陳思全，左華京

(中國電力工程顧問集團華北電力設計院有限公司 發(fā)電工程事業(yè)部，北京 100120)

隨著通信技術、計算技術和傳感器技術的飛速發(fā)展,數(shù)字化電廠早已正式進入實施階段，但數(shù)字化電廠的概念及發(fā)展至今無章可循，在數(shù)字化電廠發(fā)展方興未艾之際，智能化電廠依附工業(yè)4.0等概念悄然進入公眾視野。

1 數(shù)字化電廠的發(fā)展現(xiàn)狀

2000年以來，數(shù)字化電廠的概念開始引入中國，國內陸續(xù)有研究機構發(fā)表了數(shù)字化電廠的研究報告。近幾年新建的電廠均部分應用了現(xiàn)場總線技術(如2012年新建的內蒙古康巴什熱電廠、2014年新建的神華神晥安慶電廠和重慶神華萬州電廠、2016年新建的大唐三門峽電廠)，現(xiàn)如今全廠現(xiàn)場總線也在各個項目中使用。作為數(shù)字化電廠的前提條件，現(xiàn)場總線的大量使用預示著國內在數(shù)字化電廠方面已經取得了長足的進步，但仍停留在數(shù)字化電廠的起步階段，即設備級信息的數(shù)字化(大數(shù)據(jù))。長此以往產生了非常多的信息孤島現(xiàn)象，大部分的電廠對電力系統(tǒng)的管理部分只使用過有限的幾次，投產后由于二次開發(fā)設備的不完善等原因空有一堆數(shù)據(jù)，無法有效利用，只有極少電廠真正實現(xiàn)部分管理等方面的數(shù)字化。由此可知，國內的數(shù)字化電廠的研究還僅僅停留于基礎階段，目前國內數(shù)字化電廠的建設中往往只體現(xiàn)了某一部分的數(shù)字化，數(shù)字化的理論研究存在著邊界模糊、無理可依、層次不清等現(xiàn)象，距離數(shù)字化電廠還有一定距離：某些人認為數(shù)字化電廠現(xiàn)場級設備全面應用了總線技術和智能儀表，又有人認為電廠的數(shù)字化設計加數(shù)字化移交便可稱之為數(shù)字化電廠，更有人認為數(shù)字化電廠就是廠級運行管理系統(tǒng)的數(shù)字化。因此，對于數(shù)字化電廠的建設至今還沒有統(tǒng)一的標準或技術規(guī)范，對其概念的理解更是千差萬別，導致南轅北轍的矛盾現(xiàn)象出現(xiàn)在了數(shù)字化電廠的建設中[1-2]。

真正意義上的數(shù)字化電廠是指在整個電廠的生命周期中，能夠實施完整的數(shù)字化設計、數(shù)字化采購、數(shù)字化工程建設以及數(shù)字化移交，同時現(xiàn)場級設備采用智能化、數(shù)字化的設備，保證電廠所有信息的數(shù)字化，能夠利用可靠的實時共享和信息交換技術上傳到智能控制軟件中，并對智能管理軟件的鏡像服務器進行數(shù)據(jù)共享，能夠進行各種智能控制優(yōu)化和智能決策支持，能為整個機組安全穩(wěn)定地運行提供科學指導。

經過長時間的經驗積累，雖然我國火力發(fā)電廠實現(xiàn)了不同程度的數(shù)字化，但數(shù)字化的程度與數(shù)字化的定義與當今世界發(fā)達國家的廣泛認知還存在相當大的差距，主要反映在以下幾個方面：

1)現(xiàn)場級設備的數(shù)字化和智能化程度不足

大量的現(xiàn)場級設備仍采用傳統(tǒng)硬接線形式的模擬信號或開關信號進行控制，數(shù)字化及智能化程度低，且施工周期長、維護成本高。

2)數(shù)據(jù)的利用不充分

隨著現(xiàn)場級設備上傳的數(shù)據(jù)陡增，網絡容量不足，造成了網絡堵塞，導致大量實時信息無法及時有效地上傳到監(jiān)控層和管理層，制約了二次開發(fā)軟件的應用。

3)數(shù)據(jù)挖掘的深度廣度不夠，信息孤島現(xiàn)象嚴重

大量的數(shù)據(jù)缺乏整合，導致數(shù)據(jù)極其分散，信息孤島情況嚴重，管理人員無法從中得到有價值的信息，更無法做出有效的決策。

建設真正意義上的數(shù)字化電廠，當前首要任務還是在現(xiàn)場設備層廣泛地采用數(shù)字化、智能化設備，積極穩(wěn)健的推行FCS技術。只有當設備層實時有效地上傳大量數(shù)字化信息到控制層、生產層、管理層和經營層時，才能使上層的二次開發(fā)軟件與各種決策分析系統(tǒng)得到更全面廣泛的應用。數(shù)字化電廠是智能化電廠的基礎，而智能化電廠則是數(shù)字化電廠的完善、豐富和發(fā)展。隨著先進的技術不斷與數(shù)字化電廠融合，數(shù)字化電廠勢必會朝著智能電廠方向轉型[3]。

2 智能電廠的展望

2.1 概述

在當前數(shù)字化電廠建設方興未艾之際，“智能化”的概念在工業(yè)領域逐漸興起。2016年以后，以中國自動化學會發(fā)電自動化專業(yè)委員會組織編制的《智能電廠技術發(fā)展綱要》為起點，隨著國家在互聯(lián)網+工業(yè)概念上的不斷重視,公布了“中國制造2025”國家戰(zhàn)略。具體到電力行業(yè)，我國正在積極推動的“能源互聯(lián)網”建設也促使作為整個能源生產消費環(huán)節(jié)起始地位的發(fā)電廠，不斷進行技術升級，以適應新的能源行業(yè)發(fā)展形勢。

從外因看,中國多煤，貧油，少氣,水電開發(fā)周期長，核電不穩(wěn)定，新能源概念化，火電依舊占比60%以上，承擔國內電力供應的重擔依舊落在傳統(tǒng)電廠，發(fā)展步入新常態(tài)，兩化要深度融合。電力企業(yè)迫切需要改變粗放型管理模式，推進制度、管理、科技創(chuàng)新，培育新成長優(yōu)勢，提升管控力度，降本增效，提高企業(yè)管理水平和核心競爭力。國家要求環(huán)境與經濟兩手都要抓，兩手都要硬。雙重壓力下，聚焦現(xiàn)有電廠升級改造，智慧電廠的興起既順應時代發(fā)展，又是傳統(tǒng)電力企業(yè)自我變革的必經之路。

從內因看，發(fā)電企業(yè)自身為了在愈趨激烈的市場競爭下占據(jù)有利位置，也亟待通過智能化建設打破電廠傳統(tǒng)的信息孤島壁壘，提高整個電廠的管理水平，通過智能優(yōu)化控制提升發(fā)電機組靈活性及運行效率，通過多種智能化手段提高電廠的監(jiān)控管理水平，最終實現(xiàn)企業(yè)整體經濟效益的提升。因此，從數(shù)字化電廠向智能化電廠的跨越式發(fā)展，是現(xiàn)代化電廠建設與發(fā)展的必然趨勢。

2.2 智能電廠的概念和定位

電廠發(fā)展智能化，首先應該明確智能電廠的定位?，F(xiàn)代智能電廠的建設，應該納入到整個能源互聯(lián)網體系之中，對于智能電廠的定位，應是立足于智能電網的整體架構。圖1為國際電工委員會IEC發(fā)布的智能電網與工業(yè)設施的系統(tǒng)接口圖，從圖中可以直觀的看出，在智能電網體系中，從發(fā)電廠一直到終端用戶整個輸配電過程中的所有節(jié)點之間，都是電力流和信息流雙向流通的，而在雙向信息流之中，承載了電力交易信息的業(yè)務流。因此，智能化電廠的建設，重點應是基于智能電網信息流、業(yè)務流的發(fā)展需要，讓智能電廠與智能電網更好地匹配適應、更貼切地交互融合，并且在未來電力市場交易中利用科學的智能化方法為自身爭取到更大的效益。

所謂智能電廠(Smart Power Plant，SPP)是指在廣泛采用現(xiàn)代數(shù)字信息處理和通信技術基礎上，集成智能的傳感與執(zhí)行、控制和管理等技術，達到更安全、高效、環(huán)保運行，與智能電網相互協(xié)調的發(fā)電廠，是在常規(guī)數(shù)字化電廠的基礎上，進一步實現(xiàn)物理信息的交互融合，即通過信息化、網絡化技術實現(xiàn)全廠范圍各控制系統(tǒng)、控制設備、檢測儀表傳感器、生產與安防監(jiān)控系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通，通過虛擬化技術實現(xiàn)電廠的三維虛擬可視化，并在上述兩方面底層技術基礎上，綜合運用大數(shù)據(jù)、智能優(yōu)化控制、智能決策支持等智能化技術手段，最終實現(xiàn)電廠全生命周期內的企業(yè)資產最優(yōu)分配、生產質量最優(yōu)控制、經濟效益與社會效益。概括起來，標準的智能電廠具有5大特點：始于感知、精于計算、巧于決策、勤于執(zhí)行、善于學習[4]。

圖1 智能電網與工業(yè)設施的系統(tǒng)接口

2.3 智能電廠的發(fā)展及趨勢

對于智能電廠的發(fā)展預測會經過以下3個階段：

第1階段：大量的新建及投運電廠在現(xiàn)場級設備中大量采用智能化的設備，在此階段各種智能化設備百家爭鳴，電廠的數(shù)字化信息量提升到新的高度。

在此基礎上建立廠級云計算中心。云數(shù)據(jù)中心是智能化電廠的支撐平臺，可靠高效的數(shù)據(jù)中心是確保電廠各業(yè)務系統(tǒng)正常運轉的核心基礎設施之一。云數(shù)據(jù)中心是智能化電廠的網絡控制中心、安全監(jiān)控中心、數(shù)據(jù)管理中心、應用服務中心。數(shù)據(jù)中心包括機房、網絡、支撐平臺、數(shù)據(jù)、應用等內容。

根據(jù)云數(shù)據(jù)中心提供的數(shù)據(jù)，建立大數(shù)據(jù)存儲與數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，通過對已有的數(shù)據(jù)(靜態(tài)數(shù)據(jù)、動態(tài)數(shù)據(jù)、結構化及非結構化數(shù)據(jù)等)進行分析，尋找各獨立的數(shù)據(jù)之間的相互關系，建立各類數(shù)據(jù)之間的評價體系，預測電廠設備、工藝系統(tǒng)、優(yōu)化方式的優(yōu)化趨勢和劣化趨勢，從而提出優(yōu)化建議或預測性報警[4]。

通過整合電廠管理信息系統(tǒng)各模塊功能形成一體化的智慧管理平臺，該平臺首先建立在底層數(shù)據(jù)中心基礎上，整合了常規(guī)電廠管理信息系統(tǒng)的生產運營常規(guī)管理、資產管理、人力和財務管理等，并進行豐富與擴充，增加了生產運營優(yōu)化管理系統(tǒng)、智能設備管理系統(tǒng)、在線仿真系統(tǒng)等智能管理模塊，最終向決策支持系統(tǒng)提供決策支持信息，從而提高電廠管理系統(tǒng)的智能化水平。平臺中的特色管理功能主要包括資產管理、故障預警與診斷分析以及決策支持系統(tǒng)等。

該階段以滿足電廠自身需求為目標，充分整合各類新型技術，將電廠打造為高效、環(huán)保、先進的智能電廠個體。

第2階段：經過第1階段的實踐，智能電廠作為一個個體存在，通過各種優(yōu)化模塊及先進的技術已經取得了長足的進步，人工智能深度學習軟件在不斷地模仿各類運行工況中總結經驗，修正、優(yōu)化、完善各類控制算法，降低了電廠的煤耗、廠用電率等一系列重要的經濟性指標。在這階段，電廠的運行模式得到了極大的增強，通過長時間的深度學習，電廠的人工智能控制已經逐步取代運行人員，常規(guī)運行操作人員已經縮減至有限的幾人。

此外，各大發(fā)電集團對于旗下的智能電廠的發(fā)展現(xiàn)狀有了統(tǒng)一的認識，并逐步建立完善智能電廠的管理制度，統(tǒng)一各智能電廠重要系統(tǒng)的軟硬件，并在集團內部建立更快、更強的云計算中心和大數(shù)據(jù)存儲分析系統(tǒng)，對各廠的工況進行深度模擬學習，比對各廠的運行情況，分析海量的數(shù)據(jù)來建立更優(yōu)化的算法和更精確的電廠數(shù)學模型，并將這些優(yōu)化信息不斷傳送到廠級管理決策系統(tǒng)，更好地為各廠服務，真正實現(xiàn)了由集團指揮廠的協(xié)調運行功能，為后續(xù)電廠作為能源互聯(lián)網的一個節(jié)點接入能源互聯(lián)網提供先決條件。

第3階段：經過前2個階段的發(fā)展和完善，電廠作為能源互聯(lián)網上的一個節(jié)點，應真正融入智能電網中，通過各集團公司統(tǒng)一門戶網站與智能電網更好地匹配適應，借助電力交易平臺實現(xiàn)競價上網，多元化的售電主體將向社會資本敞開電力配售市場窗口。市場競爭的加劇，將更加有益于完善電力市場秩序，更好地為用電客戶服務。在此階段后期，智能電廠通過人工智能深度學習軟件模擬了大量運行及檢修人員的多年從業(yè)經驗，發(fā)展出類似于人類思維的智慧，為實現(xiàn)智能電廠向智慧電廠的升級打下基礎。

3 結 語

以火力發(fā)電廠全生命周期管理為核心，在數(shù)字化電廠基礎上，結合先進的智能化技術構建的智能電廠，代表了當今火力發(fā)電廠管理和控制一體化發(fā)展的最高水平，也是面向未來的能源互聯(lián)網發(fā)展的必然趨勢。

智慧電廠發(fā)展的3個階段只是最基本的趨勢，智能電廠的發(fā)展不能一蹴而就、好高騖遠，應隨著科技水平的發(fā)展不斷進步。此外，還必須集合信息化管理工具、先進的算法、IT技術、機器人技術、物聯(lián)網和先進的管理理念，最終建設成環(huán)保、高效、經濟的智能電廠，實現(xiàn)中國電力行業(yè)發(fā)展的彎道超車。

[1] 郭 鵬,朱 赫,凌榮華,等.全壽期數(shù)字化電廠建設現(xiàn)狀及解決方案[J].節(jié)能技術,2016,34(1):73-76.

[2] 危元華,任曉東,李 智,等.數(shù)字化電廠的概念及方案研究[J].電力建設,2013，34(4):51-54.

[3] 葛志偉,劉戰(zhàn)禮,周保中,等.火力發(fā)電廠數(shù)字化發(fā)展現(xiàn)狀以及向智能化電廠轉型分析[J].發(fā)電與空調,2015，36(5):45-47.

[4] 劉 瑞.基于大數(shù)據(jù)系統(tǒng)的設備狀態(tài)預警的設計[J].儀器儀表用戶,2018,25(1):27-29.