深度｜1000MW級火電機組智慧電廠建設研究

摘 要：近年來電力市場面臨產能過剩、負荷多變、負債過多、環(huán)保壓力及需求不足等諸多挑戰(zhàn)，對電廠生產運營管控能力提出新的更高的要求。結合方家莊項目1 000 MW超超臨界燃煤機組，經廣泛調研，根據智慧電廠的內涵提出方家莊項目智慧電廠的建設理念，制定智慧電廠構架，確定智慧電廠建設內容，明確建設目標與效果，形成了一套完整的智慧電廠建設規(guī)劃。通過利用物聯(lián)網、云計算、大數(shù)據分析、人工智能、機器人、虛擬現(xiàn)實、移動應用等技術集成智能傳感與執(zhí)行、智能控制與優(yōu)化、智能管理與決策，實現(xiàn)機組更安全可靠、經濟高效、環(huán)保靈活的運行，并能更好地適應電力市場競爭環(huán)境。

關鍵詞：火電廠;百萬機組;智慧電廠;管控中心;廠級大數(shù)據;智能應用

（來源：《中國電力》雜志 作者：韓華鋒，馬玉娟，黃一志，楊萌萌，郭滔，劉然，張偉，孫亞飛）

引言

火力發(fā)電作為電力生產的主導軍，伴隨新形勢下的國家政策、國內外的宏觀環(huán)境及信息技術的迅猛發(fā)展 [1] ，火電廠建設已從自動化、數(shù)字化、信息化逐步向智能化轉變。2016 年發(fā)改委提出了智慧能源發(fā)展的指導意見 [2] ;2017 年十九大報告指出要“推動互聯(lián)網、大數(shù)據、人工智能和實體經濟深度融合”;2017 年自動化等多家學會、電力企業(yè)、行業(yè)專家聯(lián)合組織了多次對智能電廠最新發(fā)展技術和發(fā)展方向的研討，并制定了《智能電廠技術發(fā)展綱要》。業(yè)內人士對智慧電廠建設提出了不同的見解，文獻[3-6]提出智慧電廠是數(shù)字化電廠結合智能系統(tǒng)后的進一步發(fā)展;

文獻[7]指出智慧電廠的建設應與德國“工業(yè) 4.0”理念對接;文獻[8-14]認為智慧電廠由信息化、數(shù)字化、智能化等技術支撐，具有自學習、自適應能力。相關建設實踐也在積極開展，在大唐姜堰、國電大渡河、鑫光發(fā)電 [15] 等企業(yè)中主要采用三維仿真、人員定位、智能機器人等技術，提高電廠的安全、運營能力。但目前對于智慧電廠建設的整體構架和模式尚沒有統(tǒng)一的規(guī)劃標準，建設實踐也沒有形成總體布局、統(tǒng)籌推進的格局。

在以上政策的指向及實踐的引領下，方家莊項目結合自身管理模式，提出智慧電廠的建設理念，制定智慧電廠構架，明確建設目標與效果，形成了一套可復制、可推廣、可借鑒的完整智慧電廠建設方案。并采取同步設計、統(tǒng)一規(guī)劃、模塊推進的方式，全廠控制系統(tǒng)采用先進的現(xiàn)場總線技術和智能儀表;信息化建設采用目前先進成熟的信息、通信、自動控制技術，通過一體化信息平臺，充分融合生產經營管理業(yè)務，打通業(yè)務間的關系，具備了數(shù)字化電廠 [16-18] 的條件，為智慧電廠的建設提供了最為典型的應用場景和扎實的建設基礎。

基于現(xiàn)有的數(shù)字化、信息化建設基礎，利用最新先進的信息技術、工業(yè)技術和管理手段，實現(xiàn)精確感知生產數(shù)據、優(yōu)化生產過程、減少人工干預，最終使方家莊電廠具備“自分析、自診斷、自趨優(yōu)、自管理、自恢復、自學習、自適應、自組織、自提升”的能力，實現(xiàn)人員可控、狀態(tài)預知、少人值守、效率提高、成本降低的目標。

1 建設思路

1.1 建設基礎

方家莊項目在建設智慧電廠方面具有如下優(yōu)勢。

(1)機組容量：目前國內最大的百萬千瓦級超超臨界間冷燃煤機組，提供了最有說服力的典型應用場景。

(2)全廠現(xiàn)場總線：利用先進的現(xiàn)場總線技術結合智能儀表，為智能分析高層應用提供海量數(shù)據，是實現(xiàn)數(shù)字化電廠的基礎。

(3)機組的高度自動化：通過各種控制邏輯的組合，實現(xiàn)機組啟停的高度自動化，大大降低人員勞動強度，標準化、規(guī)范化機組啟停作業(yè)。

(4)信息系統(tǒng)一體化設計：通過一體化信息系統(tǒng)的建設，實現(xiàn)公司內部業(yè)務之間的橫向集成與縱向貫通，構建從數(shù)據采集、數(shù)據分析、數(shù)據共享、數(shù)據應用的全過程、全方位、多層次的支撐平臺，建成符合公司管理模式和管理需要的一體化平臺，實現(xiàn)“數(shù)據同源、統(tǒng)一口徑、融合貫通”，降低人力成本，在公司范圍內達到業(yè)務流、數(shù)據流、信息流的有機統(tǒng)一。

(5)互聯(lián)網技術的充分應用：在一體化平臺的基礎上，充分利用移動應用的優(yōu)勢，已建設了移動辦公 APP、黨建 APP、安全管理 APP、知識管理 APP，極大提高了信息交互的及時性和多樣性。

(6)云存儲：通過虛擬化技術，建立了公司的私有云平臺，將服務器、桌面進行虛擬化，并將數(shù)據集中存儲，為未來的云計算、大數(shù)據分析打下了堅實的基礎。

標準化、自動化、數(shù)字化、信息化、智能化是智慧電廠的基礎，基于以上基礎，方家莊項目提出了“提高數(shù)字化，完善信息化，加強可視化，推進智能化，體現(xiàn)系統(tǒng)性和頂層設計”的智慧電廠建設理念，全方位推動智慧電廠建設。

1.2 建設架構

1.2.1 整體架構

本項目智慧電廠的整體架構如圖 1 所示，包括基礎數(shù)據、智能平臺、智能應用、人工智能 4 個層面，圖 1 中對各部分都進行了直觀的描述。

1.2.2 功能架構

圍繞智慧電廠標準化、自動化、數(shù)字化、信息化、智能化的功能需求，本項目建設1個中心 — 智慧管控中心，4 大功能 — 智慧生產、智慧經營、智慧管理、智慧人才。4 大功能為業(yè)務重心，貫穿 12 個模塊，各個模塊為業(yè)務應用。具體的功能架構如圖 2 所示。

1.2.3 網絡架構

本項目智慧電廠網絡拓撲結構嚴格遵照電力二次防護的要求制定 [19-20] ，采用專網專用、橫向隔離、縱向加密、信息安全區(qū)域劃分的原則，將本廠數(shù)據交互分文 4 個安全區(qū)域。具體的網絡拓撲如圖 3 所示。

1.2.4 數(shù)據架構

本項目智慧電廠數(shù)據構架由廠級應用模塊、廠級大數(shù)據中心、國電電力大數(shù)據管控中心三部分組成，融合結構化數(shù)據(關系數(shù)據、實時數(shù)據)、半結構化數(shù)據、非結構化數(shù)據。具體數(shù)據架構如圖 4 所示。

廠級應用層面包括了 MIS、SIS、三維、定位、監(jiān)控、設備檔案等模塊，各模塊都與廠級大數(shù)據中心建立數(shù)據交換接口，避免了廠級應用模塊兩兩之間建立接口的復雜性。

廠級大數(shù)據中心是集電廠所有數(shù)據的存儲交換、計算分析、應用展示等功能于一體的智慧基礎設施重要中心。

廠級大數(shù)據中心也將與國電電力大數(shù)據管控中心建立數(shù)據接口，不僅可將廠級生產運營情況數(shù)據實時推送上級，同時也可通過上級單位大數(shù)據中心實現(xiàn)不同廠之間的數(shù)據交互，對于時效性嚴、橫向數(shù)據量廣的情況可由上級大數(shù)據中心為本廠提供計算服務，彌補了本廠數(shù)據庫存儲的不足，最終實現(xiàn)遠程互聯(lián)。

1.3 建設原則

(1)業(yè)務驅動，問題導向。立足于方家莊電廠百萬火電機組、外委與本廠員工無差異化管理模式、地處偏遠、人員易流失等特點和需求，堅持問題導向，以解決限制公司效益提升、管理提升的關鍵原因為目標，利用先進技術，彌補指標差距，以此為抓手，強化向生產、管理要效益的能力。

(2)以點帶面，逐步發(fā)展。智慧電廠建設既要勇于創(chuàng)新，大膽突破，也要穩(wěn)扎穩(wěn)打，逐步發(fā)展。選擇生產過程中的關鍵問題、機組運行的核心設備、企業(yè)管理的重點業(yè)務為突破點，以點帶線，以線帶面，逐步拓展智慧電廠建設的覆蓋面。

(3)統(tǒng)一規(guī)劃，模塊推進。智慧電廠建設覆蓋電廠生產管理的全業(yè)務、全系統(tǒng)、全過程，涉及面廣，任務量大，建設過程中難以做到全面鋪開齊頭并進，因而在方案設計中要對建設內容進行統(tǒng)一規(guī)劃，做好各個功能模塊之間的協(xié)調和配合。提前謀劃布局，模塊化推進的同時，預留接口，保證各功能模塊間的互聯(lián)互享互通。

(4)標準引領，業(yè)務量化。以“業(yè)務標準化、標準數(shù)據化”為引領，建立健全企業(yè)管理標準體系，實現(xiàn)業(yè)務的量化評估;統(tǒng)一生產運行數(shù)據規(guī)范，實現(xiàn)信息數(shù)據領域的標準語言。通過量化、標準化促進大數(shù)據、人工智能、深度學習在智慧電廠中的應用。

(5)人才為本，創(chuàng)新驅動。智慧電廠在減少重復勞動、簡化操作流程、彌補人腦在記憶及數(shù)據處理方面不足的同時，對高端人才的需求更為突出，對人的判斷能力和創(chuàng)新能力的需求也更為明顯。在智慧電廠的建設和應用過程中，既懂信息又精生產還通管理的人才將發(fā)揮更加重要的作用。智慧電廠建設要突出對人才的培養(yǎng)，以智慧電廠助推人才成長，以人才促進智慧電廠落地。

同時要強化創(chuàng)新驅動，以創(chuàng)新提高人才的綜合素質，以創(chuàng)新推動新技術利用。

2 建設內容

方家莊項目經廣泛調研，并按照智慧電廠建設統(tǒng)一標準和規(guī)范 [3] ，形成了自身智慧電廠建設規(guī)劃的內容：包括 1 個中心，1 個平臺，4 大功能，12 個模塊。

2.1 智慧管控中心建設

智慧管控中心是智慧電廠的核心，相當于智慧電廠的大腦，發(fā)揮生產運營管控、生產應急指揮、事故演練、生產運營輔助決策、信息匯集和數(shù)據處理等功能。強化大數(shù)據處理、人工智能等技術應用，集中電廠數(shù)據的收集、儲存、交換、分析、展現(xiàn)、服務等功能，綜合深度應用全廠的生產經營管理數(shù)據，形成具有“自分析、自診斷、自趨優(yōu)、自管理、自恢復、自學習、自適應、自組織、自提升”特征的智慧電廠管控系統(tǒng)，

實現(xiàn)更智慧的分析決策、更高效的信息應用。

2.2 廠級大數(shù)據平臺建設

該平臺按照國電電力智慧大數(shù)據管控中心對廠側大數(shù)據平臺的建設要求，從系統(tǒng)架構、數(shù)據架構、硬件架構、網絡架構等進行規(guī)劃，統(tǒng)一應用系統(tǒng)開發(fā)平臺，遵循集團相關標準，以及企業(yè)服務總線(ESB)及業(yè)務流程引擎(BPM)，將各類數(shù)據由 kafka 匯集到 Hadoop 平臺，實現(xiàn)電廠所有數(shù)據的存儲、共享、計算、分析、應用等功能。

2.3 智能應用模塊建設

在以標準化、自動化、數(shù)字化、信息化、智能化及相關的關鍵技術作為智慧電廠建設的基礎之上，本項目智慧電廠共規(guī)劃建設 12 個應用模塊，包括：智能安全、智能運行、智能設備、應急管理、智慧燃料、智慧經營、智慧營銷、智慧物資、智慧黨建、風險管控、一體化管理平臺、智慧人才。12 個應用模塊相當于整個智慧電廠建設的骨架;基于這個智慧電廠建設的骨架，形成了 4 大智慧體系，作為智慧電廠的應用界面。各

模塊采用邊建設、邊推廣示范應用的方式進行，力爭在集團公司成為智慧電廠建設的標桿，提升了公司的社會責任形象。

智慧生產為電廠實時生產服務，集成安全、運行、設備、燃料 4 個電廠生產核心，建設基于機器學習的運行優(yōu)化控制、基于大數(shù)據的設備可靠性管理、基于自動尋優(yōu)的燃料管理、基于三維的生產可視化管理等系統(tǒng)，實現(xiàn)更高設備可靠性、更優(yōu)出力與運行、更低能耗與排放、更好外部環(huán)境適應性、更高安全生產水平等目標。

智慧經營為電廠經營服務，集成經營、營銷、物資等電廠經營核心功能，建設基于生產實時成本的經營決策管理、基于智能倉儲的物資管理系統(tǒng)、基于智能預測的電力營銷系統(tǒng)，實現(xiàn)生產成本更低、企業(yè)效益更好。

智慧管理為提高電廠管理服務，集成一體化管理平臺、黨建、應急管理、風險管控等管理業(yè)務，建設基于移動應用和微服務的智慧黨建、智慧行政、智慧后勤、應急預案管理等系統(tǒng)，提高管理效率，降低管理成本。

智慧人才為引導、培養(yǎng)高素質的人才隊伍提供平臺。智慧電廠對高端人才的需求更為迫切，高素質的人才隊伍是智慧電廠發(fā)揮作用的基礎。

通過基于知識庫的個性化知識管理系統(tǒng)、基于自主管理的績效評價系統(tǒng)、創(chuàng)新創(chuàng)效管理平臺、基于三維仿真的生產技能培訓、智慧班組管理系統(tǒng)不斷引導、培養(yǎng)人員成為具有高素質人才。通過建設創(chuàng)新管理論壇及 APP、創(chuàng)新成果展示平臺、創(chuàng)新方法培訓平臺、創(chuàng)新工作室等模塊，整合創(chuàng)新資源，營造創(chuàng)新氛圍，推進創(chuàng)新工作，促進創(chuàng)新人才培養(yǎng)，加快創(chuàng)新成果孵化，以創(chuàng)新驅動企業(yè)發(fā)展。

3 預期效果

將智能生產與智慧決策技術相融合，使方家莊智慧電廠建設能夠達到高效環(huán)保運行、靈活調節(jié)、少人值守、智能監(jiān)視、智能檢修、智能安保、智慧燃料、智慧經營、智慧物資、智慧黨建、可視化培訓、設備全生命周期管理、集團級監(jiān)控與移動應用等效果，具體內容如下。

(1)實現(xiàn)智能運行。通過應用重要參數(shù)在線軟測量、應用機爐協(xié)調預測控制優(yōu)化、全廠機/電/爐/輔控控制系統(tǒng)、DEH 系統(tǒng)與 DCS 系統(tǒng)一體化等功能，及應用智能設備管理、機組全程自動啟停控制，實現(xiàn)對所有運行設備的全過程監(jiān)督、統(tǒng)計、查詢、匯總、分析、深度挖掘，形成具備“自分析、自診斷、自管理、自趨優(yōu)、自恢復、自學習、自適應、自組織、自提升”的運行優(yōu)化系統(tǒng)，利用機器學習與人工智能技術，實現(xiàn)機組

高效環(huán)保運行、靈活調節(jié)、少人值守、智能監(jiān)視。

(2)實現(xiàn)智能檢修與維護。應用智能點/巡檢管理、智能缺陷管理、智能兩票管理等功能，與設備、管道狀態(tài)智能監(jiān)測功能模塊聯(lián)動，實現(xiàn)設備檢修、缺陷處理過程的管理、統(tǒng)計分析及其處理方法的歸納總結，為設備預防性檢修提供依據。

(3)實現(xiàn)智能安保。①人員、設備主動安全管控。應用基于物聯(lián)網的人員定位管控功能、基于人員定位的設備在 DCS 系統(tǒng)操作管理、門禁管理與智能視頻等功能，結合三維可視化、電子圍欄等技術，與智能巡檢、智能兩票等功能進行聯(lián)動，實現(xiàn)人員安全與設備操作主動安全管控。

②信息安全管控。全廠工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)和管理系統(tǒng)布置信息安全防護產品，動態(tài)分析與監(jiān)控網絡及主機的運行情況，增強全廠工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)和管理系統(tǒng)的網絡健壯性，使整體系統(tǒng)防護能力等級達到三級，提高系統(tǒng)抵御病毒和非法入侵的能力。

(4)實現(xiàn)智慧燃料管控。通過自動化燃料采制、數(shù)字化煤場建設、實時經濟配煤摻燒等功能實現(xiàn)智慧燃料管理，全面管控燃料管理價值鏈所涉及的全要素，保證燃料相關環(huán)節(jié)數(shù)據真實、實時、準確，保證安全生產，實現(xiàn)燃料管控智慧化。

(5)實現(xiàn)智慧經營。應用智慧物資、燃料成本實時分析、預算分析與管理、指標分析與管理、競價上網輔助決策等功能，實現(xiàn)發(fā)電生產成本的預控與動態(tài)分析，提升電廠競價上網分析報價能力，保證效益的最大化。最終達到實現(xiàn)企業(yè)全部資源和經營行為的可控、在控，有效促進資源整合，提升運營能力，為企業(yè)提供智能分析、決策支持。

(6)實現(xiàn)智慧營銷。通過構建智慧營銷系統(tǒng)，實現(xiàn)電量管控、利用小時對標、報價輔助決策、 客戶關系管理等功能，實現(xiàn)對度電變動成本、度電固定成本、度電財務成本、度電完全成本與邊際電價、資金平衡電價、盈虧平衡電價、目標利潤電價等的智能 匯總分析，達到指導企業(yè)智慧營銷的目的。

(7)實現(xiàn)智慧物資。通過構建智慧物資管理系統(tǒng)，采集庫存信息對物資計劃、采購、驗收、出入庫、盤點、財務成本管控、動態(tài)貨位、動態(tài)庫存、庫存報警、聯(lián)合倉儲進行分析判斷。實現(xiàn)采購流程清晰可查、采購管理規(guī)范高效，減少管理和采購成本，提高效益，實現(xiàn)企業(yè)高速運轉。

(8)實現(xiàn)智能風險管理。建立風險應急預案庫，實現(xiàn)對生產、市場、財務、運營、法律五大風險的智能在線管控。對安全生產、經營管理中的突發(fā)事故和潛在的風險進行分析和預警，逐步實現(xiàn)從事后管理，向事中、事前管控的轉變，及時預警，提供準確的應急預案，提高決策效率，減少事故風險。

(9)實現(xiàn)移動化辦公。以信息技術為支撐，將傳統(tǒng)工作與互聯(lián)網+理念相結合， 應用移動應用功能，在確保信息安全的前提下，可實現(xiàn)一部手機管理一個電廠的目標，可以移動辦公、移動管理和遠程監(jiān)視，解決了管理過程中的難點和痛點。

(10)實現(xiàn)可視化培訓。應用全激勵仿真系統(tǒng)、三維可視化工藝系統(tǒng)和設備操作與檢修仿真培訓功能，對運行人員、檢修人員可以進行三維可視化的、與現(xiàn)場實際情況完全一致的培訓，增強培訓效果。

(11)實現(xiàn)設備全生命周期管理。采用三維建模技術，通過設計圖紙或對設備進行三維掃描，構建與實際電廠一致的虛擬電廠。在此基礎上，應用設備全生命周期管理功能，從設備的資產價值屬性、物理屬性、能效利用 3 個方面，實現(xiàn)電廠設備全生命周期管理。

(12)集團級監(jiān)控。通過區(qū)域、集團級系統(tǒng)的大數(shù)據分析平臺，實現(xiàn)對電廠運行工況和污染物排放的監(jiān)控、優(yōu)化指導與統(tǒng)籌經營，提高集團整體運行與經營管理水平。

4 結語

與傳統(tǒng)電廠相比，本項目提出的智慧電廠的建設可提高設備的可靠性、經濟性，延長設備生命周期，加強生產過程的安全管理，提高維修效率，減少設備停機時間，確保清潔排放，降低企業(yè)運營成本等，逐步建設成為智慧型發(fā)電企業(yè)，能夠靈活應對新的電力市場環(huán)境對發(fā)電企業(yè)的要求，同時本項目開發(fā)具有可復制性、可推廣性，項目實施后也可為后續(xù)其他單位智慧電廠的建設提供可借鑒的解決方案，起到示范工程的作用。

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[20]作者簡介：

韓華鋒 (1969—)，男，高級工程師，從事智慧電廠建設研究，E-mail: hanhuafeng1033@dingtalk.com;

馬玉娟(1992—)，女，碩士，助理工程師，從事智慧電廠建設研究，E-mail:1107605297@qq.com。