智慧电厂建设架构规划研究

刘福东，陈柏松，郑世鹏，张潇丹，施博文，苏子琪，樊 旭，定世豪

(1.国能神福(石狮)发电有限公司，福建 泉州 362700；

2.华北电力大学 经济与管理学院，北京 100096)

智慧电厂的雏形早在20世纪70年代火电厂步入电气自动化时便已形成。电气自动化的发展帮助火电厂在生产工作全面管控方面取得了较大的进步，使得电厂可以对交流采样进行全方位的保护和监控；
伴随着计算机技术的不断发展，数据采集、分类、处理，实时信息反馈也基本实现了自动化。主要优势体现在自动控制、集中控制、就地控制、故障控制方面[1]。

计算机技术在21世纪迎来了井喷式的发展，火电厂建设也随之跨入了数字化电厂阶段。“数据”在这一阶段发挥了十分重要的作用。在原始数据积累的基础上，电厂将MIS(管理信息系统)、ERP(企业资源计划)、DCS(集散控制系统)、SIS(厂级监控信息系统)等系统进行了关联性融合，形成了一个包含多源异构数据的、数据间存在一定逻辑联系的数据池。系统对搜集到的数据进行分析处理，可以实现某些设备或开关的自起停，此时的电厂已经有了智慧化特征。

目前，全国用电量不断攀升，用电需求稳步增长，但由于国际煤价的提高，火电厂燃料成本增加，发电量降低，火电厂的生产经营面临着巨大的压力。建设智慧电厂降本增效、改善经营、扭转此前局面势在必行。通过引入5G、数据空间等先进的信息化网络技术，可以打通厂区内控制系统与控制设备的关联通道，将三维可视化与虚拟现实技术运用到电厂管理中。借助数据空间大数据分析系统，通过智能算法实现智能控制、智能决策，从而实现企业资产的全寿命周期管理、生产质量优化以及经济社会效益的全方位提升。

为应对智能数字化发展趋势，美国成立了大数据高级指导小组，并发布了《大数据研究和发展计划》。Panneerselvam等对大数据的概念进行了解释，并介绍了大数据的性质、分类、应用领域以及应用优势[2]。Halenar等分析了当代工业通信领域中的一些问题，总结分析了一种高兼容性、高安全性通信系统的模型[3]。Gao等认为目前物联网、互联网以及工业4.0等概念已经处于不断深入研究并得到广泛应用的关键时期，这些先进理念的应用将对现行工业体系造成较大影响，极大提高制造行业生产力[4]。Duan等认为，大数据、人工智能等新技术的进一步发展与融合将很大程度上改变大型企业的决策方式，为企业提供更加科学的决策平台[5]。

国外制造商如GE、西门子等主要将智慧发电方面的关注重点放在可视化辅助运维技术和区域数据共享的应用等方向[6]。而国内，最先建成的是智深公司的燃煤火电智能控制系统(intelligence control system，ICS)，该系统将运行优化、能效优化、设备优化、控制优化以及设备实时状态监测等智能发电技术结合起来，在单元机组系统、辅助优化系统以及公用设施系统等范围内已经得到了全面应用，使得火电厂的智能发电平台覆盖面大幅提升，实现了燃煤电厂底层控制系统的智能化和国产化。

在设备检修方面，绝对值报警是目前电厂设备状态监控的常用手段。由于该方法需要提前输入设定值，当监测数据超过预先设定的阈值时才会发出警报，因此只能在发电设备出现状况后才能进行事后处理。这种监测方法较为单一，在设备运行的前期难以发现可能出现的故障，也难以对设备故障的发展趋势进行预判和跟踪，设备故障乃至被迫停机的概率将随之增加。机组智能检修系统能提前发现并预警设备故障，将以往故障发生后的被动检修转变为故障发生前的主动检修，将被动停机转变为有计划有序的停机，降低突发情况带来的损失，节约发电成本，提升电厂的市场竞争力。

2.1 电力企业在市场竞争环境下迫切需要智慧建设

受目前的电力市场环境影响，智慧电厂的建设需要将生产经营过程中产生的海量数据充分利用起来，对电力生产、设备人员管理流程进行合理地规划，通过智能算法的运用帮助电厂实现智能管理和辅助决策。就需求而言，需要将电力企业的内部网络作为信息管理系统的依托，对生产经营以及交易过程中产生的大量同源异构数据进行采集、清洗、分析工作，使用最新的电力经济分析模型、优化算法和决策分析算法对生产指标、经营指标、成本利润、电价走势、报价方案等关键内容进行动态评估，从而帮助电力企业实现成本利润分析、报价决策等目标。

因此，在当前的电力市场环境下，电厂亟须智慧化转型，使用数据空间、辅助经营决策等方法，整合电厂数据信息，形成统一的数据管理平台。同时使用针对电厂具体情况的决策模型，对电厂的发电成本、燃料消耗、库存成本进行分析，辅助电厂领导层做出科学的战略决策，并且融合更加先进的电力企业管理理念，合理规划电厂的资金流、物资流和工作流，使得电厂的日常管理决策过程更加标准、规范、科学。

2.2 统一规划使电力企业智慧建设更具规范性

自20世纪70年代电力企业智慧化的雏形产生以来，经过50年的发展已经使得智慧电力体系颇具规模。然而电厂智慧化的工作涉及的专业广、部门多，因此电厂职能部门只能根据各自需求立项，进行针对部门的单一功能系统建设，系统的开放性和灵活性无法得到保障，后续如果进行统一数据规划，由于系统的开发工具、预留接口的不同，使得系统间难以进行数据互通，数据孤岛因此产生。数据孤岛的存在给企业数据统一管理带来了巨大的阻碍。

从技术层面来看，智慧电厂建设过程中采用了统一的标准化接口、编码方式和指标体系，便于打通电厂部门数据孤岛，构建统一的数据信息共享平台。平台采取自下而上的形式，囊括了基础平台、业务平台以及辅助决策平台。其中网络、安全、数据库、应用支撑等子平台构成了基础平台，各种应用于业务管理和生产管理的子系统构成业务平台，辅助决策平台通过智能算法为电厂管理层提供智能决策支持。

2.3 智慧电厂建设能够真正实现电力企业数据共享

根据数据的应用范围和采集方式的不同，可将电厂数据分为MIS数据、SIS数据和DCS数据3类。

DCS数据指来自DCS系统的产生于实时生产过程当中的数据，此类数据往往量大、真实、频率高，系统自动采集。SIS数据包含各个过程控制系统记录下的生产实时/历史数据、SIS各应用模块通过算法分析后生成的分析数据，特点是量大、及时、刷新率高。MIS数据是全厂的管理数据，一般通过专人录入，部分来源于与SIS的接口，由于其数据组织形式与电厂的管理深度和细度相关，因此数据量、准确性、刷新率存在一定差异。

对于电厂如此庞大的数据源，需要全面、统一地对数据进行规范、分类的管理，以方便存储和检索，有效地分析数据。只有通过电厂信息化统一规划，而非单一的EAM、MIS或SIS，对所有的数据进行有效地衔接、规范地分类和仔细地分析，才能为管理者智能决策服务，才能使其变成真正有用的信息。

电厂生产过程产生的数据量十分庞大，是典型的多源异构数据。为了数据的存储、检索以及分析能够顺利进行，有必要对数据进行统一全面的梳理清洗、分类管理。这需要对电厂的信息化过程进行统一规划，使数据能够有效衔接，便于生产数据与管理数据集成，实现管控一体化的智慧化目标。

H电厂装设2×1 050 MW燃煤发电机组，机组编号为3号和4号。机组配置的锅炉为东方锅炉股份有限公司生产的超超临界参数、一次中间再热、单炉膛、平衡通风、对冲燃烧方式、固态排渣、露天布置、全钢构架的∏型变压直流锅炉。汽轮机为东汽N1050-26.25/600/600型超超临界1 050 MW汽轮机，一次中间再热、单轴、四缸四排汽、凝汽式汽轮机，从机头到机尾依次串联，一个单流高压缸、一个双流中压缸及两个双流低压缸。发电机为东方电机有限公司QFSN-1050-2-27型水氢氢冷却、自并励静止励磁发电机。主机DCS采用和利时MACS V6.5.2控制系统，输煤系统采用施耐德PLC控制系统。3号机组于2015年3月20日投入运行，4号机组于2015年4月24日投入运行。

DCS系统为杭州和利时公司生产的HOLLiAS_MACS V6控制系统。该分散控制系统包含DAS、MCS、SCS、FSSS、DEH、BPS、MEH、ECS等功能。和利时MACS-SM现场控制站集成PROFIBUS-DP现场总线技术，现场标准DP仪表设备由DPY-LINK接入上级DP总线系统，现场PA仪表设备经由DP/PA LINK接入上级DP总线系统。

DEH系统由电子控制部分和液压控制部分组成。液压部分采用了东方汽轮机有限公司生产的高压抗燃油装置，电控部分采用杭州和利时自动化有限公司的MACSV6.5.3系统，与DCS系统实现一体化控制。两部分之间通过电液伺服阀连接。电子控制部分由两个现场控制站(BTC站、BTC扩展继电器柜、ATC站)，一套工程师站和一套操作员站组成。现场控制站有两个冗余的主控单元、I/O输入输出模件、一块一次调频卡件、三块测速模件及冗余的电源模件。液压部分主要由电液转换器、高压抗燃油系统、执行机构等组成。

TSI系统采用的是美国BENTLY NEVADA公司生产的3500系列产品，系统可为往复式运动机械和旋转机械的评价提供所需信息，是一个实现了计算机化监测的振动信息系统。

辅网分散控制系统上层软件使用国产福州福大科技有限公司开发的IAP(industry automation platform，工业自动化通用技术平台)控制系统。下层使用的是欧姆龙CS1D系列PLC产品及分包的第三方设备通过光纤通信的方式构成了整个辅网分散控制系统。辅网控制系统涵盖锅炉补给水控制系统、除灰控制系统、凝结水精处理控制系统、空压机控制系统、采暖空调控制系统、制冷站控制系统、综合水泵房控制系统、雨水泵房控制系统、海水制氯控制系统、供氢系统、脱硝公用氨区系统。各辅助车间采用支持千兆以太网互为冗余的工业级交换机采用冗余的通信光纤，以星型方式接入到3、4号机组辅助车间集中控制系统的交换机进行集中监控。

智慧电厂建设的整体架构如图1所示。

4.1 全厂信息数据空间

通过基于数据空间的智慧电厂大数据平台建设，结合目前较为先进的三维定位以及生物识别技术，在园区人员监控、生产设备管控等安全管控工作中实现智能化地主动监测、主动预警。通过视频监控、传感器采集数据，分析厂区重要生产设备和重要系统的实时健康状况，实现主动故障预警。通过设备运行数据分析，提升机组设备的经济型和环保性。采集外部电力市场实时数据，将实时电价、发电成本以及当期经营情况等数据进行整体分析，帮助电厂管理层进行决策。结合电厂岗位设置，梳理业务流程，简化业务流程，使管理一体化、高效化。全厂信息数据空间的建成将推动电厂在安全、技术、质量、效益、管理等多方面迈向智能化。

图1 智慧电厂建设架构

随着大数据技术的发展，简单的数据分析已经无法满足电力企业生产运营过程中的需求，需要对更多的同源异构数据进行采集、清洗和存储，同时对一系列数据进行算法分析，才能体现智慧电厂的智能化。因此，智慧电厂建设必须通过对发电设备以及园区内部的实时信息采集，构建一体化的大数据平台，也就是全厂信息数据空间。全厂信息数据空间可以帮助电厂精确诊断设备故障、节约生产成本、提高办公效率、提升厂区安全性、协助经营决策，推动电力企业全面智慧化发展。

4.2 智慧机组系统

现有机组的运行主要存在如下问题：

1)信息简单。以测点数值形式孤立呈现，重要信息雾霾化，关联信息碎片化，报警信息泛滥化，无法快速准确地掌握运行状态的本源、故障状态的根源。

2)控制简单。以传统PID控制为主，无法满足负荷多变、煤质多变的高性能控制要求，无法提供有竞争力的电网调频调峰要求。

3)目标简单。以维持机组安全运行为主，无法实现灵活高效、安全环保等多目标优化运行，无法实现不同运行环境、运行方式与运行状态下变目标柔性运行。

4)操作人员需深度介入判断、决策，并做出相应的操作。

需要解决的问题主要如下：

1)机组能效水平提升。运行能效提升包括能效优化目标与约束条件下的运行操作参数的智能优化决策，以及多工艺系统的协同执行，这一“大闭环”控制模式实现工艺流程期望的运行优化。

2)机组运行安全提升。运行安全提升包括控制回路相关的故障诊断与容错控制，容错控制包括安全闭锁、运行方式与运行操作参数的智能优化决策，这一“大闭环”控制模式实现工艺流程在故障条件下自主处理与处于最佳安全运行模式。

3)机组运管水平提升。运管水平提升由管、监、控一体化实现，包括智能报警、机组与设备的性能计算与能损分析、机组与设备间能效对标、锅炉燃烧状态显示与分析、负荷分配、运行操作指导、控制回路状态分析、设备健康管理、定期工作、数据可视化展示，以及面向少人/无人值守的电站驾驶舱操控系统等。

智慧机组系统规划主要包括智能监测技术、智能控制和状态检修技术、智能运行技术、智能巡检技术、智能平台。通过发电设备状态智能检测与实时数据分析，辅助故障诊断，优化控制过程，实现智能控制和状态检修。通过智能运行系统，进行实时能效分析，在线优化仿真，实现自动寻优。加入机器人智能巡检，与人工巡检互相协同，降低人员压力，提升巡检效率，保证机组运行安全。

目前机组运行面临信息简单、控制简单、目标简单等问题。为解决这些问题，电厂首先需要进行智慧机组智能平台建设。智能平台包括智能计算引擎、高性能数据库、平台开放性接口、厂级网络建设、WEB发布等内容。

确定平台功能后需要对建设内容进行细分。智能监测主要包括智能监测设备、智能状态监测与分析、智能监盘、智能故障诊断；
智能控制主要包括优化控制技术、高度自动化、智能控制辅助工具。智能运行包括运行寻优、能效实时分析、动态在线仿真等；
智能检修针对不同生产场景区域的实际需要，设计场景化的解决方案，实现场景物联，并替代电厂人工的巡检工作，为以后的全厂无人化智能巡检打下坚实的基础。

4.3 智慧燃料系统

在火力发电成本中，燃料成本占比高达70%，因此，降本增效成为电厂生存发展的核心问题。考虑到燃料的规划、运输、装卸、存储、掺烧、核算等环节，燃料全过程管理系统对燃料全过程各管理环节进行无缝覆盖管理，全程监控，自动进行数据分析，极大提高了燃料管理过程能效。

堆料机的主要功能是在卸车机把煤炭卸下后将其转移至堆煤场堆存，方便后续取料机作业。堆料机一般由人工操作，由于堆料工作基本依赖堆料司机，劳动强度较大，司机疲劳时会导致操作水平下降，作业效率随之降低，且人工操作更易发生操作事故。因此，全天候、全自动的智能堆料系统能够帮助司机缓解工作疲劳，同时保障作业质量和作业效率。煤场堆取料机智能化一般从燃料运行一体化智能管控系统、机器人巡护盘料系统及堆取料机无人作业系统三方面进行优化。

4.4 智慧园区系统

目前电厂的安全监控已较为完善，但火灾报警、视界防护以及门禁报警系统产生的数据仍需进一步整合，以便火灾、安防等报警信息能有更直观的表现，方便工作人员判断情况，降低日常工作强度。安防系统的人机交互界面由三维空间全景显示及漫游构成，将视频监控、智慧门禁、火灾报警等多个系统的相关数据进行整合，实现了系统间的联动报警。厂区的建筑设施、报警点、门禁点、监控点、消防设施的位置都将在三维模型中精确定位，更加直观地标注事故地点，方便事故处理。

为了实现跨系统的信息联动，提高园区安防水平，需要将门禁、视频监控、火灾报警及三维人员定位等系统进行集合管理，集成一个统一的智慧安防平台。将门禁系统中的人员分布信息、门禁报警信息、考勤统计信息，视频监控中的周界实时监控信息，火灾报警中的温感、烟感和手报等信息进行集成分析，实时获取人员位置和历史轨迹，分析园区安全等级，协助进行园区智能管控。

从功能架构上划分，安全消防保卫集成平台可以分为4部分，即三维智能监控、视频管理、门禁管理、报警管理。

4.5 智慧管理系统

智慧管理系统分为智慧财务系统、智慧仓储系统、大客户管理系统、班组管理系统、新能源远程集控系统以及智慧食堂系统。智慧财务系统秉承“业务量化、统一平台、智能协同”的建设理念，优化财务流程、规范数据流向，实现电厂生产周期内全过程、全范围、全成本的规范化财务管理，为企业管理者提供实时、准确的财务管理信息，整体提高厂区管理水平，提升企业的经济效益；
智能仓储系统可以通过自动分拣、射频识别、光导声控等技术手段对货物的进出库、包装、分拣、存储、配送过程中的数据信息进行有效地规划控制并执行；
而大客户管理系统是由一整套管理理论、方法、技巧和控制体系组成，目的是实现企业对大客户科学与有效管理的战略管理系统；
班组信息化管理系统为的是将运行人员从低难度的重复工作中解放出来，用先进的技术提高班组效率，从而提高电厂效益；
由于新能源电站厂址分散、地处偏僻，单个场站规模较小，不利于统一管理，因此建设新能源远程集控系统有益于优化人力资源配置，整合系统资源以及提高管理效能；
智慧食堂系统的运用可以解决电厂因为日益增多的用餐员工导致的就餐结算缓慢、排队拥挤、菜品单一等现象，为员工提供更好的用餐体验以及后勤保障工作。智慧系统分布电厂方方面面，为电厂的发展提供各个层面的保障，从而进一步提升电厂效益。

相较于传统电厂，智慧电厂能在安全、环保、经济等多方面带来更高的效益。智慧安全作为智慧电厂中的一环，安全管理问题是电厂亟待解决的区域，将各种前沿技术运用到电厂中，提升电厂设备的可靠性和安全生产能力，提升人员的安全生产环境和工作效率，实现柔性化的管理，提升经济效益，实现可持续发展，是智慧电厂的终极目标，也是安全管理要做到的。安全问题的解决将带给电厂更高的效益。

智慧电厂可以通过先进的检测技术、智能算法、传感器等手段实时测量锅炉内的含氧量、温度、CO浓度等数据，自动调整燃烧参数，进行最优环保目标控制，最终达到安全环保条件下的高效率燃烧。

智能全生命周期解决方案能够带来库存的减少、设备可用性的增加、被动维修的减少，以及环境安全事件的减少，这样就能增加电厂的环保效益。

综合来看，采用智慧化建设后，日常电厂相关运行维护人员可以相对减少，检修和巡检成本将大幅度降低，简化了运行人员操作，人员成本将大幅度降低。同时由于优化汽轮机的运行方式，结合电厂通流改造技术，将大幅度降低机组热耗，极大提高机组效率。这样就使得电厂的经济效益得到提高，尤其对于发电负荷较高的电厂，经济效应将更加明显。

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