李維聰，劉霞

（中國能源建設集團廣東省電力設計研究院有限公司，廣州510663）

隨著我國電力體制改革的不斷深入以及近年機組發(fā)電小時數有限的現狀，運行電廠的大數據整合、優(yōu)化成本控制已經成為發(fā)電企業(yè)增強核心競爭力的關鍵因素。煤是火力發(fā)電廠的主要生產原料，其成本占發(fā)電企業(yè)總成本的70%左右，因此燃料管理水平的高低直接影響著發(fā)電企業(yè)的燃料成本控制和經營效益。

隨著國內燃煤電廠燃料管理系統數字化程度的不斷提升，電廠對燃料信息系統的數字化信息處理需求更高。目前國內一套完整的智能化燃料管理系統主要由入廠煤管理、入廠煤采樣制化、數字盤煤及煤場管理、智能燃料管控四大部分組成。其結構圖組成如圖1所示。

圖1 智能燃料管理系統結構圖Fig.1 Structure diagram of intelligent fuel management system

四大部分的系統均采用安防監(jiān)控視頻、行程數據管理、設備二維碼管理、環(huán)境數據監(jiān)測等。由于國內的物聯網技術的迅猛發(fā)展，對設備信息的采集水平提升了更高的層次，而對于電廠大數據融合方案需進行必要的數據傳輸提升。對于新建的電廠項目或老廠改造項目中，利用物聯網技術在提升數據傳輸方面采用了高速的無線通訊技術，同時結合智能電廠的先進數據庫技術、web 技術和三維技術等IT技術將智能燃料管理平臺的各部分進行數據融合優(yōu)化。

1 高速通訊數據技術

1.1 5G通訊技術

5G 通信技術即第5代移動通信技術，是新一代蜂窩移動通信技術，是4G（包括TD-LTE 和FDDLTE）、3G（包括美國CDMA2000、歐洲WCDMA和鐘工TD-SCDMA）和2G（GSM 和CDMA）蜂窩移動通信技術的發(fā)展。具備高帶寬、高可靠以及低延時三大優(yōu)勢，將與云計算、大數據以及人工智能相輔相成，促進全行業(yè)數字化進程。而5G 的高速傳輸速度有利于電廠實現更多優(yōu)化控制、智能分析，表1是5G傳輸數據的對比表格：

表1 5G通訊技術參數對比Tab.1 5G communication technology parameters comparation

利用5G 通訊技術的在容量和覆蓋方面相比其它通訊有大寬帶、低時延等優(yōu)點；在不同的應用領域中，供應商可以提供相應的5G 應用網絡定制化服務；在性能方面可以為工業(yè)提供高可靠性網絡設備以及超低時延傳輸和低時延抖動；在網絡業(yè)務中可以通過網絡切片提供不同業(yè)務隔離，電廠中既可以使用專業(yè)的工業(yè)生產相關信息同時也可以為普通的移動運營提供通信服務；在安全性方面，通信基站有效隔離外部信息干擾入侵，可提供運營商級別的安全性，對工業(yè)應用信息提供有效保障；在移動性定位中5G 技術基于標準規(guī)范，實現覆蓋與其他領域的移動通信機制，同時對于智慧電廠可支持室外與室內的定位功能。綜上所述高傳輸速率、可靠性高等特點的5G 高傳輸速率未來在工業(yè)互聯網中會得到進一步推廣。而在工業(yè)產業(yè)對數據的安全性、傳輸容量較大的要求下，利用5G 通訊能有效把全廠的數據統一整合管理，通過服務器網絡構架組成數據一體化管控平臺。

相比其他的通信技術，目前5G 的建設費用相對較高，實現過程還需要與運營商的建設緊急聯系，同時也需要定制相應的方案，但后期的設備維護也相應減少。目前5G的連接數量密度可達100萬臺/km，完全滿足電廠范圍內所需傳輸設備數量及廠內移動設備連接數量，可以提升電廠數字化采集的速率。

1.2 WiFi6通訊技術

WiFi6 是第六代無線網路通信技術，是WiFi 聯盟與IEEE 802.11 標準的無線局域網技術。從WiFi5 傳輸速率 3.5 Gbps 提升到 WiFi6 的 9.6 Gbps，從理論的速率提升3~4 倍。其傳輸速率一般會受建筑物的密度、高度，還有環(huán)境溫度等條件影響。因此從實際數據傳輸的速率上，WiFi6和5G的傳輸速率基本一致，但是具體還需要考慮電廠的基站位置設置、廠區(qū)布置等。表2 為WiFi6 通訊技術參數對比表：

表2 WiFi6通訊技術對比Tab.2 WiFi6 communication technology comparation

相比5G網絡連接數量較多，WiFi6目前的無線AP 設備可支持連接為1 024 臺或更多，無論是在數字化煤場、采制化過程、還是電廠其他區(qū)域也是能滿足其使用需求。目前的WiFi6 技術上具有低延時特性，提高智慧電廠中的設備傳輸速率和穩(wěn)定；同時在設備接入傳輸過程中，可以實現多用戶多入多出技術，有限提供無線網絡帶寬的利用率；WiFi6在性能方面也是容量更大可以通過設置不同的標簽地址避免數據處理混亂；在安全方面，WiFi6 也是用WPA 3的安全協議，防止網絡侵入攻擊，確保電廠重要數據的安全；在能耗方面，WiFi6 是用了低功耗Target Wake Time 技術，進一步推進綠色節(jié)能。目前從技術性能與5G 技術對比各有優(yōu)勢特點，均可滿足高速傳輸的數字化智慧電廠要求。

WiFi6技術從設備造價成本上相比5G技術要較低，從用戶接入方面也更容易實現。但對于電廠區(qū)域內需布置較多的無線AP 接入點，增加線路的敷設、設備維護的成本。

2 基于高速無線通訊燃料管理平臺

在目前新建的電廠網絡建設方案中，已規(guī)劃在廠區(qū)內設置5G 基站或WiFi6 全區(qū)無線網絡，組成高速傳輸的無線通訊網路的智慧電廠。高速傳輸的物聯網生態(tài)的組成，對于設備無線傳輸提出了更高的要求。目前從智慧電廠的物聯網架構中，包含了生產監(jiān)控設備、運行管理系統、設備巡檢系統等均可以通過無線傳輸技術實現。本文通過論述高速無線通訊技術的網絡架構搭建，研究在智能燃料管理平臺應用方案。

2.1 燃料管理平臺

燃料管理平臺目前涵蓋燃煤供應、燃煤計量、燃煤質量、煤場管理、燃煤耗用等燃煤全生命周期的管理平臺。燃料管理平臺是火電廠對主燃料系統數字化管理的重要平臺，包含了燃煤進出入數字化管理、采制一體化管理、數字化煤場盤煤監(jiān)控、輸煤轉運的監(jiān)控等方面。燃料管理平臺近年來發(fā)電企業(yè)開始主張燃料管理的智能化，通過計算機技術、自動化技術提高燃料管理的效率，提高數據的可靠性和嚴密性。而在大部分的火力發(fā)電廠中運用了燃料管理信息建設，從而提高管理效率、降低統計難度、加快了信息流動。對于大部分已建成的燃料管理平臺中普遍出現了較多影響平臺數據安全、燃料摻燒能效、人員安全監(jiān)控等問題，其各方面如下所示：

1）入廠煤采制化結果對發(fā)電效益影響巨大，但流程不嚴謹，缺乏監(jiān)管，存在人為誤差甚至篡改的漏洞，目前部分煤場即使采用數字化方式錄入，但仍存在車輛掉包、運輸人員違規(guī)等情況。

2）煤的堆取、盤煤、配煤、摻燒過程無法實現完全自動控制，對三維數據的建模和無人機的數據傳輸仍存在滯后，且人工干預的情況較多，其經濟運行效果受人為因素影響較大。

3）在生成運行過程中，由于環(huán)境惡劣、長期有重型運輸或設備積壓現場，造成通訊線路易受損，并會增加維護檢修工作，嚴重造成生產停運損失。

4）在數字化煤場、入爐煤監(jiān)測等巡檢過程中，電廠后臺運行人員及上級發(fā)電企業(yè)無法及時獲取管理信息，需通過人工錄入。

2.2 燃料管理高速無線通訊方案

通過電廠燃料管理信息系統的建設，實現燃料全過程管理的精細化、標準化、規(guī)范化、可視化、統籌化，達到設備、流程和信息的集成，減少人為干擾，降低勞動強度，使燃料收、耗、存環(huán)節(jié)的量、質、價數據能夠及時、動態(tài)、準確地傳遞到相關管理層，為電廠的生產、經營提供真實可靠的決策依據，增加電廠經濟效益。

在大部分燃料管理平臺的網絡架構中還是基于工業(yè)互聯網使用光纖、網絡、交換機、無服務器的網絡結構?；A設備運行環(huán)境位于煤場區(qū)域、采制化區(qū)域、輸煤區(qū)域等均為環(huán)境溫度較高、粉塵較大、大型車輛或軌道運輸較多的區(qū)域。對于傳統的網絡敷設，增加設備線路的故障和檢修維護工作。以下圖2 為高速傳輸通訊的智能燃料管理系統網絡架構：

圖2 高速傳輸的智能燃料管理系統網絡架構圖Fig.2 Network diagram of Intelligent fuel management system for high-speed transmission

在高速傳輸的智能燃料管理系統中分為三個結構層進行規(guī)劃，第一個是數據采集層，數據采集層在通過手機現場的數據為核心，主要包括攝像頭、定位標簽、移動設備數據、環(huán)境參數（如壓力、溫度）等。第二個是數據接入層通過接入5G 通訊基站或者WiFi6 無線AP 網絡，可以通過其不同的傳輸協議進行傳輸數據，最終將其煤場區(qū)域的匯聚交換機接入上一次通信網。第三個是數據管理應用層，主要負責連接匯聚交換機的數據鏈路，并由智能燃料管理系統的服務器進行統一數據運算、存儲及處理。

在電廠建設高速傳輸的智能燃料管理平臺中可以解決并帶來更多的經濟效益，其優(yōu)勢如下：

1）投入使用高速傳輸的智能燃料管理系統可以大大提供其數據傳輸的穩(wěn)定及安全性，確保煤場的采購數據量、采購價、存煤量、化驗數據值等重要數值不被入侵泄露。

2）對于全廠智慧電廠的建設可以建成一體化網絡管理系統、有效融入智能管控一體化平臺，實現真正一體化信息管控。

3）對于現場設備數據可以有效安全傳輸至后臺運行系統，及時作出相應的操作應對，同時有利于運行檢修人員在現場進行巡檢數據傳輸、廠內局域網實時審批流程等。

4）對于整體網絡傳輸更加高效，可無需長期維護現場線路敷設，實現網絡全面覆蓋，無論是對于生產安全設備還是運行人員的業(yè)務辦理、資訊獲取都是十分便捷。

5）同時節(jié)省了在人員定位方面的投入建設，利用原有的基站或無線控制器即可滿足生產所需定位要求。

2.3 高速無線通訊燃料管理應用

通過建設智能電廠的大數據平臺系統，對生產安全、現場參數等傳輸速率提出更高的要求。將目前數字化管理工作流及智能監(jiān)控技術融入燃料管理進行科學的全面設計，實現燃料的智能化管理；并實現與其它系統的無縫銜接、資源共享。系統的建成將很大程度上改變燃料管理現狀，通過智能化、信息化管理方式取代人工、或半人工作業(yè)模式，為數據的錄入、檢查、瀏覽、分析提供完整的保障鏈，保證數據的可靠性、準確性、穩(wěn)定性、可復制性，提高燃料管理效率，充分利用資源，節(jié)約生產成本。

指導堆取料機生產運行，根據煤堆分層數據和溫度數據，結合配煤摻燒策略，自動生成堆取料機堆煤策略和取煤策略。同時，實時測量堆取料機機定位坐標，計算與堆料位置和取料位置的相對位置關系，指導堆取料機操作人員進行堆料操作和取料操作。

入廠燃煤驗收、煤種存儲記錄、入爐煤信息獲取及燃燒記錄全生命周期管理：燃煤入廠的輕重衡記錄，燃煤采制化數據錄入，煤種選取采購的數據進行對比分析，并通過數據終端或者現場設備進入無線網絡上傳數據服務中心；通過攝像頭及無人機對料場位置及激光測量，可提高燃煤卸取、盤存的工作效率，增加了盤存精確度，有效地降低了庫存容量，加強燃煤數量、質量的監(jiān)管力度，并通過無線傳輸實時反饋其監(jiān)測數據量；監(jiān)督生產部門入爐燃煤檢質、計量工作。達到數字化監(jiān)控燃料全過程，實現自動智能化降低運營成本的最終目的。

為煤場安全生產提供保障：通過建設無線傳輸的數字化煤場自燃監(jiān)控系統、皮帶明火監(jiān)控噴淋系統、全天候煤場視頻監(jiān)控、斗輪機防撞定位檢測、皮帶防撕裂監(jiān)測，能有效防止燃料在皮帶傳輸過程中的自燃，能實時全天候可視化監(jiān)控料場基本情況，同時無線傳輸功能能有效克服現場環(huán)境粉塵較多、溫度較高、重型設備運輸等工作環(huán)境，為安全生產提供保障。

提高煤場煤樣化驗的質量，使用全程無人值守的采制化過程，免去人工操作的情況，大大提高數據取樣、運輸、化驗、錄入的準確性、安全性。通過無線的視頻監(jiān)控、樣包定位、化驗數據的實時上傳分析、同時提供自動錄入校正功能?？梢匀虒崟r記錄數據的分析動態(tài)、一旦發(fā)現異常則可以通過無線網絡傳輸視頻、記錄、圖片等數據給相應的運行人員移動設備，無需通過后臺轉發(fā)，達到安全有效、高速穩(wěn)定的分析目的。

3 智慧電廠與燃料平臺融合方案

常規(guī)的燃料管理平臺中存在較多的問題各環(huán)節(jié)數據無法互通，形成信息孤島：燃料各環(huán)節(jié)信息化覆蓋面不全，導致數據無法互聯互通、數據共享，無法通過信息支撐后續(xù)環(huán)節(jié)。部門間協作力度不足：各部門存在以部門角度、崗位角度等局部角度處理事務的問題，缺乏整體性考慮，擴大了管理漏洞，提高了經營成本。另外煤場數據存在不準確、不及時問題：對于煤場信息管理通過文件表記錄，無法準確、及時地提供煤場燃料供應、耗用、庫存、煤場、燃煤入爐和燃煤統計等信息。因此，利用無線傳輸技術智能燃料管理平臺和智能電廠一體化管控平臺融合方案，可以提供各自系統的數據交互，更有利于電廠數據統一整合管理。圖3 是平臺融合的網絡架構：

圖3 智慧電廠與智能燃料管理系統融合網絡架構圖Fig.3 Network diagram of smart power plant and intelligent fuel management system integration

智能燃料管理系統在電廠信息化分區(qū)中設置在安全三區(qū)，通過防火墻利于進入智慧電廠的核心交換機交互數據。在目前建設的高速無線通訊物聯網大數據傳輸平臺下，通過利用智能一體化管控平臺的大數據分析及云計算功能，對電廠各部方面模塊進行優(yōu)化控制計算：

1）采購策略，可以通過大數據分析目前的機組出力、熱值數據、結合電網的用電負荷率、市場的煤種價格、實時傳輸的存煤量等各方面因素，通過獲取大量的數據分析綜合優(yōu)化云計算后得出最優(yōu)的采煤計劃和方案。通過優(yōu)化后的采煤策略可以用目前最節(jié)省的用煤方式帶來最好的經濟效益。

2）摻燒策略，摻燒是電廠目前根據已采購的存煤量進行混合摻燒的過程，通過無人機或者激光分析等方式獲取實時的存煤量、煤質溫度等參數，結合電廠所需的機組運行負荷，選擇最優(yōu)的摻燒策略。利用摻燒策略，運行人員可以通過優(yōu)化配煤比例的輸入實現取煤機機輸煤機的給煤摻燒指令。摻燒策略所推薦配煤摻燒方案能確保鍋爐安全、穩(wěn)定、經濟運行，通過無線數據傳輸定位裝置監(jiān)控斗輪機實時工況、輸煤皮帶的熱成像圖像，跟蹤摻配執(zhí)行，從而有效降低火電廠燃煤發(fā)電成本。

3）實時利潤計算，主要通過對實時進行的燃燒過程參數進行采集建模計算，對數據進行整合評估。利潤數據分析成本主要的關鍵數據電廠內部數據包括：燃燒的熱值、摻燒方案、電廠運行參數，并結合外部數據耗煤量、原煤價、發(fā)電量應用計算實時成本。而通過無線安全的高速通訊方式獲取實時電廠中的煤耗率、入爐煤市場的單價通過模型算法計算成本，并與進行燃料實時成本校核對比分析。高速的傳輸速率可以實現電廠系統燃煤成本在較短時間的更新周期，通過快速的數據反映可以對燃燒策略、采購策略進行分析判斷，選擇最優(yōu)的方案。

4 結 論

本文目的是研究在電廠區(qū)域建設基于5G 或WiFi6 的無線高速傳輸技術的通物聯網通訊系統，主要實現燃料全流程的智能化管理以及與智能一體化管控平臺的云計算大數據平臺融合。高速安全可靠的新一代無線傳輸技術系統側重點在于整合現場已有的出入場、計量、采樣、制樣、化驗、數字化盤煤、取煤、輸煤等一系列流程的視頻監(jiān)控、環(huán)境參數、定位信息等數字流傳輸，并結合電廠燃料管理業(yè)務流程的具體要求實現全過程的燃料智能化管理，同時將現場收集的數據通過大數據分析優(yōu)化管理控制系統進行數據整合。廠區(qū)大數據的整合，讓其在電廠運行中收獲更多的效益，并將不同的監(jiān)控模塊實現無縫銜接、資源共享。