浅谈数字化电厂的设计及应用

洪来根 张祖辉

(浙江省电力设计院，浙江 杭州 310012)

浅谈数字化电厂的设计及应用

洪来根 张祖辉

(浙江省电力设计院，浙江 杭州 310012)

对发电厂数字化、信息化设计现状进行分析研究。结合先进的智能三维设计平台及已被广泛应用的IT信息技术，提出了数字化电厂设计的基本内容、数字化电厂的架构、数字化电厂功能、各系统的集成及实现数字化电厂的方法。列举了新建电厂的数字化详细设计应用，并对已建成投入商业运行的电厂进行数字化技术改造提出了建议。

数字化电厂 设计 三维 功能 集成 技术改造

0 引言

随着我国电力体制改革的深化，电力行业市场经济的逐步形成，发电企业必将加速进入信息化时代。从发电企业管控一体化模型和电厂的特征看, 数字化电厂的层次结构模型可概括为四个内容、两个支持系统。四个内容分别是电厂对象数字化、设备运行数字化、过程控制数字化和生产管理、经营决策数字化，两个支持系统是数据库支持系统和计算机网络支持系统。但从一个电厂的全寿命周期来看，数字化电厂应包括项目前期、设计、采购、建设、调试、运行、检修和维护、改造直至退役整个过程。因此电厂数字化也应是整个电厂生命周期的数字化。而最重要的是应建立电厂的数字模型，并在此模型基础上，充分利用系统集成、专家系统、虚拟现实等现代信息处理和通信技术、智能控制和管理决策技术，实现电厂管控真正意义上的信息化、智能化，最大限度地达到电厂安全、高效、环保运行的状态。

1 数字化电厂构成

1.1 数字化电厂内容

数字化电厂主要包括了以下几方面的内容。

(1)电厂对象数字化：以工程对象为核心，将贯穿电厂全寿命周期内的三维模型、二维系统和各设备资料、成品文件等进行有机联系，形成统一的数字化信息。

(2)设备和装置数字化：采用现场总线技术、智能型仪表、智能化执行机构、具有通信接口的电气微机保护和配电装置等，实现设备和装置的数字化。

(3)过程控制数字化：厂级和机组(车间)级的过程控制数字化(SIS、DCS、NCS、PLC等控制系统)。

(4)生产管理和经营决策数字化：各种业务处理和运行操作数字化，对各种基础数据进行综合加工，生成各方面管理需要的信息，对各种管理信息的挖掘和分析生成经营决策信息。

1.2 数字化电厂构架

数字化电厂建设运用智能的三维建模技术和开放的数据集成技术，基于三维智能虚拟现实模型，以基础设备数字化、生产过程数字化、生产管理数字化为基础，搭建统一的数字化电厂管理平台；制定工厂数据资产收集、整理、移交、存储、利用规范，集成分散在各应用系统中的设计、设备、生产、质量、安全、环保等业务数据，实现三维智能模型与生产、运营、经营业务融合；提升管理业务的直观性、准确性、智能性和协同性，实现管理和决策业务的可管、可视。

数字化电厂系统构架主要分三层。

(1) 数据和信息网络构架层。设计人员采集各类工程数据(包括二、三维设计模型、施工图纸、设备资料等)、基建信息(包括采购、监造、安装、调试等资料)和运行信息(通过DCS、现场总线等采集现场设备运行信息)等数据，并以三维模型数据为中心，实现各数据库以工程对象为核心的数字化关联。

三维数字化电厂涉及到的数据有：工程设计、基建、技改变更、运行维护各个阶段的信息。如来自于外部的3D模型、2D图纸、GIS信息、档案管理系统中的图文档资料、实施数据库信息、设备管理信息、MIS/ERP信息等。数据分为静态数据和动态数据两类。工程数据为静态数据，而生产管理数据为动态数据。

(2) 数字化信息集成平台层。数字化电厂信息系统主要包括数字化移交系统、生产控制系统、生产(基建)管理系统、ERP管理系统、行政办公和文档管理系统和安防系统等。各系统间以数字化模型为核心，建立相互间的关联，实现数据互通。

(3) 数字化电厂应用层。通过数字化信息的集成和互通，各用户通过门户系统，依据不同用户不同权限的控制，实现电厂数字化生产、维护、决策等工作，其主要体现在：生产控制系统、生产(基建)管理系统、ERP管理系统、安防监控系统、可视化三维虚拟系统、数字化档案系统、数字化巡检系统等。

1.3 数字化电厂配置

数字化电厂是一个系统工程，涵盖了电厂的全寿命周期的管理，包含电厂运行、维护和管理工作。根据数字化电厂架构，其主要配置如下。

(1) 网络及网络设备：网络以万兆以太网为主干，千兆到桌面设备的高速连接覆盖全厂范围的局域网，星型拓扑结构。网络设备包括核心交换机、接入交换机、用于无线组网的无线AP、路由器、防火墙、网络隔离设备、入侵检测及防御设备、VPN设备等。

(2) 服务器：关系数据库服务器、实时数据库服务器、应用服务器，采用虚拟技术实现虚拟服务器配置。

(3) 数据库和数据仓库：包括实时数据库和关系数据库，以及用于存放面向数据主题的结构化数据仓库。

(4) 存储系统：由存储区域网络(storage area network，SAN)交换和SAN存储阵列构建的SAN光纤存储系统。

(5) 备份系统：硬件由虚拟磁带库(磁盘阵列)构成，包括相应的专用备份软件。

(6) 系统软件：防病毒软件、网管软件、邮件系统软件、数字化移交软件、上网行为管理软件等。

(7) 应用软件：由模块化的应用系统和一些独立子系统构成，实现电厂生产、安防、经营、设备、办公、门户等应用功能，以及决策支持和其他高级应用功能。

(8) 三维虚拟投影设施和软件：实现数字化三维虚拟场景，包括多通道3D立体数据处理设备、3D工程投影机、金属硬幕、音响系统、立体偏振眼镜等设备和软件平台。

(9) 数字化移交系统：以工程对象为核心，涵盖设计、基建和运行等阶段的各种信息，是数字化电厂的核心。

(10) 接口：与控制系统的接口、与上级管理部门的接口、与Internet的接口、各应用系统软件与数字化移交系统的接口。

(11) 工作站：根据应用配置的功能站、面向桌面的台式机、移动工作所需的便携式微机及相应的外设等。

2 新建电厂的数字化设计及应用

2.1 数字化电厂的创建

数字化电厂是对实际电厂的客观描述，它覆盖电厂的整个生命周期，可确保主要的工程文件及信息得到有效维护，提供一个使物理电厂效益最大化的管理工具。同时，它可显著降低数据的重复和冗余，节约数据查询时间，提高管理效率。数字化电厂创建的基本工作内容如下。

(1)从项目开始就建立统一的电厂标志系统，通过数据仓库平台，将工程公司和工程企业提供的信息有效地传递给相应的采购、建设部门，实现运营维护。

(2) 电厂的设计以三维工厂设计系统为核心设计手段，通过网络技术对电厂进行数字化协同设计，确保在正确的时间、正确的地点提供正确的信息。

(3)采用全球一体化工程协同设计、有效控制版本和相应的工作流，集中控制管理所有技术文件和图纸的出版和升级，使得设计的知识和成果完整地保留在统一的中心数据库中。

(4) 通过集成业主及所有电厂承包商的工程管理和运行管理系统，将现场的进度以及现场的建造和安装、调试以及质量控制信息集中管理，实现数字化管理和知识积累。

(5)随着工程的进展，不断积累数据并保持数据的一致性，建立标准化的模型、数据、图纸、文件。工程建成后，即可最终提交给业主包含电厂运行、维护所需的数据，用于今后电厂的运行、维护管理。

2.2 数字化电厂的功能

通过数字化平台系统和自行开发的系统，可实现以下几方面应用。

(1)提升企业形象、提高管理水平。作为新型的发电厂，利用信息技术对电厂的运营维护提供精确、及时、完整的了解，包括设备和系统的各种工艺属性、几何和布置属性，以及其他有关设备运行、维修和安全的信息，特别是地下隐蔽工程的查询，更加直观准确。

(2)关联的数据统一且准确。数字化电厂是以工程对象为核心进行数据的关联，实现二维系统图、三维模型、厂家设备资料、施工图、数据表等进行高效连接，并能及时更新全厂信息，确保数据的统一和完整。特别是在建设期，由于建设方多，管理标准不一致，通过数字化电厂的管理平台，有效统一各方管理标准，采用统一编码，避免数据的冗余和不一致。

数字化电厂平台能够集成来自工厂全生命周期的数据，其中包括：设计阶段的2D/3D图文档数据资料、建造阶段的施工文件、设备文档，以及运维阶段的来自ERP、实时数据库、EAM等系统的信息。

建立资料之间的网状关联关系和索引，完善版本管理，为资料的高效查询、使用、检索奠定基础。平台在处理数据时，能够提取模型、图纸和文档中的位号，并能够自动建立对象之间的关联关系。

(3)现场信息的实时采集和监控。对于业主来说，能否在生产中提高生产力是数字化电厂是否有生命力的标志。数字化电厂有四个层次的数字化，现场运行信息通过DCS、PLC、NCS等系统进行采集，并与工程对象进行关联，可以大大提高信息的可读性和分析性，实现大量关联信息的高速查询，有助于事故的快速分析和解决。

(4)事故分析和救援指挥。事故发生时，浓烟、毒气和大火使得现场无法靠近和查看。而通过数字化电厂可以快速找到准确的事故点、相应的处理方案和撤离路线，指导救援工作的开展。同时通过GPS设备传递过来的“个人实时位置信息”，了解每个人在工厂中的真实位置，方便救援指挥。

(5)可视化培训。特别是在电厂尚未建成之时，通过数字模型形象逼真地显示厂房布置和设备结构，直观了解电厂建成后的情况，在基于真实的企业环境三维模型平台上内置各种培训演练内容和方式，提高培训演练的真实性和有效性，减少培训演练成本，适应不同岗位和工种需求。

(6)全生命周期的数字化管理。在电厂运行过程中，利用三维设计集成系统，以项目设计、建设期间生成的完整数据库为核心，对电厂设备、材料、备品/备件等进行项目全生命周期管理。

(7)维修方案和计划。在维修/大修过程中，利用三维系统来进行有效准确的维修路径规划并验证维修方案的可行性及计划合理性，提高维修效率，降低维修成本，缩短维修时间。根据设备的维修程序，仿真各部件的拆卸过程，并进行设备的空间布置管理，提高维修人员的熟练程度，减少工作中的失误并缩短工期。

(8)三维虚拟展示。虚拟现实技术(virtual reality,V+R)是20世纪末兴起的一门崭新的综合性信息技术，它融合了数字图像处理、计算机图形学、多媒体技术、传感器技术等多个信息技术分支。利用计算机生成一个逼真的三维虚拟环境，通过自然技能使用传感设备以及与之相互作用的新技术。与传统的模拟技术完全不同，V+R是将模拟环境、视景系统和仿真系统三合为一，并利用头盔显示器、图形眼镜、数据服、立体声耳机、数据手套及脚踏板等传感装置。由于生成的视觉环境是立体的、音效是立体的，因此人机交互和谐友好。

(9)智能终端巡检。采用平板便携技术，通过现场设备二维码的扫描，采集现场设备运行信息，实现现场巡检的需要。根据维修工作单，自动在三维模型上显示工作单工作对象的物理位置。操作人员手持智能终端就可以在电厂追踪工作对象，并显示自己实际所处的位置。在手持设备上可直接查看这个设备或管道的相关信息。

(10)快速信息交流、实时审查。在设计阶段电厂非常关心的一项就是设计院和设备厂家的资料和图纸的提交进度和管理。利用数字化电厂平台，及时把电厂设计阶段的资料和图纸实时传递和反馈给业主方。系统能够有效管理这些资料和图纸，控制图纸的版本和设计的变更。

(11)优化施工工序，动态模拟施工进度。在电厂施工过程中，与Project、P3E等项目管理软件链接，实现施工计划、安装的动态模拟，以时间为轴、空间为轨迹，将三维空间的实体按照时间顺序显示，直观明了地表示出各个时间点上完成和未完成的工作，实现项目的全过程模拟。另外，借助三维数字化电厂平台，提供一个从设计到施工不间断的、完善的交互式信息服务，能使项目部直观地理解设计意图，从而直观地指导施工，进而保证施工的质量。

(12)数字化移交。在设计、采购、建设阶段所形成的工程信息和数据，以数字化方式，借助数字化移交平台分阶段进行移交，以满足各阶段间相互的业务需求。数字化电厂移交的内容主要包括工程文件、工程模型和工程数据。

3 对已建成电厂的数字化改造

对已建成投产的大型电厂的数字化进行设计改造，根据各个企业的具体情况，首先要做好顶层设计，统一规划，结合项目的大/小修计划，分步实施。

(1)做好基础工作，全面了解电厂的实际现状。目前已投入商业运行的电厂，基本上均设有MIS、SIS、DCS、NCS等数字化生产及管理系统，有些电厂还采用了现场总线控制系统。但不同的企业集团有不同的管理模式，所采用的系统平台及应用软件有所不同，加之对电厂系统及设备的维修改造，与原设计已存在较大的差异。因此，全面深入了解电厂的实际现状非常重要。

(2)统一规划。在全面了解的基础上，提出数字化电厂改造的总体规划，包括采用合适的、统一的和相互兼容的数字化平台，网络架构的建立，物理电厂模型的建立，各类数据流的整合及具体实施计划等。

(3)分步实施。首先收集投运以后各类系统和设备的检修维护资料，供设计单位建模及数据的录入；在各种大/小修期间逐步完善各方面的数字化的基础工作，如采用现场总线技术，智能型仪表、智能化执行机构、具有通信接口的电气微机保护和配电装置等。

(4)建立数字化模型，创建和完善网络架构，进行各类系统的集成，实现真正管控一体化的数字化电厂。

4 结束语

数字化电厂的设计是一项复杂的系统工程，尤其是对已建成投产的大型电厂的数字化设计改造，受各种因素的限制，创建过程则更为复杂。目前国内还没有真正意义上的数字化电厂，因此，数字化电厂的创建必将使发电企业加速进入信息化时代，实现生产过程高度自动化和管理现代化质的飞跃。

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[3] 周四维，李忠炳，张晋宾.数字化电厂的概念及实施[J].上海电力学院学报，2014(3):208-212.

国家863高技术研究发展计划基金资助项目(编号：2015AA043901-01)。

修改稿收到日期：2015-04-28。

第一作者尚文利(1974-)，男，2005年毕业于中国科学院沈阳自动化研究所机械电子工程专业，获博士学位，副研究员；主要从事计算智能与机器学习、工业信息安全方面的研究。

Primarily Discussion of the Design and Application of Digitized Power Plant

The current status of digitizing and information design for power plants is analyzed and researched. Combining with the advanced intelligent three-dimensional design platform and the widely used information technology, the basic contents of designing digitized power plant, the architecture of digitized power plant, the functions of digitized power plant, the integration of various systems, and the method of implementing digitized power plant are proposed. The detail digitizing design application of the new built power plants is listed, and the suggestions for digitized technological transformation of the power plants that have been completed and put into commercial operation are given.

Digitized power plant Design Three-dimensional Function Integration Technical transformation

洪来根(1956-),男，1978年毕业于华北电力大学热工自动化专业，高级工程师；主要从事发电厂自动化设计研究。

TP23+.3

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201510014

修改稿收到日期：2015-04-24。