作者：屠学伟，郑亚锋
摘要：本文从智慧电厂特点阐述开始，提出智慧电厂的整体设计架构及技术发展建议，通过一体化大数据管控平台，实现智慧设备及控制层、智慧设备管理及诊断层、智慧运维及管理层、智慧经营及决策层之间的融合，实现发电过程的智能控制、智能安全、智能管理。
关键词：智慧电厂；体系架构；智慧经营；智慧决策
1 前言
近年来，技术发展日新月异，技术更新、技术进步、新技术产生的速度不断加快。随着大数据、云计算、互联网、物联网等技术的出现与使用，集成化、智能化、智慧化已成为现代电力企业追求的运营目标。
2016年3月，国务院发布《关于推进互联网+智慧能源发展的指导意见》，意见指出要推进化石能源生产洁净高效智能化，其中要加快化石能源生产检测、管理和调度体系的网络化改造，建设市场导向的生产计划决策平台与智能化信息管理系统，为智慧电厂的建设提供了指导。
目前，国内各发电集团均对智慧电厂的建设进行了积极探索和尝试，但从智慧电厂的建设和应用情况来看，我国在智慧电厂领域中应用更多的侧重于信息集成展示以及智慧管理等层面，而在生产过程中智能化的应用很少，智慧管理与实时生产之间存在一定的脱节，偏离了智能生产的初衷，因此，本文从整体设计和规划的角度提出智慧电厂的体系架构，并着重阐述建设智慧电厂的关键技术。
2 智慧电厂特点
智慧电厂的特点是以物理电厂为基础，通过对各系统的科技含量和管理内涵等资源进行深入挖掘和全面梳理后，利用系统性理论和资源配置优化的理念，重新对所有资源应用价值的再认识、再整合，并融入现代先进管理体系、现代通信与信息技术、计算机网络技术、智能控制技术、发电行业技术等汇集应用而形成的新型电厂。
火力发电厂具有系统多样性、复杂性等特点，同时其对运行调节的操控性有着较高的要求，因此建设智慧电厂还需要解决一系列的问题。目前，有利因素是电厂自动化控制水平较高，已经形成较为完善的运行管理流程，结合已具备的先进电厂运行经验，为推进智慧电厂建设创造了条件。
鉴于火电厂的系统复杂性，结合运行实际，现提出智慧电厂如下建设模式：
（1）采用智能设备，搭建数字化、标准化网络信息平台；
（2）以功能需求为目标，完善监控数据采集；
（3）建立专家分析决策系统，实现智能自动调节运行，或提供智能优化运行方案；
（4）将智慧电厂的建设贯穿基建期、调试期及运行优化期，实现电厂全寿期智慧运行管理。
3 智慧电厂体系架构及技术发展建议
智慧电厂以一体化大数据管控平台为支撑，融合智慧设备及控制层、智慧设备管理及诊断层、智慧运维及管理层、智慧经营及决策层，在发电厂控制系统、厂级监控系统、管理信息系统、辅助监控系统等基础上，构建智慧发电运行控制与管理系统，实现发电过程的智能控制、智能安全、智能管理。其体系结构如图1所示。
图1 智慧电厂体系架构
3.1 智慧设备及控制层
设备及控制层在电厂传统运行设备层的基础上，嵌入高精度的机组重要参数测量技术，为智能控制层中的优化控制、在线经济性分析及诊断系统提供重要数据保证；其次，在智能设备层中实现现场总线设备及先进测量设备的接入，对生产现场进行全方位检测和感知；可以大幅度减少设备调校、维护工作量。
（1）主辅一体化控制系统
为适应智慧电厂全厂信号、管理内容数字化的要求，基于DCS实现主辅控一体化控制系统，利用网络技术实现准确可靠的数字化信息交换、跨平台的资源实时共享，实现全厂数据的完整性、一致性、可交换性、可互访性，消除信息孤岛，促进厂级优化控制功能的实现和智能管理水平的提高。
（2）现场总线技术及设备的应用
现场总线系统是连接智能现场设备和自动化系统的全数字、双向、多站的通信系统，主要解决工业现场的智能化仪器仪表、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些智能现场设备和控制系统之间的信息传递问题，并且能够通过相应设备管理、诊断软件对智能现场设备进行及时有效的设置和预警。
现场总线的应用是电厂智慧化的基础之一，为智慧化平台、设备管理系统、诊断系统提供大量数据支撑，为后期深入挖掘现场设备的智能化功能，提高电厂运营的安全性和测控设备信息化管理水平奠定基础。
（3）机组自启停控制系统（APS）
APS功能是发电机组最高级自动控制技术之一，具有高度的复杂性，是DCS中所有常规控制子系统的统领。APS的实施可显著增加机组控制系统的自动化水平，最大限度减少运行人员的操作强度和人员数量，实现减员增效。
（4）锅炉吹灰监测及智能吹灰系统
锅炉智能吹灰针对锅炉积灰和吹灰过程，在线计算和监测锅炉各个受热面积灰脏污程度，并预测未来积灰趋势，结合锅炉吹灰成本和积灰损失，综合考虑安全性和经济性，实现系统运行成本的最低。优化系统可减少水冷壁的磨损及水冷壁破损导致的非计划停运，减小水冷壁损坏概率，降低水冷壁更换和维护的费用，提高锅炉效率。
（5）锅炉岛关键部件参数场分布监测及智能调控系统
随着环保要求的不断提高，特别是NOx超低排放的实施，锅炉燃烧系统、脱硝系统的运行方式发生了很大的变化，由此导致锅炉汽温偏差大、水冷壁高温腐蚀、空预器堵塞等问题十分突出，因此监测锅炉岛中制粉系统煤粉浓度粒度、水冷壁近壁区烟气组分、脱硝装置出口NOx场分布、空预器冷端综合温度，对于防控上述问题的出现至关重要。
（6）先进控制算法的应用
由于燃煤电厂机组对象特性复杂且需不断适应外界工况的变化，传统DCS控制功能已不能满足多样化生产需求，因此在控制层需结合先进控制算法及智能控制策略等技术手段，包括预测控制、神经网络控制、模糊控制、PID自整定等先进控制算法，来满足对象多样化的需求。
将先进控制算法嵌入更具针对性、实用性的优化控制系统，形成具备自分析、自诊断、自管理、自趋优、自恢复、自学习、自提升的运行优化系统，助力企业经济运行，提高运行水平，最大程度降低运行成本，提升企业盈利能力。
3.2 智慧设备管理及诊断层
基于控制层的大量监测数据，设备管理及诊断层通过软、硬件平台及先进算法对设备/机组运行状态，设备效率、可用性、经济性进行分析，并通过分析诊断结果实现设备的状态检修。
（1）智能设备管理
针对电厂应用的HART/现场总线智能设备，通过管理系统完成现场总线与智能设备的参数信息查询和设定，构成现场设备综合管理系统信息库，达到设备的风险评估和智能预警，将被动的管理模式改变为可预测性的管理维护模式，对现场智能仪控设备进行智慧管理与维护，提升机组设备管理及诊断能力，降低维护成本。
（2）大型转机智能故障在线监测与诊断
系统能够设置、采集、自动分析处理机械设备的振动数据，并自动给出分析诊断结果，报告机械设备的运转状态，提供维护检修建议，协助设备管理工程师，做出科学的检修计划决策。监测对象可以包括汽轮发电机组、六大风机、小汽机、循泵、凝泵等大型转机设备。
3.3 智慧运维及管理层
运维及管理层通过一体化信息管理系统，汇集、融合全厂生产过程与管理的数据与信息，实现厂级能效对标与考核系统、运行管理系统、智能巡检、精密点检与设备远程管理、设备定期轮换管理、可视化设备润滑智能管理、可视化技术监督智能管理、可视化三维作业指导书及检修培训、缺陷管理、移动应用、远程诊断、三维虚拟电厂与安全管控、三维建档等管理系统，实现发电厂的闭环、自组织的精细化管理系统。
3.4 智慧经营及决策层
经营及决策层通过生产、运营系统提供的海量数据开展大数据应用及相关模块的开发，实现管理数据与生产数据之间的相互融合，提升整个集团公司精细化管理水平，主要包含：电厂辅助决策功能、仓储成本分析、智能供应链支持、绩效评价等功能。
同时采用网络化手段，搭建具有远程监视及诊断管理功能的集团公司级大数据分析及诊断平台。大数据平台充分利用已建厂的运行数据，建成大规模数据库，实现监视数据和故障诊断判据信息资源共享，实现远程数据分析与诊断。在大数据及诊断中心的专家人员，可实现集团级的资源统一调配和信息共享，进而提升整个集团的维护及诊断水平。
4 智慧电厂建设思路
智慧电厂的建设，是一个循序渐进的过程，总体建设建议采用顶层设计、分步实施原则，做好总体规划，涵盖设计、制造、基建、运营、退役五个过程，体现全生命周期管理特点。
根据智慧电厂功能层次规划及相关的建设标准，各发电厂应结合企业自身现状和特点，因地制宜、注重实效，积极稳妥地推进智慧电厂的建设，不断积累建设与运营经验，使成果应用水平不断提升。
5 结束语
智慧电厂是第四次工业革命大背景下发电技术的转型。目前智慧电厂的建设刚刚起步，各集团都在摸索阶段，上述方案是针对电站项目做的一个初步规划，希望能起到抛砖引玉的作用，各发电企业可根据自身建设情况，规划适当项目。
可以确定，随着能源革命的到来，电站智慧化建设将是一个明确的发展方向，是一个科技创新以及科技成果转化为生产力的过程。未来数年，电站智慧化建设将是主要投资方向，是适应国家绿色发展经济的战略需求，传统电厂智慧化改造将是必经之路。
参考文献：
[1] 中国自动化学会发电自动化专业委员会， 电力行业热工自动化技术委员会. 智能电厂技术发展纲要[M]， 中国电力出版社， 2016.
[2] 刘吉臻， 胡勇， 曾德良， 夏明， 崔青汝. 智能发电厂的架构及特征[J]. 中国电机工程学报， 2017， 22 ( 20 ) : 6460 - 6470.
[3] 国务院. 能源发展战略行动计划[Z].
[4] 国家能源局. 关于推进互联网+智慧能源发展的指导意见[Z].
[5] 国务院办公厅. 中国制造2025[Z].
[6] 刘吉臻. 智能发电：第四次工业革命的大趋势[N]. 中国能源报， 2016 - 07.
作者简介：
屠学伟（1983- ），男，硕士，现任国核电力规划设计研究院有限公司仪控工程师，主要从事火电机组、智慧能源仪控方面的设计研究工作。
郑亚锋（1980- ），男，硕士，现任国核电力规划设计研究院有限公司设计总工程师，主要从事火电机组、智慧能源的设计研究及管理工作。
摘自《自动化博览》2019年1月刊
