浅谈1000MW火力发电厂智慧电厂建设

蔡正杰

摘  要：基于工业互联网、云计算、大数据分析，利用先进的5G、MEC等信息技术、工业技术和管理手段，实现精确感知生产数据、优化生产过程、减少人工干预，最终使电厂具备“自分析、自诊断、自趋优、自管理、自恢复、自学习、自适应、自组织、自提升”的能力，实现公司管理更加规范、安全水平进一步提升、设备运行更加可靠、经济效益进一步提升、人员可控、状态预知、少人值守、节能环保、降本增效的目标。

关键词：1000MW火力发电  智慧电厂  5G  工业互联网  物联网

中图分类号：TM62                           文獻标识码：A文章编号：1674-098X（2021）04（b）-0083-05

Discussion on the construction of Gansu Power Investment Changle 1000MW Thermal Power Generation Unit Smart Power Plant

CAI Zhengjie

（Gansu Power Investment Changle Power Generation Co.， Ltd.， Jiuquan， Gansu  Province， 736100  China）

Abstract： Based on industrial Internet， cloud computing and big data analysis， the latest advanced 5G， MEC and other information technology， industrial technology and management means are used to realize accurate perception of production data， optimize production process and reduce manual intervention. Finally， the power plant has the ability of "self analysis， self diagnosis， self optimization， self management， self recovery， self-learning， self adaptation， self organization and self promotion"， To achieve the goals of more standardized company management， further improvement of safety level， more reliable equipment operation， further improvement of economic benefits， controllable personnel， state prediction， less people on duty， energy conservation and environmental protection， cost reduction and efficiency.

Key words： 1000MW thermal power generation， smart power plant， 5G， industrial Internet， Internet of Things

1  智慧电厂发展趋势

智慧发电企业建设是贯彻国家发展战略的要求。为应对时代变化，国家提出了“以信息化带动工业化，以工业化促进信息化”、深入实施“两化融合”的大政方针，推出“大众创业、万众创新”的政策举措，以及《中国制造2025》的行动纲领，引领企业在新时代的转型发展。建设智慧发电企业，无疑是顺应时代潮流，贯彻国家发展战略之举。

智慧发电企业建设是企业自身发展的需求。从外部看，经济发展进入新常态，煤价大幅反弹，不可控因素加大，电量低速增长，利用小时持续回落，电力供大于求的局面短期难以改变。同时，电力体制改革加快推进，市场竞争日趋激烈，成本控制压力倒逼发电企业不断提升管理水平与管控效率。从内部看，贯彻落实中央关于供给侧结构性改革的战略部署，使发电企业面临着发展方式的巨大转变，致力于内涵式发展、持续提质增效已经成为行业共识，这一转变对公司的风险管控、资源集约化管理、内部协同等提出了更高的要求，公司信息化、智能化需求不断加大[1]。

2  智慧电厂建设原则

智慧电厂信息系统建设总体思想与原则：统一规划、融合设计、分步实施、控制造价。在具体设计当中，注重以下方面要求。

2.1 先进性原则

系统架构方面系统采用国际领先的多层技术构架，全面集成生产信息、管理信息业务。实现在设计思想、系统架构、采用技术、选用平台上均要具有先进性、前瞻性、扩充性、开放性的总体目标。

2.2 完整性原则

智慧电厂信息系统规划设计遵循系统性和完整性原则， 把整个电厂信息系统看作一个有机整体，全盘考虑，统一规划，避免信息孤岛的产生，避免局部系统优化时对总体目标的损害， 争取达到整体最优化。

2.3 实用性原则

遵循实用性原则，在硬件和系统软件平台的建设规划方面充分考虑电力企业特点，适合电力企业组织形式、业务要求和工作习惯， 将生产信息与管理信息融合设计，便于数据信息的收集、存储、维护与更新，便于软件系统的升级维护。为适应电厂不同层次人员，使用简单、实用、人性化的需求，提供灵活、方便、高效的工作平台。

2.4 开放性原则

遵循开放的设计理念，符合各种形式通讯标准及通用开发平台的接口标准，具有良好的可移植性、可扩展性、可维护性和互连性。按照分层设计，实现软件模块化。

2.5 安全性原则

遵循安全可靠性原则，硬件网络系统方面进行安全防护规划设计，同时，在软件系统方面有一套完备的安全体系，切实可行的安全技术。

2.6 经济性原则

统一规划、分步实施的前提下，充分考虑经济性原则。最大限度地控制项目实施风险、节约投资。可以在当前条件下实施满足当前需求的功能模块，随着管理水平和管理素养的不断提高，在条件允许时再跟进实施扩展功能模块，而后续的功能模块可以无缝地与前期实施的功能模块进行集成，最大限度地保护了既有的费用投资和数据投资。

3  智慧电厂建设目标

通过大数据、物联网、AIOT、三维工厂、5G、边缘计算等新技术打造集团级工业互联网平台，实现数据中台支撑的、端边云网业一体化的、多维度数据融合和多场景交互的智慧应用，提升公司的经营决策和运营管控能力。

4  智慧电厂建设内容

4.1 智慧管理层

4.1.1 智慧中心-集中运营监控中心

（1）运营管控中心。管理驾驶舱系统包含关键设备运行状态管理、环保指标数据管理、生产运行指标数据管理、统计分析管理、生产报表管理、能耗指标分析管理、人力资源/财务/办公一体化/档案管理等功能。管理驾驶舱中的集中分析以统一指标体系为基础，供应商需依据电厂的实际指标参数情况，建立符合电厂实际应用分析需求的指标体系[2]。

（2）技术服务中心。区域数据中心是基于统一的数据交换服务，构建二级单位生产实时数据和经营管理数据融合的数据中心库，横向与集团公司内部管理系统对接，纵向完成所属电厂数据接入融合，实现“横向集成、纵向贯通”的业务目标;专家远程诊断中心基于多元数据深度融合，提供多种类算法模型工具，支持生产过程关联分析挖掘机组安全、高效、清洁、低碳、灵活的运行潜力;节能管控服务中心基于区域数据中心，抽取各电厂的能耗指标、运行参数、设备状态等信息，形成节能中心数据库，进行能耗监视、节能挖潜;检修调控中心建立二级单位区域（流域）检修需求池，实现检修技术资源调配、现场过程管控、检修标准库就地调阅、检修验收闭环资料同步获取等功能，支持检修调控中心人员进行网络进度图对比分析与人力资源配置匹配分析，汇集动态指标开展检修人员绩效评定[3]。

4.1.2 智慧中心-厂级数据中心

通过大数据平台的建设，对电厂各类型数据进行汇聚和分析，为电厂各个业务场景的实际应用提供数据服务，支撑电厂生产经营、现场管理、机组运行、供应管理、营销管理、日常人员管理等实际应用场景，提供科学、智能、灵活的信息技术支持。

大数据平台结合数据中台的数据治理、数据服务等先进的能力，通过数据服务API、元数据管理、数据标准管理、数据质量管理、数据血缘管理实现对电厂各类型数据进行治理与分析，提升电厂相关数据质量及能力，为管理驾驶舱、设备管理、生产管理等各类综合业务应用提供良好的数据、模型、接口等服务支撑。

4.1.3 智慧运行管理-智慧监盘

其功能可基于DCS历史站存储的海量数据，通过数据采集、传输、存储和人工智能建模算法，充分挖掘DCS历史数据中蕴藏的规律，建立面向主题的知识库和专家系统规则，在DCS系统里实现热力系统在线预警和故障诊断，同时利用机组实际工况数据验证智慧化监盘系统模型的准确性和稳定性，不断优化迭代算法，提高预警准确性和时效性，将运行工况不断逼近最优工况。智能监盘可帮助实现热力系统的在线自诊断、自预警功能，最终达到机组运行少人值守、降低运行人员劳动强度、提高机组安全经济性的目的。

4.1.4 智慧设备管理-全生命周期设备管理

（1）互联网+安全生产管控平台。设备全生命周期管理将设备台账、定期工作、等级检修、技术改造、异动管理、定值管理、技术监督、设备评级、检修记事、备品备件等纳入设备全寿命周期管理，通过设备二维码、蓝牙信标为检修、两票、缺陷提供数据就地管理。在PC端和移动端实现设备、缺陷、两票、运行、点检、工单、安全、燃料、物资、计划、合同、经营等业务功能，通过WIFI、二维码、蓝牙、移动终端等设备联接生产区及办公区，构建全方位、全要素运营管控体系[4]。

（2）检修过程智能管控系统。构建本质安全型的检修过程智能管控体系，以检修标准化为核心，结合线上线下交互模式;为设备检修提供多维度的指导支持，对发电设备维护和检修过程各环节进行科学化、标准化的管理;对检修工艺、流程、人员安排不断优化提升，奠定安全文明生产标准化基础。

（3）设备状态检测机器人。融合移动机器人技术、超声导波检测技术，以及智能导航与自主运动规划、多传感器柔性融合技术、图像处理与模式识别等理论方法与技术手段;形成集成现场检测与数据无线传输、信号分析、故障检测与预警等功能的一体化智能设备状态检测解决方案，提高检测精度与效率，降低维护成本。

（4）设备故障在线预警平台。设备状态监测功能应能够实时采集电厂联网设备的运行状态，实现与IoT平台、SIS系统对接，实现设备性能的在线监测、故障诊断、预防性维护以及状态检修。无线测量传感器设备能够采集电厂设备的关键特征值，判断设备所处状态，具有较高的测量精度，支持无線数据传输（可支持5G网络）。

4.1.5 智慧安全管理

（1）智慧安全管理-安全生产培训平台。安全生产云培训平台以多媒体安全培训课程资源为核心，采用“培训管理平台+在线教育平台+终端+移动APP”线上线下结合的模式，全方位覆盖发电企业各类人员安全培训及考试。实现发电企业安全培训方式多样化、管理流程化，监督日常化、培训全员化。

（2）智慧安全管理-安全风险管控平台。安全风险管控平台包括：安全预警控制，安全积分管理，安全风险可视化管控，智能安全检查，班组安全智能管控，应急智能管控，人员定位系统。

（3）智慧安全管理-数字可视化安全管理系统。数字可视化安全管理系统包括：由定位系统、监控系统、三维系统报警系统、状态数据采集系统等组成;中间部分：通过中间件平台进行数据整合优化、接口对接;应用层：在应用层实现实时定位、三维显示、实时报警、作业规划、实时动态监控、监控联动等功能。

4.1.6 智慧营销管理

（1）实时成本分析系统。建立成本分析数学模型，以厂级边际成本为基础，通过盈亏平衡分析、利润敏感度分析、预算与执行分析、成本预测分析、电量预测与预安排等分析模型。

应用比例计算法、量本利分析法、因素分析法等相关测算方法预测机组发电实时成本及年度、月度成本，寻找优化发电运营方案，合理整合资源配置，为企业经营工作指导方向，最大限度优化和释放企业整体盈利能力，为决策分析提供支持。

（2）竞价上网分析系统。通过实时地计算出发电成本，能够正确地预测生产成本变化趋势，为控制成本提供准确的依据。

（3）全面对标分析系统。基于实时成本，建立全面对标分析系统，以经济效益为中心，通过开展生产运营与企业经营的对标管理工作，找出安全生产和企业运营管理中存在的差距，制定有效的改进措施，不断完善管理制度、工作程序，全面提升企业管理水平。以指标找差距，以差距查管理，以管理促提高，形成闭环控制。通过指标的改善，提高发电企业的经营绩效。

（4）生产经营分析系统。建立数据分析模型，实现跨系统的数据分析和数据挖掘，为厂领导和管理人员提供管理驾驶舱和综合决策分析功能。

对实时/历史数据、现场总线设备数据、运行数据、经营财务数据的全面整合，建立相关数据分析模型，指导生产优化，智能经营分析，辅助决策支持，提升管理效率和管理水平，有效减轻管理人员工作量。

（5）自动报表系统。自动报表系统是基于网络和数据库的通用统计数据采集处理系统，与电厂各专业系统集成，实现报表制作及数据填报和数据处理分析。基于数据整合共享理念和实施框架，使系统间数据不再具有差异性和不确定性，真正实现数据一次填报，多次使用，实现“数据一个源，业务一条线”，可大大提高报表的填报效率，以及报表数据的精确程度，显著提高工作效率。

4.1.7 智慧燃料管理-燃料智能化

（1）燃料智能管控。燃料智能管控系统以燃料管理全程可知、可控为目标，覆盖燃煤计量、采样、制样、样品封装与标识、样品传输、储存以及化验;各个管理环节，进行煤质、煤量、煤价三方面的全流程监控，实现燃料全过程管理规范化、工作标准化、信息集成化、设备自动化、作业机械化、过程可视化。

（2）智能煤场管理。智能煤场管理系统以煤场信息实时掌握为目标，应用三维仿真建模、激光扫描、定位、数据叠加等技术，进行煤场进、耗、存煤的量、质、价等信息精细化管理：提供全面感知煤场信息、优化煤场储煤结构、动态模拟煤场实景、智能控制设备作业、监测预警煤场安全等功能。

（3）燃料全价值寻优。以智慧燃料为主线，以全过程指导为动力，分析电厂燃料全流程“购、卸、存、输、配、送、烧、排”等创造价值的关键控制点;寻找关联各环节的最优指导，构建大燃料全流程一体化智慧管控体系;提供基于模型驱动的智能支持、寻优指导功能，实现燃料全过程管控与全价值寻优。

全过程闭环管控。综合展示燃料的动态及过程管理信息，对燃料需求指导、采购指导、接卸指导、取煤指导、煤仓出力指导的生产及执行效果进行评价和分析，构建燃料从采购到入炉全过程闭环管控机制。

4.2 智慧生产监管层

4.2.1 SIS系统

厂级监控信息系统，是一个介于DCS系统和MIS系统之间的具有独立功能的系统。以机组的性能计算、厂级经济性分析、厂级负荷分配以及机组的经济运行为主要目的。SIS系统的实时性体现在SIS系统实时分析机组的运行参数，通过系统强大的数据挖掘、数据处理与优化的功能，对机组乃至全厂的运行状况进行准确的分析、诊断与优化的系统。

4.2.2 智慧厂区管控

智慧厂区管控系统是电厂全生命周期的数据集成平台的一个子系统，与电厂全生命周期的数据集成平台间设有数据接口，最终纳入平台统一管理。

智慧厂区管控系统以数据资源池为基础建立統一的智慧厂区管理共享平台，用户登录后可根据分配的权限推送出与之配套的管控信息界面。数字化厂区管控系统从功能应用范围分为五个模块，即智能生产视频监控、智能消防、智能门禁管理、人员定位、智能安防。主要集成系统如下：生产视频监视系统，门禁一卡通系统，安防系统，火灾报警，人员定位。

4.2.3 智慧巡点检

在传统视频监视基础上，充分开发利用视频新技术，包括：视频融合技术，视频分析技术，红外热成像技术。

4.2.4 三维可视化

以三维可视化展示为媒介，以智能化移动终端为工具，构建更高阶段的信息化与自动化电厂，并全面实现电厂的智能化安全生产和智能化调度经营。帮助电厂提高设备可靠度及机组出力水平;减少或杜绝非停、降负荷及环保排放事故;大幅度降低运维费用和运维工作量;提高安全性能，合理延长设备寿命;实现预测性维修管理，延长检修周期，降低检修费用;实现精细化运行管理，提高发电量，降低煤耗;实现电厂远程管理;提高管理效率，大幅度减少电厂人员;集团内或区域内专家资源与知识资源统一调配和共享;远程监控与诊断服务成为新常态，设备及数据库的不断丰富与分享;全面支持电厂设备管理模式创新和管理能力提升[5]。

4.2.5 斗轮机无人值守

实现斗轮机作业远程全自动操作，斗轮机司机可定期巡检就地设备的运行情况，斗轮机的作业指令均来自煤控室，指令包括：斗轮机作业煤场区域选择、斗轮机作业模式（堆料/取料/分流）、一键起停、斗轮机能够实现全自动目标寻迹与堆取料作业全程无需人员干预以及斗轮机各种工作模式的无扰动全自动切换。

4.3 智慧控制层

4.3.1 智能DCS

智能DCS系统具备大数据分析、在线寻优、自学习、自诊断等功能，支持预测控制、自整定、鲁棒控制等先进控制算法，助力电厂实现智能化控制转型。智能DCS系统的数据联动，可实现二、三维数据的自动交互，全方位立体式展示生产运行过程，辅助运行人员快速掌握控制系统结构、直观解读真实控制系统传递的数据信号，支持系统冗余功能，在与现场DCS及激励式仿真系统实时交互的共享数据流基础上，真正做到了与DCS系统融为一体，可真实再现DCS系统的自我诊断保护、预警功能，可对控制站进行系统级、模块级、通道级故障模拟预警，具备辅助生产人员制定反事故措施能力，为企业安全生产保驾护航。

4.3.2 机组一键启停（APS）

APS功能是发电机组最高级自动控制技术之一，APS将机组将各个控制系统（顺序控制系统、模拟量控制系统、锅炉炉膛安全监控系统、给水泵控制系统、汽轮机旁路控制系统等）分阶段衔接起来，借助智慧电厂数据平台进行数据分析处理功能，安全快速完成机组自动启动和自动停运，提升机组自动运营水平。机组APS自启停系统总体达到：机组自启停控制系统投入和退出应不影响机组的正常运行与控制;机组自启停控制系统应合理划分功能组，设置独立及并行运行方式;机组自启停控制系统具备完整的人机界面系统，并能对运行人员的规范操作提供参考;机组智能自启停系统可与视频图像辅助巡检、设备状态监控、故障预警等进行联动。

4.3.3 辅助系统一键启停

以化学锅炉补给水系统为例，范围自双介质过滤器、超滤、一二级反渗透、EDI至除盐水箱，包括各系统辅助加药系统。各系统分别进行了单系统程控调试及一键制水各系统联调。锅炉补给水系统设备和程控均运行正常，所有仪表、信号指示均准确无误。包括化水系统、输煤系统均实现整个系统的一键启停。

4.3.4 基于智能技术的锅炉燃烧优化控制技术

智能锅炉燃烧优化控制系统包含两个方面的优化工作，一方面根据大量的燃烧调整试验，优化并诊断现有燃烧和制粉系统存在的问题，优化控制目标包括：分离器挡板开度、粉管风速调平、各磨煤机出力分配、一次风量、磨煤机加载力等;另一方面锅炉燃烧优化控制软件应使用先进的智能技术。该系统采集机组大量运行数据，运用大数据及人工智能技术，实现对入炉煤质进行在线监测，并在此基础上建立燃烧优化神经网络模型，采用多目标遗传算法优化技术，在保证机组运行安全的条件下，优化锅炉配风配煤燃烧运行参数， 根据机组负荷和煤质的变化，自动调整燃烧运行参数（闭环优化控制），实现全负荷、全煤质工况的锅炉燃烧参数的全自动动态滚、动优化，达到锅炉安全、经济、环保运行的目的。平均可降低机组煤耗1～2g/kWh左右。

4.3.5 基于先进算法的协调、一次调频、AGC优化

运用DCS控制系统的预测控制和过程模型改进负荷响应速率。其基本原理是运用基于模型预测的多变量控制方式，采用前馈功能模型化、控制参数模糊化的作用，协调锅炉和汽机动态特性，以提高负荷响应速度。它具有更快的响应时间和更小的超调量，同时兼顾机组稳定性。

4.4 智慧设备层

4.4.1 现场总线设备

采用现场总线技术的智能设备，为电厂控制及管理提供丰富的数据信息，是智能电厂的基本要素。总线设备包括：（1）变送器;（2）执行机构;（3）阀岛;（4）现场总线型阀门定位器;（5）电气现场总线设备等。

4.4.2 AMS

智能设备管理系统是针对智能仪表、智能阀门定位器、智能控制设备等进行在线组态、调试、校验管理、诊断及数据库事件记录的一体化方案。它集智能仪控设备的数据采集、数据分析于一体，为智能仪控设备的预防性维护、预测性维护提供解决方案。

4.4.3 输煤系统轨道机器人

以降低劳动强度、减少人身伤害为目标。该机器人通过U型轨道确定巡检范围，运用增量式编码器自修正定位系统和兼容无线系统的网络优化方法提高系统定位精确性和数据传输稳定性。该机器人可根据人工巡检经验设置机器人巡检参数，当传感器检测到的环境参数超出许可范围时即启动预警系统。

4.4.4 升压站巡检机器人

升压站智能巡检机器人包括實时监视、机器人实时状态控制、机器人巡视任务管理、数据查询统计、系统互联、系统配置六个功能模块。机器人远程专家诊断协同平台功能，使现场人员可通过各类终端视频连线远程专家/接入视频会商系统，实时共享图像和监控数据，获取远程技术指导。从而实现可视化检修指挥，远程专家指导，高效及时消除缺陷等。

4.4.5 AI音响（语言机器人）

AI音箱搭载了来自猎户星空的语音合成技术，成为“应用最广泛”的AI语音系统。AI音响可以作为指挥电厂的控制中心，可使用AI音箱唤醒智慧中心系统，并发布指令。打造人工智能语音+智慧中心，搭载人工智能技术，配备了拥有深度学习和理解功能的智能语音系统。它搭载多路阵列式麦克风，能实现远场语音功能。还要实现互联互通的便捷式语音交流体验，能通过语音来操控智慧中心。

参考文献

[1] 王晓慧.中国经济高质量发展研究[D].长春：吉林大学，2019.

[2] 田宁.智慧电厂顶层设计的研究[D].秦皇岛：燕山大学，2016.

[3] 李锋贵.A集团公司信息化建设项目规划研究[D].西安：西安科技大学，2019.

[4] 辛涛.华润电力湖南公司生产运营管理改进研究[D].长沙：湖南大学，2017.

[5] 杨东.国家电投内蒙古公司风电场运维管理研究[D].沈阳：沈阳大学，2019.

[6] 高耀岿.火电机组灵活运行控制关键技术研究[D].华北电力大学（北京），2019.