基于大數(shù)據(jù)智能控制一體化平臺架構(gòu)的智慧監(jiān)盤關(guān)鍵技術(shù)研究

耿林霄，郭亦文，楊 猛，高 林，王 林，周俊波，周東陽，萬松森

（1.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054；2.華能銅川照金煤電有限公司，陜西 銅川 727100）

近年來發(fā)電機組逐漸以提高效率、節(jié)約能源、改善環(huán)境和降低成本為發(fā)展目標(biāo)，尤其對于具備深度調(diào)峰能力的機組，嚴(yán)格的考核標(biāo)準(zhǔn)與復(fù)雜的運行狀況相互矛盾，造成依靠傳統(tǒng)控制手段的火電機組經(jīng)濟形勢日趨嚴(yán)峻[1]。對于集控運行工作而言，監(jiān)盤人員需要實時監(jiān)視和分析系統(tǒng)工藝參數(shù)，并通過相應(yīng)操作以挖掘機組最大節(jié)能潛力。與此同時，監(jiān)盤人員還需要時刻關(guān)注小指標(biāo)考核標(biāo)準(zhǔn)以及系統(tǒng)、設(shè)備的安全缺陷，最大限度防止機組安全事故發(fā)生。由此可見，監(jiān)盤工作不但強度高、時間長，而且工作期間壓力巨大，操盤人員的知識儲備和操作經(jīng)驗對于監(jiān)盤質(zhì)量的好壞起到?jīng)Q定性作用。

國務(wù)院“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源重點行動指出，我國要依托現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)和云計算平臺，逐步實現(xiàn)各級動態(tài)監(jiān)測信息互聯(lián)共享，并進(jìn)一步提高能源單位的能耗在線監(jiān)測和大數(shù)據(jù)分析能力[2]。我國在不斷提高電力市場改革力度的趨勢下，國家能源局多元化的能源結(jié)構(gòu)調(diào)整也促使發(fā)電產(chǎn)業(yè)面向智能化的改革勢在必行[3]。充分利用互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)平臺，科學(xué)高效地提高發(fā)電機組運行效率，并進(jìn)一步有效輔助提升監(jiān)盤質(zhì)量，已成為當(dāng)前亟需關(guān)注的課題。

本文以大數(shù)據(jù)智能控制一體化平臺為框架，對其各層級的特點及應(yīng)用需求進(jìn)行了歸納，以該平臺智能控制層級的未來發(fā)展方向為出發(fā)點，提出智慧監(jiān)盤技術(shù)架構(gòu)，并在此架構(gòu)之上對其主要功能及實施關(guān)鍵進(jìn)行探討，以期最大限度提高監(jiān)盤效率和質(zhì)量，為后期智慧化項目的相繼落地提供技術(shù)支撐。

1 大數(shù)據(jù)智能控制一體化平臺架構(gòu)

隨著人工智能、大數(shù)據(jù)技術(shù)在發(fā)電領(lǐng)域的發(fā)展逐漸成熟，風(fēng)煤水協(xié)同優(yōu)化技術(shù)、在線煤質(zhì)智能校正技術(shù)、煤流可視化技術(shù)等前沿性技術(shù)也得到了大量地推廣及應(yīng)用[4]。基于此，大數(shù)據(jù)智能控制一體化平臺以整合現(xiàn)有智能控制技術(shù)為出發(fā)點，結(jié)合數(shù)據(jù)存儲功能及技術(shù)擴展需求，最終形成涵蓋通信、計算、監(jiān)督和管理的一體化平臺，可為發(fā)電機組的智慧化升級改造提供可靠、穩(wěn)定、高效的平臺環(huán)境。大數(shù)據(jù)智能控制一體化平臺架構(gòu)如圖1所示。由圖1 可見，該平臺包括現(xiàn)場設(shè)備層、基礎(chǔ)控制層、大數(shù)據(jù)智能控制層和智能管理層4 個層級[5-7]。

圖1 大數(shù)據(jù)智能控制一體化平臺架構(gòu)Fig.1 The architecture of intelligent integrated control platform based on big data

1.1 現(xiàn)場設(shè)備層

現(xiàn)場設(shè)備層包括傳統(tǒng)IO 設(shè)備、總線智能傳感器以及總線智能執(zhí)行器等。該層級可以廣泛收集現(xiàn)場設(shè)備的各類型診斷信息，包括設(shè)備健康信息、設(shè)備維護信息以及設(shè)備性能信息等，通過基礎(chǔ)控制層完成數(shù)據(jù)交換，為上層大數(shù)據(jù)智能控制層提供運算依據(jù)。對現(xiàn)場設(shè)備層的智慧化后期建設(shè)可圍繞智慧基建、智慧檢修等方向進(jìn)行，通過引入智能化的新理念對電廠的設(shè)計與設(shè)備選型進(jìn)行優(yōu)化，為后續(xù)機器人巡檢、部件壽命管理等技術(shù)的實施及升級改造提供基礎(chǔ)[8-10]。

1.2 基礎(chǔ)控制層

基礎(chǔ)控制層由各大主流分散控制系統(tǒng)（DCS）組成，DCS 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備連接系統(tǒng)中各個設(shè)備的節(jié)點。作為發(fā)電機組的中樞神經(jīng)系統(tǒng)層，基礎(chǔ)控制層的安全穩(wěn)定是機組能否正常高效運行的關(guān)鍵。DCS 有完善的安全防護措施，包括病毒防護、通信接口防護、安全管理方案以及硬件設(shè)備管控等，為發(fā)電機組的安全穩(wěn)定運行提供最基礎(chǔ)最全面的保護[11-12]。

1.3 大數(shù)據(jù)智能控制層

1）大數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器

大數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器需要滿足未來智慧展示、智慧管理以及智慧安全等多元化擴展需求，因此服務(wù)器需要存儲及處理的數(shù)據(jù)類型較為復(fù)雜，不僅包括單一的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，還涉及圖片、視頻甚至地理信息等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。針對大數(shù)據(jù)的存儲方式，不但有傳統(tǒng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫MySQL、Oracle 可供使用，而且新型面向列的分布式數(shù)據(jù)庫NoSQL 也能滿足當(dāng)前的數(shù)據(jù)量需求。以分布式存儲框架為基礎(chǔ)，可采用分布式計算框架來進(jìn)行大數(shù)據(jù)的分析和挖掘工作。MapReduce、Spark 以及Storm 作為主流的分布式計算框架完全可以滿足多種場景的大數(shù)據(jù)處理需求。考慮到發(fā)電機組的網(wǎng)絡(luò)安全性問題，大數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器的通信配置與廠級信息監(jiān)控系統(tǒng)（SIS）相一致，均與基礎(chǔ)控制層采用單向通信原則，以最大限度保障機組的正常生產(chǎn)運營工作[13]。

2）智能控制設(shè)備

智能控制設(shè)備包括各類型可編程控制器、上位計算機、工控服務(wù)器以及其他類型的擴展設(shè)備等，涵蓋OPC、MODBUS、EtherNet、DP 總線等各類型通信接口，滿足多種通信方式要求。智能控制設(shè)備作為大數(shù)據(jù)服務(wù)器的中間通信設(shè)備，既可幫助大數(shù)據(jù)服務(wù)器實現(xiàn)基于大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的智能閉環(huán)控制過程，也能作為獨立控制器模塊單獨實施控制。智能控制設(shè)備應(yīng)具備統(tǒng)一的通信安全防護措施，包括故障預(yù)警、故障分類以及故障處理功能，針對通信質(zhì)量也應(yīng)設(shè)置全面的指標(biāo)評價體系，以保障設(shè)備間及層級間的數(shù)據(jù)通信質(zhì)量[14-15]。

3）未來建設(shè)方向

由于涉及多種類型的控制設(shè)備，針對智能控制層級的未來智慧化建設(shè)方案選擇范圍更廣，實施方式也更為靈活。以智慧運行、智慧燃料為實施框架，涉及智慧監(jiān)盤、智能APS、自蓄能梯級利用、智能配煤摻燒以及煤質(zhì)全流程可視化等項目也隨著智能電廠建設(shè)進(jìn)度的推進(jìn)相繼落地。未來更多依托大數(shù)據(jù)及智能控制算法的項目也將在大數(shù)據(jù)智能控制一體化平臺上完成實施及升級改造工作，平臺的發(fā)展對于智能電廠的建設(shè)具有重大意義。

1.4 智能管理層

智能管理層以構(gòu)建超融合數(shù)據(jù)中心為出發(fā)點，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)整合和數(shù)據(jù)共享為目標(biāo)，為發(fā)電機組的綜合管理、輔助決策和企業(yè)門戶提供數(shù)據(jù)支撐。智能管理層的建設(shè)可以圍繞智慧展示、智慧安全以及運營管理等方向開展，通過大數(shù)據(jù)智能控制層構(gòu)建的大數(shù)據(jù)通信鏈路，可以實現(xiàn)未來安全定位、電子圍欄、實時成本核算分析、上網(wǎng)競價決策等項目的實時數(shù)據(jù)傳輸需求。智能管理層級的建設(shè)作為大數(shù)據(jù)智能控制一體化平臺的最高層級，負(fù)責(zé)為全廠管理層和決策層提供更為可靠服務(wù)，是智慧電廠建設(shè)體系的最終發(fā)展方向。

2 智慧監(jiān)盤關(guān)鍵技術(shù)

以大數(shù)據(jù)智能控制一體化平臺架構(gòu)為基礎(chǔ)，智慧監(jiān)盤技術(shù)是著眼于大數(shù)據(jù)智能控制層級的未來智慧化項目發(fā)展方向之一。將緩解監(jiān)盤壓力、提高監(jiān)盤質(zhì)量作為主要目標(biāo)，智慧監(jiān)盤技術(shù)能夠充分利用大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)構(gòu)建機組最優(yōu)數(shù)理模型，并將數(shù)理模型與運行經(jīng)驗相結(jié)合構(gòu)建全方位專家知識庫，為運行人員提供最佳操作指導(dǎo)，最終實現(xiàn)機組的安全、穩(wěn)定運行。

2.1 智慧監(jiān)盤技術(shù)架構(gòu)

圖2 為智慧監(jiān)盤技術(shù)架構(gòu)。由圖2 可見，智慧監(jiān)盤技術(shù)主要包括智慧監(jiān)視、智慧報警、智慧識別和智慧指導(dǎo)4 個模塊層級。通過大數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器完成實時/歷史數(shù)據(jù)的采集、清洗、分類和建模計算工作，經(jīng)過數(shù)據(jù)融合和數(shù)據(jù)決策過程將機組診斷信息、預(yù)警信息、健康信息及操作指導(dǎo)等信息進(jìn)行綜合顯示，實現(xiàn)機組運行過程的持續(xù)優(yōu)化，降低運行人員工作量的同時提高機組的安全性和經(jīng)濟性[16]。

圖 2 智慧監(jiān)盤技術(shù)架構(gòu)Fig.2 The architecture scheme of intelligent monitoring technology

2.1.1 智慧監(jiān)視

1）規(guī)律特性監(jiān)視

規(guī)律特性監(jiān)視包括監(jiān)視各主設(shè)備及輔機設(shè)備重要參數(shù)是否在正常范圍內(nèi)，如發(fā)電機的轉(zhuǎn)速、爐膛內(nèi)含氧量、磨煤機的軸承溫度以及高/低壓加熱器水位等參數(shù)是否正常。除了硬件設(shè)備參數(shù)類型，機組主要控制系統(tǒng)參數(shù)也在該模塊監(jiān)視范圍之內(nèi)，如各高壓加熱器給水溫升是否正常，主蒸汽溫度、水冷壁壁溫等考核指標(biāo)參數(shù)是否正常[17]。

參數(shù)正常狀態(tài)的判定標(biāo)準(zhǔn)，除了機組運行手冊、報警定值清單等文件規(guī)定的參數(shù)變化范圍之外，還可結(jié)合運行人員操盤經(jīng)驗設(shè)置合適的參數(shù)閾值。對于無法給出正常范圍值的參數(shù)，智慧監(jiān)測平臺提供歷史數(shù)據(jù)自動查詢對比功能，即將當(dāng)前參數(shù)與歷史同等運行狀態(tài)下的參數(shù)進(jìn)行對比，以判定參數(shù)狀態(tài)。對于具備強相關(guān)性的參數(shù)，除了參考?xì)v史數(shù)據(jù)外，多維數(shù)據(jù)模型擬合也可以作為一個合理的參數(shù)獲取手段。如選擇性催化還原（SCR）脫硝入口NOx含量參數(shù)，可以利用機組負(fù)荷、煙氣流量、爐膛含氧量、一次風(fēng)和二次風(fēng)流量等參數(shù)進(jìn)行指數(shù)模型擬合，最終生成較為合理客觀的入口NOx含量理論值，該數(shù)值與實際參數(shù)值進(jìn)行對比，以判斷當(dāng)前參數(shù)是否處于正常范圍[18]。

2）健康評估監(jiān)視

健康評估監(jiān)視模塊采用多維量化評價體系，將經(jīng)濟評價功能及環(huán)保監(jiān)控功能有效結(jié)合，為監(jiān)盤人員提供整體有效的機組設(shè)備健康狀態(tài)信息。

經(jīng)濟評價 經(jīng)濟評價模塊即通過耗差分析方式來獲取機組各主要設(shè)備的運行效率及損耗，以達(dá)到評價機組經(jīng)濟性能的目的。該功能涉及的設(shè)備對象涵蓋鍋爐、汽輪機以及各主要輔機，損耗包括燃料損耗、水損耗以及熱耗等。如汽輪機的缸效率、熱耗和汽耗，調(diào)節(jié)閥的節(jié)流損失，冷端的節(jié)能潛力等都屬于經(jīng)濟評價模塊的評價范疇。

耗差分析方式以模型計算為主，利用基本公式、熱力學(xué)方法以及等效熵降法等方法計算機組設(shè)備性能或機組系統(tǒng)性能，將模型計算結(jié)果與機組設(shè)計值、計算值或歷史最優(yōu)值進(jìn)行綜合對比，最終以分值方式進(jìn)行畫面展示，以有效引導(dǎo)監(jiān)盤人員進(jìn)行機組運行狀態(tài)的調(diào)整，對于提高機組效率、尋找機組最佳運行方式具有重要意義[19]。

環(huán)保監(jiān)控 環(huán)保監(jiān)控模塊的監(jiān)控范圍涵蓋發(fā)電機組兩大重點環(huán)保監(jiān)測系統(tǒng)，即脫硫系統(tǒng)和脫硝系統(tǒng)。該功能可以根據(jù)系統(tǒng)實際運行狀態(tài)構(gòu)建出脫硫與脫硝模型，并依據(jù)模型實時計算出理想脫硫及脫硝效率。健康評估監(jiān)視模塊將實際脫硫和脫硝效率與理想值進(jìn)行對比，結(jié)合系統(tǒng)設(shè)備運行狀態(tài)及損耗、催化劑性能優(yōu)劣等情況綜合評判，最終給出具體分值以評判當(dāng)前機組的環(huán)保狀態(tài)，有效幫助監(jiān)盤人員作出相應(yīng)調(diào)整，降低環(huán)保考核壓力。

2.1.2 智慧報警

智慧報警模塊以DCS 原有的報警信息為基礎(chǔ)，報警內(nèi)容不但涵蓋智慧監(jiān)盤智慧監(jiān)視模塊的參數(shù)異常提醒功能，而且包括未來智慧電站的多種類型應(yīng)用場景的報警信息，如智慧巡檢平臺報警信息、智慧檢修平臺報警信息、數(shù)字孿生平臺報警信息等。該模塊將報警信息按照傳感器、設(shè)備、系統(tǒng)狀態(tài)及人員操作習(xí)性等類別進(jìn)行分級劃分，并依據(jù)報警等級從高到低統(tǒng)一進(jìn)行畫面提醒。

此外，智慧報警模塊還應(yīng)充分利用大數(shù)據(jù)服務(wù)器強大的數(shù)據(jù)處理功能，靈活應(yīng)用各類型智能算法建立系統(tǒng)數(shù)理及機理模型。此類模型的建立，一方面可以驗證已知報警信息準(zhǔn)確度，進(jìn)而避免報警誤判；另一方面可將智慧報警功能擴展至智慧預(yù)警領(lǐng)域，以指導(dǎo)監(jiān)盤人員提前干預(yù)機組運行狀態(tài)，最大程度降低機組運行及考核風(fēng)險[20]。

2.1.3 智慧識別

智慧識別模塊以智能專家知識庫的構(gòu)建為基礎(chǔ)，結(jié)合大數(shù)據(jù)數(shù)理及機理模型，旨在為智慧監(jiān)盤的智慧監(jiān)視和智慧報警模塊提供進(jìn)一步的故障診斷分類，并按照診斷類型為之后的智慧指導(dǎo)模塊劃定具體工作范圍。

智能專家知識庫不但包括機組運行規(guī)程等既定文件資料，更重要的是包含對資深運行人員的操作習(xí)慣和故障處理方式的歸納總結(jié)，如水冷壁壁溫超溫的原因及處理方式等。以智能專家知識庫為基礎(chǔ)的智慧識別模塊，針對故障原因的分類會更加符合機組實際運行特性，對于經(jīng)驗較少、操作水平較低的監(jiān)盤人員也能起到輔助學(xué)習(xí)的作用。

對于無法識別確定原因的預(yù)警、報警或故障，智慧識別模塊會根據(jù)機組實際運行狀況給出多組診斷結(jié)果。這些診斷結(jié)果將被智慧監(jiān)盤系統(tǒng)按照可能性高低依次進(jìn)行推送，監(jiān)盤人員可按照事故診斷結(jié)果依次查驗，直至最終確定問題原因。

2.1.4 智慧指導(dǎo)

智慧指導(dǎo)模塊除了針對智慧識別的報警及故障內(nèi)容做出進(jìn)一步的處理建議外，指導(dǎo)內(nèi)容還包括定期工作、試驗步驟等常規(guī)流程類操作指導(dǎo)，以最大限度降低人為操作的不合理性和不規(guī)范性，降低機組事故風(fēng)險。

報警或故障類問題的處理建議，以智能專家知識庫為框架，包括但不限于操作流程、調(diào)節(jié)方向以及調(diào)節(jié)量值。調(diào)節(jié)量值的具體標(biāo)準(zhǔn)，一方面可參考資深運行專家的調(diào)節(jié)經(jīng)驗，如二次風(fēng)門的組合方式和大致開度對火焰中心位置的影響等；另一方面可將大數(shù)據(jù)模型的計算結(jié)果作為參考，如調(diào)節(jié)閥開度對流量的影響等。流程類工作提醒方式嚴(yán)格按照各廠運行規(guī)程、試驗報備流程等順序整體顯示，如啟停機操作步驟、巡檢路線及相應(yīng)設(shè)備風(fēng)險點等。

2.2 智慧監(jiān)盤技術(shù)實施的關(guān)鍵問題

智慧監(jiān)盤技術(shù)作為發(fā)電機組智慧化建設(shè)項目中的一個復(fù)雜應(yīng)用體系，項目最終能否成功實施并達(dá)到預(yù)期效果，除了與其架構(gòu)合理及功能設(shè)計完整相關(guān)外，還應(yīng)在以下幾個方面做好部署工作：

1）平臺開發(fā)與后期維護的可操作程度

智慧監(jiān)盤技術(shù)的實施內(nèi)容，與用戶具體需求及其專業(yè)化程度密切相關(guān)。一方面，除通用模塊所涵蓋的內(nèi)容之外，滿足用戶個性化的定制需求也成為智慧監(jiān)盤必不可少的功能之一，因此，在有限的平臺建設(shè)施工期間完成個性化功能的設(shè)計及搭建工作，對平臺開發(fā)環(huán)境的可操作性具有較高要求。另一方面，隨著機組運行時間的增長，煤質(zhì)變化、設(shè)備老化或故障等因素會對機組運行參數(shù)造成一定影響，若不能及時對智慧監(jiān)盤技術(shù)已集成的模塊參數(shù)進(jìn)行調(diào)整與優(yōu)化，則可能無法維持平臺已有的實施效果。隨著智慧監(jiān)盤項目主體工作結(jié)束，專業(yè)技術(shù)人員的缺乏會導(dǎo)致更多后期維護工作由熱工人員或運行人員承擔(dān)，考慮到現(xiàn)有工作人員的專業(yè)化程度差異，智慧監(jiān)盤技術(shù)應(yīng)盡量弱化或避免傳統(tǒng)的代碼化維護環(huán)境，多采用圖形、模塊或簡易公式等方式實現(xiàn)后期優(yōu)化工作，滿足該技術(shù)的長期應(yīng)用升級需求。

2）項目管理的科學(xué)性與高效性

智慧監(jiān)盤項目與以往的科技項目不同，其實施內(nèi)容不但包括報警、預(yù)警等常規(guī)整理工作，還涉及算法建模、操盤經(jīng)驗提煉，甚至班組或個人KPI 考核等內(nèi)容，專業(yè)范圍廣，工作內(nèi)容復(fù)雜。智慧監(jiān)盤項目從設(shè)計、施工、調(diào)試、驗收至維護過程，需要與電廠生技部、安監(jiān)部、檢修部、運行部等部門進(jìn)行充分的溝通，并與其部門工作人員進(jìn)行長期的緊密配合，因此，如何在有限的項目工程時間內(nèi)相對高效地完成部門之間的交流與配合工作，成為智慧監(jiān)盤項目管理工作所需要重點解決的問題。

3）項目的未來升級化擴展需求

除了智慧監(jiān)盤項目已確定的工作內(nèi)容之外，智慧電廠未來智慧化模塊的業(yè)務(wù)拓展工作，如智慧安全、智慧檢修、智慧管理等一部分報警、預(yù)警、指導(dǎo)工作都有可能與現(xiàn)有智慧監(jiān)盤功能進(jìn)行融合。龐大的數(shù)據(jù)體量、多樣化的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、復(fù)雜的數(shù)據(jù)通信及存儲需求，均對智慧監(jiān)盤底層設(shè)計提出了更高的要求。因此，在智慧監(jiān)盤項目軟硬件方案設(shè)計之初，應(yīng)盡量做到“軟件規(guī)劃完善完整，硬件布局留有余地”，以滿足平臺未來升級化擴展需求。

3 結(jié)語

為順應(yīng)國家科技創(chuàng)新發(fā)展需求，逐步推進(jìn)發(fā)電機組的升級改造進(jìn)程，本文以大數(shù)據(jù)智能控制一體化平臺為框架，對其各層級的特點及應(yīng)用需求進(jìn)行了歸納，將智慧監(jiān)盤項目作為智能控制層級的首要發(fā)展方向，從降低工作人員勞動強度和提高機組運行效率的角度出發(fā)，對其架構(gòu)及實施關(guān)鍵進(jìn)行了探討，以提高智慧化建設(shè)方案在電力行業(yè)的推廣應(yīng)用，對于構(gòu)建信息化綠色能源產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)具有重大的意義。