浅谈基于工程数字化技术的电厂智能化管理系统

曹慧文 张婷

【摘 要】文章对基于工程数字化设计技术的电厂智能化管理系统的研究和开发情况进行了介绍，包括系统建设目标、研究思路，说明了系统的主要功能，针对不同的项目情况，提出了建议的实施路线。

【关键词】发电工程;数字化;智慧电厂;管理系统

【中图分类号】TM621 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2020）12-0050-03

0 引言

随着计算机技术的高速发展及发电行业对安全、经济运维水平要求的不断提高，发电厂对业务及设备智能化管理的要求也在不断提高。

面对能源优化配置的新要求，“电厂智能化”已不单纯是一个概念上的问题，电厂智能化管理系统的建设要充分了解国家各项政策，全面审視国内外的宏观发展环境，不断进行技术革新，大力应用智能化技术提高电厂管控水平，解决目前电厂面临的各类问题，同时要积极学习和借鉴国内外已建立智能化管理系统电厂的成功经验，建成电厂智能化管理系统，确保电力企业在新形势、新技术、新管理、新挑战、新机遇背景下创造更大价值。

1 电厂智能化管理系统建设目标

电厂智能化管理系统，就是在工程数字化基础上，利用过程控制系统积累的过程大数据，通过智能化硬件和网络，基于信息物理系统（Cyber Phsical System，CPS）实现设备、数据、控制系统之间的横向和纵向，以及端到端的集成整合，实现控制过程的智能化，达到人机互联、自动识别、实时感知与智能控制;并在此基础上运用信息和通信技术（Information and Communication Technology，ICT）实现电厂发电生产管理过程的智能作业，保证作业安全;利用各类大数据算法对电厂系统和设备运行过程产生的大数据进行智能分析，在传统的设备监视功能的基础上发展到实现设备诊断、故障预测及控制干预，最终实现状态检修;通过对各类型生产、经营数据的大数据集成分析，为实时决策提供数据支撑;通过建立各类设备故障问题库、维修方法知识库、远程诊断专家库，实现精益生产;最终形成一套智能化的管控系统，实现电厂的智能高效管理。

2 电厂智能化管理系统建设总体思路

以工程数字化设计为基础，结合先进、成熟的企业管理理念，以经济效益为中心、以生产管理为主线、以设备管控为重点，融合嵌入式系统、物联网、传感器、云计算、移动应用、大数据等新一代信息技术，以数字化和信息化对电厂进行全生命周期管理。在此基础上，实现设备的智能控制和系统运行优化，基于大数据的计算模型可以对设备异常进行预判、报警，甚至自动控制和调整;实现管理的智能决策，通过大数据平台，应用决策支持系统，对信息资源进行分析和提炼，挖掘数据中的“隐性知识”，帮助解决复杂的决策问题。

3 电厂智能化管理系统功能

基于先进的设备和控制系统，在常规SIS、MIS的基础上，在智能智慧管控上出重拳，通过全过程数字化移交、人员定位、三维建模、虚拟仿真、大数据分析、人工智能和移动互联网技术实现了高度智能的管控一体化平台。系统主要功能包括以下几个方面。

3.1 三维虚拟电厂和数字化移交

工程数字化是实现智能化的前提，通过工程数字化技术实现电厂物理对象的数字化，例如设备或设施的三维模型、空间信息、数字化参数等。

智慧电厂的数据积累始于设计阶段，在建设物理电厂之前构建虚拟电厂，通过仿真对工艺系统、设备选型进行优化，避免投产后的技术改造，优化电厂投资。

设计院负责电厂的数字化设计，形成包括工艺、结构、电气等多专业的全息数据模型。在电厂设计阶段，依托数据模型进行碰撞检测，避免返工;实现精细化设计，精准控制材料数量，节省投资，降低造价。虚拟电厂还是“互联网+安全生产管理系统”的基础，传承设计院三维设计成果。

基于资产全生命周期管理，将电厂设计期、基建期及建成后的运维数据文档资料放入系统中，与电厂三维模型建立关联，快速定位三维模型，并查阅各种技术资料。支持的文档格式有Office文档、PDF文档、图片、视频等。实现了工程全过程的数字化移交。

3.2 一体化工程编码

通过建立统一的电厂标识系统，实现工程从设计、采购、施工到运行维护的一体化，可以减少沟通联络过程中数据传递不一致带来的麻烦。对电厂所有对象进行统一编码的过程也是实现电厂所有设备、仪表、阀门等对象数字化的过程，这是实现基于工程数字化技术的电厂智能化系统建设的基础。

由于编码与编码库是组织信息和实现集成的关键，因此需要整合目前较为分散的编码标准，建立一套统一的符合工程设计、项目管理和生产运维要求的企业编码体系和编码规则，统一工程标识编码，建设工程材料编码，促进应用系统的集成和深化应用，消除信息孤岛。

为满足数字化电厂运行和管理对设备编码的要求，结合《电厂标识系统编码标准》（GB/T 50549—2010），我们编写了《发电工程KKS编码实施细则》，对电厂所有系统和设备元件进行详细的编码。KKS标识系统是针对电厂设备的工艺工程、相关位置、安装地点等特征相关的编码，它难以被应用到需要表征物性特点的物资编码中，所以需要进行物资编码，我们以《电力行业物资编码》为基准，细化了物资编码规则，在部件级做了必要的扩展，形成自身的物资编码体系。

3.3 基于CPS的三维智能主动安全管理

电厂的安全管控主要包括设备安全和人员安全两个方面。目前，电厂设备都已经实现了数字化、自动化和信息化，对于设备的安全管控在手段和机制上已经比较成熟。但是人员安全管控一直没有突破，目前人员安全管控仍然是离线的、被动的和不可控的状态，安全管理仍然采用以下方式：高度依赖于制度的培训和宣贯;高度依赖临场人员的经验、自觉性、甚至精神状态;管理手段主要是反复强调，以及极低比例的现场抽查;无法做到每个点都安装门禁，无法控制人员流动;无法实时阻止错误人员在错误的时间出现在错误的位置。

之所以保持这样的状态是因为缺少有效的手段为现场人员提供过程实时安全保障。只有将现场环境、设备对象、人员任务和位置、工器具、相关的安全措施和危险点等信息实时有机地融合为一体，才能为人员提供实时、有效、有针对性的安全保障。

通过利用电厂三维虚拟模型，应用高精度定位技术、视频识别技术、无线通信技术，集成各类设备台账、运行过程实时数据、工作票、操作票、巡检系统等一系列设备运行和生产管理数据，可以建设一个与电厂真实生产场景和生产流程完全一致的虚拟系统（CPS）。在虚拟系统中可以加入各类的安全数据，保证各类生产过程的安全可控。

此外，CPS平台不仅能够实现主动安全防控，三维平台更是一个生产管理业务的统一前端入口，包括但不限于设备台账查询和维护、缺陷登记、两票管理、物资申请、巡点检任务下达等功能都可以在三维虚拟电厂模型中发起。主动安全在整个厂级应用体系架构作为安全主线为生产人员提供安全保障。

3.4 以可靠性為中心的设备维修管理（RCM）

目前，集团各个电厂设备管理主要基于专家经验和传统的定检定修模式，在电力市场竞争激烈的环境下，这种管理模式带来了巨大检维修资源和成本的浪费。更严重的是，基于这种传统的管理模式，企业的数字化和智能化基础薄弱，无法实现工业4.0科技时代下，向数字化和智能化电厂的转型。RCM设备优化管理是突破以上两个困境的核心技术体系。

RCM设备优化管理，从管理角度看，结构化了整个企业资产管理的数字化，使得多个IT系统的分散数据，能够统一在同一平台，实现设备管理的“三预”（预测、预知、预防），在这个数字化的基础上，应用多种算法，提供设备管理专家和管理者需要的决策信息。从社会经济角度讲，RCM设备优化管理体系，将集团公司对国家、社会、民众、股东承诺的设备资产安全运营、环保为重和实现高经济效益等多个经营目标，通过一套“RAM+RCM”的软件平台，转化成每类设备和每套机组的设备管理检测和维修策略，提升了企业抗风险能力，同时通过提升设备检测和维修的有效率，也提升了设备检测和维修的投资回报。从技术角度来看，随时间变化，设备健康状态在变化，RCM是以设备健康状态为中心，对设备管理检测和维修计划和点巡检任务进行优化，智能地推荐可能的故障模式和原因，发现设备管理的薄弱环节，减少备品备件的积压，实现基于设备状态的维修维护。

3.5 基于状态监测的设备智能故障预警

设备智能故障预警以人工智能诊断技术为基础，以高水平诊断专家库为依托，实现发电厂系统级、设备级、部件级的故障预警分析，及早发现设备及部件可能存在的潜在故障信息，为运行、检修专业人员提供安全早期报警，为检修人员确定必要的检修措施赢得时间，实现潜在故障的事前预防处理，将传统被动故障事后处理改为事先主动预防控制，防止非停事故发生。系统应包含数据管理、模型创建及训练、趋势预警、集中预警信息处理等功能，所有功能模块及应用基于统一的系统软件平台进行开发配置，采用B/S架构，用户数应能满足公司的管理需求，尤其在多用户并发访问应用时，应用系统框架应具备良好的稳定性，业务必须保持正确性。

该系统应充分利用大数据、人工智能等数字化新兴技术。在建模方式上提供丰富的机器学习算法，保证系统的领先性与实用性。

3.6 智能培训

基于三维技术和虚拟现实技术的仿真培训，学员可以在逼真的仿真环境中进行与现场几乎完全一样的操作，达到事半功倍的培训效果。此外，发挥培训平台中的模型开放性和扩展性，可以在培训中心建立更多机组类型和设备的仿真机，让更多学员在身临其境的仿真环境中获得专业提升和经验积累。本规划分别从检修、运行和“两票”培训3个角度提供了智能培训方面的建设思路。

基于虚拟现实火力发电机组设备检修工艺培训，能够实现智能培训考核及机组设备检修工艺的规范化、标准化管理，并保留传统的培训考核功能。基于虚拟现实技术，可以利用软件技术和平台给受培训人员提供逼真的检修环境，降低使用实际系统进行培训的硬件基础和费用。

3.7 移动一体化平台

移动一体化平台是电厂一体化管控智能平台管理系统建设的内容之一，是将一体化平台系统功能从桌面工作台延伸到移动端，将系统的工作任务、通知公告推送到移动端，方便相关人员及时处理工作和接收通知。手机的便携性使移动工作台更贴近使用者，第一时间以提示消息的方式提醒用户最新的工作任务和待办事项。信息中心集中个人所有正在处理中的未完成业务和尚未开始的业务，方便用户有序地管理工作进程。移动待办也为移动审批业务提供提醒支持，主动提示最新需要处理的审批业务，促进各级审批流程更快地推进。通过进行专业化的开发，可以覆盖所有重要的需要移动化的业务点。

4 实施路线

在晋能电力集团进行统一规划和部署下，为了充分发挥集团的资源优势，同时兼顾各电厂的业务特点，建议电厂智能化工作遵循以下的实施路线。

（1）集团级平台应用和厂级应用同步建设。在集团统一规划框架下，集团级智能化平台和厂级智能化平台建设可以同步建设实施，以便固化和细化整体规划的各项标准和规范，在建设过程中不断完善数据标准，实现信息纵向集成和横向一体化、业务流程实现全面贯通。

（2）上下协调、齐心协力、分步实施、持续优化。集团级智能化平台建设要基于电力集团级应用系统现有的信息化建设现状，采用逐步过渡的方式升级到统一的集团大数据平台中;各电厂可根据实际情况选择不同的子项目分步开展建设，并在不违反整体规划的前提下体现一定的电厂个性和特色，更好地满足电厂级的各项工作需求。

（3）厂级建设的实施建议：集团统一规划的智能化管理系统架构及功能应用。对于正处于基建期的新建电厂，要统一按集团规划标准开展智能化立项和建设;对于基建已完成新投运的电厂并已经实施信息化相关系统建设的电厂，需对照集团整体规划，将现有系统升级达到规划中的厂级建设基本要求，同时能够满足集团规划中的标准化的相关规范要求;对于已经具有信息化基础且运行期在2～10年的电厂，需要参照规划选择重要模块有侧重地逐步改造和更新，以最终达到集团规划的统一标准。

目前，系统的规划和方案设计工作已经完成，下一步将在试点工程中全面开展项目实施工作。

5 结语

电厂智能化管理系统是电厂向信息化、智能化发展的必然阶段。通过建设电厂智能化管理系统，利用设备智能监控技术和智能化的网络技术实现电厂运行过程的数据集成和智能处理，实现运行流程可视化、实现生产过程高度自控，并避免和减少了人工干预，从而构建一个高效节能的、运行优化的、环境舒适的人性化智能电厂。智能化管理系统的建设可以使电厂运行更安全、更高效、更绿色、更经济，必将在电厂生产运维中发挥越来越重要的作用。

参 考 文 献

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