三維數字化電廠在運維期的作用

陳小紅，孟穎超

(河南省電力勘測設計院， 鄭州 450007)

三維數字化電廠在運維期的作用

陳小紅，孟穎超

(河南省電力勘測設計院， 鄭州 450007)

數字化電廠以數字化設計移交的圖紙與數據成果為基礎，采用KKS編碼體系和可擴展的數據庫設計方式，通過與電廠生產管理系統和信息管理系統的互聯互通，全面實現信息共享和高度集成。通過對所積累數據的深度挖掘、分析，加強對信息的有效利用，提升電廠的數字化優化運行能力、數字化管理水平和決策支持能力。通過對運行檢修的三維可視化管理，提升各環節的協同運作水平，提高電廠整體運行的安全性、可靠性、經濟性，促進電廠一步步向節能、減排、綠色、環保方向發展。

三維數字化電廠；KKS編碼；互聯互通；運維期；信息共享

0 引言

建設數字化電廠的關鍵是實現全壽期機組設備數據的共享，通過信息融合等技術措施，實現全壽期機組數據的共享，進而達到機組在全壽期的安全、高效與清潔運行。目前在電廠數字化建設階段，業主、設計院、施工單位和設備供應商之間存在信息孤島。電廠與設計院之間的信息孤島問題表現為設計院設計的數字化電站服務器并未移交電廠，導致電廠能夠使用的數據很少，無法對運行和維修起到指導作用。電廠與設備/零件廠商之間的信息孤島問題為制造廠的設計圖難以與電廠的施工圖進行無縫對接，一般需要電廠根據設計圖繪制施工圖，在加大了工作量的同時會因人為因素而使得設計與施工之間產生偏差。數字化電廠解決全生命周期信息孤島問題，深度數據挖掘分析功能，為電廠運行維護和整改創造了良好的技術支持。

1 數字化電廠

1.1 數字化電廠內涵

數字化電廠是通過對電廠物理和工作對象的全生命周期量化、分析、控制和決策，提高電廠價值的理論和方法。因此，數字化電廠既不是一個項目，也不是一個軟件或系統，而是一種理論和方法。這一理論和方法研究的對象是電廠的物理對象和工作對象，其方法是從整個生命周期出發研究如何對其進行量化、分析、控制和決策[1]。

數字化電廠將所有信號數字化、所有管理的內容數字化，然后利用網絡技術，實現可靠而準確的數字化信息交換、跨平臺的資源實時共享，進而利用智能專家系統提供各種優化決策建設，為機組的操作提供科學指導[2]。其作用是降低發電成本、提高上網電量、減少設備故障，最終實現電廠的安全、經濟運行和節能增效。

1.2 數字化電廠以各階段的信息集成為數據基礎

三維數字化電廠為全廠建立了一個基于三維數字化模型的數據庫。數據庫包含了數字化設計階段完整、準確的信息。同時將完整基建階段的信息集成，三維數字化電廠信息管理平臺與電廠現有系統的互通，實現了電廠設計期、基建期與運維期數據信息的共享融合[3]。結構開放、可擴展的數據庫設計形式，為新增屬性信息的存儲提供接口，為電廠全生命周期的運行維護和整改創造了良好的技術基礎。

1.3 數字化電廠以全信息三維工程模型為對象

三維數字化電廠的模型包含了邏輯、布置、編碼及各類屬性信息，不再是一個單純的只有外形的三維模型，而是代表著某一類具有特定信息的工程對象，每個對象都賦予其應有的屬性信息，屬性信息可以無限制的擴展。例如設備通常包含名稱、編號、類型、溫度、壓力、保溫、生產廠家資料、運行數據等等。三維模型、設計圖紙、采購文檔及施工管理文檔等通過KKS碼自動建立了關聯關系。支持多維度地搜索數據，如查詢檢索與某設備相關聯的管道及儀表流程圖、三維模型圖、設備參數、圖紙集、技術協議、運行狀態、備品備件等信息。

2 數字化電廠在運維期的作用

以三維數字化模型數據庫為基礎，KKS編碼為數據關聯的核心，與現有系統信息連通，提高電廠的生產管理掌控能力，實現運行檢修數據的三維可視化快捷管理。運用三維互動仿真平臺技術，覆蓋電廠生產區、辦公區。電廠主要生產設備模擬拆解、主要設備備件零件拆解和三維展示、生產管理信息系統整合、設備數據的動態實時展現、應急預案可視化、主要生產設備漫游、管理培訓等功能，高度集成在信息充分共享的三維平臺上，使各管理過程協同運作[4]。

2.1 數字化電廠輔助培訓

虛擬現實(VR)是一種可以創建和體驗虛擬世界的計算機系統，通過視、聽、觸覺等作用于用戶，使之產生身臨其境的感覺。虛擬現實系統通常具有3個特征：沉浸性、交互性、想象性。用戶可以在虛擬環境中漫游，將感受到的信息經過大腦的思考和分析，形成自己想要的動作或策略，通過輸入界面反饋給系統，實現與系統的交互和控制系統運行的功能。

電廠的大部分設備必須連續作業，通常處于易燃易爆、高溫高壓的環境。如果在這些實際的系統上進行模擬仿真，可能需要花費大量的代價或者冒很大的風險，因此利用系統建模與仿真的方法，在虛擬現實仿真系統中進行科學研究、人員培訓很有意義。通過計算機仿真手段對系統模型進行充分的仿真運行和仿真實驗，模擬實際系統的運行過程，對仿真過程在虛擬的三維場景中觀察和輸出數據進行統計分析，用以推斷所研究系統或所設計系統的真實參數與性能。在虛擬現實技術的支持下，仿真運行過程中建模人員和決策人員不僅能得到各種重要的仿真數據，而且可以看到相應的三維仿真動畫，從而提供了系統運行的直觀性和逼真性，有助于他們理解和認識所研究系統的本質和動態規律。通過將數字化設計技術，虛擬現實技術與系統仿真技術相結合，仿真平臺實現了仿真過程和生產數據的可視化呈現及其與用戶之間的人機交互，加深了參加培訓人員的記憶，滿足項目培訓要求并且大幅減少了培訓費用，可以為電力企業的科學研究、人員培訓等提供有效的決策支持，如圖1所示。

圖1 虛擬操作培訓動畫

2.2 數字化電廠輔助實時監控

三維數字化與電廠現有系統對接，訪問運行階段的實時數據庫，獲得來自多個不同系統的實時數據。允許運維人員訂閱，可實時監控以及推送報警信息，將運維人員從海量數據中解脫出來。

2.3 數字化電廠輔助設備狀態維護檢修

設備管理是企業生產經營活動中的重要組成部分，現代化企業的生產經營活動需要有設備管理信息體系支撐。三維數字化電廠可以將設備運行、保養、檢修三方形成一個有機的統一體，可以有效防止對設備的過修、欠修和失修，最大程度提高設備的可靠性，降低企業生產運營成本。可以實現的主要功能涵蓋：基礎數據的管理、狀態管理、監測預警、狀態評價、決策建議、輔助分析、設備拆裝模擬、備品備件管理、安全防護等[5]。

(1)狀態評價。數字化電廠提供了設備數據信息錄入接口，可以對設備的使用時間、壽命等信息錄入數據庫。以設備歷史數據資料為基礎，通過對設備實時狀態信息進行分析，對設備狀態做出相應的評價。評價體現在該平臺充分考慮了各類設備的特點，采用一種按照設備類型和按生產實際進行的、多模型及可配置的狀態檢修評價體系，能夠滿足各類電力設備的特點靈活地進行設備的狀態評價，結合生產實際提供狀態檢修決策支持服務，為設備狀態檢修策略的制定提供參考依據。

(2)決策建議。以狀態評價結果為基礎，為設備的檢修工作提供決策支持，包括建議檢修項目、檢修時間安排、輔助生成檢修計劃和檢修資金安排等。

(3)輔助分析。基于系統內部豐富的狀態信息數據，為用戶提供各項查詢統計及分析功能，用戶按照類型或者自定義進行數據查詢統計并生成相應的報表。

(4)設備拆裝模擬。根據工藝流程，將部件拆裝順序、模型節點名稱等相關信息存入數據庫，模擬拆裝過程中讀取數據庫相關信息，模擬設備拆卸、安裝模擬過程，為現場操作人員提供三維可視化的培訓操作，如圖2所示。

圖2 設備拆裝模擬

(5)備品備件物資管理。基于三維模型數據庫中設備備件歷史信息，可以實現對設備備品備件的計劃、采購、庫存等環節進行動態監控實時管理，是電廠運營維修的重要組成部分。

(6)虛擬空間環境。三維數字化電廠可以為安全輔助提供周邊環境虛擬，對安全分析、防護、行走路線、技術資料、設備生產數據等提供清晰、完整的環境信息，包括周邊工作環境風險提示，監控任務的執行情況，確保運維人員人身安全。

2.4 應急指揮網絡系統建設

應急指揮網絡系統建設的整體功能目標為：針對事故在應急事件處置的事前、事中、事后過程，為應急處置行動提供支持作用，滿足處置過程中的信息錄入發布、輔助決策和指揮、事后報告及經驗反饋等方面需求。

通過在三維數字化信息管理平臺的進一步開發，可以滿足如下功能。

(1)實現應急響應、應急準備支持功能。在事故應急期間為應急組織提供決策信息，并輔助其進行決策，在日常狀態為相關人員提供培訓、演習等，保障和提升其應急能力。

(2)確保數據通信傳輸安全穩定可靠。系統與應急網、工控網、管理網、集團網鏈接，應保證日常甚至在極端環境下的安全性、穩定性、可靠性。

(3)實現數據快速采集、分析、發布功能。具備快速、可靠的信息采集、分析能力以及準確、直觀、高效的展示和發布能力，確保應急演練、指揮過程中信息溝通及時、準確、完整。

(4)要能夠提供足夠的信息支撐。決策系統應當能夠有效支持應急的需要，在應急狀態下能夠提供足夠的信息便于應急組織迅速決策，進行指導和支援，并在必要時進行人員、物資的調配。

2.5 工藝流程防真

工藝流程防真利用計算機技術實現工業過程動態仿真，用虛擬化模型代替實際生產設備，并仿真分散式控制系統(DCS)操作系統。其工藝過程操作與響應、控制系統操作與響應、操作員界面、工藝流程畫面、鍵盤、聯鎖響應、操作方式、整個過程變量的動態響應趨勢均與實際過程一致。

由于三維數字化信息管理平臺已存在智能流程圖，需要進一步補充電儀邏輯圖，通過進一步開發，可在平臺中實現運行模擬。

首先系統獲取實際DCS控制臺數據并形成三維數字化信息管理平臺可用的服務信息。平臺將DCS控制臺數據及工藝模型數據推送至工藝防真系統的數據層。利用服務層的介質仿真計算、工藝信息處理、工藝邏輯處理等模塊，實現對基礎數據的加工整合。最終形成工藝防真系統顯示層的信息(三維場景顯示、人機交互、顯示設置等)，如圖3所示。

圖3 工藝防真架構

工藝防真系統的邏輯控制圖，DCS仿真數據來源于實際DCS控制與反饋數據，仿真是將已有的數據展現給工程師或教員，因此不會在模型中產生DCS反饋信息。在DCS仿真控制模塊未發出控制工藝設施時，只提供工藝防真系統界面及模型。而DCS仿真控制模塊發出控制工藝設施信號時，會觸發工作場景渲染，在三維數字化信息管理平臺三維場景中產生如煙霧、流動、碰撞等效果，如圖4所示。

圖4 工藝防真控制

3 結束語

建設數字化電廠是一項能夠提高電廠運行和管理水平的系統工程。以 KKS編碼為核心，在電廠全壽期通過數據融合技術實現了數據共享、知識積累等，從而解決了數字化電廠全生命周期信息孤島問題；深度數據挖掘分析功能，增加了電廠信息有效利用率，從而為電廠運行維護和整改創造了良好的技術支持，進而達到提高數字化電廠整體運行的安全性、高效性、清潔性及經濟性的目的。

[1]危元華，任曉東，李智，等.數字化電廠的概念及方案研究[J].電力建設，2013(4):51-54.

[2]宋慧欣.解讀數字化電廠[J].自動化博覽，2013(10)：42-46.

[3]王聰生.新建電廠數據移交的方法[J].中國電力，2008,41(1):79-82.

[4]王小龍.建設工程數字化管理體系研究[D].北京：北京交通大學，2010.

[5]郭鵬，朱赫，凌榮華，等.全壽期數字化電廠建設現狀及其解決方案[J]節能技術，2016，34(195):74-76.

TM 621

B

1674-1951(2017)12-0027-03

2017-07-26；

2017-11-15

(本文責編：齊琳)

陳小紅(1982—)，女，山西大同人，工程師，工學碩士，從事三維平臺PDMS或Bentley及二維CAD設計平臺,火電廠設計專業的軟件二次開發及三維數字化電廠建設軟件研發方面的工作(E-mail:mengcxh@163.com)。孟穎超(1981—)，男，河南洛陽人，高級工程師，工學碩士，從事火電廠汽機專業設計方面的工作(E-mail:mengmyc@163.com)。