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摘要：本文從智慧電廠特點闡述開始，提出智慧電廠的整體設計架構及技術發展建議，通過一體化大數據管控平臺，實現智慧設備及控制層、智慧設備管理及診斷層、智慧運維及管理層、智慧經營及決策層之間的融合，實現發電過程的智能控制、智能安全、智能管理。

關鍵詞：智慧電廠；體系架構；智慧經營；智慧決策

1　前言

近年來，技術發展日新月異，技術更新、技術進步、新技術產生的速度不斷加快。隨著大數據、云計算、互聯網、物聯網等技術的出現與使用，集成化、智能化、智慧化已成為現代電力企業追求的運營目標。

2016年3月，國務院發布《關于推進“互聯網+”智慧能源發展的指導意見》，意見指出要“推進化石能源生產潔凈高效智能化”，其中要“加快化石能源生產檢測、管理和調度體系的網絡化改造，建設市場導向的生產計劃決策平臺與智能化信息管理系統”，為智慧電廠的建設提供了指導。

目前，國內各發電集團均對智慧電廠的建設進行了積極探索和嘗試，但從智慧電廠的建設和應用情況來看，我國在智慧電廠領域中應用更多的側重于信息集成展示以及智慧管理等層面，而在生產過程中智能化的應用很少，智慧管理與實時生產之間存在一定的脫節，偏離了智能生產的初衷，因此，本文從整體設計和規劃的角度提出智慧電廠的體系架構，并著重闡述建設智慧電廠的關鍵技術。

2　智慧電廠特點

智慧電廠的特點是以物理電廠為基礎，通過對各系統的科技含量和管理內涵等資源進行深入挖掘和全面梳理后，利用系統性理論和資源配置優化的理念，重新對所有資源應用價值的再認識、再整合，并融入現代先進管理體系、現代通信與信息技術、計算機網絡技術、智能控制技術、發電行業技術等匯集應用而形成的新型電廠。

火力發電廠具有系統多樣性、復雜性等特點，同時其對運行調節的操控性有著較高的要求，因此建設智慧電廠還需要解決一系列的問題。目前，有利因素是電廠自動化控制水平較高，已經形成較為完善的運行管理流程，結合已具備的先進電廠運行經驗，為推進智慧電廠建設創造了條件。

鑒于火電廠的系統復雜性，結合運行實際，現提出智慧電廠如下建設模式：

（1）采用智能設備，搭建數字化、標準化網絡信息平臺；

（2）以功能需求為目標，完善監控數據采集；

（3）建立專家分析決策系統，實現智能自動調節運行，或提供智能優化運行方案；

（4）將智慧電廠的建設貫穿基建期、調試期及運行優化期，實現電廠全壽期智慧運行管理。

3　智慧電廠體系架構及技術發展建議

智慧電廠以一體化大數據管控平臺為支撐，融合智慧設備及控制層、智慧設備管理及診斷層、智慧運維及管理層、智慧經營及決策層，在發電廠控制系統、廠級監控系統、管理信息系統、輔助監控系統等基礎上，構建智慧發電運行控制與管理系統，實現發電過程的智能控制、智能安全、智能管理。其體系結構如圖1所示。

圖1 智慧電廠體系架構

3.1　智慧設備及控制層

設備及控制層在電廠傳統運行設備層的基礎上，嵌入高精度的機組重要參數測量技術，為智能控制層中的優化控制、在線經濟性分析及診斷系統提供重要數據保證；其次，在智能設備層中實現現場總線設備及先進測量設備的接入，對生產現場進行全方位檢測和感知；可以大幅度減少設備調校、維護工作量。

（1）主輔一體化控制系統

為適應智慧電廠全廠信號、管理內容數字化的要求，基于DCS實現主輔控一體化控制系統，利用網絡技術實現準確可靠的數字化信息交換、跨平臺的資源實時共享，實現全廠數據的完整性、一致性、可交換性、可互訪性，消除信息孤島，促進廠級優化控制功能的實現和智能管理水平的提高。

（2）現場總線技術及設備的應用

現場總線系統是連接智能現場設備和自動化系統的全數字、雙向、多站的通信系統，主要解決工業現場的智能化儀器儀表、執行機構等現場設備間的數字通信以及這些智能現場設備和控制系統之間的信息傳遞問題，并且能夠通過相應設備管理、診斷軟件對智能現場設備進行及時有效的設置和預警。

現場總線的應用是電廠智慧化的基礎之一，為智慧化平臺、設備管理系統、診斷系統提供大量數據支撐，為后期深入挖掘現場設備的智能化功能，提高電廠運營的安全性和測控設備信息化管理水平奠定基礎。

（3）機組自啟停控制系統（APS）

APS功能是發電機組最高級自動控制技術之一，具有高度的復雜性，是DCS中所有常規控制子系統的統領。APS的實施可顯著增加機組控制系統的自動化水平，最大限度減少運行人員的操作強度和人員數量，實現減員增效。

（4）鍋爐吹灰監測及智能吹灰系統

鍋爐智能吹灰針對鍋爐積灰和吹灰過程，在線計算和監測鍋爐各個受熱面積灰臟污程度，并預測未來積灰趨勢，結合鍋爐吹灰成本和積灰損失，綜合考慮安全性和經濟性，實現系統運行成本的最低。優化系統可減少水冷壁的磨損及水冷壁破損導致的非計劃停運，減小水冷壁損壞概率，降低水冷壁更換和維護的費用，提高鍋爐效率。

（5）鍋爐島關鍵部件參數場分布監測及智能調控系統

隨著環保要求的不斷提高，特別是NOx超低排放的實施，鍋爐燃燒系統、脫硝系統的運行方式發生了很大的變化，由此導致鍋爐汽溫偏差大、水冷壁高溫腐蝕、空預器堵塞等問題十分突出，因此監測鍋爐島中制粉系統煤粉濃度粒度、水冷壁近壁區煙氣組分、脫硝裝置出口NOx場分布、空預器冷端綜合溫度，對于防控上述問題的出現至關重要。

（6）先進控制算法的應用

由于燃煤電廠機組對象特性復雜且需不斷適應外界工況的變化，傳統DCS控制功能已不能滿足多樣化生產需求，因此在控制層需結合先進控制算法及智能控制策略等技術手段，包括預測控制、神經網絡控制、模糊控制、PID自整定等先進控制算法，來滿足對象多樣化的需求。

將先進控制算法嵌入更具針對性、實用性的優化控制系統，形成具備“自分析、自診斷、自管理、自趨優、自恢復、自學習、自提升”的運行優化系統，助力企業經濟運行，提高運行水平，最大程度降低運行成本，提升企業盈利能力。

3.2　智慧設備管理及診斷層

基于控制層的大量監測數據，設備管理及診斷層通過軟、硬件平臺及先進算法對設備/機組運行狀態，設備效率、可用性、經濟性進行分析，并通過分析診斷結果實現設備的狀態檢修。

（1）智能設備管理

針對電廠應用的HART/現場總線智能設備，通過管理系統完成現場總線與智能設備的參數信息查詢和設定，構成現場設備綜合管理系統信息庫，達到設備的風險評估和智能預警，將被動的管理模式改變為可預測性的管理維護模式，對現場智能儀控設備進行智慧管理與維護，提升機組設備管理及診斷能力，降低維護成本。

（2）大型轉機智能故障在線監測與診斷

系統能夠設置、采集、自動分析處理機械設備的振動數據，并自動給出分析診斷結果，報告機械設備的運轉狀態，提供維護檢修建議，協助設備管理工程師，做出科學的檢修計劃決策。監測對象可以包括汽輪發電機組、六大風機、小汽機、循泵、凝泵等大型轉機設備。

3.3　智慧運維及管理層

運維及管理層通過一體化信息管理系統，匯集、融合全廠生產過程與管理的數據與信息，實現廠級能效對標與考核系統、運行管理系統、智能巡檢、精密點檢與設備遠程管理、設備定期輪換管理、可視化設備潤滑智能管理、可視化技術監督智能管理、可視化三維作業指導書及檢修培訓、缺陷管理、移動應用、遠程診斷、三維虛擬電廠與安全管控、三維建檔等管理系統，實現發電廠的閉環、自組織的精細化管理系統。

3.4　智慧經營及決策層

經營及決策層通過生產、運營系統提供的海量數據開展大數據應用及相關模塊的開發，實現管理數據與生產數據之間的相互融合，提升整個集團公司精細化管理水平，主要包含：電廠輔助決策功能、倉儲成本分析、智能供應鏈支持、績效評價等功能。

同時采用網絡化手段，搭建具有遠程監視及診斷管理功能的集團公司級大數據分析及診斷平臺。大數據平臺充分利用已建廠的運行數據，建成大規模數據庫，實現監視數據和故障診斷判據信息資源共享，實現遠程數據分析與診斷。在大數據及診斷中心的專家人員，可實現集團級的資源統一調配和信息共享，進而提升整個集團的維護及診斷水平。

4　智慧電廠建設思路

智慧電廠的建設，是一個循序漸進的過程，總體建設建議采用“頂層設計、分步實施”原則，做好總體規劃，涵蓋設計、制造、基建、運營、退役五個過程，體現全生命周期管理特點。

根據智慧電廠功能層次規劃及相關的建設標準，各發電廠應結合企業自身現狀和特點，因地制宜、注重實效，積極穩妥地推進智慧電廠的建設，不斷積累建設與運營經驗，使成果應用水平不斷提升。

5　結束語

智慧電廠是第四次工業革命大背景下發電技術的轉型。目前智慧電廠的建設剛剛起步，各集團都在摸索階段，上述方案是針對電站項目做的一個初步規劃，希望能起到拋磚引玉的作用，各發電企業可根據自身建設情況，規劃適當項目。

可以確定，隨著能源革命的到來，電站智慧化建設將是一個明確的發展方向，是一個科技創新以及科技成果轉化為生產力的過程。未來數年，電站智慧化建設將是主要投資方向，是適應國家綠色發展經濟的戰略需求，傳統電廠智慧化改造將是必經之路。

參考文獻：

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[5] 國務院辦公廳. 中國制造2025[Z].

[6] 劉吉臻. 智能發電：第四次工業革命的大趨勢[N]. 中國能源報, 2016 - 07.

作者簡介：

屠學偉（1983- ），男，碩士，現任國核電力規劃設計研究院有限公司儀控工程師，主要從事火電機組、智慧能源儀控方面的設計研究工作。

鄭亞鋒（1980- ），男，碩士，現任國核電力規劃設計研究院有限公司設計總工程師，主要從事火電機組、智慧能源的設計研究及管理工作。

摘自《自動化博覽》2019年1月刊