针对火力发电厂中智慧电厂存在的 问题和优化对策研究

宫健

吉林电力股份有限公司长春热电分公司，吉林长春，130600

0 引言

火力发电是我国最先兴建的发电模式，在经济发展中起到了能源支柱的作用。后来，国家为了减少碳排放、缓解雾霾等环境问题，实现碳中和，正在逐步降低火力发电占比，2015年火力发电占全国发电总量的七成，2020年降至66%。可以看到，火力发电在短期内仍占我国能源结构中的主要地位。

火力发电的方式会不可避免地对环境造成破坏，如排放温室气体、酸性气体、可吸入颗粒物等。为了提高电厂能源利用率，优化管理模式，减少环境危害物质的排放，应用智慧电厂成为一种新型电厂运行方式并被广泛使用。

1 智慧电厂的发展背景

近年来，互联网和人工智能为主的计算机技术蓬勃发展，逐渐出现了制造业高度数字化、网络化，并融入信息物理融合系统的工厂，这被称为第四次工业革命。在此基础上，各国提出了将计算机技术应用于各领域的推广计划，国外称之为智能工厂、智能制造。美国制定了自己的智能制造计划“工业互联网”，德国提出“工业革命4.0”计划，都剑指智能制造。中国也在2015年提出了自己的智能制造计划，宣布将融合工业化与信息化，发展制造业智能化、数字化。后来，国务院又陆续出台《工业互联网发展行动计划》《新一代人工智能发展规划》《深化“互联网+先进制造业”发展工业互联网的指导意见》等多项文件，为我国智能制造的发展指明了方向。时间推进到2020年，智能制造战略的多项成果已经落地，制造业信息化与智能化的技术日趋成熟，人工智能开始广泛应用于工业生产的方方面面[1]。

在智能制造的背景下，国家能源局着手推动能源行业的智能化发展，发布了《关于推进“互联网+”智慧能源发展的指导意见》。意见指出，要开展能源行业大数据采集工作，实施能源行业大数据战略，将大数据在能源领域多方位融合。火力发电厂作为能源行业的中流砥柱，在火电厂中开展智慧能源战略，最能体现出智能制造的发展成果，因此，智慧电厂作为智慧能源的集大成者，在火电厂中逐渐推广开来。

2 智慧电厂的含义和作用

智慧电厂是一种管理模式的总称，是由一系列数据、软件、人员、规范建立起来的综合管理体系。智慧电厂的建设，是能源制造业的思想转变的标志，是发电行业实现更高更快发展的有效途径，也是我国智能制造计划阶段性成果之一。在电厂不断创新发电技术的基础上，引入人工智能、大数据、信息技术、检测技术，实现电厂运行智能化、数字化转变。经过智慧电厂改造后，电厂具有一定程度的自动决策能力，实现了能根据采集的信息获取用电环境的变化、及时调整发电运行参数、自动发布维护维修提示和发生重大突发情况时自动执行预设保护指令等多种应用。

总的来说，与传统火电厂相比，智慧电厂可以提高资源利用率，提高电厂管理效率，降低管理成本，实现发电系统精准管控，提高电厂安全性，降低操作难度。智慧电厂能助力我国低碳经济的建设和环保节能事业的推广，为早日实现碳中和打下基础[2]。

3 智慧电厂系统的组织结构与传统电厂的区别

3.1 监测设备层面

传统火电厂的监测设备往往是就地安装，就地使用，设备之间联系少，无法远程监控、维护，设备状态主要靠人工读取。智慧电厂通过基站和网点实现全厂WIFI覆盖，监测设备带有网络模块，连接设备之间信息能够实时地互通互传，并汇总到每个终端，使所有终端使用者都能实时监控电厂运行的数据。另一方面，借助一系列传感器，可以对监测设备状态和电厂各项参数，如有报错将推送给运维人员，及时发现及时处理，保障电厂稳定运行。

3.2 系统控制层面

如何将采集的信息作出正确处理，并发布指令给执行人员，就是控制系统的功能。除了上述功能，智慧电厂还涉及了复杂的管控内容，我们常用SCADA系统来进行控制。该系统能接受工人指令并传达给相应设备，使设备作出正确的操作。可以控制诸如系统自启停、紧急跳闸、脱硫脱硝运行、AGC优化等。控制系统用先进的算法和人工智能辅助，定期进行版本更新以适应运行环境的变化，并引入最新的机器学习、机器视觉等新技术，使控制系统具备一定的成长能力，适应电厂操作环境和工人操作习惯，提高利用率[3]。

3.3 中枢管理层面

要让智慧电厂按既定规则运行，最重要的还是统一全厂上下对智慧电厂进行适应，这就要求设立智慧电厂的中枢管理。管理层面要明确智慧电厂的实施目的，制定行之有效的管理方案。借助信息技术，构建电厂三维视图，提高监视能力，制定燃料计划、物资计划等专项管理方案，布置天眼探头于传感器，定位巡逻人员，监视设备运行，观察机组状态。在智慧电厂搭建的数据平台基础上，结合电厂自身情况，将管理细则逐一落实到位，实现精细化管理。

4 火电厂的智慧电厂建设存在的问题

4.1 信息化程度不够

在火电厂智慧化的过程中，信息化是非常重要的一环。如前文所说，信息化程度影响到设备之间的连接状态，也就进一步影响信息采集和大数据平台建立，最终影响了智慧电厂的统筹和管控。因此，在智慧电厂建设中，信息技术的应用有着严格的标准，整套系统交付前，对人员也有着必备的岗前培训、现场教学，运行期还有即时的技术支持。但是，由于工人素质、培训内容难度、智慧化程度等多方面原因，部分工人无法掌握信息技术相关技能，操作系统、终端、APP等应用操作不熟练，信息技术推广效果差。就出现工人只能部分借助智慧化作业，甚至出现放弃智慧化，回退传统作业的现象，智慧电厂对设备运行、检修、维护的支持作用不能体现，也让整个系统出现漏洞而影响其整体置信度，最终结果将是系统失效[4]。

4.2 控制系统复杂，应用难度大

智慧电厂的控制系统，是建立在大数据、人工智能、机器学习等一系列高新技术为基础的自动化智能控制系统。该系统通过对各种来源的数据和信号进行有序处理，根据特定算法，有针对性地自动处理参数。导入历史指令集，该系统还可以学习具体事件的处理并在以后加以运用。对信号进行处理时，该系统可以实现数模转换，结合多种滤波手段分析原始信号。在进一步应用中，还可以对数据进行平均值、方差、分布函数等多种方式的处理，对周期信号的频谱分析、非周期信号的频谱和功率谱分析。

智慧控制系统预设的功能强大，作用多范围广。但实践中，由于系统的高级应用过于复杂，管理者及工人都不能发挥出其作用；对于基础功能的设置，在交付使用后就不再更改，后期由于运行环境和部分参数改变，系统也不能及时做出调整，系统的数据同步也时有落下，这一系列问题，导致控制系统无法按照既定的程序开展工作，也就背离了建设的目的。

4.3 故障和报错的意义不明

智慧电厂有自动监测功能，将采集的数据与预设参数进行比对，如果参数有误，系统将发布故障提示，这通常被称为报错。理论上，每一种报错对应一道检修程序，但在实际应用中，故障类型特别多，发生同一个故障的参数可能是不同原因导致的，智慧电厂建设还没有成熟化应用，导致监测不全面或者程序设置覆盖不够，在面对故障下原因继续细分时，智慧电厂还做得不够。例如，对振动信号进行获取，涉及信号时域和频域的综合分析，就要对振动的参数和信号进行细分。应用于励磁电流时，如果励磁电流发生变化，过程往往快速，时频域发展是同步的，振动较为明显。如果振动变化不太明显且出现滞后，可能是其他原因导致，在监测中要重点关注。

诸如此类，参数细分太多，对程序和算法提出了更高的要求。尽管智慧电厂系统的版本还在不断更迭，但该项工作还处于不断优化的状态。

5 火电厂智慧电厂运行的优化策略

5.1 采用现场总线，精简控制结构

现场总线是一种控制模式。通过将所有信号搜集到总线传输，可以统一信号制式，防止信号干扰和失真，保证信号的高速通信，使其具有即时性和有效性。需要注意的是，智慧电厂的现场总线是以智能化控制为基础的，对整个智慧系统进行控制。具体地说，信号传入总线之前，按统一标准进行数模转换，用数字信号代替现场的模拟信号。工作人员根据数字信号得知参数的具体数值，按照经验对其进行传输、控制。这样就减少了工作人员对信号进行判断和处理的难度，可以方便有效地向不同素质的操作人员进行推广[5]。

现场总线控制除了针对设备本身以外，还会将各个传感器搜集的信息，如设备状态、运行时间、历史操作记录等也进行信号转换和传输。这些信号汇总到控制系统，作为设备的操作痕迹保存，并为下一步操作提供了参考和预测，为维修计划的制定、人员的安排都提供了有效依据。

另一方面，对于控制系统的高级应用过于复杂的问题，随着技术的发展，解决方案提供商已经可以通过优化代码，添加功能，将其交给机器来解决。基于多年运行的数据、状态、操作记录，算法工程师可以优化代码，更新机器学习版本，引入深度学习技术，结合智能控制和新型设备管理技术等。经过定期升级换代，智慧电厂就能与时俱进，应用范围越来越广，功能更加强大和齐全，高级应用大部分将由人工智能完成，操作人员只需按照所得方案执行即可，这样就大大降低了智慧电厂的数据使用效率，减小了培训难度和工人操作难度。

5.2 智慧化控制，增加自动化覆盖率

智慧电厂的终极应用，就是电厂的完全自动化、无人化运行。目前的技术还达不到这个要求，但随着技术的进步，自动化控制的覆盖面将越来越大。这种情况下，运维人员面临报错时，不必自己处理，系统将提供解决方案，工人执行即可。

按目前的技术水平，电厂要自动化控制，就要以大数据平台作为依托，结合神经网络与机器学习技术，应用贝叶斯定理、模糊控制系统等统计学理论，有效处理各种信息。面对多变量模型下的数据处理，目前应用最好的是FCS系统以及配套辅助系统。智慧系统处理信号得到结论后，提交FCS系统制定解决方案，最后交给相应执行机构或执行人员，实现控制的自动化。

通过上述方案，可以将智慧系统以及电厂的各项设备性能发挥到最大，目前这套系统已经支持自动发电、自动停机、自动跳闸等功能，并能在操作人员辅助下，实现自动调频、自动调压、自动并网等功能。电厂精简运维人员，设备运行效率提高，故障处理及时，管理人员压力下降，事故频次减少，电厂运行更加平稳有序。

5.3 加快电厂信息化建设，组织人员学习

电厂个区域信息化程度不一，除了现场总线控制以外，很多地方处于信号真空状态，没有网络覆盖和基站覆盖，传感器、摄像头等与终端连接不畅。这样，虽然信号通过总线传输到了中控室，但各区域维保人员进行分体式远程控制还无法实现。因此，我们要推广电厂信息化建设，提高网络、基站、信号的覆盖面积，做到信号无死角，基站全覆盖。同时大力推广手持终端的安装与使用，培训工人在平台上进行远程接受指令，操作设备。进一步解放工人的时间和生产力，提高单个工人的产值和效率，减轻值班人员的负担。组织工人进行技术交流和集中学习，大力推广智慧电厂的智慧化管理，努力培养智慧电厂本地运维人才，进一步强化智慧电厂故障排查与保障。这样，就能做到以人为本，将智慧电厂的运维作为电厂运维的中心，促进电厂培养一支高质量复合型技术人才[6]。

5.4 监控运行状态，优化经济效益

火电厂效益主要由投入煤炭和产出电能的比例来决定，智慧电厂也必须发挥出对经济效益的监控和调整作用。目前已经做到在机组运行中，如果检测到能量损失过大，系统发出报警，及时通知维护班组进行检查维修。但是，智慧电厂要做的是更高一层级的监控，即在故障发生之前对其进行预测，这对智慧电厂的机器学习和人工智能提出了更高的要求。例如，发电机运行太久，容易出现水内冷定子绕组渗水现象。传统方法是大修期间对发电机进行气密性检测，判断是否存在此项问题。但是，应用智慧电厂控制系统，就应要求人工智能根据发电机运行状态、往期大修检测情况、发电机寿命等多种数据，智能判断是否机组需要此项检修，就可以及时在大修中排班检查，防止问题发生造成重大损失，也避免了每次大修计划都有此项检查的冗余状态。

6 结语

综上所述，火电厂中智慧电厂存在的问题，可以从总线控制、自动化覆盖、信息化建设、经济效益分析等多个方面来完善，最终实现智慧化电厂更稳定更安全的运行。发电行业是能源行业的中流砥柱，火力发电又在各发电方式中长期占据主要地位，对火力发电厂中智慧电厂进行优化改造，分析研究，也是为我国能源结构和能源状态献计献策，更是为以后其他电厂智慧化提供借鉴。