火力发电厂的传统体系架构难以满足智能生产和智慧管理需求，智慧电厂已成为其新的发展方向。湖南大学电气与信息工程学院、湖南大学能源互联网智能信息分析与综合优化湖南省重点实验室、湖南大唐先一科技有限公司的研究人员肖祥武、王丰、王晓辉、周宏贵、张辽，在2020年第23期《电工技术学报》上撰文，基于工业互联网理念，利用仿生学原理和方法提出了智慧电厂仿生体系和DNA概念模型，对其迭代发展、系统交互的演进过程进行了分析，充分考虑人行为和社会因素对信息物理系统的影响，进一步分析了智慧电厂仿生人/社会-信息-物理系统的框架和构成，在此基础上利用仿细胞分层结构方法重点构建了智慧电厂工业互联网平台层级架构。
该文提出的体系架构和信息物理系统能较好地解决现有火力发电厂信息孤岛问题，促进人/社会-信息-物理三元的深度融合，为智慧电厂的智慧管理、智能发电、多市场决策等多智能体建设提供方法论和实施参考。
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随着工业互联网、工业4.0等新一轮工业革命的兴起，智慧电厂已成为我国发电企业转型升级，应对能源变革的新举措，其体系架构和智能系统建设成为当前亟待解决的问题。
现阶段，火力发电厂系统建设一般遵循控制层、监控层、信息管理层三层体系架构部署，在其上分别建设了分散控制系统（Distributed Control System, DCS）、厂级监控信息系统（Supervisory Information System, SIS）、管理信息系统（Management Information System, MIS）等系统，各层及系统之间缺乏数据交互性和统一性，使之形成各个数据孤岛，导致业务流程效率低，数据难以挖掘利用，智能系统难以搭建。
随着发电企业多类型市场竞争和能源个性化需求的加大，以及越来越多的智能设备和智能技术在发电厂得到应用，发电厂的传统体系架构难以适应智慧电厂的建设要求。
近年，我国对智慧电厂的研究和建设开展了许多有益探索，有学者从不同角度对智能发电、智慧电厂提出了不同的定义和体系架构，但其与工业互联网体系融合较少，智慧电厂作为工业互联网理念在发电侧的集中体现，有必要将工业互联网理念引入智慧电厂研究和建设中，增强各系统之间的协同性和扩展性，提高发电企业内外信息系统与物理系统的融合程度。
工业互联网和工业4.0作为高度互联的智能化工业生态系统，核心是利用信息物理融合系统（Cyber-Physical Systems, CPS）优化企业的智能生产管理，促进产业的集成发展与合作。CPS是以网络化为基础，通过计算、通信及控制技术（Computing、Communication、Control, 3C）深度融合，构建一个计算、网络和物理实体有机融合的复杂系统。通过CPS技术可以实现工业系统实时状态感知、动态仿真控制和信息服务，使该系统更加高效、可靠与协同运行。
2013年4月，德国政府在汉诺威工业博览会上正式明确提出了以信息物理融合系统为支撑的工业4.0战略。之后欧美等国家对工业互联网及CPS开展了大量研究和建设工作，在通过资源集聚、市场验证和应用创新后，欧美的工业互联网平台日渐成熟。而目前我国工业互联网建设处于探索阶段。
2017年，工业和信息化部、国家标准化管理委员会联合发布《信息物理系统白皮书（2017）》，明确了信息物理系统的定义和CPS工程建设路径。随着云计算、大数据、物联网和人工智能的发展，对系统多时空尺度异源信息的处理能力，以及开放性和共享性的要求加大,人类的知识经验和社会特性逐渐渗透进CPS，使CPS向着广义互联的人类群体以及社会化发展。
因此，国内外学者开始进一步拓展CPS内涵，周济等认为在传统的人和物理系统之间增加信息系统，使传统的工业系统具有学习和产生知识的能力，提出了以人-信息-物理系统（Human-Cyber-Physica Systems, HCPS）为基础，深度融合人工智能技术的中国新一代智能制造的发展体系。还有学者认为通过构建信息物理社会系统（Cyber-Physical-Social Systems, CPSS）延伸CPS，可以较好地实现信息空间、物理空间和社会空间的无缝结合。如王飞跃等以复杂系统理论和默顿定律为基础，将人及人类纳入系统之中，构建虚实互动、闭环反馈和自治的平行系统，提出了工业5.0信息-物理-社会融合平行体系。
在电力领域，相关学者结合电力特征和CPS技术提出了电力信息物理系统（Cyber-Physical Energy Systems, CPES），为电力智能化建设提供了新的理论和方法。目前，在CPES体系架构、系统建模仿真、安全可靠性、系统规划与运行调度等方面进行了初步探究，仍有许多问题和关键技术亟待解决。针对CPES体系架构研究，有学者设计了应用层、认知层、网络层、控制感知层和物理层五层的能源互联网CPS框架。薛禹胜等提出了智能电网的CPS技术体系框架，解决电力基础设施与网络系统的高效交互和无缝集成问题。
随着越来越具有开放和竞争特性的智慧能源和能源互联网的提出，以及“云大物移智”等先进技术的发展，使能源的生产和使用越来越具有人类–社会属性，基于此，有学者进一步考虑社会元素和能源系统间交互的影响，提出了智能电网和电力物联网融合的电力CPSS，以助于更好地解决电力经济、市场管制、博弈及攻击行为、需求侧等对系统发展、可靠性和优化运行的不确定及复杂度的影响。
程乐峰等基于群体及其知识自动化的理论方法构建了下一代能源电力系统的CPSS理想和工程试验框架体系，将人类调度员与能源市场的人类社会行为与信息物理系统融合为一个“大”闭环复杂系统。
综上所述，具有高度灵活、协调和控制能力的CPS/HCPS/CPSS非常适合智慧电厂建设，其研究和发展为我国智慧电厂的研究和建设提供了重要理论基础和借鉴意义。现有文献主要从发输配用等综合能源和能源互联网系统的信息物理系统进行体系架构分析，而目前针对发电侧CPS的研究和实践较少。
发电厂作为能源互联网供给侧重要的组成部分，智慧电厂建设应该纳入整个智慧能源和能源互联网生态体系中，而现有火电厂的物理系统和信息系统中，人类和社会对发电系统的感知、经验和决策不会直接反馈或难以作用于电力生产管理而形成闭环，从而无法较好地解决发电厂泛在感知与全面互联、全生命周期生产管理、基于数字孪生的性能优化与诊断控制、面向不同交易市场/环境/能源的运行优化和经营决策等问题。
近年来，形态仿生、功能仿生、结构仿生、信息与控制仿生等仿生学方法，在诸多领域具有显著的创新应用。仿生学通过研究生物的结构和功能原理等方法，模仿构建生物模型映射的数学模型，进而建造解决问题的智能实体模型。
基于此，本文利用仿生学将工业互联网CPS内涵引入智慧电厂进行研究分析，充分考虑人、社会行为与发电厂生产、管理、经营等各环节的耦合关系和相互影响，构建具有系统性、规范性和通用性的智慧电厂体系架构和智能模型，以便兼容和适应发电厂上、下游企业和集团工业互联网生态体系。
1 智慧电厂仿生体系
通过借鉴工业4.0参考架构（RAMI4.0）、工业互联网参考架构（AII）以及中国智能制造系统架构，对发电厂工艺流程、能源属性、社会特点等分析，考虑人的行为及社会与智慧电厂信息物理系统耦合关系，本文提出了智慧电厂工业互联网参考架构模型，如图1所示。
智慧电厂参考架构分为全生命周期、系统层级和业务特征三个维度。其中世界互联主要指能源/环境/经济/政策的融合，业务特征是根据系统融合难度和递进关系，从数据集成逐步实现源网荷储协同/多市场交易/辅助服务/综合能源服务等多元成熟新业态。
图1 智慧电厂工业互联网参考架构模型智慧电厂被认为是一个具有自我感知、自学习和自适应能力，更加安全、环保、高效和经济的发电厂。智慧电厂内涵与仿人类生物学特征和功能具有高度的相似性。利用仿生学的拟态和演化等方法对智慧电厂体系架构展开仿生特性分析，从体系结构仿生、功能仿生等角度构建具有一定意识形态的智慧电厂智能体。智慧电厂（Intelligent Power Plant, IPP）仿生体系模型为
式中，SA为体系架构，智慧电厂仿人体细胞结构以及五官、手臂、大脑等组织和器官；HC为仿人类能力，智慧电厂仿人的工作、学习及思考等能力；HA为仿人类属性，智慧电厂仿人的社会性和人类对生活环境适应性等属性；HF为仿人类特征，智慧电厂仿人类的一些行为特征、生活特征等；HB为仿人类行为，智慧电厂仿人类对外界刺激做出的条件反射、非条件反射等行为调节方式。
2 智慧电厂仿生概念模型及演化过程
目前，我国火力发电的智慧电厂研究处于探索期，尚未形成统一和标准的定义，通过仿生基因进化原理和工业全面质量管理理念对智慧电厂建设内涵展开更深层次的分析。从技术方式与业务属性维度对智慧电厂概念进行建模分析，智慧电厂可被理解为发电技术、管理技术与智能技术螺旋配对生长，动态进化的DNA双螺旋结构模型，如图2所示。
图2 智慧电厂DNA双螺旋演化模型基于式（1）建立统一仿生体系，智慧电厂的仿生概念模型（Bionic Conceptual Model of Intelligent Power Plant, BCMIPP）可表示为
式中，业务基（Business, BU）由安全（Safety, Saf）、运行（Operation, Ope）、设备（Equipment, Equ）、燃料（Fuel, Fue）、物资（Material, Mat）、经营（Management, Man）和办公（Office, Off）七种组成，智能技术基（Smart Technology, ST）主要由这些业务基相适应的技术基配对而成。
技术基主要包含智能感知、物联网、云计算、大数据、移动互联网、人工智能、智能控制等相互融合的技术。业务基和技术基分别对应DNA双螺旋结构模型的DNA分子链，通过业务基和技术基相互配对，实现智能技术在发电厂生产和管理过程中的高度渗透，从而提高两者的有机融合程度。
随着发电和企业管理技术以及相应的智能技术相互迭代发展，该模型螺旋向上生长，重组DNA，从现阶段的CPS向电厂内外拓展逐步演化为以人行为、情感及知识为主的HCPS，在此基础上进一步向企业内外世界交融进化成CPSS。
根据智慧电厂DNA概念模型及发电企业系统发展规律，智慧电厂大体将经历数字化电厂→智能化电厂→智慧化电厂三个阶段的演化过程，其区别、关系、系统表征和交互模式见表1。
表1 智慧电厂信息物理系统的演化1）数字化电厂（Digital Power Plant, DPP）主要是对电厂物理对象（如人、机器、燃料及物资、系统机理、环境等）和工作对象（规划设计、基建、运行维护等）的数字化采集、存储、处理、定量分析和决策，使电厂信息的占有和应用打破空间和时间的某些限制,使信息的应用效益达到最大化。此阶段主要将电厂生产控制的PLC嵌入式系统和信息系统融合为CPS。
2）智能化电厂（Smart Power Plant, SPP）是随着新一代网络通信技术和“云大物移智”的发展，以硬件为支撑的嵌入式CPS系统逐渐向网络嵌入式转变，使得人类行为、情感、知识等更容易融入CPS中HCPS，使人在系统场景的构建之中，具有自治性、反应性、主动性、进化性等智能体特征。目前我国大部分电厂处于DPP向SPP建设进程中。
3）智慧化电厂（Intelligent Power Plant, IPP），随着SPP建设中HCSP智能体的成熟，物理、信息和社会的实时化平行互动需求将加剧，催生出了CPSS多智能体（Multi-Agent System, MAS）建设需求，通过多智能体使各智能体互相通信，彼此规划、协调组织和决策。有效提高电厂优化预测决策等问题的鲁棒性和适应性能力，实现物理、人和社会等资源的一体化协调与融合。
3 智慧电厂CPS/HCPS/CPSS系统的构建
3.1 智慧电厂仿生CPS神经系统框架
CPS内涵高度符合智慧电厂的建设目标和要求，为智慧电厂体系架构、建模分析与控制、智慧管理等建设提供了方法和工具。
利用信息通信控制技术模拟生物体感觉器官、神经元、效应器以及中枢神经系统在智能活动中的信息采集、处理和控制过程，构建仿生CPS神经系统框架，如图3所示。CPS仿生神经系统由单个CPS系统（神经元）组成，通过采用统一的通信和接口标准，实现各个CPS子系统信息共享和协作。
CPS仿生神经系统的调节过程是根据需求使用不同的一次能源输入，利用量测装置（感受器）采集数据，所采集的数据信息通过有线、无线通信网络（传入神经）传输至信息数据平台（中枢神经系统），然后信息数据平台对这些数据进行分析计算后，将生成的决策及指令通过有线、无线通信网络（传出神经）传输至执行机构（效应器）。
根据用户个性化需求调整电、热、冷等多种能源生产的特定参数。电厂借助这一套“仿生神经系统”实现自我感知、自学习和自适应、行为决策能力。
图3 智慧电厂仿生CPS神经系统框架3.2 智慧电厂仿生HCPS/CPSS的构成
考虑发电厂个人行为及社会群体决策的影响，利用仿生神经学方法对电厂CPS系统向内外部扩展延伸至HCPS/CPSS。构建一个人/社会世界-物理世界-信息世界互联互通的智慧电厂生态体系。HCPS/CPSS可认为是CPS2.0/3.0，与CPS具有相似的特征和体系架构，但信息获取的广度和深度不同，下文以智慧电厂HCPS为例分析其构成。
智慧电厂HCPS系统根据不同业务及生产工艺流程可划分为若干特定的人-信息-物理子系统（Human-Cyber-Physical Sub-System, HCPS-S）。对单个HCPS-S系统内部进行人、物理及信息建模分析，根据模型物理量、信息量的输入与输出参数一一映射原则，对分裂的人-物理系统（Human-Physical System, HPS）、CPS系统以及人-信息系统（Human-Cyber System, HCS）模型进行完善，实现各子系统的优化。
随着智慧电厂DNA概念模型的不断进化，通过对人行为模型、信息模型和物理模型相互反馈循环，逐步实现发电厂“人-信息-物理”三元合一的深度融合。智慧电厂仿生HCPS/CPSS的构成如图4所示。
通过对发电生产工艺和经营管理分析，本文利用上述智慧电厂仿生体系，建立发电厂仿生HCPS/ CPSS的构成描述方程为
CPS横向可分解为部件级（Components）、设备级（Equipment）、系统级（System）、系统之系统（Systems of Systems, SoS）、机组级（Unit）、厂级（Plant）六个层级，后者依次为前者的累加，相互交叉，最终构成一个自由灵活配置并高度协同的多层级智慧电厂。
图4 智慧电厂仿生HCPS/CPSS的构成对CPS纵向分析，智慧电厂是CPS、HCPS、CPSS的并集，三种系统同时存在，相互交融。通过人-信息子系统（Human-Cyber Sub-System, HCS-S）将发电厂生产和管理人员的感知、机理分析与控制功能向信息系统映射复制迁移，使HCPS系统具有神经系统“认知、学习、分析、决策”能力；物理系统通过增加各种智能传感、检测和网络等物联网设施，形成电厂数字化物联网感知体系。
同时，信息物理子系统（Cyber-Physical Sub-System, CPS-S）将物理子系统和信息子系统在感知、分析、决策、控制及管理等方面深度融合，代替电厂人员大部分的体力和脑力活动，并且充分考虑社会影响，通过网络和平台将各子系统集成为更大的HPS、CPS以及HCS系统，进而进化至HCPS/CPSS。
3.3 智慧电厂CPS/HCPS/CPSS物理结构
为了实现智能电厂或智慧电厂CPS/HCPS/CPSS实时监控、混合建模分析、动态仿真和智能控制，构建了智慧电厂的物理结构如图5所示。将传统生产控制Ⅰ区和生产监控Ⅱ区合并为智能控制安全Ⅰ区。电厂物理系统的数字信号通过传感器和专用通信网络传输至智能控制Ⅰ区DCS存储服务器。
根据《电力二次系统安全防护规定》的要求，通过防火墙隔离将DCS存储服务器数据映射传输至智能控制Ⅰ区大数据平台中，通过数据库存储的人类知识及三维机理模型，进行优化、预测、诊断、决策建模和在线仿真，构建CPS/HCPS/CPSS数字孪生体。根据物理系统的实时信息和人类知识，不断自我学习提高仿真及数学模型精度，当达到预定精度后将仿真和模型计算结果，通过专线和防火墙镜像至DCS控制系统的高级应用控制器中，对物理系统实体进行嵌入式或分布式控制。
而在智慧管理安全Ⅱ区中构建大数据云平台，实时镜像智能控制Ⅰ区大数据平台数据，开发高级应用服务器功能实现“人机料法环”全身命周期管理。通过Ⅰ区和Ⅱ区相互映射和融合，在虚拟环境中构建一个物理系统、人/社会、信息系统深度融合的数字孪生发电厂。
图5 智慧电厂信息物理系统网络结构
