廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院 陳世和，張曦

基于工業(yè)4.0的智能電站控制技術(shù)

廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院 陳世和，張曦

工業(yè)4.0是以智能制造為主導(dǎo)的第四次工業(yè)革命，該戰(zhàn)略旨在通過信息通訊技術(shù)和物理信息系統(tǒng)（Cyber-Physical System)的結(jié)合，將制造業(yè)向智能化轉(zhuǎn)型。本文論述了工業(yè)4.0框架下的智能電站控制技術(shù)，給出了智能電站的定義、特征和層次結(jié)構(gòu)，并對智能電廠技術(shù)的內(nèi)容及應(yīng)用情況進(jìn)行了分析和論述。隨著智能控制、現(xiàn)場總線技術(shù)和計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，智能電站技術(shù)應(yīng)用前景十分廣闊。

工業(yè)4.0；數(shù)字化；現(xiàn)場總線；智能電站；智能控制

1 引言

在電力行業(yè)，近年來數(shù)字化電廠建設(shè)取得了長足的發(fā)展，德國西部的尼德豪森電廠是全球第一家數(shù)字化電廠，控制系統(tǒng)為西門子TXP-2000，除鍋爐安全監(jiān)控系統(tǒng)（FSSS）、汽輪機控制和保護(hù)系統(tǒng)（DEH、ETS）、重要的模擬量采用常規(guī)方案外，均采用了現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。德國諾伊拉特電廠1100MW的F機組和G機組，早期被稱為尼德豪森二期工程，控制系統(tǒng)為西門子TXP-3000，與尼德豪森一期工程相比，不僅被控對象采用了Profibus-DP協(xié)議，儀表也全部采用了Profibus-PA協(xié)議，同時在常用電源系統(tǒng)還采用了IEC61850協(xié)議。近幾年，國內(nèi)已經(jīng)有相當(dāng)一部分燃煤電廠也在輔助車間系統(tǒng)采用了現(xiàn)場總線技術(shù)，如華能玉環(huán)電廠（2×1000MW）化學(xué)水處理、工業(yè)廢水系統(tǒng)，廣東河源電廠（2×600MW）凈廢水處理系統(tǒng)，華能巢湖電廠（2×600MW）化學(xué)水處理系統(tǒng)，華能九臺電廠（2×600MW）水、煤、灰、全廠輔助車間系統(tǒng)，國華寧海電廠（2×1000MW）的脫硫系統(tǒng)等；同時也有一些電廠在主廠房機爐主系統(tǒng)上應(yīng)用了現(xiàn)場總線技術(shù)，如河北三河電廠（2×350MW）的熱網(wǎng)系統(tǒng)、天津北疆電廠（2×1000MW）的熱網(wǎng)系統(tǒng)等，以及在2009年底投入運行的華能九臺電廠（2×600MW）單元機組、華能金陵電廠（2×1000MW）單元機組，其中九臺電廠約有30%的儀表控制系統(tǒng)采用了現(xiàn)場總線設(shè)備，金陵電廠約有50%的儀表控制系統(tǒng)采用了現(xiàn)場總線設(shè)備、中國神華勝利發(fā)電廠2×660MW機組和國電肇慶電廠2×330MW機組，有超過60%的儀表控制系統(tǒng)采用了現(xiàn)場總線設(shè)備。儀控系統(tǒng)中DCS系統(tǒng)采用現(xiàn)場總線技術(shù)，通過將智能儀表、執(zhí)行機構(gòu)、高低壓智能保護(hù)裝置及電磁閥等接入主 DCS，同時現(xiàn)場設(shè)備的管理信息、設(shè)備維修信息等通過現(xiàn)場總線進(jìn)入DCS和上層SIS/MIS軟件，從而實現(xiàn)了機組的優(yōu)化操作及優(yōu)化維修管理。基于數(shù)字化電廠技術(shù)的儀控系統(tǒng)，憑借其強大的現(xiàn)場總線支持功能和日益豐富的現(xiàn)場儀表及設(shè)備，將傳統(tǒng)DCS 信息采集、診斷監(jiān)控范圍大大擴展，從而可以有效獲取現(xiàn)場設(shè)備的設(shè)備管理和設(shè)備維修信息，為智能電廠的建設(shè)提供了有利條件。

為降低機組能耗，國內(nèi)外公司基于數(shù)字化電廠的基礎(chǔ)平臺推出了自己的優(yōu)化產(chǎn)品，如西門子公司推出的優(yōu)化軟件PROFI，美國ULTRAMAX公司開發(fā)的鍋爐燃燒控制與過程優(yōu)化軟件ULTRAMAX， Pegasus公司的燃燒優(yōu)化軟件NeuSIGHT及艾默生公司的Smart Process，國內(nèi)東南大學(xué)的協(xié)調(diào)和汽溫優(yōu)化平臺INFIT，清華大學(xué)的燃燒優(yōu)化軟件OCP3等。但由于目前國內(nèi)火電機組運行中普遍存在煤質(zhì)多變，負(fù)荷多變、氣候多變和煤價多變（以下簡稱“四變”）問題，國外的軟件往往不能適應(yīng)工況變化，應(yīng)用效果并不理想。如何有效解決“四變”條件下機組的優(yōu)化和控制問題，降低機組能耗，滿足環(huán)保部門超凈排放約束性要求，是目前亟待解決的問題。

本文論述了工業(yè)4.0框架下的智能電站控制技術(shù)，給出了智能電站的定義、特征和層次結(jié)構(gòu)，對智能電站技術(shù)的內(nèi)容及應(yīng)用情況進(jìn)行了分析和論述。隨著智能控制、現(xiàn)場總線技術(shù)和計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，智能電站技術(shù)應(yīng)用前景十分廣闊。

2 基于工業(yè)4.0的智能電站架構(gòu)分析

2.1 工業(yè)4.0技術(shù)

為了在新一輪工業(yè)革命中占領(lǐng)先機，在德國工程院、弗勞恩霍夫協(xié)會、西門子公司等德國學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)的建議推動下，“工業(yè)4.0” 項目在2013年4月的漢諾威工業(yè)博覽會上被正式推出。這一研究項目是德國政府《高技術(shù)戰(zhàn)略2020》確定的十大未來項目之一，旨在支持工業(yè)領(lǐng)域新一代革命性技術(shù)的研發(fā)與創(chuàng)新，它描繪了制造業(yè)的未來愿景，提出繼蒸汽機的應(yīng)用、規(guī)模化生產(chǎn)和電子信息技術(shù)等三次工業(yè)革命后，人類將迎來以物理信息融合系統(tǒng)(CPS)為基礎(chǔ)，以生產(chǎn)高度數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、機器自組織為標(biāo)志的第四次工業(yè)革命?！肮I(yè)4.0”項目主要分為三大主題：

一是“智能工廠”，重點研究智能化生產(chǎn)系統(tǒng)及過程，以及網(wǎng)絡(luò)化分布式生產(chǎn)設(shè)施的實現(xiàn)；

二是“智能生產(chǎn)”，主要涉及整個企業(yè)的生產(chǎn)物流管理、人機互動以及3D技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)過程中的應(yīng)用等。該計劃將特別注重吸引中小企業(yè)參與，力圖使中小企業(yè)成為新一代智能化生產(chǎn)技術(shù)的使用者和受益者，同時也成為先進(jìn)工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的創(chuàng)造者和供應(yīng)者；

三是“智能物流”，主要通過互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、物流網(wǎng)，整合物流資源，充分發(fā)揮現(xiàn)有物流資源供應(yīng)方的效率，而需求方則能夠快速獲得服務(wù)匹配，得到物流支持。

2015年5月，國務(wù)院發(fā)布了《中國制造2025》，是我國實施制造強國戰(zhàn)略第一個十年的行動綱領(lǐng)，規(guī)劃提出了中國制造強國建設(shè)三個十年的“三步走”戰(zhàn)略，其是“工業(yè)4.0”符合中國實際的增強版規(guī)劃。

2.2 基于工業(yè)4.0的智能電站控制技術(shù)

2.2.1 智能電站基本概念

智能電站(Smart Power Plant, SPP)或稱為智能電廠，是指以物理信息系統(tǒng)（CPS）為基礎(chǔ)，將智能控制技術(shù)、現(xiàn)場總線控制技術(shù)、現(xiàn)代先進(jìn)傳感測量技術(shù)、信息技術(shù)高度集成而形成的，具有智能化、信息化、一體化、經(jīng)濟、環(huán)保特征的新型電廠，如圖1所示。智能化不完全等同于數(shù)字化，數(shù)字化是電廠智能化的一部分，是智能化的基礎(chǔ)，而智能化是數(shù)字化的進(jìn)一步發(fā)展和提升。

圖1 智能電站的基本概念

2.2.2 智能電站的特征

（1）智能化

火電廠自動控制大多采用傳統(tǒng)控制方式，對于那些非線性、時變性和具有大純滯后的多入多出（multiple input-multiple output，MIMO）熱工對象(如汽溫和燃燒等系統(tǒng))，存在著很大的局限性。多年來，人們一直在尋求新的方法來解決這些由傳統(tǒng)控制理論所無法徹底解決的難題，而智能控制技術(shù)的發(fā)展為問題的解決提供了有利條件。

智能電站發(fā)展的重要標(biāo)志就是將智能控制理論如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專家控制系統(tǒng)、遺傳算法等智能控制方法廣泛應(yīng)用于火電廠自動控制，主動超前適應(yīng)電網(wǎng)對負(fù)荷控制的要求；同時通過對機組的高精度控制，使機組能夠運行在參數(shù)邊界條件附近，從而達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

（2）系統(tǒng)性

智能電站應(yīng)具有系統(tǒng)性的特征，即將發(fā)電機組、電廠及電網(wǎng)作為整體進(jìn)行考慮和分析。從火力發(fā)電廠自動化現(xiàn)狀看出，現(xiàn)有的控制系統(tǒng)和電廠信息系統(tǒng)不能滿足今后管理和控制的需要，必須全廠和全網(wǎng)統(tǒng)籌考慮，以實現(xiàn)智能電廠為目的，構(gòu)建新型一體化信息控制平臺，實現(xiàn)電廠電氣、熱力系統(tǒng)及和電網(wǎng)的信息共享和數(shù)據(jù)流的雙向溝通。

火力發(fā)電廠一體化控制的實現(xiàn)，將從根本上解決現(xiàn)在獨立控制島的弊端，實現(xiàn)全廠、全網(wǎng)統(tǒng)一和協(xié)調(diào)控制，為智能電站建設(shè)奠定基礎(chǔ)，將對電廠提高生產(chǎn)管理水平和降低運營費用提供統(tǒng)一的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和電網(wǎng)運行的安全穩(wěn)定性。全廠和全網(wǎng)控制一體化后，所有數(shù)據(jù)從一處取得，不重復(fù)取數(shù)，保證了數(shù)據(jù)的唯一性，也減少了重復(fù)數(shù)據(jù)的傳輸。由于控制系統(tǒng)信息在網(wǎng)上有序傳輸，可以根據(jù)生產(chǎn)和管理要求，實現(xiàn)電廠內(nèi)部及和電網(wǎng)的數(shù)據(jù)共享。一體化控制可以更方便地收集設(shè)備信息，為設(shè)備的狀態(tài)檢修和故障診斷提供基礎(chǔ)，從而提高設(shè)備可知和可控性，持續(xù)提高火力發(fā)電廠可靠性。

（3）信息化

智能電站應(yīng)具有信息化的特征?；痣姀S信息化包含2層含義，即火電廠生產(chǎn)過程監(jiān)控和企業(yè)管理需要的所有必要信息均應(yīng)無重復(fù)地得以采集和通過數(shù)字網(wǎng)絡(luò)共享，信息的采集、處理和反饋應(yīng)最大限度自動化，減少繁重的人工信息采集、處理和反饋的工作量；同時，采集和存儲的海量信息必須經(jīng)過智能化數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，使信息濃縮并進(jìn)行統(tǒng)計分析，為電廠管理提供決策支持。

火電廠數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化是火電廠智能化和信息化的基礎(chǔ)，電廠數(shù)字化是個手段，目的是為了信息化，而且信息化總是同數(shù)字化同步進(jìn)行的?；痣姀S數(shù)字化的廣度和深度直接影響火電廠的智能化和信息化水平。

（4）經(jīng)濟性

智能電站應(yīng)具有運行經(jīng)濟性、環(huán)保電廠的特征，可以實現(xiàn)電廠的節(jié)能減排。在電力企業(yè)，無論是其生產(chǎn)效率的提高還是節(jié)能減排目標(biāo)的實現(xiàn)，都和電廠的信息化和自動化水平密切相關(guān)，所有的設(shè)備控制都離不開自動化。智能控制技術(shù)和現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展及在電廠的應(yīng)用實現(xiàn)了過程控制中的實時監(jiān)測、控制和優(yōu)化運行，提高了機組運行效率。

實時/歷史數(shù)據(jù)庫能實時采集并存儲電廠DCS、其他專用控制系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)等的實時和歷史數(shù)據(jù)，建立全廠信息共享數(shù)據(jù)平臺，并基于數(shù)據(jù)庫平臺實現(xiàn)全廠生產(chǎn)過程的實時監(jiān)測、經(jīng)濟指標(biāo)計算與分析等高級應(yīng)用功能，可以為電廠經(jīng)濟運行和節(jié)能降耗提供分析與安全性評估服務(wù)，使電廠在低碳經(jīng)濟發(fā)展中發(fā)揮更大的作用。

2.3 基于工業(yè)4.0的智能電站結(jié)構(gòu)

工業(yè)4.0框架下的智能電站結(jié)構(gòu)如圖2和圖3所示，基于物理信息系統(tǒng)的智能電站通過物聯(lián)網(wǎng)和服務(wù)互聯(lián)網(wǎng)與上下游相聯(lián)，并已經(jīng)成為物聯(lián)網(wǎng)和服務(wù)網(wǎng)的一部分。

圖2 智能電站和上下游系統(tǒng)之間的關(guān)系

圖3 基于工業(yè)4.0技術(shù)的智能電站結(jié)構(gòu)

圖4 智能電站的層次結(jié)構(gòu)

在現(xiàn)代化電廠中，在滿足調(diào)度負(fù)荷要求的前提下，利用工業(yè)4.0技術(shù)和先進(jìn)控制及優(yōu)化技術(shù)降低機組煤耗、減少污染物排放，對建設(shè)可持續(xù)發(fā)展社會具有重要意義。智能電站分為現(xiàn)場設(shè)備層、實時控制層、系統(tǒng)優(yōu)化層/生產(chǎn)管理層、電網(wǎng)/集團(tuán)管理層四層，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

（1）現(xiàn)場設(shè)備層

采用FCS數(shù)字化儀表或裝置，直接采集發(fā)電主輔設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)和工藝系統(tǒng)上的數(shù)據(jù)，在生產(chǎn)設(shè)備層直接數(shù)字化，并且采用先進(jìn)的煤質(zhì)測量技術(shù)、爐膛溫度測量技術(shù)、煙氣成分及飛灰含碳量測量技術(shù)進(jìn)行相關(guān)指標(biāo)的精確測量，為實時控制層先進(jìn)控制及優(yōu)化策略的實施奠定基礎(chǔ)。

（2）實時控制層

該層是指生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)采集和直接控制，包括單元機組DCS、DEH、SCADA、輔機、水處理、輸煤、除灰(渣、塵)等輔助設(shè)備的控制系統(tǒng)。目前技術(shù)的發(fā)展方向是以現(xiàn)場總線為代表的先進(jìn)智能控制系統(tǒng)以及DCS系統(tǒng)機、爐、電的一體化。該層屬于生產(chǎn)范疇，直接與生產(chǎn)設(shè)備關(guān)聯(lián)，主要提供設(shè)備的運行實時信息，屬于生產(chǎn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)提供層，是其他三層的基礎(chǔ)。在該層中，通過各種智能控制算法的應(yīng)用，實現(xiàn)主動超前適應(yīng)電網(wǎng)對負(fù)荷控制的要求，并且通過提高控制精度，使機組參數(shù)運行在臨界點附近，從而提高機組效率，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

（3）系統(tǒng)優(yōu)化/生產(chǎn)管理層

系統(tǒng)優(yōu)化層基于廠級監(jiān)控系統(tǒng)(SIS)和煤質(zhì)在線監(jiān)測、智能化煤場、優(yōu)化燃燒、故障診斷等各種機組性能優(yōu)化的高級應(yīng)用軟件，完成廠級生產(chǎn)過程的監(jiān)控，結(jié)合管理層的信息，對控制系統(tǒng)和機組性能進(jìn)行整體優(yōu)化和分析，為過程控制層提供操作指導(dǎo)，該層是管理和控制之間聯(lián)系的橋梁。該層對實時控制層提供的生產(chǎn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行實時采集，然后對采集到的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)進(jìn)行智能統(tǒng)計分析統(tǒng)計、顯示和保存，結(jié)合生產(chǎn)管理層和決策層所下達(dá)的控制信息，反饋到實時控制層，控制生產(chǎn)，同時為生產(chǎn)管理層和決策層提供所需的分析、統(tǒng)計信息。

該層還體現(xiàn)為電廠資源計劃系統(tǒng)（ERP），以安全、經(jīng)濟運行管理為重點，以設(shè)備檢修為基礎(chǔ)，以完成發(fā)電量為目標(biāo)，以企業(yè)資產(chǎn)管理為主線（包括實時數(shù)據(jù)、技術(shù)監(jiān)督、設(shè)備可靠性管理、質(zhì)量、環(huán)境、安全職業(yè)衛(wèi)生三標(biāo)一體化等）來優(yōu)化電廠的機組性能指標(biāo)，整合生產(chǎn)計劃和策略，為協(xié)調(diào)發(fā)電企業(yè)的高效運轉(zhuǎn)提供信息，實現(xiàn)全廠的安全、高效、經(jīng)濟運行，優(yōu)化電廠的生產(chǎn)計劃和策略，協(xié)調(diào)各個部門的運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)全廠的安全、高效、經(jīng)濟運行。該層從經(jīng)營決策層獲取經(jīng)營指標(biāo)信息來制定相關(guān)的生產(chǎn)計劃，并加以實施， 同時為系統(tǒng)優(yōu)化層提供控制指導(dǎo)信息，該層是智能化電廠管理的基石。

（4）電網(wǎng)/集團(tuán)管理層

智能電廠為一體化結(jié)構(gòu)，電網(wǎng)/集團(tuán)管理層是智能電站四層結(jié)構(gòu)的最上層，該層主要體現(xiàn)為監(jiān)視、考核和管理。該層以綜合計劃管理為主線、以監(jiān)視和考核為核心，從而滿足集團(tuán)級及電網(wǎng)、電監(jiān)會等機構(gòu)管理和調(diào)度要求，確保電廠的運營規(guī)范化、科學(xué)化和效益最大化；通過提供競爭上網(wǎng)電價報價和輔助決策功能，利用先進(jìn)的數(shù)據(jù)倉庫和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)能自動地進(jìn)行挖掘分析工作，剖析任意層面數(shù)據(jù)的內(nèi)在聯(lián)系，最終確定發(fā)電企業(yè)在電力市場競爭中的發(fā)展趨勢和規(guī)律，實現(xiàn)對實時生產(chǎn)成本的核算，是智能電廠的決策樞紐。

3 智能電站控制新技術(shù)

3.1 先進(jìn)測量技術(shù)

3.1.1 煤質(zhì)在線測量技術(shù)

（1）脈沖中子源煤質(zhì)在線分析技術(shù)

同位素中子源分為兩種，一種是放射性同位素產(chǎn)生的α粒子或γ光子轟擊靶核產(chǎn)生中子，另一種是重元素核自發(fā)裂變產(chǎn)生中子。用同位素中子源放出的中子轟擊燃煤，中子在經(jīng)過碰撞慢化后變成熱中子，被燃煤中的原子俘獲，該原子因為俘獲一個熱中子而變?yōu)樘幱诩ぐl(fā)態(tài)的復(fù)核，然后復(fù)核放出一個或幾個γ光子，釋放激發(fā)能而回到基態(tài)，這就是(n,γ)俘獲反應(yīng)。不同元素的原子俘獲中子產(chǎn)生的γ射線的能量不同，每種元素都有自己固定能量的γ射線，稱為該種元素的特征γ射線。特征γ射線的強度攜帶了相對應(yīng)的元素的量的信息，強度越高，元素的量越大。只要分析不同能量的γ射線的強度，就可以實現(xiàn)對燃煤中除C、O以外的H、N、S、Al、Si、Fe、Ca、Ti等元素含量的在線檢測，從而實現(xiàn)灰分、揮發(fā)分、熱值等工業(yè)指標(biāo)的在線測量。

（2）基于LIBS的煤質(zhì)在線分析技術(shù)

激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)（Laser-Induced Breakdown Spectroscopy，簡稱LIBS）是一種典型的原子發(fā)射光譜分析技術(shù)，利用脈沖激光燒蝕煤樣，使其局部電離，形成等離子體，其燒蝕物質(zhì)產(chǎn)生的等離子體在膨脹和冷卻過程中會發(fā)出特定頻率的光譜信息，包含了被測物質(zhì)組成成分的種類和含量信息。通過處理這些光譜信息，得到各檢測量的定量分析模型，從而實現(xiàn)相關(guān)組分的定性和定量分析，其基本原理如圖5所示。

圖5 LIBS基本原理

（3）同位素中子源煤質(zhì)分析技術(shù)

脈沖式的D-T中子源，也叫加速器中子源，產(chǎn)生中子的器件稱為中子發(fā)生器。它是利用加速器加速氚核粒子流，并讓其與氚核發(fā)生T(D,n)He反應(yīng)放出中子。用14MeV的中子轟擊燃煤，一部分中子在經(jīng)過碰撞慢化后變成熱中子，被燃煤中不同元素的原子俘獲，發(fā)生(n,γ)俘獲反應(yīng)，產(chǎn)生不同能量的特征γ射線，特征射線的強度攜帶了該元素的量的信息。另一部分中子由于能量大，仍然是快中子，可以直接與燃煤中的元素原子(如C、O)發(fā)生非彈性散射 (n，n''，γ)，產(chǎn)生一定能量的γ射線，這部分射線的強度也攜帶了元素含量的信息。用非彈性散射可以測量到俘獲反應(yīng)無法測量到的C、O元素的含量信息，因此將熱中子俘獲反應(yīng)和快中子非彈散射反應(yīng)結(jié)合起來，就能實現(xiàn)對煤質(zhì)全元素成分的分析。

3.1.2 爐膛溫度場測量技術(shù)

（1）CCD三維可視化技術(shù)

該方法的溫度測量基于Plank輻射定律，在煤粉燃燒火焰輻射的波長范圍400～750nm及溫度范圍3000K以下，Plank輻射定律可由Wien輻射定律取代：

式中，Eλ(T)為火焰輻射能，ε(λ，T)為輻射率，λ為波長，C1、C2為常數(shù)。如果在兩個波長λ1和λ2下同時測量到同一點發(fā)出的單色輻射能Eλ1(T)和Eλ2(T)，則根據(jù)兩者的比值即可計算出該點的溫度：

一個典型的彩色CCD（Charge Coupled Devices，電荷藕合器件）攝像機測溫系統(tǒng)中，火焰的圖像通過攝像機和圖像卡后，以數(shù)字的形式儲存在計算機內(nèi)。彩色CCD的任務(wù)是把入射光分解為波長分別為700nm、546.1nm、435.8nm的紅、綠、藍(lán)三基色，因而火焰圖像在計算機內(nèi)實際上是三色圖像，利用其中的兩個顏色的圖像，根據(jù)上述比色法測溫原理，就可以進(jìn)行溫度場計算[1]。

（2）超聲波測量技術(shù)

聲波在氣體混合物內(nèi)的傳播速度是絕對溫度的第一函數(shù)，在較小的程度上氣體組分也是其函數(shù)。在大多數(shù)應(yīng)用條件下，氣體的組分和它們的相對含量是已知的，而且在很小范圍內(nèi)變化，因此沿聲波從聲源到接受器路線上的平均溫度可以先測量聲波的“飛行時間”(即從聲源到聲接受器所需的時間)，然后根據(jù)已知的該兩點之間的距離，算出煙氣的溫度。

3.1.3 煙氣測量技術(shù)

（1）智能煙氣在線分析儀

火電廠煙氣排放是主要的大氣污染源，為此通常是在火電廠煙氣通道或者煙囪處安裝在線煙氣分析儀進(jìn)行排放測量，記錄煙氣排放污染物濃度及污染物總量，并通過與環(huán)保監(jiān)控網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸、存儲、分析和處理，作為火電廠煙氣排放污染物減排的依據(jù)。

不同的煙氣分析儀采用不同的測量原理，常用NOX煙氣在線測量的工作原理是利用化學(xué)發(fā)光法進(jìn)行測量。當(dāng)樣氣進(jìn)入分析儀器并通過1個被加熱的碳床時，其中的NO2被轉(zhuǎn)化為NO，而樣氣中原有的NO不會有任何改變。然后NO被來自儀器外的O2氧化成NO2,在氧化過程中約10%的NO2分子呈激發(fā)態(tài)并釋放出能量變成基態(tài)，該放出的能量被1 個光電倍增管捕集到，轉(zhuǎn)化為DC 信號，用數(shù)值輸出。SO2分析儀的工作原理是利用1個提供30Hz光的UV光源來分別照射進(jìn)入反應(yīng)池前后的樣氣，有4個檢測器用來檢測能量的改變, 其檢測結(jié)果可得出樣氣中SO2的濃度。

（2）基于信息融合的軟測量技術(shù)

在實際電廠應(yīng)用中很多傳感器（如飛灰含碳量和煙氣含氧量）測量誤差大，故障率高，校驗、維護(hù)困難，測量結(jié)果存在漂移，長期穩(wěn)定性差。如在現(xiàn)場應(yīng)用中，由于氧量計存在誤差，影響鍋爐風(fēng)煤配比準(zhǔn)確性，降低鍋爐效率。因此，在實際中往往采用氧量軟測量技術(shù)進(jìn)行實時控制和對氧量計測量結(jié)果進(jìn)行校正。通常采用燃燒機理分析以及統(tǒng)計分析方法，通過融合風(fēng)量、煤量、煤質(zhì)等的測量信息，采用多傳感器數(shù)據(jù)融合方法，并加以煤質(zhì)校正等處理，得到一個完整的氧量虛擬測量模型，從而提高系統(tǒng)的安全性和可靠性?；跀?shù)據(jù)融合的氧量虛擬測量模型的結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 基于多源數(shù)據(jù)融合的氧量虛擬測量模型

（3）基于LIBS的煙氣測量技術(shù)

激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)利用脈沖激光燒蝕煤樣，使其局部電離，形成等離子體，其燒蝕物質(zhì)產(chǎn)生的等離子體在膨脹和冷卻過程中會發(fā)出特定頻率的光譜信息，包含了被測物質(zhì)組成成分的種類和含量信息，其測量原理同基于LIBS的煤質(zhì)在線分析技術(shù)相似，在此不再贅述。

3.1.4 其他先進(jìn)測量技術(shù)

除上述先進(jìn)測量技術(shù)外，智能頭盔、流媒體技術(shù)、自動巡檢技術(shù)、3D重現(xiàn)技術(shù)都將在電廠有廣泛的應(yīng)用。通過智能頭盔可以將現(xiàn)場實時圖像和監(jiān)測數(shù)據(jù)接入物聯(lián)網(wǎng)，并在機組3D模型上重現(xiàn)；通過自動巡檢技術(shù)可以節(jié)省大量的人力成本，提高巡檢效率，如圖7所示。

圖7 智能電站的其他先進(jìn)測量技術(shù)

3.2 在線仿真及先進(jìn)控制技術(shù)

利用電廠在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過在線仿真技術(shù)可以實現(xiàn)基于實時運行數(shù)據(jù)的先進(jìn)控制策略仿真、歷史重現(xiàn)、故障分析及診斷、參數(shù)預(yù)報等。通過在線仿真平臺可以獲得機組某個歷史時刻的初始工況，為機組狀態(tài)分析提供起始點，實現(xiàn)控制過程的高精度重現(xiàn)，并與現(xiàn)有過程進(jìn)行比較，從而獲得最優(yōu)控制曲線，在線仿真的結(jié)構(gòu)原理如圖8所示。

圖8 在線仿真技術(shù)結(jié)構(gòu)原理圖

先進(jìn)過程控制是比常規(guī)控制的控制效果更好的控制策略的統(tǒng)稱，是提高過程控制質(zhì)量、解決復(fù)雜過程控制問題的理論和技術(shù)。它已經(jīng)成為目前過程控制應(yīng)用最成功的控制方法，先進(jìn)控制內(nèi)容豐富、涵蓋面廣, 包括預(yù)測控制、自適應(yīng)控制、魯棒控制、專家控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊控制等。傳統(tǒng)的自動控制是建立在精確的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上的，而先進(jìn)控制的研究對象的模型可以未知，模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)可以在很大的范圍內(nèi)變動，比如工業(yè)過程中某些干擾的無法預(yù)測，致使無法建立其模型，但先進(jìn)控制可以解決這類傳統(tǒng)控制無法解決的問題。

電廠機組的主要輸入變量是鍋爐給水、燃料量及風(fēng)量，主要輸出變量包括汽包水位（亞臨界機組）、中間點溫度（超（超）臨界機組）、主蒸汽溫度及壓力、煙氣氧量和機組負(fù)荷等。鑒于鍋爐本身的復(fù)雜性，對鍋爐實施控制時存在以下幾個難點：（1）系統(tǒng)存在嚴(yán)重耦合，例如燃料量的變化不僅影響蒸汽壓力和汽包水位，還會影響過熱蒸汽溫度和煙氣氧量等；（2）存在不確定時滯，如燃料量的變化對蒸汽溫度、壓力、汽包水位等的影響有不同的滯后，減溫水量的變化對過熱器出口蒸汽溫度的影響有較大的滯后，這些時滯的大小還隨著負(fù)荷狀況的改變而改變。結(jié)合鍋爐的多輸入多輸出動態(tài)特性，并兼顧輸入輸出的約束條件，利用先進(jìn)控制方法，將使控制系統(tǒng)的輸出波動變小，由此將設(shè)定點移至操作約束的邊界條件附近，從而實現(xiàn)鍋爐熱效率的增加及能耗物耗的減少，如圖9所示。

圖9 先進(jìn)控制技術(shù)的優(yōu)勢

3.3 在線優(yōu)化技術(shù)

（1）廠級優(yōu)化調(diào)度技術(shù)

全廠負(fù)荷優(yōu)化控制系統(tǒng)根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度的全廠負(fù)荷指令調(diào)節(jié)全廠負(fù)荷，使全廠的負(fù)荷及時滿足電網(wǎng)要求，保證機組運行在允許的負(fù)荷范圍內(nèi)和安全的工況下，合理地調(diào)配各臺機組的負(fù)荷調(diào)節(jié)任務(wù)，降低機組的負(fù)荷調(diào)節(jié)頻度，提高機組的穩(wěn)定性，延長主、輔機組設(shè)備的壽命。經(jīng)濟分配各臺機組的負(fù)荷，降低全廠的供電煤耗。它是建立在電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)(EMS)和發(fā)電機組控制系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，是現(xiàn)代電網(wǎng)控制的一種先進(jìn)技術(shù)手段和大型火力發(fā)電廠的一項重要功能，通常我們稱之為廠級AGC功能。全廠負(fù)荷優(yōu)化控制系統(tǒng)作為銜接電網(wǎng)負(fù)荷指令與機組負(fù)荷控制的中間樞紐系統(tǒng)，既能滿足電網(wǎng)安全、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟運行需要，又能提高發(fā)電廠高效、節(jié)能、協(xié)調(diào)運行水平，必將成為當(dāng)前乃至今后一段時間技術(shù)創(chuàng)新的一個新課題。廠級AGC負(fù)荷控制系統(tǒng)層次如圖10所示。

（2）燃燒在線優(yōu)化技術(shù)

電站鍋爐燃燒是個復(fù)雜的物理化學(xué)過程，原理示意圖如圖11所示，其涉及到燃燒學(xué)、流體力學(xué)、熱力學(xué)、傳熱傳質(zhì)學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域。鍋爐燃燒優(yōu)化以提高鍋爐燃燒安全性和經(jīng)濟性為目標(biāo)，隨著人工智能技術(shù)的進(jìn)一步引入和發(fā)展，鍋爐燃燒優(yōu)化進(jìn)入了新的快速發(fā)展時期。通過先進(jìn)建模、優(yōu)化和控制技術(shù)的應(yīng)用，提高鍋爐運行效率，降低NOx排放，是火電機組實現(xiàn)節(jié)能減排的有效手段。

圖10 廠級AGC負(fù)荷控制系統(tǒng)層次示意圖

圖11 鍋爐燃燒在線優(yōu)化原理示意圖

（3）數(shù)字化煤場技術(shù)

燃料通常在火力發(fā)電企業(yè)占70%以上的經(jīng)營成本，煤場的管理、分類堆放就顯得尤為重要，如何提高煤場空間的合理使用也成為提高煤場管理中的重要環(huán)節(jié)。采用現(xiàn)代計算機信息技術(shù)實施數(shù)字化煤場管理系統(tǒng)對煤場進(jìn)行數(shù)字化管理，可以解決以上提到的各種問題，得到清晰明確的煤場存煤情況信息，包括位置、煤質(zhì)、堆放時間、現(xiàn)存量等所有信息。為鍋爐配煤摻燒優(yōu)化提供良好的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息基礎(chǔ)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖12所示。

圖12 數(shù)字化煤場及配煤優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.4 海量數(shù)據(jù)挖掘與故障預(yù)警技術(shù)

通過遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，將各電廠海量實時運行數(shù)據(jù)傳送至集團(tuán)級數(shù)據(jù)監(jiān)控中心或電科院技術(shù)支持中心。利用數(shù)據(jù)挖掘(Data Mining)技術(shù)從大量數(shù)據(jù)中獲取有效的潛在有用信息，并可以對運行設(shè)備進(jìn)行早期故障預(yù)警與診斷。遠(yuǎn)程實時傳輸與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)如圖13所示。

圖13 遠(yuǎn)程實時傳輸與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

基于數(shù)據(jù)倉庫的智能統(tǒng)計分析及決策支持系統(tǒng)如圖14所示，通過決策分析工具對決策主題進(jìn)行分析、挖掘，從大量數(shù)據(jù)或選定樣本中尋找預(yù)測性信息、發(fā)現(xiàn)變量之間的關(guān)聯(lián)、共性和差異性，實現(xiàn)量本利正反預(yù)測、預(yù)算編制、庫存決策、銷售或庫存異動、財務(wù)狀況、供應(yīng)商、客戶、生產(chǎn)經(jīng)營狀況以及各種指標(biāo)的結(jié)構(gòu)、趨勢、相關(guān)性、離散度等分析，并建立預(yù)警機制。管理與分析人員可以利用復(fù)雜的查詢能力、數(shù)據(jù)對比、數(shù)據(jù)抽取和報表進(jìn)行探測式數(shù)據(jù)分析。用戶可以通過系統(tǒng)從多種角度對從原始數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)化出來的、能夠真正為用戶所理解的、并真實反映企業(yè)維度特性的信息迸行快速、一致、交互地存取。選擇相關(guān)數(shù)據(jù)后，通過切片、切塊、上鉆、下鉆、旋轉(zhuǎn)等操作，可以在不同的粒度上對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析嘗試，得到不同形式的知識和結(jié)果，從而獲得對數(shù)據(jù)的了解。決策者可以通過系統(tǒng)按一定的規(guī)則對數(shù)據(jù)庫中已有的數(shù)據(jù)進(jìn)行信息開采、挖掘和分析，從中識別和抽取隱含的模式和知識，并利用它們?yōu)闆Q策者提供決策依據(jù)。系統(tǒng)根據(jù)業(yè)務(wù)主題和數(shù)據(jù)模型，從紛繁復(fù)雜的海量數(shù)據(jù)中找出其規(guī)律，進(jìn)行關(guān)聯(lián)、聚類、分類、預(yù)測等方面的分析。

圖14 基于數(shù)據(jù)倉庫的智能數(shù)據(jù)挖掘和分析

4 智能電站發(fā)展展望

4.1 工業(yè)4.0框架下的智能電站實現(xiàn)

隨著工業(yè)4.0技術(shù)和智能控制、現(xiàn)場總線技術(shù)的不斷發(fā)展，智能電站的應(yīng)用前景非常廣闊，是未來電廠發(fā)展的方向和趨勢?；诠I(yè)4.0的智能電站從源頭開始進(jìn)行控制與管理，通過采用入場煤煤質(zhì)成分在線檢測裝置、優(yōu)化配煤系統(tǒng)以及煤場智能調(diào)度管理系統(tǒng)，將傳統(tǒng)的煤場轉(zhuǎn)變成數(shù)字化煤場、將被動供煤轉(zhuǎn)變成主動供煤、將以“設(shè)計煤種”為目標(biāo)的采購方式轉(zhuǎn)變成以“成本最低”為目標(biāo)的采購方式，實現(xiàn)燃料采購成本最小化。通過廠級優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)分配得到的機組優(yōu)化目標(biāo)值，通過燃燒優(yōu)化、APS全程優(yōu)化、滑壓優(yōu)化、冷端優(yōu)化等方法實現(xiàn)電廠的節(jié)能減排。智能電站具體實現(xiàn)方式如圖15所示。

圖15 智能電站具體實現(xiàn)方式

智能電站將信息技術(shù)貫穿于整體管理流程，可為管理者及時提供豐富的數(shù)據(jù)和統(tǒng)計分析結(jié)果，把握整個電廠生命周期，并能為企業(yè)的決策提供依據(jù)；智能電廠建設(shè)還可以推動企業(yè)在知識管理、企業(yè)經(jīng)營和電子商務(wù)等諸多方面的提高，提高企業(yè)的管理水平，從而提高企業(yè)的核心競爭力，推動企業(yè)的發(fā)展。在未來的智能電站，不僅有機組運行的集中監(jiān)測與控制，還包括性能監(jiān)測與在線優(yōu)化及在線仿真及故障預(yù)警單元。性能監(jiān)測與在線優(yōu)化單元實時對機組進(jìn)行在線閉環(huán)優(yōu)化，在線仿真與故障預(yù)警單元針對不同設(shè)備提供秒級及分鐘級的狀態(tài)預(yù)測及故障預(yù)警，確保機組的運行安全與經(jīng)濟性。智能電站運行及決策層次機構(gòu)如圖16所示。

4.2 智能電站控制技術(shù)應(yīng)用

（1）基于LIBS技術(shù)的煤質(zhì)在線分析系統(tǒng)應(yīng)用

廣東電科院在完成LIBS在煤質(zhì)特性分析可行性研究基礎(chǔ)上，開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的入爐煤煤質(zhì)實時監(jiān)測系統(tǒng)，獲得包括熱值、灰分、揮發(fā)分、水分、C、H和S等在內(nèi)的煤質(zhì)特性關(guān)鍵指標(biāo)。該實時監(jiān)測系統(tǒng)的煤質(zhì)分析結(jié)果可以直接反饋到鍋爐燃燒的運行控制中心，指導(dǎo)鍋爐燃燒優(yōu)化運行。目前該設(shè)備樣機已準(zhǔn)備在粵電惠來電廠2號機組進(jìn)行應(yīng)用和實施。煤質(zhì)在線分析系統(tǒng)實驗臺架和分析軟件如圖17所示。

圖16 智能電站運行及決策層次機構(gòu)

圖17 煤質(zhì)在線分析系統(tǒng)實驗臺架和分析軟件

（2）基于預(yù)測控制的鍋爐燃燒優(yōu)化

如前所述，電站鍋爐燃燒優(yōu)化對于降低機組煤耗、減少污染物排放具有重要意義。廣東電科院采用基于先進(jìn)控制的燃燒、協(xié)調(diào)和汽溫優(yōu)化思路和方法，利用模型預(yù)測控制實現(xiàn)對燃燒等復(fù)雜過程進(jìn)行優(yōu)化；采用基于火焰圖像和脈動頻率分析的方法對煤質(zhì)進(jìn)行在線辨識，并將辨識結(jié)果用于燃燒閉環(huán)優(yōu)化控制，研究成果在三水恒益電廠進(jìn)行了部分應(yīng)用和實施，取得了較好的效果。

圖18 煤質(zhì)在線辨識硬件平臺

圖19 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)閉環(huán)模型辨識

圖20 基于MPC的協(xié)調(diào)控制投運效果

（3）遠(yuǎn)程監(jiān)測分析與故障預(yù)警

發(fā)電機組單機容量的日益增大，對大型發(fā)電機組的可用率、運行效率、安全性、可靠性與經(jīng)濟性提出了更高的要求。由于大型發(fā)電機組頻繁參與調(diào)峰，使得故障幾率增大，嚴(yán)重影響了發(fā)電設(shè)備的可用率和電網(wǎng)的穩(wěn)定性。廣東電科院建立了電源側(cè)遠(yuǎn)程監(jiān)測中心，并開發(fā)了高級應(yīng)用平臺，可以對接入的電廠實時數(shù)據(jù)進(jìn)行深入挖掘分析和故障預(yù)警及診斷，從而為電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行提供技術(shù)支持和保障。

圖21 遠(yuǎn)程監(jiān)測與診斷中心

圖22 狀態(tài)監(jiān)測與故障預(yù)警

5 結(jié)語

本文對工業(yè)4.0框架下的智能電站的發(fā)展現(xiàn)狀及將來的發(fā)展方向進(jìn)行了系統(tǒng)闡述，給出了智能電站的定義、特征和層次結(jié)構(gòu)，對智能電廠技術(shù)的內(nèi)容及應(yīng)用情況進(jìn)行了分析和論述，并對智能電站的發(fā)展進(jìn)行了展望。未來智能電站的特點是：（1）適應(yīng)性強。能夠快速適應(yīng)煤質(zhì)、負(fù)荷、環(huán)境、燃料價格的變化。（2）綠色環(huán)保。機組為低NOx，低SO2，低粉塵排放機組，能夠滿足國家超潔凈排放要求。（3）安全性高。機組能夠長期安全穩(wěn)定運行，滿足高可靠性要求。（4）經(jīng)濟性好。機組滿足低物流成本、低維護(hù)成本和低煤耗要求，具有良好的運行經(jīng)濟性。

[1] 曾庭華, 馬斌. 鍋爐爐膛溫度場測量技術(shù)[J]. 廣東電力, 1999, 12（1）：48 - 50.

[2] C特哈斯, J M 默赫麥. 電感耦合等離子體光譜分析[M]. 萬家亮, 唐詠秋,譯. 北京: 科學(xué)出版社, 1989．

[3] 陳新坤，魏振澄，楊增田等．原子發(fā)射光譜分析原理[M]．天津：天津科學(xué)技術(shù)出版社, 1991．

[4] 辛朝軍, 金星, 崔村燕等. 激光等離子體溫度測量方法設(shè)計[J]. 光學(xué)與光電技術(shù), 2009, 7 (6) : 69 - 72.

[5] 章素華. 構(gòu)建中國數(shù)字化電廠的思考[J]. 華電技術(shù), 2008, 30 (7) :32 - 36.

[6] 張麗香. 智能控制的發(fā)展前景及在電廠中的應(yīng)用[J]. 電力學(xué)報, 2002, 17 (4) : 247 - 250.

[7] 弓岱偉, 孫德敏, 郝衛(wèi)東, 胡志宏. 基于多模型切換階梯式廣義預(yù)測控制的電站鍋爐主汽溫控制[J]. 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報, 2007, 37 (12) : 1488 - 1493.

[8] 孫建平, 梅華, 楊振勇. 應(yīng)用模糊預(yù)測控制實現(xiàn)主汽溫控制[J]. 華北電力大學(xué)學(xué)報, 2003, 30 (2) : 49 - 53.

[9] 栗少萍, 郭放. 模糊神經(jīng)元反饋網(wǎng)絡(luò)在電廠串級汽溫控制中的應(yīng)用[J]. 電氣傳動和控制, 2006, 28 (2) : 11 - 13.

[10] 房方, 劉吉臻, 譚文. 火電單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的多變量IMC-PID設(shè)計[J]. 動力工程, 2004, 24 (3) : 360 - 365.

[11] 張曉輝. 鍋爐汽水子系統(tǒng)專家控制系統(tǒng)[J]. 計算機自動測量與控制, 2001, 9 (5) : 17 - 18.

[12] 袁吉也, 竇春霞. 鍋爐給水系統(tǒng)聚類自適應(yīng)模糊控制器的設(shè)計[J]. 電氣傳動, 2007, 37(4) : 44 - 47.

[13] 孫巧玲, 沈炯, 李益國. 基于遺傳算法的燃煤電站鍋爐整體燃燒優(yōu)化方法研究[J]. 熱能動力工程, 2004, 19 (1) : 85 - 88.

[14] 周吳, 茅建波, 池作和等. 燃煤鍋爐低氮氧化燃燒特性的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)報[J]. 環(huán)境科學(xué), 2002, 23 (3) : 18 - 22.

Control Technology of Smart Power Plant Based on Industry 4.0

Industry 4.0 is the fourth industrial revolution based on intelligent manufacturing. The strategy aims to take full advantage of information technology and physical information systems (Cyber-Physical System) to transfer the manufacture into intelligent. The Smart power plant (SPP) technology based on Industry 4.0 is discussed in this paper. Development situation and orientation of SPP is analyzed. The definition, characteristic and hierarchy of intelligent control are given. Application of intelligent power plant is analyzed. With the development of intelligent control, field bus and computer technology, the application prospect of SPP is bright and sunny.

Industry 4.0; Digitization; field bus; Smart power station; Intelligent control

陳世和（1965-），男，廣東陽春人，教授級高工，清華大學(xué)工學(xué)碩士，現(xiàn)任廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院熱工所所長，長期從事電廠生產(chǎn)過程自動化控制系統(tǒng)開發(fā)研究和技術(shù)管理工作。