大數(shù)據(jù)和云計算技術(shù)在燃煤電廠節(jié)能減排中的應(yīng)用設(shè)計

張志勇，禾志強(qiáng)，那 欽，陳媛媛，龍建平

（1.內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院，呼和浩特 010020；2.湖南大唐先一科技有限公司，長沙 410007）

0 引言

隨著《“十三五”節(jié)能減排綜合工作方案》《能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》《電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃》《打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動計劃》等節(jié)能減排政策的落實，火電行業(yè)節(jié)能減排已初見成效，截至2018年底，全國火電機(jī)組超低排放的改造率已達(dá)84%左右，污染物排放治理水平得到明顯提高，但仍有提升空間[1-4]。

國務(wù)院印發(fā)《促進(jìn)大數(shù)據(jù)發(fā)展行動綱要》，強(qiáng)調(diào)開發(fā)應(yīng)用好大數(shù)據(jù)這一基礎(chǔ)性戰(zhàn)略資源；2015年10月，十八屆五中全會提出實施國家大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略，大數(shù)據(jù)技術(shù)得到快速發(fā)展[5]。在節(jié)能、降耗、減排政策驅(qū)動下，智能電廠、智能電網(wǎng)的發(fā)展需求對電廠運行管理、生產(chǎn)方式、信息處理技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展提出了新的要求[6-7]。移動互聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與電力技術(shù)交叉融合，勢必給智能電廠、智能電網(wǎng)的發(fā)展帶來新的契機(jī)[8]。

將大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代化技術(shù)應(yīng)用于燃煤電廠，會優(yōu)化火電行業(yè)環(huán)境和技術(shù)創(chuàng)新，推進(jìn)電廠智慧化管理、智慧化檢修、智慧化發(fā)電，提升企業(yè)核心競爭力。本文深入探討了燃煤電廠節(jié)能減排平臺的建設(shè)及其應(yīng)用，通過平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、傳輸、存儲和高效處理，搭建環(huán)保設(shè)施及排放數(shù)據(jù)的智能監(jiān)測、智能管理、智能維護(hù)平臺，實現(xiàn)燃煤電廠環(huán)保系統(tǒng)的智慧化管理。

1 數(shù)據(jù)中心設(shè)計

數(shù)據(jù)中心總體框架主要分為數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)存儲層、云計算平臺、應(yīng)用層，如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)中心總體框架

1.1 數(shù)據(jù)采集層

燃煤電廠生產(chǎn)控制區(qū)即時測點數(shù)據(jù)采集是通過專用的數(shù)據(jù)采集裝置，使用OPC（OLE for Pro?cess Control）或MODBUS協(xié)議通信方式，經(jīng)過單向隔離網(wǎng)閘匯聚至部署在電廠信息Ⅲ區(qū)的數(shù)據(jù)子站，經(jīng)由電力信通專用網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)至大數(shù)據(jù)中心的監(jiān)視中心信息Ⅲ區(qū)，由前置裝置對數(shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)分入庫，部署于虛擬化群集的各業(yè)務(wù)處理程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行離線分析入庫，業(yè)務(wù)應(yīng)用通過大數(shù)據(jù)平臺對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析利用，數(shù)據(jù)采集如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集

1.2 數(shù)據(jù)存儲層

1.2.1 數(shù)據(jù)存儲過程

數(shù)據(jù)存儲過程如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)存儲過程

1.2.2 數(shù)據(jù)可靠性保證

對于文件系統(tǒng)而言，由命名節(jié)點負(fù)責(zé)集群數(shù)據(jù)備份和分配，在分配過程中，主要考慮數(shù)據(jù)安全和網(wǎng)絡(luò)傳輸開銷兩個因素。其中，數(shù)據(jù)安全是要保障在某個節(jié)點發(fā)生故障時，不會丟失數(shù)據(jù)備份；網(wǎng)絡(luò)傳輸開銷是在備份數(shù)據(jù)同時盡量減少網(wǎng)絡(luò)傳輸中的帶寬開銷。

圖4展示了文件系統(tǒng)中的機(jī)架概念，一個機(jī)架內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸速度遠(yuǎn)大于機(jī)架之間的傳輸。對于每個數(shù)據(jù)備份，比如A要放在機(jī)架1中，在寫入文件系統(tǒng)時首先會在機(jī)架1中創(chuàng)建一個備份，同時在機(jī)架2中也創(chuàng)建一個備份。這樣做在一定程度上兼顧了數(shù)據(jù)安全和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)拈_銷。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理

圖4 文件系統(tǒng)中機(jī)架

數(shù)據(jù)集成需要解決數(shù)據(jù)在不同數(shù)據(jù)源中的格式和表示的差異，并整理為形式統(tǒng)一的數(shù)據(jù)。在處理過程中平臺提供自動建立索引的機(jī)制，依據(jù)索引可以大大提高從海量數(shù)據(jù)中查找數(shù)據(jù)的效率。

1.2.4 數(shù)據(jù)分析

平臺大數(shù)據(jù)分析過程由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)探索、數(shù)據(jù)預(yù)處理、選算法建模、模型評估、模型發(fā)布組成，如圖5所示。覆蓋CRISP-DM數(shù)據(jù)挖掘標(biāo)準(zhǔn)流程各環(huán)節(jié)，如圖6所示。

圖5 大數(shù)據(jù)分析過程

1.3 云計算平臺

計算虛擬化是云計算平臺的關(guān)鍵技術(shù)。根據(jù)業(yè)務(wù)需要，采用CAS虛擬化管理系統(tǒng)，對計算資源的分配通過虛擬CPU和虛擬內(nèi)存的資源限額與資源預(yù)留技術(shù)來實現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)資源的分配通過虛擬交換機(jī)的QoS功能來實現(xiàn)，而存儲資源的分配則通過虛擬機(jī)磁盤IOPS（Input and Output Per Second，每秒I/O次數(shù)）和吞吐量的限速功能來實現(xiàn)。通過這些技術(shù)來滿足SLA（Service-Level Agreement，服務(wù)等級協(xié)議），確保高優(yōu)先級的虛擬機(jī)具有更良好的計算、網(wǎng)絡(luò)存儲性能，避免虛擬機(jī)之間的“臨位干擾”效應(yīng)。

1.4 應(yīng)用層

應(yīng)用層是通過對大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與挖掘，實時監(jiān)控污染物排放情況、環(huán)保設(shè)施運行工況，實現(xiàn)環(huán)保設(shè)施監(jiān)控和運行優(yōu)化、污染物排放超標(biāo)處理等火電企業(yè)的環(huán)保監(jiān)管，為電網(wǎng)企業(yè)電量分配、節(jié)能減排提供決策依據(jù)。主要模塊功能有實時監(jiān)測、電價核算、設(shè)備故障分析、環(huán)保稅上報、環(huán)保對標(biāo)、性能試驗、組態(tài)監(jiān)視、技術(shù)監(jiān)督、報表管理等。

1.4.1 實時監(jiān)測

1.4.1.1 大氣污染物監(jiān)測

為了實現(xiàn)對火電廠大氣污染物進(jìn)行全面監(jiān)測，以煙囪出口大氣污染物為監(jiān)測對象，并支持實時、小時、日、季及年不同維度查看各參數(shù)值，而且在實時或小時均值排放濃度超過環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)時，給予告警提示和記錄，以便及時查詢和優(yōu)化調(diào)整。

圖6 數(shù)據(jù)挖掘標(biāo)準(zhǔn)流程

1.4.1.2 大氣污染物排放量監(jiān)測

為了加強(qiáng)對各區(qū)域的大氣污染物排放量進(jìn)行監(jiān)測，設(shè)計各區(qū)域的大氣污染物排放量監(jiān)測功能。可實現(xiàn)對各區(qū)域的小時、日、月、年的大氣污染物排放量統(tǒng)計，并能查看各機(jī)組的大氣污染物及供電煤耗明細(xì)。

1.4.1.3 大氣污染物超標(biāo)告警

對于統(tǒng)計時段內(nèi)存在大氣污染物超標(biāo)的機(jī)組，可查看小時超標(biāo)明細(xì)，并對大氣污染物瞬時超標(biāo)以彈窗告警的方式進(jìn)行提示[9]。

1.4.1.4 組態(tài)監(jiān)視

支持以圖形化的方式展示主要的工藝流程及重要運行參數(shù)，并支持對實時監(jiān)測參數(shù)進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)查詢與分析。

1.4.2 環(huán)保技術(shù)監(jiān)督考評

為提升環(huán)保在線監(jiān)督的便利性，根據(jù)發(fā)電企業(yè)環(huán)保監(jiān)督的內(nèi)容，實現(xiàn)線上監(jiān)督。技術(shù)監(jiān)督內(nèi)容主要包括：取證學(xué)習(xí)情況、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程執(zhí)行情況、報表上報完成情況、除塵設(shè)施投運率及除塵效率匯總、脫硫設(shè)施投運率及脫硫效率匯總、脫硝設(shè)施投運率及脫硝效率匯總、CEMS投運率及參數(shù)匯總、電廠外委監(jiān)測自行監(jiān)測報告及考評結(jié)果查詢。

1.4.3 環(huán)保對標(biāo)管理

為進(jìn)一步提高燃煤電廠環(huán)境污染第三方治理脫硫、脫硝裝置的安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)成熟度，支持環(huán)境污染第三方治理企業(yè)積極開展脫硫、脫硝生產(chǎn)指標(biāo)績效對標(biāo)工作。以中國電力企業(yè)聯(lián)合會起草的《燃煤電廠環(huán)境污染第三方治理脫硫、脫硝生產(chǎn)指標(biāo)績效對標(biāo)管理辦法（試行）》[10]為參照，設(shè)計了環(huán)保對標(biāo)功能，支持機(jī)組及指標(biāo)的靈活配置。

1.4.3.1 環(huán)保設(shè)備投運率當(dāng)前除塵設(shè)施和脫硫設(shè)施的投運率一般為100%?；痣姀S環(huán)保設(shè)施運行監(jiān)督主要監(jiān)測脫硝設(shè)施的運行情況，通過監(jiān)測脫硝設(shè)施的投運率來達(dá)到目的。

1.4.3.2 理論脫硫劑耗量核算

石灰石-石膏法脫硫工藝的脫硫劑理論消耗量通過瞬時流量累計得到，與煙氣流量、脫硫裝置入口SO2濃度、脫硫效率等有關(guān)，將理論脫硫劑消耗量與實際消耗量對比，有助于分析脫硫效率低導(dǎo)致的SO2排放濃度超標(biāo)的情形。

1.4.3.3 理論脫硝劑耗量核算

脫硝劑理論耗量與脫硫劑理論耗量計算方法相似。對于選擇性催化還原（SCR）脫硝方式，統(tǒng)計時段內(nèi)的脫硝劑理論耗量通過瞬時流量累計得到，與煙氣流量、SCR反應(yīng)器入口NOx濃度、脫硝效率等相關(guān)。將理論脫硝劑消耗量與實際消耗量對比，再結(jié)合催化劑活性監(jiān)測及其他監(jiān)測結(jié)果，可用于脫硝效率偏低的原因分析。

1.4.4 環(huán)保稅管理

1.4.4.1 環(huán)保稅核算

環(huán)保稅核算功能是基于統(tǒng)計周期內(nèi)的顆粒物、SO2及NOx排放量數(shù)據(jù)，根據(jù)各污染物的當(dāng)量值及環(huán)保稅法，對火電廠的應(yīng)納稅額進(jìn)行計算。根據(jù)2016年發(fā)布的《中華人民共和國環(huán)境保護(hù)稅法》，可根據(jù)火電廠實際情形，對其大氣污染物實行50%、75%或100%比例征收環(huán)保稅[11]。此核算同樣適用于水污染物應(yīng)納稅額的計算。環(huán)保稅核算功能為快速掌握火電廠的環(huán)保排污成本提供了便利。

1.4.4.2 環(huán)保稅匯總及明細(xì)

為收集各電廠每月環(huán)保稅應(yīng)納稅額情況并對電廠之間進(jìn)行對標(biāo)分析，設(shè)置了環(huán)保稅匯總功能，并可查看各項金額明細(xì)。

1.4.5 環(huán)保電價核算

環(huán)保電價核算功能是基于大氣污染物實時監(jiān)測得到的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，并根據(jù)《燃煤發(fā)電機(jī)組環(huán)保電價及環(huán)保設(shè)施運行監(jiān)管辦法》對環(huán)保電價進(jìn)行核算[12]。若所有小時均值濃度均小于對應(yīng)排放濃度限值，判定為環(huán)保合格；若任一小時均值濃度大于對應(yīng)排放濃度限值，判定為環(huán)保不合格，并根據(jù)超標(biāo)倍數(shù)采取沒收環(huán)保電價款或處以環(huán)保電價款5倍以下罰款；對于數(shù)據(jù)缺失或數(shù)據(jù)異常情況，支持提供相關(guān)證明材料。通過超標(biāo)時長、缺失或異常時長的數(shù)值可查閱超標(biāo)明細(xì)。

1.4.6 設(shè)備故障預(yù)警分析

基于最近半年或一年正常運行工況下設(shè)備運行參數(shù)，通過自動篩選形成設(shè)備的訓(xùn)練數(shù)據(jù)樣本集；然后利用K-均值聚類（K-means Clustering）與基于期望最大（Expectation Maximum，EM）的高斯混合模型（Gaussian Mixture Model，GMM）算法相結(jié)合的聚類分析算法，對訓(xùn)練數(shù)據(jù)樣本集進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘分析，建立設(shè)備健康工況狀態(tài)矩陣；將當(dāng)前工況下設(shè)備參數(shù)代入聯(lián)合概率密度函數(shù)，根據(jù)相似度最大的3個概率分布的占比可得到各設(shè)備參數(shù)的期望值；最后，利用余弦相似度可計算出設(shè)備的健康度。當(dāng)實時的設(shè)備健康值小于正常運行工況下的均值時，給予告警提示，從而達(dá)到及時發(fā)現(xiàn)，并采取措施消除設(shè)備故障的目的[13-16]。

1.4.7 報表管理

支持自定義報表格式，可設(shè)置不同統(tǒng)計周期，并支持導(dǎo)出報表數(shù)據(jù)，此功能主要是針對工作當(dāng)中的一些個性化報表。

2 結(jié)語

通過建立燃煤電廠環(huán)保監(jiān)測一體化監(jiān)管平臺，建設(shè)了以實時監(jiān)測、告警管理、組態(tài)監(jiān)視、技術(shù)監(jiān)督、環(huán)保對標(biāo)、性能試驗、電價核算為主要功能的應(yīng)用層，利用信息化手段實現(xiàn)了信息共享和知識共享，積累了數(shù)據(jù)資源，提升了大氣污染物的監(jiān)管力度、環(huán)保設(shè)施運行的穩(wěn)定性和可靠性、技術(shù)監(jiān)督效率和服務(wù)水平，從而提升了電廠環(huán)保系統(tǒng)智能化生產(chǎn)水平與管理水平，實現(xiàn)提質(zhì)增效、綠色持續(xù)發(fā)展。另外，進(jìn)一步挖掘數(shù)據(jù)價值，可實現(xiàn)燃煤電廠污染物治理技術(shù)的可行性與治理效果評估，為污染物控制等節(jié)能減排新型技術(shù)的開發(fā)提供依據(jù)。