基于三维数字化技术的智慧电厂一体化数据平台

国家能源集团内蒙古上海庙发电有限公司 魏铭毅 张雨蓉

本文简单分析三维数字化的采集原理以及电厂运用。重点讨论一体化数据平台建设在智慧电厂中的设计实现，分别叙述建模范围、图档管理、集成生产资料、安防管理等。

根据相关统计数据，直至2019年末，国内发电设备的容量超过20 亿kW，而火电领域的设备容量占比接近60%。其中，煤电机组占据火电设备总容量的87%以上。国内全年的火力发电达到50450 亿kW 左右，接近发电总量的70%，增幅为2.4%。如今，其他新能源的发电机组容量与实际发电量不断增多，但是传统火力发电还是占据首位。

1 三维数字化技术

1.1 采集原理

单就三维信息采集方面的问题，根据运行原理可分成三项，即接触式、非接触式与逐层扫描方式。简单探讨前两种，（1）是接触式，其借助三坐标测量设备探针逐个获取目标对象的立体空间坐标。该设备的测量精度能达到±0.5μm，并且在目标对象的外观色彩与反射特性上无特殊标准。获取数据中，探针需要始终压着目标对象，所以本身易变形的目标很难实现准确采集。而且其探针也容易对目标表层有影响。（2）是非接触式的光学采集。比如光三角法就是根据立体面，通过照明光束完成结构数据调整。基于三角测量原理，立体面会使成像光线发生角度变化，由此可得到几何数据，确认距离参数。

1.2 电厂运用

三维数字化本质上属于信息管理的方法，通过数字化的设计及移交。既能直接反映出电厂建筑与机组、人员状态与点位，便于相关人员查找机组图档数据，又能给平日生产与改造活动提供辅助信息，优化内部人员的培训效果与可视化。虽然近些年有多种清洁能源被开发使用，但火电的电量实际比例依旧超过60%，而对于现代的火电厂来说，数字化和智能化是如今电力领域达成现代化的关键方向[1]。

2 智慧电厂一体化数据平台的设计运用

以传统火电厂为例，探究打造智慧电厂的设计方向，利用三维数字化的方法，开发一体化的数据平台，设定图档管理与生产信息集成等若干功能模块，秉承电厂全生命周期的思路，借助设计环节的信息资料与3D 模型，能利用3D 可视化、浏览器以及数据库多项技术，把电厂立体模型和各项数据整合起来，构建可视化的数据管理模式。

2.1 建模范围准确

电厂机组与建筑数量庞大，要按照专业划分成建筑与锅炉、电气、暖通、总图等多项部分，所有专业在建模过程中，应当提前整理相应的图纸信息，基于此实施归类分析等准备工作，而后就可在专业软件系统中输入相关数据，构建起数字化电厂。建模期间，全部数据库都需按照树状结构排列，各个层次数据对象都带有对应的空间点位、设计参数与管理属性。在电厂建模中，所得数字化模型要确保精准，精确还原实物图纸造型规格，保持比例准确，甚至还要显现出实物对象的纹理与材质，完全达到复刻还原的程度。在确定模型精度达标的条件下，不设置任何冗余要素，并且不要挡住隐藏内容，没有重复元素。在上述环节中，牵涉到较多任务量与人工资源，会增加三维数字化的运用成本。

建模过程的操作规范流程为：（1）命名，三维模型上的所有层次均需要进行命名，这样可保障迅速辨别及确定模型类别，有效优化模型导航的效果，而且要注意的是，层次名称需在数据平台中具备唯一性。（2）层次结构，利用层次结构可以显现出数据模型对应范围与类别，体现出实物对象的PBS 结构。（3）材料以及其他内容的数据库，借此可反映出电厂生产中的材料属性与实际用量。

2.2 图档内容管理

图档资料的管理一般包括模型以及数据等，还有对应的关系转移，牵涉信息采集汇总、建设导航关系、信息结构性处理。此外，图档资料管理还要具备文档批量导入、信息储存和其他模型与文件创建关系、设置资料使用权限等，平台用户能直接阅览电厂数字化模型、图档内容等，支持相互之间建立智能关系，进行多维度呈现。操作用户能直接导入电厂生产活动及运维中形成的数据文件，对其加以分类、整理，创建数据联系，设置与浏览权限划分结果等，并且全部图档内容均可以被完整检索，而且其管理行为应当精细到全部独立模型与信息、图档。智能电厂的数据平台开发应当达到信息集成化和3D 场景的使用标准，被一体化平台的其他单元设计，予以可用的接口条件。

在图档管理单元中，具体包含三个模块，分别是模块、数据和文档。借助专门软件程序完成图档管理，支持高效查找到信息内容的效果。根据对图档管理部分的基本探讨，可选择日记程序与数据库等方法，构建此系统模块，由此加强电厂项目文档资料的管理。其中，图档内容管理具体包括下述几项内容：（1）设计方不同专业图纸内容、移交中的设计信息材料、厂家信息和三维数字化电厂模型。（2）电厂建设期间的进度、管理、联系单、变更签证、质量检测信息、验收资料与材料检测信息等。（3）有关厂家提供的机组文件，如结构图纸、技术参数、立体模型构图等。（4）工程建设期间，关联设计方、机组厂家、分包方等形成的立体模型资料，通过相关方审核，根据建议要求深化设计，关联到整个三维模型上。（5）基于流程图内容文件，绘制出数字化的流程图，并证明系统平台内流程图所有标识出的机组设备均可以完成激活动作，用于系统操作导航，支持3D 与2D 的模型导航。（6）统计整理工程中所有资料内容，并对信息实施深度挖掘，构成系统化的数据库。

一体化数据平台下设置图档管理模块，实际价值体现在：（1）有效提高管理效率与合理性。其是以设计文件信息为基础实行管理工作，切实消除人工管理的不足，加深图档内容的现代化程度，更重要的是，可以推动该类信息价值有效发挥出来；（2）可以逐渐转变常规人工管理的固化思维，令电厂的管理形式得以优化；（3）数据平台能够实现图档内容可追溯；（4）有利于提升电厂资料管理的规范性[2]。

2.3 集成生产信息

电厂经营过程中，生产管理数据是基于SIS（监控数据系统）实现，根据其实时更新的数据库资料，保障此项功能持续运转。同时，设置运行与机组管理两条功能轴线，搭配可靠性、业绩考评与耗差分析。智能电厂内，应当设置SIS 系统、门禁、仓储与监控等多项集成内容，为此建设一体化的数据平台，达到对生产活动的程序化、数字化、标准化管理，这利于保障电厂安全、稳定地生产，并有助于控制生产能耗，优化生产运营效益与市场竞争力。如今，三维数字化下的电厂一体化数据平台，还可运用第三方系统，比如办公自动化（OA）、企业管理系统（ERP）、数据服务总线（ESB）等，能按照智慧电厂的现实需要，设置运行系统，相应数据处理过程，如图1所示。

图1 系统数据处理过程Fig.1 System data processing process

该处理过程的相关使用介绍为：（1）是数据解析引擎，给系统工作予以接口；（2）是通过接口，可以从相连的若干系统中获取到所需资料，并且会对数据内容的实时性进行判断；（3）是接口在取得数据资料后，会利用引擎完成解析动作，把所得结果储存到实时数据模块，在此过程中，引擎会直接保留目标的属性信息，转移到校验引擎中，把目标属性资料和数据库内既有的属性内容，按照设置规则进行比较后，最终完成信息保存。上述运行流程需借助数据服务总线达成。

2.4 安防功能实现

三维数字化电厂应当拥有人员定位、关键区域管控等多项功能，可结合人员所处点位，实现可视化呈现。利用定位系统，标记出人员在电厂内的位置，通过屏幕可看到头像及工号，便于迅速确认实际方位。根据电厂日常生产活动，可确认内部的关键区域，比如配电室与主变等，对该类区域实施监控，操作人员可设置区域与机组点位数据，系统能直接生成立体数字化围栏，配备相应的警报与预警等模块，确保电厂内部人员与机组的安全。

（1）借助数据接口获取定位系统信息，取得人员坐标数据，并读取对应的名字与坐标，并通过点场内MIS系统，取得工作票等资料，操作人员通过点击对应的标签，屏幕自动弹出相关的信息资料。在人员定位显示，有两种视图可选，分别是：总览视图，能显示出全厂的场景，此时直接展示的内容仅有人员概要资料；详细视图，直接点击需要查看的标签及空间，能随即切换至相应的详细视图，此时点击标签能随即获得人员的详细资料，以及工作票等内容。而对于定位修正，则要结合厂内实际位置与数字化模型中4 处基准点实现[3]。（2）关键区域与机组监测。一方面，关键区域涉及到编号、命名、范围边界、危险级别等；另一方面，机组监测。利用系统设置各区域与机组的定位数据，形成三维数字围栏，可用功能有越线报警、浓度报警等。借助对关键区域与机组的动态监测，有利于维护生产环境的安全性，预防危险事故，并降低由事故引起的损失。（3）回看异常滞留报警路径。相关人员能利用数据平台，了解人员移动轨迹，借助接口从定位系统中获得人员移动的数据资料，把其导入到电厂数字化模型上，完成全程回看，进一步优化巡检流程，支持改进路线轨迹。（4）报表统计。把人员定位融入到考勤管理部分，保留电厂内工作者出入某个区域的信息记录，平台管理者能对此类记录实行高级检索，如名字、工种及时间等。

2.5 机组全面管理

运用三维数字化，把机组运行台账信息以可视化的形式呈现出来，并将信息插入电厂模型上，利用标识系统编码，确定机组实际点位，而且支持查找机组实时与历史运行资料，包含台账、检修记录、故障信息等。在数据平台上，此类信息均是3D 标签的状态，标记在电厂模型上，通过点击标签就能读取有关资料。

（1）机组台账。机组详情集成了初期设计与运维全程的信息，具体包含：缺陷数据与检修记录，二者均是有SIS 系统取得；有关文件，主要是机组有关图纸、厂家提供的文件等；3D 模型，包括单体与测点数据，此种模型能随意旋转、缩放与移动，而各测点则设置成标签的样式，显示在模型上；工况资料，机组工况信息同样是由SIS 系统取得；属性，也就是机组的技术参数；零部件参数。（2）锅炉四管。以Web 端为载体进行模型展示，并与锅炉测温系统连接，根据实际温度情况，突出相应颜色的管道。首先，动态检测和报警具体是把锅炉机组的水冷壁3D 模型和实时系统内容关联起来，全程监控及报警机组烟温与壁温等信息，把对应结果利用3D的形成展示出来，使管理员能直观掌握实时信息在立体数字模型上的分布情况。其次，动态测点携带的标签是各项实时数据对应的模型点位，支持增删、更改。最后，测点信息的动态呈现，也就是将各个测点内容和SIS 系统信息建立关联。

相关人员确认某个测点后，系统能显示出相应测点内容，并根据设置温度区间对应的不同颜色，让人员能快速判断实际温度所在区间，而且支持选定某个时间段，系统自动会生成对应的测点变化曲线。

2.6 VR 技术运用

智慧电厂中的数据平台建设，利用三维数字化的技术打造系统模型，在此基础上可借助VR 进一步优化场景。比如在锅炉辅机装置与检修中，可利用VR 实现虚拟呈现，甚至具有现场操作的成效，机组零部件有千余个，并达到百万级的三角面。所以，怎样基于既有硬件性能，又能构建起详细、大体量的模型，还需确保场景效果与画面帧数至少达到90FPS，是开发平台系统需要考虑的关键[4]。

以锅炉机组为例，VR 技术科运用到机组结构、拆装与启停三个系统单元中。人员带上VR 设备，能随即看到相应的模拟环境。借助该种运行模式，实现机组结构、检修流程、巡检过程以及数据资料等内容的可视化与动态交互，这能消除在人员培训中无法进行实战的缺陷。

3 结语

为提升自身的智能化水平，电厂应当积极开发一体化的数据平台。依托于三维数字化，把电厂建设、运营全程进行集约化处理，实行动态化管理，将整个电厂实时状态通过数字化的形式呈现出来。同时，电厂需结合现实发展情况，可以先成为常规的数字化电厂，通过不断升级改造，达到智慧电厂的终极目标。