智慧全析電廠信息平臺研究與設(shè)計

喻敏華

(湖南大唐先一科技有限公司，長沙 410007)

在“以信息化帶動工業(yè)化，以工業(yè)化促進信息化”的戰(zhàn)略構(gòu)想的指引下，電廠信息化正在獲得快速發(fā)展，呈現(xiàn)出數(shù)字化、智能化及智慧化發(fā)展的趨勢，數(shù)據(jù)管理由分散管理向集中管理轉(zhuǎn)變，智能化設(shè)備、商業(yè)智能在信息系統(tǒng)中的逐步應(yīng)用。

貴州興仁電廠作為新建電廠，為了滿足國家對發(fā)電行業(yè)發(fā)展所提出的要求，同時滿足中國大唐集團公司(以下簡稱“集團公司”)對信息化建設(shè)的總體思想，利用先進的信息化建設(shè)技術(shù)，采用前沿的信息化建設(shè)方案，打造一體化的智慧全析電廠信息平臺，建設(shè)數(shù)字化、智慧型電廠是執(zhí)行精細化管理、提升生產(chǎn)及管理效率、實現(xiàn)科學(xué)決策、用數(shù)據(jù)說話的必然條件和發(fā)展要求。

1 建設(shè)目標

基于現(xiàn)場總線技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、信息集成與三維虛擬現(xiàn)實技術(shù)、云平臺、機器學(xué)習(xí)算法等現(xiàn)代智能化信息處理技術(shù)，融入先進的管理思想和技術(shù)策略，實現(xiàn)業(yè)務(wù)全覆蓋、智能化分析、可視化管理、移動化應(yīng)用，以建立高效、便捷的一體化信息應(yīng)用平臺為總體目標，實現(xiàn)電廠生產(chǎn)經(jīng)營管理智能、精細、高效、綠色及可持續(xù)發(fā)展，打造一流企業(yè)。實現(xiàn)如下建設(shè)目標。

(1)智能處理一流。通過不斷對實時感知能力的提升和協(xié)同處理能力的優(yōu)化，實現(xiàn)全廠完整業(yè)務(wù)過程的流程化監(jiān)控、智能化處理。

(2)方便適用一流。采用三維模型化設(shè)計，實現(xiàn)基建期的數(shù)字化移交及生產(chǎn)運行期的可視化管理。

(3)技術(shù)架構(gòu)一流。構(gòu)建基于電廠數(shù)據(jù)完整、統(tǒng)一存儲、規(guī)范處理的數(shù)據(jù)中心及覆蓋全廠業(yè)務(wù)的一體化管控。

(4)價值導(dǎo)向一流。挖掘數(shù)據(jù)價值，實現(xiàn)用數(shù)據(jù)分析、用數(shù)據(jù)決策。通過模型預(yù)測能力的不斷提升，實現(xiàn)電廠各環(huán)節(jié)價值鏈的最優(yōu)化運營及打造網(wǎng)絡(luò)化、信息化、國際化、生態(tài)化的高效現(xiàn)代化電力生產(chǎn)企業(yè)，為迎和電力行業(yè)改革而不斷提高核心競爭力。

2 設(shè)計思想

以集團公司信息化總體規(guī)劃為指導(dǎo)思想，以集團公司信息化建設(shè)“六原則”為基礎(chǔ)， 以安全、可靠、統(tǒng)一、經(jīng)濟、安全、領(lǐng)先為基本原則，智慧全析電廠信息平臺建設(shè)總體設(shè)計思想如下。

(1)頂層設(shè)計、統(tǒng)一規(guī)劃，并實現(xiàn)全生命周期覆蓋。采用信息化建設(shè)與電廠建設(shè)階段同步進行的思路，相互統(tǒng)一、完整設(shè)計、同步推進，信息系統(tǒng)應(yīng)用覆蓋全生命周期。

(2)構(gòu)建大數(shù)據(jù)、微應(yīng)用、多情景、一體化的應(yīng)用模式。對全廠業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)采用標準、規(guī)范、集中式存儲架構(gòu)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，構(gòu)建大數(shù)據(jù)應(yīng)用中心。系統(tǒng)采用一體化平臺的構(gòu)建模式，并使用移動化、個性化應(yīng)用模式，實現(xiàn)高效、靈活 、一體化的應(yīng)用模式。

(3)建設(shè)基于模型化的數(shù)據(jù)體系，利用數(shù)據(jù)資產(chǎn)構(gòu)建全廠生產(chǎn)運營數(shù)據(jù)價值鏈，實現(xiàn)利用最優(yōu)價值鏈為指導(dǎo)的生產(chǎn)管控模式。系統(tǒng)采用模型化思想建立數(shù)據(jù)處理體系，并實現(xiàn)模型可配、可擴、可優(yōu)化，通過機器學(xué)習(xí)法等智能算法的應(yīng)用，形成數(shù)據(jù)、知識、價值的轉(zhuǎn)變，形成各類數(shù)據(jù)資產(chǎn)，并通過不斷的模型優(yōu)化及分析，指導(dǎo)各生產(chǎn)運營環(huán)節(jié)，實現(xiàn)電廠生產(chǎn)運營價值鏈的最優(yōu)化運行。

(4)引入工業(yè)4.0建設(shè)理念、采用前沿成熟的信息化技術(shù)及系統(tǒng)先進的架構(gòu)思想，實現(xiàn)信息化建設(shè)行業(yè)一流。系統(tǒng)使用虛擬化、云平臺為底層支撐，引入大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動應(yīng)用、數(shù)據(jù)總線等前沿技術(shù)，打造高效、便捷、智能的信息化系統(tǒng)，實現(xiàn)行業(yè)領(lǐng)先的戰(zhàn)略目標。

3 平臺架構(gòu)

3.1 總體架構(gòu)

該平臺包括基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)感知層、數(shù)據(jù)資源層、應(yīng)用支持層、應(yīng)用層級用戶層，整體架構(gòu)遵循標準規(guī)范及信息安全保障體系(見圖1)。

圖1 總體架構(gòu)

基礎(chǔ)設(shè)施層主要包括服務(wù)器主機、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、云平臺等，是整個系統(tǒng)的基層性支撐；數(shù)據(jù)感知層是通過統(tǒng)一數(shù)據(jù)采集平臺，對各設(shè)備運行、各指標參數(shù)進行實時采集、傳輸，形成系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)資源層是對項目數(shù)據(jù)資源統(tǒng)一存儲及管理，數(shù)據(jù)資源包括實時/歷史數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)等；應(yīng)用支持層是應(yīng)用系統(tǒng)的基礎(chǔ)支撐部分，主要包括用戶管理、日志管理、系統(tǒng)監(jiān)控、身份認證等；應(yīng)用層是系統(tǒng)的核心，統(tǒng)一進行業(yè)務(wù)的處理及應(yīng)用。用戶層是系統(tǒng)的人機交付界面，包括PC 、大屏及移動應(yīng)用等。

3.2 業(yè)務(wù)架構(gòu)

該平臺的業(yè)務(wù)主要由基建期和生產(chǎn)運行期兩大塊組成?；ㄆ谥饕ㄈS數(shù)字化平臺及檔案系統(tǒng)；生產(chǎn)運營期包括SIS 、仿真系統(tǒng)、燃料三大項目及綜合管理。業(yè)務(wù)架構(gòu)如圖2。

圖2 業(yè)務(wù)架構(gòu)

3.3 應(yīng)用架構(gòu)

該平臺主機采用云平臺架構(gòu)，所有的應(yīng)用系統(tǒng)可以運行在應(yīng)用云平臺上，數(shù)據(jù)存儲可以運行在數(shù)據(jù)存儲云平臺，以方便后續(xù)的擴展應(yīng)用。

平臺完全采用SOA(面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu))軟件架構(gòu)模，面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)是一個組件模型，它將應(yīng)用程序的不同功能單元(稱為服務(wù))通過這些服務(wù)之間定義良好的接口和契約聯(lián)系起來。接口是采用中立的方式進行定義的，它獨立于實現(xiàn)服務(wù)的硬件平臺、操作系統(tǒng)和編程語言。這使得構(gòu)建在各種系統(tǒng)中的服務(wù)可以一種統(tǒng)一和通用的方式進行交互。

應(yīng)用SOA架構(gòu)模型，將使業(yè)務(wù)IT系統(tǒng)變得更加靈活和開放，可以快速適應(yīng)業(yè)務(wù)中的改變和擴展，同時更加便于系統(tǒng)間的應(yīng)用整合和數(shù)據(jù)交互，能靈活適應(yīng)架構(gòu)的演變，保持應(yīng)用架構(gòu)的持續(xù)改進和領(lǐng)先。應(yīng)用架構(gòu)如圖3所示。

圖3 應(yīng)用架構(gòu)

3.4 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

該平臺應(yīng)用的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)將貫徹中國大唐集團公司的雙網(wǎng)隔離要求，按照“統(tǒng)籌規(guī)劃、系統(tǒng)設(shè)計、整體推進”的思路，充分發(fā)揮IT運維的支撐和保障性作用。建立統(tǒng)一管理、體系保障、流程規(guī)范、安全高效的內(nèi)外網(wǎng)隔離及信息安全平臺，實現(xiàn)安全管理的可管、可控及安全產(chǎn)品(技術(shù))系統(tǒng)性應(yīng)用，實現(xiàn)規(guī)范化、制度化和流程化，通過雙網(wǎng)的隔離，整體提高信息安全和運維管理水平。網(wǎng)絡(luò)總體拓撲架構(gòu)如圖4所示。內(nèi)、外網(wǎng)隔離后的內(nèi)網(wǎng)拓撲圖和外網(wǎng)拓撲圖如圖5和圖6所示。

圖4 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

圖5 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)(內(nèi)網(wǎng))

圖6 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)(外網(wǎng))

對各業(yè)務(wù)系統(tǒng)進行合理的安全域劃分，區(qū)別防護，建立健全網(wǎng)絡(luò)安全體系，防范各類安全威脅和安全事故的發(fā)生，及時處理信息安全事件，杜絕次生信息安全事故的發(fā)生。整個網(wǎng)絡(luò)設(shè)計考慮了核心網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的安全、冗余、系統(tǒng)區(qū)域邊界的安全、整體網(wǎng)絡(luò)的安全管理控制等多方面因素。

3.5 數(shù)據(jù)架構(gòu)

該平臺數(shù)據(jù)采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)存儲及管理架構(gòu)方式，形成統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理中心。數(shù)據(jù)來源主要包括電廠采集的指標數(shù)據(jù)、系統(tǒng)二次計算形成的統(tǒng)計數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)管理數(shù)據(jù)及從分子公司、集團數(shù)據(jù)中心通過數(shù)據(jù)交換平臺采集過來的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)架構(gòu)見圖7。

圖7 數(shù)據(jù)架構(gòu)

數(shù)據(jù)的分類及存儲如下。

(1)關(guān)系型數(shù)據(jù)。主要是各個業(yè)務(wù)系統(tǒng)Oracle數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)，需要整合到統(tǒng)一的關(guān)系數(shù)據(jù)中。

(2)生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)。如機組運行數(shù)據(jù)，這種數(shù)據(jù)涉及集團基層單位的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，更新頻率比較高，歷史數(shù)據(jù)巨大，這些數(shù)據(jù)存儲在實時/歷史數(shù)據(jù)庫中。

(3)非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。如文檔圖片視頻數(shù)據(jù)，存儲在文件數(shù)據(jù)庫中。

數(shù)據(jù)平臺整合這三種類型數(shù)據(jù)存儲，對外提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)訪問交換接口；采用分布式存儲方式，在滿足大數(shù)據(jù)訪問性能的同時，解決后續(xù)數(shù)據(jù)不斷增加帶來的數(shù)據(jù)擴展難題；數(shù)據(jù)存儲及訪問模式如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)存儲及訪問模式

4 平臺功能

智慧全析電廠信息平臺包括生產(chǎn)管控一體化、企業(yè)資源一體化管理、網(wǎng)絡(luò)化一體安全監(jiān)控、智能化決策支持、平臺化集成等功能。

4.1 生產(chǎn)管控一體化

生產(chǎn)管控一體化是以數(shù)據(jù)總線、三維數(shù)據(jù)模型及智能終端設(shè)備為基礎(chǔ)，以運行優(yōu)化專家?guī)鞛橹笇?dǎo)，通過對機組運行控制、實時監(jiān)視、數(shù)據(jù)分析、設(shè)備管控及仿真應(yīng)用的生產(chǎn)過程的一體化應(yīng)用，綜合分析、運行優(yōu)化、閉環(huán)控制，實現(xiàn)不斷提高機組安全、經(jīng)濟、最優(yōu)化運行。此模塊主要包括DCS、廠級生產(chǎn)過程監(jiān)視、經(jīng)濟性能監(jiān)測、環(huán)保性能監(jiān)測、設(shè)備全生命周期監(jiān)測、設(shè)備智能診斷、運行績效考核、優(yōu)化運行及仿真應(yīng)用等模塊。

生產(chǎn)管控一體化主要是以機組運行監(jiān)控和設(shè)備管控為兩條主線，實現(xiàn)相互融合的閉環(huán)管理。機組運行監(jiān)控是以在線仿真及運行指導(dǎo)專家?guī)鞛榉治銎脚_和工具，以實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，不斷優(yōu)化運行參數(shù)，實時指導(dǎo)DCS 的運行控制，并通過實時數(shù)據(jù)及各類指標計算模型，實時形成安全、環(huán)保、經(jīng)濟等類型的綜合分析和實時性運行績效考核，實現(xiàn)綜合性的指導(dǎo)和引導(dǎo)運行人員實現(xiàn)機組的調(diào)優(yōu)及最優(yōu)化運行。設(shè)備管控是采用機器自學(xué)習(xí)等技術(shù)應(yīng)用，以設(shè)備診斷模型為基礎(chǔ)，實現(xiàn)設(shè)備智能診斷及設(shè)備在線狀態(tài)監(jiān)測和分析，并通過三維數(shù)字模型，結(jié)合基建期安裝、調(diào)試及生產(chǎn)運營期設(shè)備維護、檢修等信息，實現(xiàn)設(shè)備全廠化漫游、定位、狀態(tài)監(jiān)視等全設(shè)備周期管控。

通過對此兩條主線的應(yīng)用及相互融合，形成對生產(chǎn)過程的一體化管控，并結(jié)合安全管控及生產(chǎn)管理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享及應(yīng)用集成，同時為經(jīng)營管理、決策支持等方面提供原始的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

4.2 企業(yè)資源一體化管理

企業(yè)資源一體化管理包括生產(chǎn)管理、財務(wù)管理、燃料管理、物資管理。生產(chǎn)管理是以生產(chǎn)任務(wù)管理為主線，以“三型五化”為原則，實現(xiàn)對安全生產(chǎn)管控的動態(tài)對標、偏差控制、約束運行、持續(xù)改進。通過生產(chǎn)管理與財務(wù)管理、燃料管理、物資管理的無縫集成，實現(xiàn)業(yè)務(wù)驅(qū)動財務(wù)，財務(wù)自動核算，及時反映企業(yè)運營成本，并實現(xiàn)業(yè)務(wù)可追溯；同時融入集團公司安全生產(chǎn)的管理制度、工作標準及技術(shù)標準，實現(xiàn)現(xiàn)場規(guī)范化作業(yè)、流程化管控、偏差控制，為創(chuàng)建本質(zhì)安全型企業(yè)創(chuàng)造條件，并通過對生產(chǎn)數(shù)據(jù)、經(jīng)營數(shù)據(jù)、財務(wù)數(shù)據(jù)的共享、挖掘，實現(xiàn)多維度的對標分析及為輔助管理決策支撐提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

4.3 網(wǎng)絡(luò)化一體安全監(jiān)控

網(wǎng)絡(luò)化一體安全監(jiān)控是通過智能視頻、安防體系、應(yīng)急體系及與生產(chǎn)過程、生產(chǎn)管理的集成，形成全廠一體化、網(wǎng)絡(luò)化安全管理。網(wǎng)絡(luò)化一體安全監(jiān)控主要包括智能門禁、視頻監(jiān)控、出入口管理、訪客系統(tǒng)、自動考勤、視頻會議、應(yīng)急指揮、安全生產(chǎn)、庫存安全等模塊。

系統(tǒng)采用智能一卡通、入侵檢測、自動跟蹤等前沿信息技術(shù)，通過生物識別技術(shù)(如：人臉、指紋、指靜脈等)、攝像頭等感知設(shè)備或到位刷卡方式，利用移動定位、攝像機聯(lián)動控制、聲光報警等技術(shù)建立的物聯(lián)網(wǎng)感知體系，并通過與生產(chǎn)管理、三維數(shù)字平臺等模塊相集成，實現(xiàn)人員識別、現(xiàn)場作業(yè)、區(qū)域監(jiān)控、設(shè)備監(jiān)視等方面一體化安全管控，實現(xiàn)全局指揮、應(yīng)急聯(lián)動、操作簡單、安全可靠、智能處理的安全管控模式。

4.4 智能一體化決策支持

智能一體化決策支持是通過對數(shù)據(jù)資產(chǎn)及各類數(shù)學(xué)模型，采用數(shù)據(jù)挖掘及分析技術(shù)，為電廠管理層在經(jīng)營管理、設(shè)備診斷、能耗分析、優(yōu)化運行等方面決策提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

該平臺以云平臺架構(gòu)、大數(shù)據(jù)平臺為基礎(chǔ)，建立各類數(shù)據(jù)分析模型，采用機器自學(xué)習(xí)法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等分析技術(shù)，提供對競價上網(wǎng)、生產(chǎn)運營、設(shè)備智能診斷、設(shè)備壽命分析、節(jié)能環(huán)保等方面進行數(shù)據(jù)分析和挖掘，提供一鍵式實時分析，并對分析結(jié)果實現(xiàn)數(shù)據(jù)可追溯、分析結(jié)果結(jié)構(gòu)化展示。對進行精細化管理、風險可控、決策支持等方面，實現(xiàn)用數(shù)據(jù)說話、用數(shù)據(jù)決策、用數(shù)據(jù)管理、用數(shù)據(jù)創(chuàng)新的管理模式。

4.5 平臺化集成及個性化應(yīng)用

該平臺通過集成平臺對生產(chǎn)管控一體化、企業(yè)資源一體化管理、網(wǎng)絡(luò)化一體安全監(jiān)控、智能化決策支持等模塊及分子公司、集團公司統(tǒng)建的系統(tǒng)進行集成，形成統(tǒng)一的一體化系統(tǒng)應(yīng)用平臺，并對使用角色提供個性化應(yīng)用，實現(xiàn)大數(shù)據(jù)、微應(yīng)用的系統(tǒng)應(yīng)用模式。

該平臺集成主要包括橫向集成和縱向集成。橫向集成是對全廠各部門、各業(yè)務(wù)領(lǐng)域的橫向貫通，打通部門之間、管理領(lǐng)域之間的橫向關(guān)聯(lián)，消除信息孤島、數(shù)據(jù)，實現(xiàn)全廠級數(shù)據(jù)共享及全廠業(yè)務(wù)功能的一體化應(yīng)用，共同搭建廠級的一體信息化平臺?？v向集成是對集團公司、分子公司業(yè)務(wù)的縱向貫通，打通機構(gòu)上下級之間的業(yè)務(wù)關(guān)聯(lián)。

5 平臺特色

(1)使用工業(yè)4.0思想，采用模塊化處理、一體化集成架構(gòu)，實現(xiàn)全廠業(yè)務(wù)協(xié)同運作，管理無死角。改變傳統(tǒng)SIS、MIS 等系統(tǒng)化的模式，采用集成平臺實現(xiàn)業(yè)務(wù)全覆蓋的一體化管控模式，數(shù)據(jù)無縫鏈接。實現(xiàn)全廠業(yè)務(wù)一體化的管控，數(shù)據(jù)共享性利用。

(2)引入國外先進的三維數(shù)字化模型技術(shù)，實現(xiàn)數(shù)字化移交及可視化遠程生產(chǎn)過程管控。引入三維數(shù)字化模型技術(shù)，實現(xiàn)資產(chǎn)數(shù)字化管理，通過與安防、生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)的有機集成，實現(xiàn)可視化生產(chǎn)過程管控，提高了工作效率及安全性能。

(3)利用智能檢測、測量設(shè)備、現(xiàn)場總線、視頻及信息智能處理技術(shù)，實現(xiàn)了設(shè)備檢修，設(shè)備診斷、人員行為管理、物資流轉(zhuǎn)、庫存等生產(chǎn)過程智能化管控。

(4)實現(xiàn)全廠無線覆蓋，采用移動化應(yīng)用技術(shù)及二維碼掃描技術(shù)，提供多操作場景的應(yīng)用平臺，開創(chuàng)基于大數(shù)據(jù)、微應(yīng)用的實時式監(jiān)控、便捷式處理的工作方式。采用全廠覆蓋的無線網(wǎng)絡(luò)模式及移動技術(shù)，滿足PC 、手機、智能移動終端、大屏等多種終端設(shè)備，提供便捷式處理服務(wù)并極大地提高了工作效率。

(5)采用了大數(shù)據(jù)、云平臺、商務(wù)智能等前沿技術(shù)，提供智能化數(shù)據(jù)分析及一鍵化數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)用數(shù)據(jù)決策的經(jīng)營管理模式。利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、機器自學(xué)習(xí)法等數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)及先進的數(shù)據(jù)處理模型，在競價上網(wǎng)、日利潤分析、運行優(yōu)化、故障診斷等決策支持方面提供智能化數(shù)據(jù)分析。

6 結(jié)語

基于智慧全析模式的電廠信息平臺采用先進的智能設(shè)備與大數(shù)據(jù)挖掘分析技術(shù)，對電廠生產(chǎn)經(jīng)營的全過程、全價值鏈進行全面的、系統(tǒng)的分析，結(jié)合現(xiàn)場總線技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、信息集成與三維虛擬現(xiàn)實技術(shù)、云平臺、機器學(xué)習(xí)算法等現(xiàn)代智能化信息處理技術(shù)，融入先進的管理思想和技術(shù)策略，打造高效、便捷的一體化信息應(yīng)用平臺，從而為電廠優(yōu)化生產(chǎn)方式、提高生產(chǎn)效率、全面提升生產(chǎn)管控水平、提供科學(xué)決策的智慧化電廠，實現(xiàn)電廠生產(chǎn)經(jīng)營管理智能、精細、高效、綠色及可持續(xù)發(fā)展，打造一流企業(yè)。

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