智慧电厂关键技术发展现状及发展趋势

2020-12-11叶康利

今日自动化 2020年5期

叶康利

[摘要]发电厂作为能源系统的重要组成部分，信息技术和智能化程度都很高。融合大數据和云技术等现代信息技术的智慧电厂将是发电厂未来发展的重要方向。基于先进技术和设备的智慧电厂具有信息采集、汇总、分类、分析等功能，不仅可以实现生产现场无人化，还可以数据共享、远程专家诊断等功能。本文探讨了智慧电厂关键技术目前的发展现状和智慧电厂未来的发展趋势。

[关键词]智慧电厂;信息化;智能化

[中图分类号]TU855 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2020）05–00–03

Development Status and Development Trend of Key Technologies of Smart Power Plant

Ye Kang-li

[Abstract]As an important part of energy system， power plant has a high degree of information technology and intelligence.Smart power plants integrating modern information technologies such as big data and cloud technology will be an important direction for the future development of power plants.The intelligent power plant based on advanced technology and equipment has the functions of information collection， summary， classification and analysis.It can not only realize unmanned production site， but also can share data and remote expert diagnosis.This paper discusses the current development status of key technologies of smart power plant and the future development trend of smart power plant.

[Keywords]smart power plant; informatization; intellectualization

随着经济的发展，国家环保标准越来越严格，在节能、降耗、减排政策的驱动下，对发电企业管理模式和技术方面提出了更为严苛的要求，将传统发电技术与互联网技术、智慧智能发电措施相结合，构建节能减排的新发展模式，能够有效地提升电厂核心竞争力。

智慧电厂是由先进信息化和智能化技术与电厂高度融合发展的产物。智慧电厂具有智能化、互联化的特点，智慧电厂通过以太网、现场总线等网络技术将电厂企业生产的各个过程进行衔接，使用云计算、大数据等先进技术进行数据的收集、分析、处理，数据高效集成，便于业务形态的联合以及管理者做出相应的决策和措施。在智能化能源开发的背景下，智慧电厂很好地结合了智能发电技术，成为目前互联网发展的重要组成部分。目前，智慧电厂相关技术还不成熟，国内的相关研究则以技术体系研究为主，部分关键技术的应用也已逐步深入，技术发展进步显著。

1 智慧电厂组成

如图1所示是智慧型电厂的主要组成，包括了智能设备层、智能控制层、智能生产监管层和智慧管理层，这四层构架构成智慧电厂的体系框架[1]，实现业务协同、统一管理。

智能设备层是智慧电厂的构成基础，作为工业控制领域的基础，智能设备层主要由数字智能仪表和智能设备组成。智能仪表支持丰富的设备数据类型，高精度的数据采集，大量的现场设备数据，使得智能DCS或自动化设备的改造得以实现，也为电厂生产经营管理决策提供了数据依据[2-3]。在目前智能化过渡阶段，部分设备仍将继续使用传统仪表进行测量，以提供相对稳定可靠的数据监控服务。

智能控制层相当于整个电厂的中枢神经系统，在传统的分布式控制系统（DCS）和现场总线系统（FCS）等现场控制技术的基础上，通过互联网技术实现系统间的互联和控制[4]。同时，不同控制网络之间，通过以太网实现信息互联，确保电厂各部分实现信息互传。现有的成熟技术可以实现发电厂现场系统运行和并网控制，可大大提高设备状态管理水平和操作设备的安全性和可靠性，减少工作量，并降低运营成本。

智能生产监管层是一个基于所有控制网络的面向生产管理和运行监测的信息控制系统。在该层中，实现数据收集、数据计算以及数据监视的功能，为全厂的生产及管理提供综合优化服务，以便于管理者掌握全厂各个设备的运行质量和经济效益。

智慧管理层通过大数据与互联网技术，实现生产全过程的实时监测与控制，该层包括数据分析中心、人财物管理信息以及各个业务流程的一体化信息系统[5-6]。

2 智慧电厂的关键技术及应用

2.1 智能控制技术应用

风力发电、光伏发电等可再生能源发电技术还不成熟，且容易受到地域和季节等因素的影响，具有明显的不确定性。如图2所示，根据国家能源局发布2019年全国电力工业统计数据显示，目前我国在役机组中燃煤机组占据了近60%的装机容量，加上我国能源储存结构具有富煤、贫油、少气的特点，决定了未来很长一段时间内燃煤机组依然会是中国发电市场的主力军。目前，燃煤机组依然长期占据着基荷机组的地位，在大规模调峰和调频中扮演着重要角色。然而，数据显示燃煤机组平均利用小时数在不断下降，甚至很多机组长期处于低负荷运行状态，经济效益不理想[7]。智能燃烧优化控制技术是基于先进的智能算法和检测技术，不断优化各项参数，实现燃烧的智能控制，提升机组的发电效率，以取得更多的经济效益。

目前广泛使用的煤辨识和燃烧优化技术具体有以下几个方面：首先，通过控制含氧量、煤的分布和节流阀的开度等，建立各自简化的燃燒数字模型，对锅炉的运行进行优化控制。此外，利用煤质在线监测技术，了解煤燃烧状态参数，结合锅炉运行参数，实现锅炉效率的准确计算。并利用煤粉在线检测，明确目前燃烧煤粉的床层燃烧情况，动态控制磨煤细度和出口温度。调整和优化煤粉的具体粘结状态，提高整体运行水平。最后，使用免疫遗传算法优化模型，获得最优的参数信息，优化和改善整个燃烧过程，提高锅炉运行效率。

2.2 智能预警技术应用

智能检测技术通过将三维建模与先进的检测技术和定位技术相结合，实现发电厂三维可视化。该技术不仅可以监测发电厂生产现场的各种细节，还可以提高发电厂检测的智能化程度[8]。智能预警技术是将智能检测技术与大数据相结合，通过对实时参数的计算分析，及时发现电厂运行中存在的隐患和故障，并激活报警系统，能够有效地减少机组设备的故障以及其他潜在风险。

运用智能预警技术可以在线监控所有系统和设备的情况，不仅可以监视各种工作流程，还可以在事故发生前检测到异常问题并报告。发现异常问题时，能够提供异常趋势和相关参数，协助处理异常问题，提升设备的安全性和可靠性。比如利用在线监控系统进行锅炉设备的监控，可以清晰及时地反映出锅炉内部的运行情况，确保锅炉系统能够正常运作。

2.3 智能巡检技术应用

随着定位技术、传感器技术、机器人技术和图像识别技术等先进技术不断发展创新，在智慧电厂建设中，广泛地应用智能机器人替代人力进行电厂巡检工作是不可能避免的发展趋势。智能巡检技术通过WIFI或RFID无线自组网技术实现三维定位，结合智能终端、图像识别分析和无线通信技术，实时关联缺陷管理数据库，实现现场设备的智能检测和自动缺陷管理[9]。当技术成熟时，电厂将实现“生产现场无人化”，各类机器人的应用可以实现无人值守的智能巡检。涉及的关键技术包括自动识别设备参数、信息可视化和记录访问、实时存档异常数据，实时定位检查人员，现场风险预警和数据加密传输等。

3 智慧电厂的发展方向

3.1 生产管理智慧化

对于智慧电厂而言，其可以全方位分析生产过程中的各项数据，从而明确现场状态，并对相关的机械设备、物料等情况进行预测.同时，在充分考量电网用电需求基础上，及时调整与改进自身的运行状态，从而保证管理决策的科学性与准确性，为高效管理提供可靠的参考依据。随着智慧型电厂的逐渐发展，其将拥有显著的功能，包括自主分析、决策及协调等。

智慧电厂管理层和互联控制层，二者间的数据、信息互通主要是借助以太网实现的，在具体实现过程中对网络技术、计算机技术等有着较强的依赖性，一旦传输中出现问题，则会对电厂造成直接的影响，严重情况下，甚至会出现安全事故。因此，为了保证信息安全，电厂要充分结合自身的实际情况，制定针对性的信息安全方案，如：分层保护、数据加密等。同时，电厂要了解自身设备、网络的具体情况，一旦出现异常情况，要及时识别与消除，并利用有效手段进行防范;此外，对于不同的信息异常问题，也要给予高度关注，从而提高电厂信息可靠性。

3.2 电厂互联控制

电厂互联控制是智慧电厂发展的一个重要发向，互联控制包含了设备管理、人员管理和环境检测这3个方面。电厂互联控制以智能化的主动安防为出发点，通过监测设备抓取设备、人员和环境的信息，利用图像识别技术等技术对环境参数、设备运行情况和人员行为进行自动识别和分析，从而进行有效地管理。例如，引入智能穿戴设备，与门禁和人脸识别设备相结合，在智慧电厂三维模型中显示人员的信息，从开票一直到现场作业，对整个过程进行安全控制如图3所示。

传统电厂的设备管理主要涉及缺陷、检修以及维护这几个方面。智慧电厂的设备管理模式是在传统电厂的基础上，加上了智慧化的管理手段，比如智慧检测、智慧诊断、智慧维修和智慧作业等。传统电厂设备管理模式是封闭在自己内部的管理系统，未来智慧电厂发展趋势必然是开放式的设备管理体系，这就需要以“设备+互联网”方式将封闭的系统开放化，形成设备云平台，进行设备的全生命周期管理。

3.3 数据云平台

使用远程专家AR（增强现实）互动平台系统引入数据挖掘云平台资源，实现跨区域专家共享和数据共享。在厂级知识信息管理、远程数据监督平台、专家共享平台等技术载体支撑下，利用数据挖掘、风险预测、实时风险预警设置和全局风险预警设置等技术手段，可以实现设备状态区域化智能控制系统。在训练操作中，可逐渐开基于VR技术的培训，利用设备虚拟拆解等方式进行培训，使技术人员在培训过程中有更为深刻的感受和体会。这将为之后设备检修与维护等工作的开展打下良好基础，在保证操作规范性的同时提高整个检修维护工作效率。

4 结语

在智能化与信息化不断发展的背景下，智慧电厂的发展也在不断推进，融合先进技术与传统电力系统的智慧电厂将是未来的重要发展方向。智能控制、智能预警、智能巡检等相关技术日趋完善，进一步推动智慧电厂的建设步。大数据技术、AR技术等新兴技术将不可表面地使用在未来智慧电厂中，使得电厂的管理、运行更加智慧化。

参考文献

[1] 中国自动化学会发电自动化专业委员会，电力行业热工自动化技术委员会.智能电厂技术发展纲要[M].北京：中国电力出版社，2016.

[2] 刘吉臻，胡勇，曾德良，等.智能发电厂的架构及特征[J].中国电机工程学报，2017，37（22）：6463-6470.

[3] 郑小鹏.智能变电站二次系统关键技术研究及应用[J].机电信息，2017（6）：55-56.

[4] 张帆.智慧电厂一体化大数据平台关键技术及应用分析[J].华电技术，2017，39（2）：1-3，7.

[5] 徐建业.大数据在智能电厂的应用[J].山东工业技术，2017（17）：180.

[6] 臧宁宁.重新审视煤电在我国电力系统中的地位和作用[J].中国能源，2018，40（6）：33-37.

[7] 彭卫东.智慧电厂建设构想[J].中国工程咨询，2017（1）：34-36.

[8] 刘欣强.简析电厂热工自动化运行中智能控制的应用[J].科技与创新，2016（22）：90，92.

[9] 张帆.智慧电厂一体化大数据平台关键技术及应用分析[J].华电技术，2017，39（2）：1-3，7.