数字化电厂的发展现状及向智能化电厂发展的展望

2018-07-05陈思全左华京

沈阳工程学院学报（自然科学版） 2018年2期

陈思全，左华京

(中国电力工程顾问集团华北电力设计院有限公司发电工程事业部，北京 100120)

随着通信技术、计算技术和传感器技术的飞速发展,数字化电厂早已正式进入实施阶段，但数字化电厂的概念及发展至今无章可循，在数字化电厂发展方兴未艾之际，智能化电厂依附工业4.0等概念悄然进入公众视野。

1 数字化电厂的发展现状

2000年以来，数字化电厂的概念开始引入中国，国内陆续有研究机构发表了数字化电厂的研究报告。近几年新建的电厂均部分应用了现场总线技术(如2012年新建的内蒙古康巴什热电厂、2014年新建的神华神晥安庆电厂和重庆神华万州电厂、2016年新建的大唐三门峡电厂)，现如今全厂现场总线也在各个项目中使用。作为数字化电厂的前提条件，现场总线的大量使用预示着国内在数字化电厂方面已经取得了长足的进步，但仍停留在数字化电厂的起步阶段，即设备级信息的数字化(大数据)。长此以往产生了非常多的信息孤岛现象，大部分的电厂对电力系统的管理部分只使用过有限的几次，投产后由于二次开发设备的不完善等原因空有一堆数据，无法有效利用，只有极少电厂真正实现部分管理等方面的数字化。由此可知，国内的数字化电厂的研究还仅仅停留于基础阶段，目前国内数字化电厂的建设中往往只体现了某一部分的数字化，数字化的理论研究存在着边界模糊、无理可依、层次不清等现象，距离数字化电厂还有一定距离：某些人认为数字化电厂现场级设备全面应用了总线技术和智能仪表，又有人认为电厂的数字化设计加数字化移交便可称之为数字化电厂，更有人认为数字化电厂就是厂级运行管理系统的数字化。因此，对于数字化电厂的建设至今还没有统一的标准或技术规范，对其概念的理解更是千差万别，导致南辕北辙的矛盾现象出现在了数字化电厂的建设中[1-2]。

真正意义上的数字化电厂是指在整个电厂的生命周期中，能够实施完整的数字化设计、数字化采购、数字化工程建设以及数字化移交，同时现场级设备采用智能化、数字化的设备，保证电厂所有信息的数字化，能够利用可靠的实时共享和信息交换技术上传到智能控制软件中，并对智能管理软件的镜像服务器进行数据共享，能够进行各种智能控制优化和智能决策支持，能为整个机组安全稳定地运行提供科学指导。

经过长时间的经验积累，虽然我国火力发电厂实现了不同程度的数字化，但数字化的程度与数字化的定义与当今世界发达国家的广泛认知还存在相当大的差距，主要反映在以下几个方面：

1)现场级设备的数字化和智能化程度不足

大量的现场级设备仍采用传统硬接线形式的模拟信号或开关信号进行控制，数字化及智能化程度低，且施工周期长、维护成本高。

2)数据的利用不充分

随着现场级设备上传的数据陡增，网络容量不足，造成了网络堵塞，导致大量实时信息无法及时有效地上传到监控层和管理层，制约了二次开发软件的应用。

3)数据挖掘的深度广度不够，信息孤岛现象严重

大量的数据缺乏整合，导致数据极其分散，信息孤岛情况严重，管理人员无法从中得到有价值的信息，更无法做出有效的决策。

建设真正意义上的数字化电厂，当前首要任务还是在现场设备层广泛地采用数字化、智能化设备，积极稳健的推行FCS技术。只有当设备层实时有效地上传大量数字化信息到控制层、生产层、管理层和经营层时，才能使上层的二次开发软件与各种决策分析系统得到更全面广泛的应用。数字化电厂是智能化电厂的基础，而智能化电厂则是数字化电厂的完善、丰富和发展。随着先进的技术不断与数字化电厂融合，数字化电厂势必会朝着智能电厂方向转型[3]。

2 智能电厂的展望

2.1 概述

在当前数字化电厂建设方兴未艾之际，“智能化”的概念在工业领域逐渐兴起。2016年以后，以中国自动化学会发电自动化专业委员会组织编制的《智能电厂技术发展纲要》为起点，随着国家在互联网+工业概念上的不断重视,公布了“中国制造2025”国家战略。具体到电力行业，我国正在积极推动的“能源互联网”建设也促使作为整个能源生产消费环节起始地位的发电厂，不断进行技术升级，以适应新的能源行业发展形势。

从外因看,中国多煤，贫油，少气,水电开发周期长，核电不稳定，新能源概念化，火电依旧占比60%以上，承担国内电力供应的重担依旧落在传统电厂，发展步入新常态，两化要深度融合。电力企业迫切需要改变粗放型管理模式，推进制度、管理、科技创新，培育新成长优势，提升管控力度，降本增效，提高企业管理水平和核心竞争力。国家要求环境与经济两手都要抓，两手都要硬。双重压力下，聚焦现有电厂升级改造，智慧电厂的兴起既顺应时代发展，又是传统电力企业自我变革的必经之路。

从内因看，发电企业自身为了在愈趋激烈的市场竞争下占据有利位置，也亟待通过智能化建设打破电厂传统的信息孤岛壁垒，提高整个电厂的管理水平，通过智能优化控制提升发电机组灵活性及运行效率，通过多种智能化手段提高电厂的监控管理水平，最终实现企业整体经济效益的提升。因此，从数字化电厂向智能化电厂的跨越式发展，是现代化电厂建设与发展的必然趋势。

2.2 智能电厂的概念和定位

电厂发展智能化，首先应该明确智能电厂的定位。现代智能电厂的建设，应该纳入到整个能源互联网体系之中，对于智能电厂的定位，应是立足于智能电网的整体架构。图1为国际电工委员会IEC发布的智能电网与工业设施的系统接口图，从图中可以直观的看出，在智能电网体系中，从发电厂一直到终端用户整个输配电过程中的所有节点之间，都是电力流和信息流双向流通的，而在双向信息流之中，承载了电力交易信息的业务流。因此，智能化电厂的建设，重点应是基于智能电网信息流、业务流的发展需要，让智能电厂与智能电网更好地匹配适应、更贴切地交互融合，并且在未来电力市场交易中利用科学的智能化方法为自身争取到更大的效益。

所谓智能电厂(Smart Power Plant，SPP)是指在广泛采用现代数字信息处理和通信技术基础上，集成智能的传感与执行、控制和管理等技术，达到更安全、高效、环保运行，与智能电网相互协调的发电厂，是在常规数字化电厂的基础上，进一步实现物理信息的交互融合，即通过信息化、网络化技术实现全厂范围各控制系统、控制设备、检测仪表传感器、生产与安防监控系统之间的互联互通，通过虚拟化技术实现电厂的三维虚拟可视化，并在上述两方面底层技术基础上，综合运用大数据、智能优化控制、智能决策支持等智能化技术手段，最终实现电厂全生命周期内的企业资产最优分配、生产质量最优控制、经济效益与社会效益。概括起来，标准的智能电厂具有5大特点：始于感知、精于计算、巧于决策、勤于执行、善于学习[4]。

图1 智能电网与工业设施的系统接口

2.3 智能电厂的发展及趋势

对于智能电厂的发展预测会经过以下3个阶段：

第1阶段：大量的新建及投运电厂在现场级设备中大量采用智能化的设备，在此阶段各种智能化设备百家争鸣，电厂的数字化信息量提升到新的高度。

在此基础上建立厂级云计算中心。云数据中心是智能化电厂的支撑平台，可靠高效的数据中心是确保电厂各业务系统正常运转的核心基础设施之一。云数据中心是智能化电厂的网络控制中心、安全监控中心、数据管理中心、应用服务中心。数据中心包括机房、网络、支撑平台、数据、应用等内容。

根据云数据中心提供的数据，建立大数据存储与数据分析系统，通过对已有的数据(静态数据、动态数据、结构化及非结构化数据等)进行分析，寻找各独立的数据之间的相互关系，建立各类数据之间的评价体系，预测电厂设备、工艺系统、优化方式的优化趋势和劣化趋势，从而提出优化建议或预测性报警[4]。

通过整合电厂管理信息系统各模块功能形成一体化的智慧管理平台，该平台首先建立在底层数据中心基础上，整合了常规电厂管理信息系统的生产运营常规管理、资产管理、人力和财务管理等，并进行丰富与扩充，增加了生产运营优化管理系统、智能设备管理系统、在线仿真系统等智能管理模块，最终向决策支持系统提供决策支持信息，从而提高电厂管理系统的智能化水平。平台中的特色管理功能主要包括资产管理、故障预警与诊断分析以及决策支持系统等。

该阶段以满足电厂自身需求为目标，充分整合各类新型技术，将电厂打造为高效、环保、先进的智能电厂个体。

第2阶段：经过第1阶段的实践，智能电厂作为一个个体存在，通过各种优化模块及先进的技术已经取得了长足的进步，人工智能深度学习软件在不断地模仿各类运行工况中总结经验，修正、优化、完善各类控制算法，降低了电厂的煤耗、厂用电率等一系列重要的经济性指标。在这阶段，电厂的运行模式得到了极大的增强，通过长时间的深度学习，电厂的人工智能控制已经逐步取代运行人员，常规运行操作人员已经缩减至有限的几人。

此外，各大发电集团对于旗下的智能电厂的发展现状有了统一的认识，并逐步建立完善智能电厂的管理制度，统一各智能电厂重要系统的软硬件，并在集团内部建立更快、更强的云计算中心和大数据存储分析系统，对各厂的工况进行深度模拟学习，比对各厂的运行情况，分析海量的数据来建立更优化的算法和更精确的电厂数学模型，并将这些优化信息不断传送到厂级管理决策系统，更好地为各厂服务，真正实现了由集团指挥厂的协调运行功能，为后续电厂作为能源互联网的一个节点接入能源互联网提供先决条件。

第3阶段：经过前2个阶段的发展和完善，电厂作为能源互联网上的一个节点，应真正融入智能电网中，通过各集团公司统一门户网站与智能电网更好地匹配适应，借助电力交易平台实现竞价上网，多元化的售电主体将向社会资本敞开电力配售市场窗口。市场竞争的加剧，将更加有益于完善电力市场秩序，更好地为用电客户服务。在此阶段后期，智能电厂通过人工智能深度学习软件模拟了大量运行及检修人员的多年从业经验，发展出类似于人类思维的智慧，为实现智能电厂向智慧电厂的升级打下基础。