李霄飛，朱梓傲

（1.中國大唐集團有限公司，北京 100033；2.沈陽航空航天大學(xué)，遼寧 沈陽 110136）

1 智慧電廠建設(shè)背景

21世紀(jì)初，各國先后提出“智能工廠和智能制造”的概念，美國和德國分別提出了“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”和“工業(yè)4.0”的概念，人類進入以信息物理融合系統(tǒng)（CPS）為基礎(chǔ)，以高度數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化為標(biāo)志的第四次工業(yè)革命時代。2015年，中國提出“中國制造2025”戰(zhàn)略，將信息化與工業(yè)化深度融合，大力發(fā)展數(shù)字化、智能化，隨后，發(fā)布了《深化“互聯(lián)網(wǎng)+先進制造業(yè)”發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的指導(dǎo)意見》《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展行動計劃（2018—2020年）》《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)APP培育工程實施方案（2018—2020年）》等系列文件，制定了人工智能三大戰(zhàn)略目標(biāo)。隨著對信息化、智能化等理論研究的深入及人們對互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)的應(yīng)用探索，工業(yè)生產(chǎn)過程實施智能化的關(guān)鍵技術(shù)已日臻成熟。

在智能制造與智慧能源的發(fā)展框架下，國家能源局發(fā)布了《關(guān)于推進“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源發(fā)展的指導(dǎo)意見》，實施能源領(lǐng)域的國家大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略，積極拓展能源大數(shù)據(jù)的采集范圍，實現(xiàn)多領(lǐng)域能源大數(shù)據(jù)的集成融合。隨著發(fā)電領(lǐng)域智能發(fā)電技術(shù)的快速發(fā)展，建設(shè)智慧電廠被逐步提上日程，復(fù)雜程度最高、涉及范圍最廣的火力發(fā)電廠的智慧化成為研究的最重要內(nèi)容。

2 智慧電廠的定義

智慧電廠不是簡單歸結(jié)為一個軟件或一個系統(tǒng)，而是一種管理理論和方法。建設(shè)智慧電廠是發(fā)電行業(yè)管理思想的重大變更，是實現(xiàn)火力發(fā)電廠高質(zhì)量發(fā)展的必由之路，體現(xiàn)了“工業(yè)4.0”和“中國造2025”的發(fā)展理念。

智慧電廠是數(shù)字化電廠結(jié)合智能化后進一步發(fā)展的目標(biāo)，是現(xiàn)代電廠信息化發(fā)展的新階段，是信息技術(shù)與發(fā)電技術(shù)的深度融合，采用新一代信息通信技術(shù)、人工智能（AI）技術(shù)、檢測控制技術(shù)，以發(fā)電系統(tǒng)為載體，利用大數(shù)據(jù)和現(xiàn)代通信技術(shù)，采用智能控制系統(tǒng)，具有一定自主性的感知、分析、學(xué)習(xí)和決策能力，能動態(tài)適應(yīng)發(fā)電環(huán)境變化，解決發(fā)電廠工程管理、運行維護等問題，減少生產(chǎn)過程中的人工干預(yù)，提高生產(chǎn)效率，構(gòu)建高效節(jié)能、綠色環(huán)保的發(fā)電廠。

3 智慧電廠的系統(tǒng)構(gòu)成

智慧電廠的概念一經(jīng)提出，建設(shè)者們紛紛提出自己的建設(shè)內(nèi)容，主要圍繞智能管理、智能控制和智能設(shè)備等要素開展了規(guī)劃和設(shè)計，在各個要素上深度融合各種先進智能技術(shù)，充分利用火力發(fā)電廠內(nèi)的各種資源，最大限度地提高發(fā)電效率。

智能管理：應(yīng)用人工智能（AI）、工業(yè)大數(shù)據(jù)等新一代技術(shù)手段，對信息資源進行提煉、分析、判斷，以經(jīng)濟效益為中心，以生產(chǎn)管理為主線，以設(shè)備管理為重點，實現(xiàn)對電廠的管理，如智慧經(jīng)營、智慧燃料管理、構(gòu)建三維數(shù)字可視化設(shè)備模型、人員定位與安全管理、智慧物資管理、工藝仿真和人員培訓(xùn)、智能巡點檢等。

智能控制：基于先進控制系統(tǒng)平臺，采用智能控制策略，對所有運行設(shè)備進行全過程監(jiān)測，對運行數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、查詢、匯總、分析等深度挖掘，形成具備“自分析、自診斷、自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)”的運行優(yōu)化系統(tǒng)，利用機器學(xué)習(xí)與人工智能技術(shù)，實現(xiàn)機組高效環(huán)保運行、靈活調(diào)節(jié)、少人或無人值守、智能監(jiān)視。如鍋爐燃燒優(yōu)化控制、鍋爐智能吹灰優(yōu)化控制、AGC優(yōu)化控制、機組自啟?？刂?、主再熱汽溫控制、冷端優(yōu)化控制、脫硫脫硝控制等。

智能設(shè)備：采用自身感知或在輔助系統(tǒng)、設(shè)備的協(xié)助下，具備自管理、自診斷能力的現(xiàn)場裝備，如現(xiàn)場總線、智能照明、高壓電氣設(shè)備智能監(jiān)控系統(tǒng)等。

4 智慧電廠的工程設(shè)計

目前，行業(yè)內(nèi)關(guān)于智慧電廠的定義、特征還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，也沒有成熟的設(shè)計規(guī)范。電廠在市場競爭日益激烈的形勢下，常規(guī)燃煤火力發(fā)電廠面臨著生存的考驗，建設(shè)者在建設(shè)過程中不斷優(yōu)化設(shè)計，降低工程造價，同時提高自動化水平，推動自動化和信息化的深度融合；在生產(chǎn)期不斷提高設(shè)備自動化水平，優(yōu)化管理資源，降低生產(chǎn)成本，提高市場競爭力，智慧電廠建設(shè)為火力發(fā)電廠進一步提升自動化水平，提高勞動生產(chǎn)率，降低人工成本等方面提出了新的要求，筆者們認(rèn)為要實現(xiàn)火力發(fā)電廠的智慧化主要從以下幾個方面進行探索和研究。

4.1 構(gòu)建智能控制平臺

智慧電廠的數(shù)據(jù)通過各個采集設(shè)備傳送到控制系統(tǒng)和管理系統(tǒng)中，系統(tǒng)將接收的數(shù)據(jù)進行加工和整理，形成控制信號，實現(xiàn)自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)的功能，同時向管理人員提供管理信息，并通過頁面形式展現(xiàn)出來。因此，智慧電廠最重要的是數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理、基于數(shù)據(jù)的反饋。當(dāng)前，火力發(fā)電廠的數(shù)據(jù)是呈“金字塔”形自下而上由生產(chǎn)層向管理層進行傳輸，生產(chǎn)和管理之間的數(shù)據(jù)傳輸是單向的，數(shù)據(jù)只能由生產(chǎn)層向管理層傳輸，管理層數(shù)據(jù)不能向生產(chǎn)系統(tǒng)傳輸，生產(chǎn)數(shù)據(jù)和管理數(shù)據(jù)分別在不同的數(shù)據(jù)平臺上運行。在生產(chǎn)層，普遍存在多種控制系統(tǒng)，底層數(shù)據(jù)不能被有效整合利用。另外，控制過程是基于實時的運行數(shù)據(jù)，控制過程絕大多數(shù)采用的是基于傳統(tǒng)的經(jīng)典控制理論，對于歷史數(shù)據(jù)的分析、判斷以及對歷史數(shù)據(jù)分析的結(jié)果還沒有被真正應(yīng)用到控制系統(tǒng)中，可以說控制系統(tǒng)沒有根據(jù)歷史數(shù)據(jù)進行“思考”和“學(xué)習(xí)”的能力。因此，要實現(xiàn)發(fā)電過程的智慧化，必須要建立智能控制平臺，構(gòu)建控制層的數(shù)據(jù)庫，建立實現(xiàn)電廠自分析、自診斷、自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

通過構(gòu)建智能控制平臺，進一步擴大生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集范圍、完善生產(chǎn)過程控制功能，在生產(chǎn)層設(shè)計智慧發(fā)電的“大腦”，把目前部分操作人員的操作能力移植到智慧發(fā)電的“大腦”中，同時，在智能控制平臺上根據(jù)大數(shù)據(jù)、機器學(xué)習(xí)等技術(shù)構(gòu)建發(fā)電設(shè)備、系統(tǒng)的精確模型，充分掌握被控對象的特征，對數(shù)據(jù)進行深度開發(fā)利用，對不同的控制設(shè)備采用有針對性的控制策略，使其具備分析、診斷、學(xué)習(xí)、決策和提高的能力，從而實現(xiàn)智慧化發(fā)電目的。另外，在智能控制平臺上，應(yīng)用先進的高級控制策略及控制算法，使得發(fā)電過程的控制效果更理想，最終實現(xiàn)機器操作代替人工操作。

4.2 構(gòu)建智能生產(chǎn)管理平臺

在生產(chǎn)管理層構(gòu)建生產(chǎn)管理平臺，是實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享的智慧電廠的必要條件。目前，火力發(fā)電廠生產(chǎn)管理系統(tǒng)中存在信息壁壘和信息孤島，雖然部分信息化系統(tǒng)初步對相關(guān)的系統(tǒng)進行了整合，實現(xiàn)了部分生產(chǎn)、管理和經(jīng)營業(yè)務(wù)間的協(xié)同，但各個管理系統(tǒng)，如設(shè)備管理系統(tǒng)、巡檢系統(tǒng)、缺陷管理系統(tǒng)、物資管理系統(tǒng)等之間的數(shù)據(jù)還不能完全共享和相互協(xié)同，不能運用工業(yè)大數(shù)據(jù)處理手段對積累的海量數(shù)據(jù)進行有效的分析，從而為生產(chǎn)管理者提供智能決策服務(wù)，因此，要實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享的智慧電廠，就必須在生產(chǎn)管理層構(gòu)建生產(chǎn)管理平臺。在這個平臺上設(shè)計統(tǒng)一的開放的數(shù)據(jù)庫，只有這樣才能實現(xiàn)設(shè)備管理、安全管理、檢修管理、物資管理等系統(tǒng)間數(shù)據(jù)的共享和協(xié)調(diào)互動，才能對電廠的工藝過程和各設(shè)備進行大數(shù)據(jù)智能深度分析，為生產(chǎn)管理者提供更加全面的決策服務(wù)。

4.3 分散控制系統(tǒng)與廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)的融合

要構(gòu)建智慧電廠智能控制平臺，使控制系統(tǒng)具有自分析、自診斷、自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)的能力，必然要對設(shè)備運行狀態(tài)進行分析、對設(shè)備和系統(tǒng)的性能進行計算、對各個系統(tǒng)的耗差進行經(jīng)濟分析，才能對各設(shè)備的運行進行優(yōu)化，實現(xiàn)設(shè)備和系統(tǒng)具有自分析、自診斷、自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)能力的目的。目前，火力發(fā)電廠的這些分析功能都是在廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)中實現(xiàn)的，根據(jù)當(dāng)前分散控制系統(tǒng)和廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)的設(shè)計規(guī)定，這些對設(shè)備和系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)進行分析計算的結(jié)果是不能傳輸?shù)娇刂茖訁⑴c自動控制的，對設(shè)備和系統(tǒng)的運行優(yōu)化是通過人員干預(yù)來實現(xiàn)的。因此，要使控制系統(tǒng)具有“思考”的功能，必須對分散控制系統(tǒng)和廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)的設(shè)計內(nèi)容進行系統(tǒng)的規(guī)劃，將性能計算、耗差分析、設(shè)備的運行優(yōu)化等功能移植到生產(chǎn)控制系統(tǒng)中去，使得通過大數(shù)據(jù)智能分析的結(jié)果參與機組的自動控制當(dāng)中，從而使得發(fā)電的“大腦”更加智慧。

4.4 對智能發(fā)電設(shè)備和系統(tǒng)進行深入的研究

要實現(xiàn)對運行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計、查詢、匯總、分析等深度挖掘，形成具備“自分析、自診斷、自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)”的運行優(yōu)化系統(tǒng)，保證機組高效環(huán)保運行、靈活調(diào)節(jié)、少人或無人值守等目標(biāo)，在火力發(fā)電廠工藝系統(tǒng)設(shè)計上要從以下幾方面進行深入的研究和創(chuàng)新。

4.4.1 對發(fā)電設(shè)備和工藝系統(tǒng)進行智能化完善

智慧電廠需要更多設(shè)備數(shù)據(jù)，由于測量技術(shù)、計算機技術(shù)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，大量新型儀表和控制設(shè)備不斷涌現(xiàn)，部分以往無法實時準(zhǔn)確檢測的電廠系統(tǒng)和設(shè)備的運行狀態(tài)已經(jīng)可以實時準(zhǔn)確檢測，在火力發(fā)電廠各個系統(tǒng)的設(shè)計中采用新型可靠儀表和設(shè)備，選擇更加可靠準(zhǔn)確的檢測手段，能為實現(xiàn)智慧化提供豐富的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

智能設(shè)備是電廠的底層，將發(fā)電設(shè)備和系統(tǒng)的運行狀態(tài)參數(shù)直接數(shù)字化，數(shù)字信號使設(shè)備的信息量大大增加，精確度不斷提高，系統(tǒng)的可靠性大幅度提升?，F(xiàn)場總線技術(shù)的應(yīng)用，提升了儀表的智能化，可從現(xiàn)場設(shè)備和儀表取得更多的運行數(shù)據(jù)，還可對設(shè)備本身的健康狀況進行檢測，具有一定的自診斷能力。

然而，目前針對發(fā)電設(shè)備和工藝系統(tǒng)的研究不夠，主要發(fā)電設(shè)備和工藝系統(tǒng)的智能化程度不高。這就需要對發(fā)電設(shè)備和系統(tǒng)進行智能化的重構(gòu)，對設(shè)備和系統(tǒng)進行模塊化劃分，分別劃分成不同的單元，并設(shè)計代表每個單元的控制特性、安全特性和經(jīng)濟運行特性的代表參數(shù)，進一步完善設(shè)備和工藝系統(tǒng)的參數(shù)檢測，為控制系統(tǒng)提供更多的數(shù)據(jù)，控制系統(tǒng)通過這些數(shù)據(jù)進行“思考”，得到單元的各種狀態(tài)，從而能夠更加靈活地加以控制。

隨著自動化水平的提高，火力發(fā)電廠“一鍵啟?！保ˋPS）的設(shè)計，必將成為現(xiàn)代電廠高度自動化、智能化的標(biāo)志，想要更好地實現(xiàn)火力發(fā)電廠發(fā)電過程的APS，所有參與APS的設(shè)備和系統(tǒng)必須具有“一鍵啟停”的性能，同時對發(fā)電設(shè)備和系統(tǒng)進行智能化重構(gòu)，使各個設(shè)備和系統(tǒng)具有“一鍵啟?！钡哪芰?，進一步提升火力發(fā)電廠機組的安全性和經(jīng)濟性。

4.4.2 對發(fā)電設(shè)備和工藝過程的控制系統(tǒng)進行完善

對發(fā)電設(shè)備和系統(tǒng)進行智能化重構(gòu)，劃分成單元，需在控制系統(tǒng)中設(shè)計對應(yīng)的控制單元，通過控制系統(tǒng)對這些單元運行數(shù)據(jù)的分析和診斷，進而實現(xiàn)對這些單元的控制，確保運行安全、經(jīng)濟。同時，形成代表這些系統(tǒng)控制特性、安全特性和經(jīng)濟運行特性的數(shù)據(jù)參數(shù)，為控制和管理提供數(shù)據(jù)。

智慧電廠需要更高的控制水平，對發(fā)電設(shè)備和系統(tǒng)進行了智能化重構(gòu)，所對應(yīng)的控制策略也需要進一步完善。在控制系統(tǒng)具有“思考”能力的前提下，就需要完善模擬量控制系統(tǒng)和順序控制系統(tǒng)，進一步減少人工操作，最終實現(xiàn)全過程的機器操作目標(biāo)。

首先控制系統(tǒng)具備了“思考”能力，可以對智能化重構(gòu)的設(shè)備和系統(tǒng)進行先知和預(yù)判，從而使模擬量控制更加智能，特別是燃燒控制、汽溫控制等在傳統(tǒng)模擬量控制策略下控制品質(zhì)不太理想的系統(tǒng)，構(gòu)建更加先進的控制策略尤為重要；其次是構(gòu)建更加智能的順序控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)具有“思考”能力，使得開關(guān)量順序控制系統(tǒng)對設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、判定能力具有操作人員一樣的“思維”能力，能夠更加靈活地自動實現(xiàn)設(shè)備的順序控制功能；再次是模擬量控制系統(tǒng)和順序控制系統(tǒng)相互協(xié)調(diào)?；鹆Πl(fā)電廠“一鍵啟停”（APS）功能的實現(xiàn)，模擬量控制系統(tǒng)和順序控制系統(tǒng)之間必然要相互協(xié)調(diào)。在原有控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，再設(shè)計控制系統(tǒng)的“大腦”，就像是在控制系統(tǒng)中設(shè)計了操作人員一樣，用機器代替人的操作，這樣使得模擬量控制系統(tǒng)和順序控制系統(tǒng)之間的相互協(xié)調(diào)能夠更容易實現(xiàn)。

4.4.3 構(gòu)建完善的設(shè)備狀態(tài)分析系統(tǒng)

現(xiàn)階段，火力發(fā)電廠設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與診斷系統(tǒng)主要有：汽輪發(fā)電機組故障診斷監(jiān)測、大型轉(zhuǎn)機的故障診斷以及電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與診斷系統(tǒng)。系統(tǒng)主要采用傳統(tǒng)的周期性預(yù)防性的檢測，智慧化程度較低，準(zhǔn)確度不高，設(shè)備狀態(tài)管理系統(tǒng)也是基于傳統(tǒng)的設(shè)備監(jiān)視進行固定的狀態(tài)分析，給出的分析結(jié)果只是參考性的。

智慧電廠需要對發(fā)電設(shè)備和系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行有效分析和診斷，實現(xiàn)對設(shè)備運行性能、健康狀態(tài)等因素的全方位預(yù)判和診斷，實現(xiàn)智能化、精細(xì)化的控制和設(shè)備管理，必須在控制系統(tǒng)中構(gòu)建完善的設(shè)備狀態(tài)分析系統(tǒng)，通過分析設(shè)備和系統(tǒng)啟停次數(shù)、啟停時間和運行狀態(tài)，為設(shè)備系統(tǒng)的運行控制和設(shè)備管理提供依據(jù)。更高的設(shè)備控制水平需要準(zhǔn)確的設(shè)備和系統(tǒng)狀態(tài)檢測結(jié)果，在發(fā)電設(shè)備和系統(tǒng)智能化重構(gòu)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建完善的設(shè)備狀態(tài)分析系統(tǒng)，利用專業(yè)分析和大數(shù)據(jù)工具，針對各個發(fā)電設(shè)備單元的運行狀態(tài)、故障狀態(tài)等進行實時分析，建立檢測數(shù)據(jù)庫。同時，設(shè)備狀態(tài)分析系統(tǒng)可以提供包含運行時間、備用時間、非計劃停運時間、計劃停運時間、可用小時、可用系數(shù)和計劃停運系數(shù)等在內(nèi)的各種設(shè)備狀態(tài)信息，為設(shè)備管理提供決策依據(jù)，實現(xiàn)早期發(fā)現(xiàn)征兆，提前采取措施，避免故障的發(fā)生，變被動檢修為主動檢修，變非計劃停機為計劃停機的管理需求。

5 結(jié)束語

智慧電廠建設(shè)是一項系統(tǒng)性工程，是長期細(xì)致復(fù)雜的工作，目前仍然處于探索階段，在設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、人員安全、設(shè)備安全、工程投資等方面還存在諸多問題，沒有哪一家發(fā)電企業(yè)能夠提供成熟的智慧電廠解決方案，但眾多火力發(fā)電廠的建設(shè)者、管理者針對智慧電廠建設(shè)進行了積極探索和實踐，提出了自己寶貴的建設(shè)經(jīng)驗。筆者們認(rèn)為智慧電廠建設(shè)必將不斷提升火力發(fā)電廠智慧化水平，為生產(chǎn)運營提供決策和支持，最大限度地實現(xiàn)減員增效、提高勞動生產(chǎn)率和進一步提高企業(yè)運營效率。