摘要：本文從智慧電廠(chǎng)特點(diǎn)闡述開(kāi)始，提出智慧電廠(chǎng)的整體設計架構及技術(shù)發(fā)展建議，通過(guò)一體化大數據管控平臺，實(shí)現智慧設備及控制層、智慧設備管理及診斷層、智慧運維及管理層、智慧經(jīng)營(yíng)及決策層之間的融合，實(shí)現發(fā)電過(guò)程的智能控制、智能安全、智能管理。

關(guān)鍵詞：智慧電廠(chǎng)；體系架構；智慧經(jīng)營(yíng)；智慧決策

1　前言

近年來(lái)，技術(shù)發(fā)展日新月異，技術(shù)更新、技術(shù)進(jìn)步、新技術(shù)產(chǎn)生的速度不斷加快。隨著(zhù)大數據、云計算、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的出現與使用，集成化、智能化、智慧化已成為現代電力企業(yè)追求的運營(yíng)目標。

2016年3月，國務(wù)院發(fā)布《關(guān)于推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源發(fā)展的指導意見(jiàn)》，意見(jiàn)指出要“推進(jìn)化石能源生產(chǎn)潔凈高效智能化”，其中要“加快化石能源生產(chǎn)檢測、管理和調度體系的網(wǎng)絡(luò )化改造，建設市場(chǎng)導向的生產(chǎn)計劃決策平臺與智能化信息管理系統”，為智慧電廠(chǎng)的建設提供了指導。

目前，國內各發(fā)電集團均對智慧電廠(chǎng)的建設進(jìn)行了積極探索和嘗試，但從智慧電廠(chǎng)的建設和應用情況來(lái)看，我國在智慧電廠(chǎng)領(lǐng)域中應用更多的側重于信息集成展示以及智慧管理等層面，而在生產(chǎn)過(guò)程中智能化的應用很少，智慧管理與實(shí)時(shí)生產(chǎn)之間存在一定的脫節，偏離了智能生產(chǎn)的初衷，因此，本文從整體設計和規劃的角度提出智慧電廠(chǎng)的體系架構，并著(zhù)重闡述建設智慧電廠(chǎng)的關(guān)鍵技術(shù)。

2　智慧電廠(chǎng)特點(diǎn)

智慧電廠(chǎng)的特點(diǎn)是以物理電廠(chǎng)為基礎，通過(guò)對各系統的科技含量和管理內涵等資源進(jìn)行深入挖掘和全面梳理后，利用系統性理論和資源配置優(yōu)化的理念，重新對所有資源應用價(jià)值的再認識、再整合，并融入現代先進(jìn)管理體系、現代通信與信息技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò )技術(shù)、智能控制技術(shù)、發(fā)電行業(yè)技術(shù)等匯集應用而形成的新型電廠(chǎng)。

火力發(fā)電廠(chǎng)具有系統多樣性、復雜性等特點(diǎn)，同時(shí)其對運行調節的操控性有著(zhù)較高的要求，因此建設智慧電廠(chǎng)還需要解決一系列的問(wèn)題。目前，有利因素是電廠(chǎng)自動(dòng)化控制水平較高，已經(jīng)形成較為完善的運行管理流程，結合已具備的先進(jìn)電廠(chǎng)運行經(jīng)驗，為推進(jìn)智慧電廠(chǎng)建設創(chuàng )造了條件。

鑒于火電廠(chǎng)的系統復雜性，結合運行實(shí)際，現提出智慧電廠(chǎng)如下建設模式：

（1）采用智能設備，搭建數字化、標準化網(wǎng)絡(luò )信息平臺；

（2）以功能需求為目標，完善監控數據采集；

（3）建立專(zhuān)家分析決策系統，實(shí)現智能自動(dòng)調節運行，或提供智能優(yōu)化運行方案；

（4）將智慧電廠(chǎng)的建設貫穿基建期、調試期及運行優(yōu)化期，實(shí)現電廠(chǎng)全壽期智慧運行管理。

3　智慧電廠(chǎng)體系架構及技術(shù)發(fā)展建議

智慧電廠(chǎng)以一體化大數據管控平臺為支撐，融合智慧設備及控制層、智慧設備管理及診斷層、智慧運維及管理層、智慧經(jīng)營(yíng)及決策層，在發(fā)電廠(chǎng)控制系統、廠(chǎng)級監控系統、管理信息系統、輔助監控系統等基礎上，構建智慧發(fā)電運行控制與管理系統，實(shí)現發(fā)電過(guò)程的智能控制、智能安全、智能管理。其體系結構如圖1所示。

圖1 智慧電廠(chǎng)體系架構

3.1　智慧設備及控制層

設備及控制層在電廠(chǎng)傳統運行設備層的基礎上，嵌入高精度的機組重要參數測量技術(shù)，為智能控制層中的優(yōu)化控制、在線(xiàn)經(jīng)濟性分析及診斷系統提供重要數據保證；其次，在智能設備層中實(shí)現現場(chǎng)總線(xiàn)設備及先進(jìn)測量設備的接入，對生產(chǎn)現場(chǎng)進(jìn)行全方位檢測和感知；可以大幅度減少設備調校、維護工作量。

（1）主輔一體化控制系統

為適應智慧電廠(chǎng)全廠(chǎng)信號、管理內容數字化的要求，基于DCS實(shí)現主輔控一體化控制系統，利用網(wǎng)絡(luò )技術(shù)實(shí)現準確可靠的數字化信息交換、跨平臺的資源實(shí)時(shí)共享，實(shí)現全廠(chǎng)數據的完整性、一致性、可交換性、可互訪(fǎng)性，消除信息孤島，促進(jìn)廠(chǎng)級優(yōu)化控制功能的實(shí)現和智能管理水平的提高。

（2）現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)及設備的應用

現場(chǎng)總線(xiàn)系統是連接智能現場(chǎng)設備和自動(dòng)化系統的全數字、雙向、多站的通信系統，主要解決工業(yè)現場(chǎng)的智能化儀器儀表、執行機構等現場(chǎng)設備間的數字通信以及這些智能現場(chǎng)設備和控制系統之間的信息傳遞問(wèn)題，并且能夠通過(guò)相應設備管理、診斷軟件對智能現場(chǎng)設備進(jìn)行及時(shí)有效的設置和預警。

現場(chǎng)總線(xiàn)的應用是電廠(chǎng)智慧化的基礎之一，為智慧化平臺、設備管理系統、診斷系統提供大量數據支撐，為后期深入挖掘現場(chǎng)設備的智能化功能，提高電廠(chǎng)運營(yíng)的安全性和測控設備信息化管理水平奠定基礎。

（3）機組自啟?？刂葡到y（APS）

APS功能是發(fā)電機組最高級自動(dòng)控制技術(shù)之一，具有高度的復雜性，是DCS中所有常規控制子系統的統領(lǐng)。APS的實(shí)施可顯著(zhù)增加機組控制系統的自動(dòng)化水平，最大限度減少運行人員的操作強度和人員數量，實(shí)現減員增效。

（4）鍋爐吹灰監測及智能吹灰系統

鍋爐智能吹灰針對鍋爐積灰和吹灰過(guò)程，在線(xiàn)計算和監測鍋爐各個(gè)受熱面積灰臟污程度，并預測未來(lái)積灰趨勢，結合鍋爐吹灰成本和積灰損失，綜合考慮安全性和經(jīng)濟性，實(shí)現系統運行成本的最低。優(yōu)化系統可減少水冷壁的磨損及水冷壁破損導致的非計劃停運，減小水冷壁損壞概率，降低水冷壁更換和維護的費用，提高鍋爐效率。

（5）鍋爐島關(guān)鍵部件參數場(chǎng)分布監測及智能調控系統

隨著(zhù)環(huán)保要求的不斷提高，特別是NOx超低排放的實(shí)施，鍋爐燃燒系統、脫硝系統的運行方式發(fā)生了很大的變化，由此導致鍋爐汽溫偏差大、水冷壁高溫腐蝕、空預器堵塞等問(wèn)題十分突出，因此監測鍋爐島中制粉系統煤粉濃度粒度、水冷壁近壁區煙氣組分、脫硝裝置出口NOx場(chǎng)分布、空預器冷端綜合溫度，對于防控上述問(wèn)題的出現至關(guān)重要。

（6）先進(jìn)控制算法的應用

由于燃煤電廠(chǎng)機組對象特性復雜且需不斷適應外界工況的變化，傳統DCS控制功能已不能滿(mǎn)足多樣化生產(chǎn)需求，因此在控制層需結合先進(jìn)控制算法及智能控制策略等技術(shù)手段，包括預測控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )控制、模糊控制、PID自整定等先進(jìn)控制算法，來(lái)滿(mǎn)足對象多樣化的需求。

將先進(jìn)控制算法嵌入更具針對性、實(shí)用性的優(yōu)化控制系統，形成具備“自分析、自診斷、自管理、自趨優(yōu)、自恢復、自學(xué)習、自提升”的運行優(yōu)化系統，助力企業(yè)經(jīng)濟運行，提高運行水平，最大程度降低運行成本，提升企業(yè)盈利能力。

3.2　智慧設備管理及診斷層

基于控制層的大量監測數據，設備管理及診斷層通過(guò)軟、硬件平臺及先進(jìn)算法對設備/機組運行狀態(tài)，設備效率、可用性、經(jīng)濟性進(jìn)行分析，并通過(guò)分析診斷結果實(shí)現設備的狀態(tài)檢修。

（1）智能設備管理

針對電廠(chǎng)應用的HART/現場(chǎng)總線(xiàn)智能設備，通過(guò)管理系統完成現場(chǎng)總線(xiàn)與智能設備的參數信息查詢(xún)和設定，構成現場(chǎng)設備綜合管理系統信息庫，達到設備的風(fēng)險評估和智能預警，將被動(dòng)的管理模式改變?yōu)榭深A測性的管理維護模式，對現場(chǎng)智能儀控設備進(jìn)行智慧管理與維護，提升機組設備管理及診斷能力，降低維護成本。

（2）大型轉機智能故障在線(xiàn)監測與診斷

系統能夠設置、采集、自動(dòng)分析處理機械設備的振動(dòng)數據，并自動(dòng)給出分析診斷結果，報告機械設備的運轉狀態(tài)，提供維護檢修建議，協(xié)助設備管理工程師，做出科學(xué)的檢修計劃決策。監測對象可以包括汽輪發(fā)電機組、六大風(fēng)機、小汽機、循泵、凝泵等大型轉機設備。

3.3　智慧運維及管理層

運維及管理層通過(guò)一體化信息管理系統，匯集、融合全廠(chǎng)生產(chǎn)過(guò)程與管理的數據與信息，實(shí)現廠(chǎng)級能效對標與考核系統、運行管理系統、智能巡檢、精密點(diǎn)檢與設備遠程管理、設備定期輪換管理、可視化設備潤滑智能管理、可視化技術(shù)監督智能管理、可視化三維作業(yè)指導書(shū)及檢修培訓、缺陷管理、移動(dòng)應用、遠程診斷、三維虛擬電廠(chǎng)與安全管控、三維建檔等管理系統，實(shí)現發(fā)電廠(chǎng)的閉環(huán)、自組織的精細化管理系統。

3.4　智慧經(jīng)營(yíng)及決策層

經(jīng)營(yíng)及決策層通過(guò)生產(chǎn)、運營(yíng)系統提供的海量數據開(kāi)展大數據應用及相關(guān)模塊的開(kāi)發(fā)，實(shí)現管理數據與生產(chǎn)數據之間的相互融合，提升整個(gè)集團公司精細化管理水平，主要包含：電廠(chǎng)輔助決策功能、倉儲成本分析、智能供應鏈支持、績(jì)效評價(jià)等功能。

同時(shí)采用網(wǎng)絡(luò )化手段，搭建具有遠程監視及診斷管理功能的集團公司級大數據分析及診斷平臺。大數據平臺充分利用已建廠(chǎng)的運行數據，建成大規模數據庫，實(shí)現監視數據和故障診斷判據信息資源共享，實(shí)現遠程數據分析與診斷。在大數據及診斷中心的專(zhuān)家人員，可實(shí)現集團級的資源統一調配和信息共享，進(jìn)而提升整個(gè)集團的維護及診斷水平。

4　智慧電廠(chǎng)建設思路

智慧電廠(chǎng)的建設，是一個(gè)循序漸進(jìn)的過(guò)程，總體建設建議采用“頂層設計、分步實(shí)施”原則，做好總體規劃，涵蓋設計、制造、基建、運營(yíng)、退役五個(gè)過(guò)程，體現全生命周期管理特點(diǎn)。

根據智慧電廠(chǎng)功能層次規劃及相關(guān)的建設標準，各發(fā)電廠(chǎng)應結合企業(yè)自身現狀和特點(diǎn)，因地制宜、注重實(shí)效，積極穩妥地推進(jìn)智慧電廠(chǎng)的建設，不斷積累建設與運營(yíng)經(jīng)驗，使成果應用水平不斷提升。

5　結束語(yǔ)

智慧電廠(chǎng)是第四次工業(yè)革命大背景下發(fā)電技術(shù)的轉型。目前智慧電廠(chǎng)的建設剛剛起步，各集團都在摸索階段，上述方案是針對電站項目做的一個(gè)初步規劃，希望能起到拋磚引玉的作用，各發(fā)電企業(yè)可根據自身建設情況，規劃適當項目。

可以確定，隨著(zhù)能源革命的到來(lái)，電站智慧化建設將是一個(gè)明確的發(fā)展方向，是一個(gè)科技創(chuàng )新以及科技成果轉化為生產(chǎn)力的過(guò)程。未來(lái)數年，電站智慧化建設將是主要投資方向，是適應國家綠色發(fā)展經(jīng)濟的戰略需求，傳統電廠(chǎng)智慧化改造將是必經(jīng)之路。

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[6] 劉吉臻. 智能發(fā)電：第四次工業(yè)革命的大趨勢[N]. 中國能源報, 2016 - 07.

作者簡(jiǎn)介：

屠學(xué)偉（1983- ），男，碩士，現任國核電力規劃設計研究院有限公司儀控工程師，主要從事火電機組、智慧能源儀控方面的設計研究工作。

鄭亞鋒（1980- ），男，碩士，現任國核電力規劃設計研究院有限公司設計總工程師，主要從事火電機組、智慧能源的設計研究及管理工作。

摘自《自動(dòng)化博覽》2019年1月刊