新型燃煤電站數字化建設關鍵技術分析

白德龍，倪永中，司興忠

(1.岱海發電有限責任公司，內蒙古 烏蘭察布 013750；2.華北電力大學 能源動力與機械工程學院，北京 102206)

新型燃煤電站數字化建設關鍵技術分析

白德龍1，倪永中2，司興忠1

(1.岱海發電有限責任公司，內蒙古 烏蘭察布 013750；2.華北電力大學 能源動力與機械工程學院，北京 102206)

建設數字化電站是實現火電廠高度智能、自動化和節能增效的有效手段。在分析數字化電站當前發展狀況的基礎上，對數字化電站發展過程中暴露出來的信息孤島、全生命周期管理、智能設備使用和大數據挖掘等問題進行了闡述，并給出了建設建議。指出了新型數字化電站發展的核心是通過數據融合技術達到設備的全生命周期管理，建立火電廠一體化信息管理平臺，達到燃煤電站節能、減排和增效的目的。

數字化電站；全生命周期；一體化；大數據

1 建設數字化電站的意義

隨著機組容量及參數的提高，現代化單元制機組的設備和系統越來越多，生產過程高度自動化，對機組的運行操作、設備管理和節能環保水平提出了更高的要求。燃煤電站是一個多數據源融合的整體，傳統的系統設計以及數據通信技術的限制導致電站中形成了一個個獨立的數據孤島[1]；同時，電站設計、基建和安裝信息的缺失，導致海量的歷史數據只是不斷地沉淀和積累，無法發揮其最大利用價值。

信息化技術的發展，推動這個傳統工業向高度自動化、智能化、集約化方向發展。大數據技術和智能設備的普及應用將傳統火電企業的數字化建設提升到了新的高度，有效提升了機組的整體運行水平。一個基本的數字化電站拓撲結構如圖1所示,根據普華永道國際咨詢管理公司的統計數據：工廠運行費用的70%與工廠生命周期的信息相關；20%～30%的時間浪費在過時信息上。根據愛默生公司的一份報告，采用數字化電站后，600～800 MW燃煤機組預期節約的費用見表1，由此可見，在燃煤電站進行數字化建設具有重要意義。

表1 采用數字化電站后預期節約的費用 %

圖1 數字化電站拓撲結構

2 數字化電站發展概況

關于數字化電站研究和建設，不同實施單位的理解和定義并不完全相同，傳統的數字化概念還是基于分散控制系統(DCS)的控制系統思想[2]。隨著計算機技術的發展，DCS的數據容量和處理能力不斷增大，使得在DCS基礎上進行主輔一體化建設成為可能，如國電諫壁發電廠2×1 000 MW機組、國電滎陽電廠2×600 MW機組均實現了主輔一體化控制[3]，提升了機組控制的靈活性，節約了人員費用，如圖2所示。

隨著電站運行的需求和計算機技術的發展，電廠出現了種類繁多的應用系統，系統之間沒有統一的數據采集接口，造成數據的重復和不一致。為解決各系統間的信息孤島問題，多個電廠開展了管控一體化建設，實現DCS、廠級信息監控系統(SIS)和管理信息系統(MIS)的數據融合，一定程度上緩解了信息孤島問題，如圖3所示。

在實現主輔一體化和管控一體化的基礎之上，近年來的新建電廠還實現了數字化移交。工廠全生命周期進程中，累積了大量設計、施工和運維不同階段的數據和文檔，這些文檔來自不同的參與方和不同的應用工具，如工藝流程設計系統的數據和圖紙可能來自AutoCAD P&ID，Intergraph SmartPlant P&ID等，而三維建模可能來自AVEVA PDMS或Revit等，導致信息傳遞效率下降。在傳統的電站移交過程中，從設計、采購、施工到運行，各階段都是獨立進行的，這就造成了數據本身的割裂，產生了大量的信息截留問題。通過數字化移交，實現了設計階段、基建階段和運行階段的數據融合[3-4]，如圖4所示。目前，華北電力設計院等設計單位均引進了AVEVA公司的PDMS三維設計軟件，對電站設備進行三維建模(如圖5所示)，在工程設計的各個階段提供滿足業主需要的電廠數據信息，最終可為業主提供一個形象逼真、感性直觀的三維數字模擬電廠。同時，該軟件預留的數據接口遵循國際標準ISO 15926[5]，該標準規定了新建工廠(包括新建電廠)從概念設計、詳細設計、建設過程，到電廠運行和電廠拆除的整個全生命周期的管理方法。

圖2 主輔一體化系統結構

圖3 管控一體化系統結構

圖4 數字化移交管理[3]

圖5 設備三維可視化管理

3 數字化電站發展問題

在數字化電站發展的過程中，由于缺乏統一的建設標準，各單位實施內容各異，無法對發展過程中呈現的共性問題進行研究。雖然電站數字化程度得到了高度的發展，但在此過程中依然存在一些問題，制約著數字化電站向更高層次發展。目前，各電力集團均很重視數字化電站建設，但都還停留在研究和摸索階段，沒有統一的數字化電站建設標準和規范，亟待提煉出數字化電站建設的思路和設計總體方案。新型數字化電站應以全生命周期管理為核心，在信息化成果的基礎上進行集成和創新，建設燃煤電站一體化信息管理整合平臺，最終達到節能、環保、增效的目的。

3.1 信息孤島依然存在

通過管控一體化實現了DCS，SIS和MIS的信息融合，規范了各運行優化軟件和監控軟件的數據來源，一定程度上緩解了信息孤島問題，但設計、施工、采購和運行階段的信息隔離依然存在，嚴重阻礙了設備的全生命周期管理，導致后期運行過程中的設備改造信息無法與早期的移交數據庫同步，移交的數字化電站與運行的實體電站的差異會隨運行時間的增加而累積。業主單位花費巨額投資建設的數字化平臺在運行階段無法實現最大化利用，因此，數據交換的規范和標準的建設顯得尤為必要。圖6所示的數據協議轉換中心可有效地建立虛擬電站和實體電站之間的設備信息交互，打通設計與運營環節的隔離，在數據融合的基礎上，建立圖7所示的一體化平臺，實現應用的一體化。

圖6 數據交換流程

圖7 一體化平臺

3.2 設備全生命周期管理難以實現

除了設計與運營環節的脫節導致設備信息缺失外，運行階段設備狀態變化無法長期記錄是導致全生命周期管理難以實施的重要因素。ISO 15926標準在記錄信息時不僅可以采用數據模型概念記錄靜態的流程工廠(如圖8所示)，而且還可以采用4D的方法記錄包括維修等過程在內的全生命周期流程工廠[5]。記錄的信息包括：流程工廠的物理對象，物理對象的標志、屬性、分類、裝配和連接。4D方法認為，物理對象具有時間和空間維度。4D指的是空間(3D)和時間(1D)上的組成關系都以相似的方法處理，空間(3D)指的是KKS編碼中的3種標志，即相關工藝標志、安裝點標志和位置標志，所以4D方法可以理解為在原有KKS編碼的基礎上(即空間維度)增加了1個時間維度，即圖9中橫坐標所表示的時間軸。

圖8 設備對象的抽象化[5]

圖9 4D設備信息描述[5]

物理對象是“全生命周期對象”，某一物理對象可以作為另外一個物理對象全生命周期的一部分，成為“臨時部分”，因此二者間存在臨時組成關系。

3.3 現場總線設備率不高

數字化電站建設的核心是在過程監控系統和信息系統的各個層次采用智能化和數字化的硬件設備，并配套相應的控制和管理軟件，達到提高設備安全性和可靠性的目的[6-7]。但是，由于現場總線設備費用問題，配套軟件、通信標準和電站主控特殊的復雜協調等問題，導致現場總線技術在火電廠的利用率不高。在一般火電廠，現場總線設備率小于60%，輔控系統使用的現場總線設備率要高于主控系統；在新建的燃機電站，現場總線設備率可達到70%。隨著數字智能化技術的發展，現場總線設備和技術在火電廠的大規模應用是必然趨勢。

3.4 廠級信息監控系統的定位

自1997年提出SIS概念來，SIS逐漸成為火電廠建設的標準配置軟件之一，其基本功能包括：數據采集與監視、廠級性能計算及機組性能計算、負荷經濟分配、狀態檢修和壽命診斷[8]。但是縱觀大部分電廠的建設情況，除了數據采集與監視和性能計算可以實現外，其他功能很少有電廠成功實施并良好運行[9]，其主要原因有以下幾點。

(1)基于安全性考慮，SIS和DCS間的數據是單向流動(如圖10所示)，SIS無法向DCS發送指令；另外，調度中心無法全面利用廠級的優化結果[9]。

圖10 SIS的功能定位

(2)SIS集成廠商對設備狀態檢修所需信息和設備檢修機制缺乏充分理解，工廠信息(PI)數據中缺乏設備狀態檢修所需信息且沒有設備狀態評價模型。

(3)缺乏基本數據的積累，例如設備壽命評估需要專業的金屬材料數據庫才可以進行，而國內還沒有成型的可供利用的材料數據庫。

3.5 缺乏應有的數據價值挖掘方法

隨著傳感器技術和數據存儲技術的發展，火電廠大數據時代已經到來，SIS的發展已擴展到發電企業集團級和集團科技中心級，存儲了大量的結構化數據。但是由于火電廠系統的復雜性，每一類設備有一套完整的狀態監測、故障診斷、檢修維護、壽命管理機制，很難統一使用單一模型對這些數據進行分析；需要對不同的設備，根據其設備健康指標建立特有的分析模型，工作量巨大，而且需要專業知識高度融合的復合型人才，涉及分布式計算、流處理技術以及數據倉庫技術[10]。

4 數字化電站建設展望

數字化電站并不是各種信息管理系統的簡單融合，也不是簡單智能設備的普及使用，而是一個融合信息處理技術、控制技術、分析與優化技術等技術的系統工程。新型數字化電站應以設備全生命周期管理為核心，以單個燃煤電站為對象，在信息化成果的基礎上進行集成和創新，建設燃煤電站一體化信息管理整合平臺，最終達到節能、環保、增效的目的。

發展數字化電站是大勢所趨，在智能設備、通信技術、大數據分析技術發展的同時，需要管理層總體籌劃，做好頂層設計工作、人才儲備工作，才能迎來數字化電站發展的春天。

[1]王晉亮.消除“信息孤島”的策略[J].科技情報開發與經濟，2003，13(12):50-51.

[2]黃琨.數字化電廠的概念、現狀與應用展望[J].科技信息，2011(29):810-811.

[3]錢培峻.超超臨界機組主輔控一體化控制的設計研究[J].華東電力，2010,38(7):998-1001.

[4]王聰生.基于維模型的電廠生命周期的信息管理[J].電力建設，2002，23(11):85-95.

[5]王聰生.電廠生命周期的數據維模型[J].中國電力，2004,37(8):71-75.

[6]工業自動化系統與集成流程工廠(包括石油和天然氣生產設施)生命周期數據集成第2部分:數據模型：GB/T 18975.2—2008[S].

[7]顏渝坪,崔逸群，王春利，等.火電廠現場總線控制系統的成功應用[J].中國電力，2007，40(3):56-60.

[8]馬欣欣.現場總線技術在大型火電廠的應用[J].中國儀器儀表，2012(2):25-28.

[9]閻欣軍.廠級監控信息系統(SIS)功能及相關問題的探討[C]//中國電機工程學會.全國電力行業熱工自動化及信息化學術年會論文集，2005.

[10]曹文亮，高建強，王兵樹，等.電廠廠級監控信息系統現狀及發展前景[J].中國電力,2002,35(9):59-62.

[11]侯子良.積極推動火電廠控制方式的第二次變革[J].自動化博覽,2014(z1):16-18.

(本文責編：劉芳)

2016-11-07；

2016-12-14

TM 621

A

1674-1951(2017)01-0010-04

白德龍(1976—)，男，山西五臺人，高級工程師，從事火電生產管理方面的工作(E-mail:baidl@daihaipower.com)。