智慧電廠數(shù)據(jù)基礎(chǔ)建設(shè)與應(yīng)用研究

上海能源科技發(fā)展有限公司 朱曉燕

1 引言

在數(shù)字化轉(zhuǎn)型大潮下，數(shù)據(jù)已成為最為核心的生產(chǎn)要素。智慧電廠已成為新熱點(diǎn)，對(duì)于具有上萬設(shè)備、年運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)約8000h 的火電廠，面臨著現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)不全、控制局限、計(jì)劃?rùn)z修、數(shù)據(jù)綜合利用率低等問題。構(gòu)建適應(yīng)數(shù)字化智慧電廠的智能數(shù)據(jù)層、提升管控水平、進(jìn)一步優(yōu)化運(yùn)行、降低煤耗，是智慧電廠建設(shè)亟待解決的基本問題。

在數(shù)字時(shí)代，實(shí)現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)的有效采集、合理處理和深度應(yīng)用，是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)控制系統(tǒng)的智慧化的關(guān)鍵。本文就構(gòu)建智慧電廠數(shù)據(jù)基礎(chǔ)的核心技術(shù)、應(yīng)用情況加以解析，說明實(shí)現(xiàn)智慧感知、智慧控制、智慧運(yùn)維、智慧檢修、智慧經(jīng)營(yíng)所需要的技術(shù)基礎(chǔ)和軟硬件基礎(chǔ)，為智慧電廠的應(yīng)用發(fā)展夯實(shí)基礎(chǔ)。

2 智慧電廠構(gòu)架

智慧電廠是以智能設(shè)備層為基礎(chǔ)構(gòu)建智能發(fā)電平臺(tái)和智慧管理平臺(tái)。智慧電廠整體框架如圖1所示。

圖1 智慧電廠整體構(gòu)架

2.1 智能設(shè)備層

作為智慧電廠的基礎(chǔ)，首先是解決可觀測(cè)、可控制的基礎(chǔ)設(shè)備問題，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)工藝全透明數(shù)字化；其次，需要實(shí)現(xiàn)控制操作全自動(dòng)，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在設(shè)備層也可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程狀態(tài)感知。智能設(shè)備層包括智能化的檢測(cè)儀表、智能巡檢機(jī)器人、視頻監(jiān)控設(shè)備、執(zhí)行機(jī)構(gòu)及現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備等。該層構(gòu)成了火電廠智能化管控的基礎(chǔ)底層，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)與狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程狀態(tài)的測(cè)量、數(shù)據(jù)上傳，對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行全方位檢測(cè)和感知。

2.2 智能控制層

建立在智能設(shè)備層的基礎(chǔ)上，對(duì)火力發(fā)電廠的生產(chǎn)及輔助裝置實(shí)施控制、優(yōu)化和診斷。該層在分散控制系統(tǒng)（DCS）基礎(chǔ)上，通過增加高級(jí)應(yīng)用服務(wù)網(wǎng)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)池、智能計(jì)算引擎、智能控制器、工控信息安全防護(hù)等智能化組件，加強(qiáng)人工智能技術(shù)三要素“數(shù)據(jù)、算法和算力”在生產(chǎn)控制過程中的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，將發(fā)電領(lǐng)域的專業(yè)知識(shí)注入人工智能模型中，并與先進(jìn)控制技術(shù)相集成，實(shí)現(xiàn)智能電站生產(chǎn)運(yùn)行的智能監(jiān)控。

2.3 智慧管理層

智慧管理層利用工廠多源數(shù)據(jù)融合、深度數(shù)據(jù)挖掘、管理過程與工業(yè)數(shù)據(jù)分析協(xié)同等技術(shù)共同構(gòu)建的一體化管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程優(yōu)化、經(jīng)營(yíng)輔助決策和系統(tǒng)級(jí)安全防范管理。

智能電廠控制層的生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)之間有密切的工藝系統(tǒng)關(guān)聯(lián)，存在復(fù)雜的強(qiáng)耦合關(guān)系。火電廠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)來源方面主要分為：生產(chǎn)工藝流程數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)等。控制系統(tǒng)、管理數(shù)據(jù)均來源于這些原始基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。準(zhǔn)確的生產(chǎn)工藝流程數(shù)據(jù)是精確控制的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。控制層、管理層的智慧應(yīng)用完全建立在設(shè)備層的數(shù)據(jù)之上。這些數(shù)據(jù)既包括反映工藝系統(tǒng)的狀態(tài)數(shù)據(jù)，如現(xiàn)場(chǎng)儀表、閥門、電動(dòng)機(jī)等常規(guī)接入控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)；包括視頻監(jiān)控設(shè)備、門禁安防、機(jī)器人設(shè)備傳回的各種智能應(yīng)用數(shù)據(jù)、視頻圖像數(shù)據(jù)等；在物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展下，設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)、檢測(cè)維護(hù)數(shù)據(jù)，也可上傳至管理信息系統(tǒng)。以往這些數(shù)據(jù)和過程數(shù)據(jù)是分開存儲(chǔ)、應(yīng)用，數(shù)據(jù)間無法相互聯(lián)系印證，基于數(shù)據(jù)的分析應(yīng)用當(dāng)然也很受限。隨著5G 通信、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)的發(fā)展，電廠大數(shù)據(jù)的深度挖掘和應(yīng)用有了更廣闊的空間。

3 數(shù)字化關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用

3.1 智能設(shè)備基本要求

智能設(shè)備是智能電廠的基本元素，也是智能數(shù)據(jù)的基本提供單元，達(dá)到智能化設(shè)備需要具備以下要求。一是應(yīng)具有測(cè)量數(shù)字化、控制遠(yuǎn)端化和運(yùn)行狀態(tài)可視功能。二是智能化組件具備控制、連鎖和保護(hù)等功能。三是具有設(shè)備狀態(tài)自評(píng)估、檢測(cè)、故障自診斷、自愈性、自適應(yīng)的功能。四是采用標(biāo)準(zhǔn)化的通信協(xié)議；五是具備智能控制所需的控制接口，支持智能控制方式。六是易于擴(kuò)展升級(jí)。

3.2 智慧感知檢測(cè)升級(jí)

數(shù)據(jù)采集是智能化的基礎(chǔ)，首先要構(gòu)建精準(zhǔn)、實(shí)時(shí)、高效的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。智慧感知檢測(cè)采用現(xiàn)代先進(jìn)檢測(cè)技術(shù)，配合測(cè)控、軟件計(jì)算和信息融合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)上難以檢測(cè)的機(jī)組和設(shè)備運(yùn)行關(guān)鍵參數(shù)的在線準(zhǔn)確測(cè)量和上傳。重點(diǎn)應(yīng)用包括基于聲波/紅外測(cè)溫、聲源定位、音紋識(shí)別、圖像分析等先進(jìn)檢測(cè)和狀態(tài)識(shí)別技術(shù)，集成構(gòu)建智慧化感知和檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)區(qū)域監(jiān)控、重要參數(shù)測(cè)量、實(shí)時(shí)工況診斷的智能監(jiān)測(cè)分析。智能檢測(cè)還可以對(duì)高溫高壓管道泄漏、爐膛溫度場(chǎng)、動(dòng)力場(chǎng)、疏水管道內(nèi)漏等難以直接測(cè)量的重要工況，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)、準(zhǔn)確定位和直觀展示。

智能設(shè)備層的建設(shè)和升級(jí)是建立智能數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)。智能設(shè)備、AI、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)設(shè)備、5G、數(shù)據(jù)云平臺(tái)，這些新技術(shù)正在不斷突破，將傳統(tǒng)的工業(yè)控制帶入到智能控制的前端。智能物聯(lián)網(wǎng)作為一種基礎(chǔ)能力，隨著物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的不斷擴(kuò)展，5G 技術(shù)為萬物互聯(lián)提供了網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)，使得智能物聯(lián)網(wǎng)在火電廠這樣復(fù)雜控制場(chǎng)景下也可廣泛應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)智慧管控、智慧安防、智能辦公等諸多應(yīng)用。

3.3 5G 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用

5G 網(wǎng)絡(luò)與云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、元宇宙、AI等技術(shù)深度融合，已經(jīng)成為工業(yè)企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施之一。采用5G 網(wǎng)絡(luò)和MEC 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，可在工業(yè)4.0時(shí)代實(shí)現(xiàn)設(shè)備生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)實(shí)時(shí)、大規(guī)模并發(fā)數(shù)據(jù)分析處理和本地分流，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)高度自動(dòng)化，大幅提升生產(chǎn)效率。

建設(shè)覆蓋全廠的5G 通信網(wǎng)絡(luò)，采用5G MEC+UPF（User Plane Function，用戶面功能）方式建設(shè)。該方式可使電廠用戶獨(dú)享基站、UPF 和MEC，共享電信運(yùn)營(yíng)商的5G 控制面網(wǎng)元，能提供基礎(chǔ)的5G 行業(yè)應(yīng)用部署環(huán)境，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)內(nèi)5G 設(shè)備的互聯(lián)、數(shù)據(jù)不出園區(qū)，滿足電廠用戶高帶寬、低延時(shí)、數(shù)據(jù)不出廠的需求。

目前5G+智能檢測(cè)設(shè)備還處于起步階段，基于5G 及邊緣計(jì)算、 AI 處理、機(jī)器視覺等技術(shù)，采集現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)、語音、圖片等各項(xiàng)數(shù)據(jù)，自動(dòng)完成檢測(cè)、巡航以及記錄數(shù)據(jù)、遠(yuǎn)程告警確認(rèn)等工作。將智能攝像頭、智能機(jī)器人、巡檢儀等各類智能化設(shè)備接入5G 甚至更為先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)各類生產(chǎn)人員、智能化設(shè)備的互聯(lián)互通，是今后的發(fā)展趨勢(shì)。

3.4 構(gòu)建大數(shù)據(jù)平臺(tái)

大數(shù)據(jù)是指通過對(duì)大量的、多種類和來源復(fù)雜的數(shù)據(jù)進(jìn)行高速地捕捉、發(fā)現(xiàn)和分析，用經(jīng)濟(jì)的方法提取其價(jià)值的技術(shù)體系或技術(shù)構(gòu)架[1]。

大數(shù)據(jù)中心是智慧電廠運(yùn)行的基礎(chǔ)，構(gòu)建廠區(qū)一元化數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，對(duì)巨量數(shù)據(jù)的處理應(yīng)用，建設(shè)數(shù)據(jù)中心，整合多源異構(gòu)的數(shù)據(jù)，形成具有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)定義和相互關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)，構(gòu)建統(tǒng)一數(shù)據(jù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互聯(lián)互通、共享交互。具備對(duì)各類數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、及時(shí)、全面的感知功能，為電廠的智慧控制、智慧運(yùn)維、智慧經(jīng)營(yíng)、智慧安全管理等業(yè)務(wù)提供數(shù)據(jù)原材料。

大數(shù)據(jù)包括數(shù)據(jù)以及對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)的內(nèi)在關(guān)聯(lián)分析、對(duì)應(yīng)處理等模型與方法。大數(shù)據(jù)需對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行分布式數(shù)據(jù)挖掘，必須依托云計(jì)算的分布式處理、分布式數(shù)據(jù)庫(kù)和云存儲(chǔ)、虛擬化技術(shù)。大數(shù)據(jù)中心具備數(shù)據(jù)計(jì)算、數(shù)據(jù)挖掘和機(jī)器學(xué)習(xí)等人工智能算法，可提供基于設(shè)備層的在線監(jiān)控、設(shè)備故障預(yù)警與報(bào)警、設(shè)備運(yùn)行參數(shù)調(diào)優(yōu)、依據(jù)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行的主動(dòng)檢修等多種基礎(chǔ)服務(wù)。統(tǒng)一數(shù)據(jù)平臺(tái)可通過微服務(wù)組件庫(kù)、開發(fā)工具平臺(tái)、計(jì)算能力服務(wù)資源接入、大數(shù)據(jù)和AI 技術(shù)服務(wù)等，實(shí)現(xiàn)積累的生產(chǎn)數(shù)據(jù)的縱向價(jià)值挖掘，實(shí)現(xiàn)機(jī)組運(yùn)行能力改善和數(shù)據(jù)價(jià)值提升。

4 數(shù)字化設(shè)計(jì)的三維數(shù)據(jù)基礎(chǔ)

4.1 三維可視化數(shù)據(jù)及應(yīng)用

三維數(shù)字化電廠的建模，是整個(gè)智能電廠的模型和數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)性工作，以三維設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)的三維數(shù)字化電廠可以充分保證模型數(shù)據(jù)的統(tǒng)一、完整和精確，保證模型外觀、層級(jí)、位置、編碼、屬性的一致，滿足三維數(shù)字化電廠展示與查詢、圖紙關(guān)聯(lián)查詢、設(shè)備編碼以及滿足智慧控制、智慧管理等的應(yīng)用要求。三維數(shù)字化模型中整合設(shè)備三維模型，三維檢修模型，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、可視化資料的移交，也是全廠三維模型構(gòu)建的重要部分。

通過在電廠三維模型的搭建過程中，做到全專業(yè)覆蓋、全數(shù)據(jù)攜帶、全模型量化，為智慧運(yùn)維管理系統(tǒng)提供一個(gè)精準(zhǔn)的可視化操作界面。基于數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通，并依托電廠全息模型的可視化，實(shí)現(xiàn)對(duì)管理提維。打通電廠傳統(tǒng)各運(yùn)維管理系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)壁壘，并依托三維模型的直觀、可視化效果，幫助管理者建立起一套工作運(yùn)維順暢、操作界面友好的管理系統(tǒng)，可應(yīng)用于新員工培訓(xùn)、虛擬巡檢、設(shè)備檢修及智能安防等多方面。通過實(shí)施人員定位系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電廠人員的可視化，人員與三維模型場(chǎng)景結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)更多的運(yùn)維管控功能。

4.2 全程數(shù)據(jù)跟蹤

以電廠三維模型為載體，跟蹤、存儲(chǔ)電廠從設(shè)計(jì)到施工、運(yùn)維全生命周期的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行自主分析，為電廠管理提供有力支撐。以數(shù)字化設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和模型為基礎(chǔ)，補(bǔ)充電廠管控對(duì)象的設(shè)計(jì)、采購(gòu)、施工、調(diào)試、運(yùn)營(yíng)等全生命周期數(shù)據(jù)。

大數(shù)據(jù)通過平臺(tái)能夠?qū)⑹占降暮Ａ繑?shù)據(jù)整合成各種表格，讓電廠的運(yùn)行人員、檢修人員以及管理人員能夠清晰而直觀的了解目前的電廠的運(yùn)行狀態(tài)信息和經(jīng)營(yíng)情況，同時(shí)可以通過和歷史數(shù)據(jù)的對(duì)比來對(duì)未來的工作進(jìn)行評(píng)估和改進(jìn)[2]。

5 數(shù)字化投入和產(chǎn)出

基于現(xiàn)實(shí)的行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型所處的階段，技術(shù)的堆砌并不能帶來效益，但通過基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的挖掘應(yīng)用，帶來高效、安全、智能的監(jiān)控、維護(hù)、管理效益的成果。

數(shù)字化投入產(chǎn)出分析如圖2所示，和經(jīng)營(yíng)情況結(jié)合的智慧管理，可進(jìn)一步優(yōu)化運(yùn)行工況，降低綜合煤耗，實(shí)現(xiàn)降本增效的作用。

圖2 數(shù)字化投入產(chǎn)出分析

傳統(tǒng)火電廠向智慧電廠的轉(zhuǎn)變，不僅僅是在數(shù)字化智能化設(shè)備上的投入，必定可以從數(shù)字化的替代效應(yīng)、網(wǎng)絡(luò)效應(yīng)中取得飛躍式的上升。

6 結(jié)語

在數(shù)字化驅(qū)動(dòng)下，智慧電廠數(shù)據(jù)基礎(chǔ)建設(shè)與應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)智慧電廠的基礎(chǔ)。通過智慧檢測(cè)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、AI 技術(shù)、通信技術(shù)的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，智慧電廠的數(shù)字化轉(zhuǎn)型之路將日益成熟，最終形成智能設(shè)備產(chǎn)業(yè)鏈。在“雙碳”目標(biāo)下，智慧電廠數(shù)據(jù)基礎(chǔ)建設(shè)與應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)智慧管理、智慧運(yùn)維的前提。在數(shù)字化基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)中，通過數(shù)字化設(shè)施的投入適度增加，可以提升機(jī)組運(yùn)行安全性，設(shè)備檢修的可維護(hù)性；同時(shí)，會(huì)帶來性能的提升、節(jié)能降耗的作用，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的替代效應(yīng)，為減碳提供更好的智能方案。