淺談基于工程數字化技術的電廠智能化管理系統

曹慧文 張婷

【摘 要】文章對基于工程數字化設計技術的電廠智能化管理系統的研究和開發情況進行了介紹，包括系統建設目標、研究思路，說明了系統的主要功能，針對不同的項目情況，提出了建議的實施路線。

【關鍵詞】發電工程;數字化;智慧電廠;管理系統

【中圖分類號】TM621 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2020）12-0050-03

0 引言

隨著計算機技術的高速發展及發電行業對安全、經濟運維水平要求的不斷提高，發電廠對業務及設備智能化管理的要求也在不斷提高。

面對能源優化配置的新要求，“電廠智能化”已不單純是一個概念上的問題，電廠智能化管理系統的建設要充分了解國家各項政策，全面審視國內外的宏觀發展環境，不斷進行技術革新，大力應用智能化技術提高電廠管控水平，解決目前電廠面臨的各類問題，同時要積極學習和借鑒國內外已建立智能化管理系統電廠的成功經驗，建成電廠智能化管理系統，確保電力企業在新形勢、新技術、新管理、新挑戰、新機遇背景下創造更大價值。

1 電廠智能化管理系統建設目標

電廠智能化管理系統，就是在工程數字化基礎上，利用過程控制系統積累的過程大數據，通過智能化硬件和網絡，基于信息物理系統（Cyber Phsical System，CPS）實現設備、數據、控制系統之間的橫向和縱向，以及端到端的集成整合，實現控制過程的智能化，達到人機互聯、自動識別、實時感知與智能控制;并在此基礎上運用信息和通信技術（Information and Communication Technology，ICT）實現電廠發電生產管理過程的智能作業，保證作業安全;利用各類大數據算法對電廠系統和設備運行過程產生的大數據進行智能分析，在傳統的設備監視功能的基礎上發展到實現設備診斷、故障預測及控制干預，最終實現狀態檢修;通過對各類型生產、經營數據的大數據集成分析，為實時決策提供數據支撐;通過建立各類設備故障問題庫、維修方法知識庫、遠程診斷專家庫，實現精益生產;最終形成一套智能化的管控系統，實現電廠的智能高效管理。

2 電廠智能化管理系統建設總體思路

以工程數字化設計為基礎，結合先進、成熟的企業管理理念，以經濟效益為中心、以生產管理為主線、以設備管控為重點，融合嵌入式系統、物聯網、傳感器、云計算、移動應用、大數據等新一代信息技術，以數字化和信息化對電廠進行全生命周期管理。在此基礎上，實現設備的智能控制和系統運行優化，基于大數據的計算模型可以對設備異常進行預判、報警，甚至自動控制和調整;實現管理的智能決策，通過大數據平臺，應用決策支持系統，對信息資源進行分析和提煉，挖掘數據中的“隱性知識”，幫助解決復雜的決策問題。

3 電廠智能化管理系統功能

基于先進的設備和控制系統，在常規SIS、MIS的基礎上，在智能智慧管控上出重拳，通過全過程數字化移交、人員定位、三維建模、虛擬仿真、大數據分析、人工智能和移動互聯網技術實現了高度智能的管控一體化平臺。系統主要功能包括以下幾個方面。

3.1 三維虛擬電廠和數字化移交

工程數字化是實現智能化的前提，通過工程數字化技術實現電廠物理對象的數字化，例如設備或設施的三維模型、空間信息、數字化參數等。

智慧電廠的數據積累始于設計階段，在建設物理電廠之前構建虛擬電廠，通過仿真對工藝系統、設備選型進行優化，避免投產后的技術改造，優化電廠投資。

設計院負責電廠的數字化設計，形成包括工藝、結構、電氣等多專業的全息數據模型。在電廠設計階段，依托數據模型進行碰撞檢測，避免返工;實現精細化設計，精準控制材料數量，節省投資，降低造價。虛擬電廠還是“互聯網+安全生產管理系統”的基礎，傳承設計院三維設計成果。

基于資產全生命周期管理，將電廠設計期、基建期及建成后的運維數據文檔資料放入系統中，與電廠三維模型建立關聯，快速定位三維模型，并查閱各種技術資料。支持的文檔格式有Office文檔、PDF文檔、圖片、視頻等。實現了工程全過程的數字化移交。

3.2 一體化工程編碼

通過建立統一的電廠標識系統，實現工程從設計、采購、施工到運行維護的一體化，可以減少溝通聯絡過程中數據傳遞不一致帶來的麻煩。對電廠所有對象進行統一編碼的過程也是實現電廠所有設備、儀表、閥門等對象數字化的過程，這是實現基于工程數字化技術的電廠智能化系統建設的基礎。

由于編碼與編碼庫是組織信息和實現集成的關鍵，因此需要整合目前較為分散的編碼標準，建立一套統一的符合工程設計、項目管理和生產運維要求的企業編碼體系和編碼規則，統一工程標識編碼，建設工程材料編碼，促進應用系統的集成和深化應用，消除信息孤島。

為滿足數字化電廠運行和管理對設備編碼的要求，結合《電廠標識系統編碼標準》（GB/T 50549—2010），我們編寫了《發電工程KKS編碼實施細則》，對電廠所有系統和設備元件進行詳細的編碼。KKS標識系統是針對電廠設備的工藝工程、相關位置、安裝地點等特征相關的編碼，它難以被應用到需要表征物性特點的物資編碼中，所以需要進行物資編碼，我們以《電力行業物資編碼》為基準，細化了物資編碼規則，在部件級做了必要的擴展，形成自身的物資編碼體系。

3.3 基于CPS的三維智能主動安全管理

電廠的安全管控主要包括設備安全和人員安全兩個方面。目前，電廠設備都已經實現了數字化、自動化和信息化，對于設備的安全管控在手段和機制上已經比較成熟。但是人員安全管控一直沒有突破，目前人員安全管控仍然是離線的、被動的和不可控的狀態，安全管理仍然采用以下方式：高度依賴于制度的培訓和宣貫;高度依賴臨場人員的經驗、自覺性、甚至精神狀態;管理手段主要是反復強調，以及極低比例的現場抽查;無法做到每個點都安裝門禁，無法控制人員流動;無法實時阻止錯誤人員在錯誤的時間出現在錯誤的位置。

之所以保持這樣的狀態是因為缺少有效的手段為現場人員提供過程實時安全保障。只有將現場環境、設備對象、人員任務和位置、工器具、相關的安全措施和危險點等信息實時有機地融合為一體，才能為人員提供實時、有效、有針對性的安全保障。

通過利用電廠三維虛擬模型，應用高精度定位技術、視頻識別技術、無線通信技術，集成各類設備臺賬、運行過程實時數據、工作票、操作票、巡檢系統等一系列設備運行和生產管理數據，可以建設一個與電廠真實生產場景和生產流程完全一致的虛擬系統（CPS）。在虛擬系統中可以加入各類的安全數據，保證各類生產過程的安全可控。

此外，CPS平臺不僅能夠實現主動安全防控，三維平臺更是一個生產管理業務的統一前端入口，包括但不限于設備臺賬查詢和維護、缺陷登記、兩票管理、物資申請、巡點檢任務下達等功能都可以在三維虛擬電廠模型中發起。主動安全在整個廠級應用體系架構作為安全主線為生產人員提供安全保障。

3.4 以可靠性為中心的設備維修管理（RCM）

目前，集團各個電廠設備管理主要基于專家經驗和傳統的定檢定修模式，在電力市場競爭激烈的環境下，這種管理模式帶來了巨大檢維修資源和成本的浪費。更嚴重的是，基于這種傳統的管理模式，企業的數字化和智能化基礎薄弱，無法實現工業4.0科技時代下，向數字化和智能化電廠的轉型。RCM設備優化管理是突破以上兩個困境的核心技術體系。

RCM設備優化管理，從管理角度看，結構化了整個企業資產管理的數字化，使得多個IT系統的分散數據，能夠統一在同一平臺，實現設備管理的“三預”（預測、預知、預防），在這個數字化的基礎上，應用多種算法，提供設備管理專家和管理者需要的決策信息。從社會經濟角度講，RCM設備優化管理體系，將集團公司對國家、社會、民眾、股東承諾的設備資產安全運營、環保為重和實現高經濟效益等多個經營目標，通過一套“RAM+RCM”的軟件平臺，轉化成每類設備和每套機組的設備管理檢測和維修策略，提升了企業抗風險能力，同時通過提升設備檢測和維修的有效率，也提升了設備檢測和維修的投資回報。從技術角度來看，隨時間變化，設備健康狀態在變化，RCM是以設備健康狀態為中心，對設備管理檢測和維修計劃和點巡檢任務進行優化，智能地推薦可能的故障模式和原因，發現設備管理的薄弱環節，減少備品備件的積壓，實現基于設備狀態的維修維護。

3.5 基于狀態監測的設備智能故障預警

設備智能故障預警以人工智能診斷技術為基礎，以高水平診斷專家庫為依托，實現發電廠系統級、設備級、部件級的故障預警分析，及早發現設備及部件可能存在的潛在故障信息，為運行、檢修專業人員提供安全早期報警，為檢修人員確定必要的檢修措施贏得時間，實現潛在故障的事前預防處理，將傳統被動故障事后處理改為事先主動預防控制，防止非停事故發生。系統應包含數據管理、模型創建及訓練、趨勢預警、集中預警信息處理等功能，所有功能模塊及應用基于統一的系統軟件平臺進行開發配置，采用B/S架構，用戶數應能滿足公司的管理需求，尤其在多用戶并發訪問應用時，應用系統框架應具備良好的穩定性，業務必須保持正確性。

該系統應充分利用大數據、人工智能等數字化新興技術。在建模方式上提供豐富的機器學習算法，保證系統的領先性與實用性。

3.6 智能培訓

基于三維技術和虛擬現實技術的仿真培訓，學員可以在逼真的仿真環境中進行與現場幾乎完全一樣的操作，達到事半功倍的培訓效果。此外，發揮培訓平臺中的模型開放性和擴展性，可以在培訓中心建立更多機組類型和設備的仿真機，讓更多學員在身臨其境的仿真環境中獲得專業提升和經驗積累。本規劃分別從檢修、運行和“兩票”培訓3個角度提供了智能培訓方面的建設思路。

基于虛擬現實火力發電機組設備檢修工藝培訓，能夠實現智能培訓考核及機組設備檢修工藝的規范化、標準化管理，并保留傳統的培訓考核功能。基于虛擬現實技術，可以利用軟件技術和平臺給受培訓人員提供逼真的檢修環境，降低使用實際系統進行培訓的硬件基礎和費用。

3.7 移動一體化平臺

移動一體化平臺是電廠一體化管控智能平臺管理系統建設的內容之一，是將一體化平臺系統功能從桌面工作臺延伸到移動端，將系統的工作任務、通知公告推送到移動端，方便相關人員及時處理工作和接收通知。手機的便攜性使移動工作臺更貼近使用者，第一時間以提示消息的方式提醒用戶最新的工作任務和待辦事項。信息中心集中個人所有正在處理中的未完成業務和尚未開始的業務，方便用戶有序地管理工作進程。移動待辦也為移動審批業務提供提醒支持，主動提示最新需要處理的審批業務，促進各級審批流程更快地推進。通過進行專業化的開發，可以覆蓋所有重要的需要移動化的業務點。

4 實施路線

在晉能電力集團進行統一規劃和部署下，為了充分發揮集團的資源優勢，同時兼顧各電廠的業務特點，建議電廠智能化工作遵循以下的實施路線。

（1）集團級平臺應用和廠級應用同步建設。在集團統一規劃框架下，集團級智能化平臺和廠級智能化平臺建設可以同步建設實施，以便固化和細化整體規劃的各項標準和規范，在建設過程中不斷完善數據標準，實現信息縱向集成和橫向一體化、業務流程實現全面貫通。

（2）上下協調、齊心協力、分步實施、持續優化。集團級智能化平臺建設要基于電力集團級應用系統現有的信息化建設現狀，采用逐步過渡的方式升級到統一的集團大數據平臺中;各電廠可根據實際情況選擇不同的子項目分步開展建設，并在不違反整體規劃的前提下體現一定的電廠個性和特色，更好地滿足電廠級的各項工作需求。

（3）廠級建設的實施建議：集團統一規劃的智能化管理系統架構及功能應用。對于正處于基建期的新建電廠，要統一按集團規劃標準開展智能化立項和建設;對于基建已完成新投運的電廠并已經實施信息化相關系統建設的電廠，需對照集團整體規劃，將現有系統升級達到規劃中的廠級建設基本要求，同時能夠滿足集團規劃中的標準化的相關規范要求;對于已經具有信息化基礎且運行期在2～10年的電廠，需要參照規劃選擇重要模塊有側重地逐步改造和更新，以最終達到集團規劃的統一標準。

目前，系統的規劃和方案設計工作已經完成，下一步將在試點工程中全面開展項目實施工作。

5 結語

電廠智能化管理系統是電廠向信息化、智能化發展的必然階段。通過建設電廠智能化管理系統，利用設備智能監控技術和智能化的網絡技術實現電廠運行過程的數據集成和智能處理，實現運行流程可視化、實現生產過程高度自控，并避免和減少了人工干預，從而構建一個高效節能的、運行優化的、環境舒適的人性化智能電廠。智能化管理系統的建設可以使電廠運行更安全、更高效、更綠色、更經濟，必將在電廠生產運維中發揮越來越重要的作用。

參 考 文 獻

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