構建云、大、物、移的智能電廠

特約撰稿人：北京必可測科技股份有限公司 何立榮 劉春波

隨著云計算、大數據、物聯網、移動互聯等技術的持續發展與完善，顛覆傳統思維的新技術已經對傳統商務、金融等領域帶來了重大變革，也正在深刻影響著傳統發電領域。本文針對目前火電廠的現狀與不足，介紹了基于云大物移的智能電廠內涵、架構、建設思想以及應用情況，建設智能電廠是發電企業未來較長時期的發展方向。

項目背景

《中國制造2025》明確提出，要“以加快新一代信息技術與制造業深度融合為主線，以推進智能制造為主攻方向”，基于信息物理系統的智能裝備、智能工廠等智能制造正在引領制造方式變革，通過“三步走''實現制造強國的戰略目標，火電廠建設面臨著新的機遇與挑戰。而工業和信息化部則提出了從設計信息化、生產制造信息化、物流信息化、信息化綜合集成創新、服務型制造、裝備信息化、產品信息化、產業服務及行業管理信息化等12個方向實施“兩化”深度融合，以加強系統整合與業務協同，提高大型企業、集團信息化管控水平，增強企業資源共享和業務整合能力。

在節能、減排政策要求和發電集團集約化、高效管理需求驅動下，發電企業對數字化電廠的建設已經進行了多年探索。過去十多年中，國內發電企業按照“管控一體化、仿控一體化”的發展方向，在數字化電廠建設方面取得了長足進步，如DCS功能拓展、全廠控制一體化、現場總線應用、SIS與管理信息系統深度融合等。

大數據、物聯網、移動互聯、云計算、可視化、智能控制等技術的發展，為發電企業由主要以建設數字化物理載體為主的階段，向更加清潔、高效、可靠的智能化電廠發展奠定了基礎。一些發電集團已經開始進行智能化電廠建設的前期規劃、論證與實施。建設智能電廠已成為行業共識的目標。

電廠數字化是智能電廠的基礎，電廠智能化是電廠數字化技術的延伸與發展。智能電廠建設，需要進行頂層設計、全面規劃、統一技術、梳理理念、明確路徑、建立標準。智能電廠建設是電廠智能化的一個過程，應因地制宜、循序漸進。

智能電廠與智能電網共同組成了智能電力，支撐著國民經濟發展對能源的新需求。建設智能電廠是發電企業未來較長時期的發展方向。

火電廠現狀

現階段，大多數電廠在信息化建設、設備生產運維、安全管理方面取得了巨大進步和卓有成效的成果，但也存在很多不足之處：

1.自動化程度不高

DCS系統尚未實現主控和輔控的整體集成，不能實現一鍵啟動；輔控設備采用就地或PLC控制，個別使用FCS控制；現場智能終端（智能傳感器、測量儀表、執行器等）應用較少；各種控制系統設置較為齊全，但只有個別投運先進控制或智能控制；僅個別電廠的主要輔機安裝在線監測系統。

2.專業信息化程度不高

信息化的建設由于資源的限制，目前更多地關注了非生產系統的建設，存在以下問題：

數據量大，壞點率偏高；專業性支持不強，高級應用較少，數據挖掘不夠深入；服務總線建設滯后，實時數據和關系數據、非結構化數據沒有得到有效整合。

3.電廠面臨的普遍問題：“四變”

煤質多變：電廠煤種來源廣、煤質多變，不宜控制；氣候多變：環境溫度和氣候影響煤種的燃燒、機組的運行；負荷多變：電網的負荷受電網控制，機組負荷要適應電網AGC、AVC、一次調頻等考核；煤價多變：煤價受市場環境，煤價決定電廠的運行成本。

4.發電智能化的瓶頸

隨著機組容量的增加，生產過程變得越來越復雜，具有理論知識和現場經驗的專家較少，缺少行之有效的數據分析手段。

智能電廠解析

隨著數字化電廠的向前推進，發展智能電廠已成為必然趨勢。首先，在國家創新戰略的大環境下，借助于工業4.0、工業互聯網、互聯網+、“中國制造2025”的推進實施，物聯網、大數據和云計算等技術的普及應用，工業化和信息化的深度融合，以及相關設備制造企業的創新成果，使得建設智能電廠有了強有力的技術支撐。其次，各發電集團公司降本增效提質的內在需求提高設備安全性可靠性、降低運行成本、滿足環保要求、在市場競爭中占據優勢地位，是各發電集團公司基本的要求。因此，北京必可測結合多年的行業經驗和應用成果，推出了基于云、大、物、移的智能電廠，成功應用到華電內蒙古能源有限公司土默特發電分公司并取得較好的成效。

1.內涵

基于云、大、物、移的智能電廠，是基于“計算機技術、大數據技術、物聯網技術、通信技術、控制技術、云計算與服務、移動應用、可視化技術與人工智能（專家知識庫）”高度融合的、更高階段的自動化電廠。

基于云、大、物、移的智能電廠，由三大功能模塊兒組成，且呈正三角形態分布。上角為“智能經營”，這是發電企業的最終目標；左下角為“智能發電”，是通過人機（自動化設備）交互、并根據預設和整定好的控制邏輯，自動執行企業經營計劃、完成生產任務的基礎；右下角為“智能維護”，是通過不斷改善設備的運行工況與不斷提升設備的可靠度，持續支撐“智能發電”優化運行。

圖1 智能電廠三大模塊圖

智能電廠，是實現“更高設備可靠度、更優出力與運行、更低能耗與排放、更強外部條件適應性、更少人力需求和更好企業效益”的必由之路。

2.架構

圖2 智能電廠架構圖

基于云、大、物、移的智能電廠管理體系，融入了“以可靠性為中心的維修策略（RCM）”、以資產全壽命周期（LCAM），以及必可測的“雙螺旋六象限”（展示方式）等設備管理思想，通過深入挖掘“大數據”“互聯網+”“工業4.0”大背景下給發電企業提供的發展契機，形成企業的數據資產，縱橫交錯覆蓋設備管理。縱向：從基礎數據智能導入著手，以流程為導向，最終支撐運營管理，實現管控一體化。橫向：跨越多個設備監控平臺，重新進行大數據整合，挖掘數據的內在邏輯關系，形成系列基于數據的高級應用。通過先進的技術手段和強大的專家診斷軟件，實現對汽機、鍋爐、電氣、管網、金屬等設備的精密診斷，為管理者提供智能決策，從而達到優化檢修、優化運行、優化運維預算、支撐備品備件采購的目的，最終以三維可視化的形式，在管理者駕駛艙、三維應用、移動終端得到完美展示和應用。

3.建設思想

智能感知：數據采集與處理的智能化

圖3 智能感知圖

一是實時在線采集工藝信號的溫度、壓力、流量、振動、水質、油質、煤質、汽質、電量、聲音、視頻等傳感器數據指標，能夠對模擬信號進行模/數轉換或直接數字化采集并自動發送。

二是實時在線采集信號的傳感器，能夠故障自診斷并自動報警。

三是實時在線采集圖像信號的視頻傳感器，能夠對圖像內容進行智能識別；故障自診斷并自動發送。

四是實時在線采集聲音信號的音頻傳感器，能夠對聲音信號進行智能識別；能夠故障自診斷并自動發送。

五是周期離線工藝信號的人工采集與自動發送。

六是周期離線圖像信號的人工采集與自動發送。

七是周期離線音頻信號的人工采集與自動發送。

八是對設計數據、臺賬數據（含設備編碼）、試驗數據、技改數據、維修數據、歷史檔案、各種標準，進行電子化處理。

將以上所有工藝參數、圖像音頻、圖表資料，進行數字化和電子化處理以后，再分別對接到設備臺賬中的每個元器件上。這是智能化電廠建設的基礎。因為只有在真實、有效、全面的大數據之上，才能進行精確的分析與診斷。即：設備的狀態評估、風險評估及壽命評估。

智能診斷：狀態分析與診斷的智能化

圖4 智能電廠狀態分析與診斷的智能化圖

一是設備狀態評估自動化。運用神經網絡、模糊矩陣、魯棒及遺傳等先進的數學算法，對以上的大數據，進行相關性統計分析，并對各種故障模式（包括：故障類型、故障部位、故障等級等）進行建模；再由專家根據國內外相關行業標準以及專家知識庫，對普遍共性的故障模型進行驗證和修正；再針對不同企業的設備工況和特殊的故障模型，定制具體的、個性的相對標準，進一步完善故障模型的普遍性和特殊性。從而全面支撐設備狀態評估結論、故障預警及解決方案的自動化推送。

二是設備風險評估自動化。根據設備的安全性、經濟性、環保性、健康性的不同權重，建成多維度風險矩陣模型。并隨著工藝參數的動態變化，自動推送預警信息。

三是設備的壽命評估。根據高溫部件、承壓部件、高速旋轉部件及密封部件的特性，運用先進知識及算法，結合專家知識庫，對相關大數據進行深度挖掘，創建接近真實的數學模型并不斷豐富完善。能夠隨著工藝參數的動態變化，自動推送定量定性的壽命周期信息、安全預警信息和處理方案。

智能決策：決策制定與支撐的智能化

圖5 自動推送圖

設備的狀態評估、風險評估及壽命評估，是建立在大數據分析技術與專家知識庫（人工智能）高度融合的基礎上的。縱向維度上，已經把設備的可靠度管理，落實到了元器件級。把設備的性能管理，從單臺設備擴展到了整套機組。橫向維度上，覆蓋了設備的全壽命周期管理。從設計制造、運輸安裝、調試投產、運行維護、技術改造到退役報廢。所以，可以自動提供多種決策建議：

一是自動推送備件采購工單：備件臺賬（編碼）、數量及需要周期。

二是自動推送運維預算明細：備件、用工、耗時的精確統計報告。

三是自動推送設備改善方案：精細化檢修方案及作業指導規范。

四是自動推送運行優化方案：調哪里、怎么調，實時提供運行建議。

五是自動推送經營調度方案：送哪些用戶、保持多少負荷。

智能組態：熱控診斷與調節控制的智能化

無論是DCS系統、現場總線技術，還是PLC，大多只利用了少量的控制信息，一般只采集閥門的開度、遠程/就地、已開/已關等信息，用于控制的開/關指令。大量的智能儀表設備的診斷信息均未利用起來；比如：無論是氣動、電動還是液動執行機構，他們的卡澀、黏滯、堵塞或泄漏故障，都會引起控制器的控制指令無法準確、及時實施。從而導致能耗增加、設備磨損加重；嚴重者，當某些關鍵工藝變量波動時，甚至會造成系統失穩或完全失效。從而導致非停事故，給企業帶來巨大經濟損失。

圖6 調節控制智能化圖

根據對控制回路異常數據的相關性分析，結合專家知識庫的經驗比對，形成卡澀、黏滯、堵塞或泄漏故障的辨識模型，創建對應的補償模型及解決方案。進而達到如下目標：

一是執行機構的狀態監測及故障診斷結果的自動發送。

二是執行機構黏滯模型的辨識與補償方式的自動調節。

三是執行機構的故障解決方案自動發送。

智能協調：電廠與電網的協調智能化

只有當智能電廠與智能電網相互協調友好時，才能誕生一個健壯的電力能源供應系統。

根據我國現在火電、核能、綠色能源、分布式能源的交叉布局，根據多種電壓等級及交直流電網的縱橫延展，根據國內外機網失調所造成的巨大損失教訓，運用先進而成熟的綜合技術，創建智能化機網協調監控系統。實現對機網雙方向的故障預判、預警及自保護、自適應和自恢復的功能，確保電廠和電網的穩定運行。

智能運維：運檢維營一體化、智能化軟件平臺

圖7 智能電廠管控一體化平臺圖

這既是一個大數據信息集成平臺，一個設備與控制系統的故障診斷與可靠度管理平臺，一個全方位決策優化平臺，也是一個全員工作平臺。

運用一套編碼體系，將電廠的靜設備，編碼到“焊口級”；將動設備，編碼到“元器件級”。全廠三維模型的建立，亦遵循這個細度原則（“焊口級”、“元器件級”）。將全廠的空間及設備的設計信息、制造信息、安裝調試信息、運行維護信息、檢修歷史信息、技術監督信息、實時過程信息，全部加載到這一碼二級的三維模型上。精準完成基建時期的大數據移交，并實現基建與生產的無縫對接。然后，再進行大數據的挖掘、提煉及與人工智能（專家知識庫）的高度融合，形成豐富而精準的設備故障模型。從而實現本文所列的各項高級功能。繼而實現運檢維營界面的崗位定制與自動銜接；桌面辦公與移動應用的自動融合。不再有信息孤島和非停事故；亦不再有非常排放和非常能耗。

智能移動：移動應用終端的智能化

移動應用終端，既是一個信息交互平臺，一個工作平臺，也是一個安全監督平臺。只是不同身份和級別的應用終端，對應著不同的工作界面和權限。高層決策者使用的界面，側重于簽署文件和發布指令。擁有可以瀏覽、查詢、審核各級人員工作界面和數據真實性的權限；中層管理者使用的界面，側重于上情下達、下情上傳和輔助決策。擁有可以瀏覽、查詢、審核同級人員及下級人員工作界面和數據真實性的權限；執行者使用的界面，專注于運維工作指令的落實及運檢結果的上報。

每個運維人員的智能頭盔或移動終端，都具有視頻拍照和動態定位功能。結合規范化的兩票三制，可以杜絕人身傷害事故的發生。

一是執行者的移動應用終端，主要實現以下功能：

1）支持工藝信號周期性的人工采集、無線采集并自動發送；

2）支持視頻信號周期性的人工采集、無線采集并自動發送；

3）支持音頻信號周期性的人工采集、無線采集并自動發送；

4）自動接受中層管理者的運維、運檢工作指令；

5）自動接受中層管理者的遠程控制與管理；

6）支持執行者任意一種運檢操作和控制；

二是管理者的移動應用終端，主要實現以下功能：

1）自動接受決策者的管理指令；

2）自動接受執行者的工作報告；

3）遠程控制并監督執行者的工作狀態；

4）支持管理者的全部工作流程。

三是決策者的移動應用終端，主要實現以下功能：

1）自動接受中層管理者的工作報告與請示報告；

2）自動接受設備的狀態評估、風險評估及壽命評估報告；

3）自動接受設備改善方案、運行優化方案、備件采購工單、運維預算明細、經營調度方案；

4）支持決策者的全部工作流程。

智能調度：需求響應與調度經營的智能化

通過對電網需求側用戶信息的深度挖掘，結合煤質、煤價、電網負荷、分布式能源及氣候的多重變化，選擇出可以長久而密切合作的用戶集群，并與其簽訂相對固定的供電合同。

根據與電網及直接用戶的供電合同，適時、自動地調整機組負荷及出力；同時保持可以隨電網負荷、分布式能源供給、用電需求及調度指令的變化，自動調整機組出力水平的能力。

支持調度經營工作在移動終端的智能應用。

智能可視：展示形式與高級應用的可視化、智能化

圖8 智能電廠三維可視化圖

運用成熟的三維建模技術，將電廠的靜態設計圖紙轉化為動態的三維虛擬場景；運用三維激光掃描技術，對變更過的施工圖紙加以實地測繪建模，修正整個廠區的三維虛擬場景。把單臺設備的三維模型，建設到元器件級；把全廠的工藝流程模型，建設到整套機組。

即：地上廠房及設備與地下管網電纜及設備的可視化；設備內部及外部、整體及局部的可視化；整套機組工藝流程、內部介質狀態的可視化；設備拆裝互動可視化；與廠區的視頻監控畫面一一對應化。從而全面實現如下高級應用，一是狀態分析與診斷結論的可視化；二是決策制定與支撐的可視化：含“設備改善方案可視化、運行優化方案可視化、備件采購工單可視化、運維預算明細可視化”；三是熱控診斷與調節控制的可視化；四是作業指導可視化；五是培訓考試可視化；六是經營調度可視化；七是遠程監控可視化。

智能云服：大數據分析與應用智能化

在確保信息安全的情況下，通過租用第三方的云服務平臺，創建電力企業集團級的“混合云服務體系”。集團所屬各發電企業，將所有生產過程信息和設備信息，發送到云端。運用成熟的、有效的數學算法及深度學習方法，自動提取出正相關與負相關的特征數據，再與專家知識庫有機關聯，形成各種自動評估機制與辨識模型。全面支撐發電企業生產與設備的狀態分析、異常預警、故障診斷及解決方案等自動推送與移動應用。使發電企業的生產與設備管控信息，無處不在、無時不在，全面保障電力企業的安全生產與優化運營。

應用情況

2016年4月，北京必可測科技股份有限公司與華電內蒙古能源有限公司土默特發電分公司簽訂設備智能管控系統合同（智能電廠），系統內容包括可視化設備圖模導航系統、可視化汽輪機軸系監測與故障診斷系統、可視化金屬監督及防磨防爆管理系統、設備巡檢、分析、評價系統、可視化大型轉機在線精密診斷系統、主要輔助設備三維管理系統、技術監督管理系統、全優潤滑油管理系統、可視化地下管網管理子系統、可視化精密診斷與優化檢修管控系統等智能電廠內容，此設備智能管控系統合同目前已在電廠實施完畢進入全面運行階段。此系統技術先進、理念創新，實施后全面提升電廠設備可靠度，實現技術監督工作自動化，減輕報表人工計算等專業人員工作量，實現減員增效，更好地確保電力設備其安全、優質、經濟運行。

土默特發電分公司通過本次系統建設，實現了對鍋爐、汽機、輔機等設備管理的全壽期智能化與可視化管理；實現設備管理各系統間的無縫連接；通過專家知識庫的大量使用，使得電廠在設備監控、故障診斷、檢修管理實現智能化與科學化。

本次智能電廠生產經營決策支持系統（平臺）的建設，以設備管理為主線，是智能電廠建設中的重中之重。本次項目的落地，為智能電廠建設探索出一條全新的技術路線，具有很好的應用推廣空間。