的數據和信號進行有序處理，根據特定算法，有針對性地自動處理參數。導入歷史指令集，該系統還可以學習具體事件的處理并在以后加以運用。對信號進行處理時，該系統可以實現數模轉換，結合多種濾波手段分析原始信號。在進一步應用中，還可以對數據進行平均值、方差、分布函數等多種方式的處理，對周期信號的頻譜分析、非周期信號的頻譜和功率譜分析。

智慧控制系統預設的功能強大，作用多范圍廣。但實踐中，由于系統的高級應用過于復雜，管理者及工人都不能發揮出其作用；對于基礎功能的設置，在交付使用后就不再更改，后期由于運行環境和部分參數改變，系統也不能及時做出調整，系統的數據同步也時有落下，這一系列問題，導致控制系統無法按照既定的程序開展工作，也就背離了建設的目的。

4.3 故障和報錯的意義不明

智慧電廠有自動監測功能，將采集的數據與預設參數進行比對，如果參數有誤，系統將發布故障提示，這通常被稱為報錯。理論上，每一種報錯對應一道檢修程序，但在實際應用中，故障類型特別多，發生同一個故障的參數可能是不同原因導致的，智慧電廠建設還沒有成熟化應用，導致監測不全面或者程序設置覆蓋不夠，在面對故障下原因繼續細分時，智慧電廠還做得不夠。例如，對振動信號進行獲取，涉及信號時域和頻域的綜合分析，就要對振動的參數和信號進行細分。應用于勵磁電流時，如果勵磁電流發生變化，過程往往快速，時頻域發展是同步的，振動較為明顯。如果振動變化不太明顯且出現滯后，可能是其他原因導致，在監測中要重點關注。

諸如此類，參數細分太多，對程序和算法提出了更高的要求。盡管智慧電廠系統的版本還在不斷更迭，但該項工作還處于不斷優化的狀態。

5 火電廠智慧電廠運行的優化策略

5.1 采用現場總線，精簡控制結構

現場總線是一種控制模式。通過將所有信號搜集到總線傳輸，可以統一信號制式，防止信號干擾和失真，保證信號的高速通信，使其具有即時性和有效性。需要注意的是，智慧電廠的現場總線是以智能化控制為基礎的，對整個智慧系統進行控制。具體地說，信號傳入總線之前，按統一標準進行數模轉換，用數字信號代替現場的模擬信號。工作人員根據數字信號得知參數的具體數值，按照經驗對其進行傳輸、控制。這樣就減少了工作人員對信號進行判斷和處理的難度，可以方便有效地向不同素質的操作人員進行推廣[5]。

現場總線控制除了針對設備本身以外，還會將各個傳感器搜集的信息，如設備狀態、運行時間、歷史操作記錄等也進行信號轉換和傳輸。這些信號匯總到控制系統，作為設備的操作痕跡保存，并為下一步操作提供了參考和預測，為維修計劃的制定、人員的安排都提供了有效依據。

另一方面，對于控制系統的高級應用過于復雜的問題，隨著技術的發展，解決方案提供商已經可以通過優化代碼，添加功能，將其交給機器來解決。基于多年運行的數據、狀態、操作記錄，算法工程師可以優化代碼，更新機器學習版本，引入深度學習技術，結合智能控制和新型設備管理技術等。經過定期升級換代，智慧電廠就能與時俱進，應用范圍越來越廣，功能更加強大和齊全，高級應用大部分將由人工智能完成，操作人員只需按照所得方案執行即可，這樣就大大降低了智慧電廠的數據使用效率，減小了培訓難度和工人操作難度。

5.2 智慧化控制，增加自動化覆蓋率

智慧電廠的終極應用，就是電廠的完全自動化、無人化運行。目前的技術還達不到這個要求，但隨著技術的進步，自動化控制的覆蓋面將越來越大。這種情況下，運維人員面臨報錯時，不必自己處理，系統將提供解決方案，工人執行即可。

按目前的技術水平，電廠要自動化控制，就要以大數據平臺作為依托，結合神經網絡與機器學習技術，應用貝葉斯定理、模糊控制系統等統計學理論，有效處理各種信息。面對多變量模型下的數據處理，目前應用最好的是FCS系統以及配套輔助系統。智慧系統處理信號得到結論后，提交FCS系統制定解決方案，最后交給相應執行機構或執行人員，實現控制的自動化。

通過上述方案，可以將智慧系統以及電廠的各項設備性能發揮到最大，目前這套系統已經支持自動發電、自動停機、自動跳閘等功能，并能在操作人員輔助下，實現自動調頻、自動調壓、自動并網等功能。電廠精簡運維人員，設備運行效率提高，故障處理及時，管理人員壓力下降，事故頻次減少，電廠運行更加平穩有序。

5.3 加快電廠信息化建設，組織人員學習

電廠個區域信息化程度不一，除了現場總線控制以外，很多地方處于信號真空狀態，沒有網絡覆蓋和基站覆蓋，傳感器、攝像頭等與終端連接不暢。這樣，雖然信號通過總線傳輸到了中控室，但各區域維保人員進行分體式遠程控制還無法實現。因此，我們要推廣電廠信息化建設，提高網絡、基站、信號的覆蓋面積，做到信號無死角，基站全覆蓋。同時大力推廣手持終端的安裝與使用，培訓工人在平臺上進行遠程接受指令，操作設備。進一步解放工人的時間和生產力，提高單個工人的產值和效率，減輕值班人員的負擔。組織工人進行技術交流和集中學習，大力推廣智慧電廠的智慧化管理，努力培養智慧電廠本地運維人才，進一步強化智慧電廠故障排查與保障。這樣，就能做到以人為本，將智慧電廠的運維作為電廠運維的中心，促進電廠培養一支高質量復合型技術人才[6]。

5.4 監控運行狀態，優化經濟效益

火電廠效益主要由投入煤炭和產出電能的比例來決定，智慧電廠也必須發揮出對經濟效益的監控和調整作用。目前已經做到在機組運行中，如果檢測到能量損失過大，系統發出報警，及時通知維護班組進行檢查維修。但是，智慧電廠要做的是更高一層級的監控，即在故障發生之前對其進行預測，這對智慧電廠的機器學習和人工智能提出了更高的要求。例如，發電機運行太久，容易出現水內冷定子繞組滲水現象。傳統方法是大修期間對發電機進行氣密性檢測，判斷是否存在此項問題。但是，應用智慧電廠控制系統，就應要求人工智能根據發電機運行狀態、往期大修檢測情況、發電機壽命等多種數據，智能判斷是否機組需要此項檢修，就可以及時在大修中排班檢查，防止問題發生造成重大損失，也避免了每次大修計劃都有此項檢查的冗余狀態。

6 結語

綜上所述，火電廠中智慧電廠存在的問題，可以從總線控制、自動化覆蓋、信息化建設、經濟效益分析等多個方面來完善，最終實現智慧化電廠更穩定更安全的運行。發電行業是能源行業的中流砥柱，火力發電又在各發電方式中長期占據主要地位，對火力發電廠中智慧電廠進行優化改造，分析研究，也是為我國能源結構和能源狀態獻計獻策，更是為以后其他電廠智慧化提供借鑒。