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【摘要】本文通過梳理國內(nèi)火電廠（燃煤、燃氣發(fā)電廠）近10年在信息化、數(shù)字化、智能化領域的探索實踐，分析了火電智能化的創(chuàng)新方向，首次描繪了火電智能化的體系架構(gòu)，并研究其典型應用。

關鍵詞：火電智能化；體系架構(gòu)；虛擬業(yè)務中心；典型應用

中國國際工程咨詢有限公司（簡稱中咨公司）參加了“十四五”電力發(fā)展規(guī)劃編制，集合國內(nèi)IT服務企業(yè)創(chuàng)新開展了火電智能化體系架構(gòu)和發(fā)展目標研究。本文通過深入分析發(fā)電智能化內(nèi)涵，提出智能火電廠的概念，通過理清智能化創(chuàng)新方向，首次描繪了火電智能化體系架構(gòu)，并進行了典型應用研究，旨在助力我國火電高質(zhì)量發(fā)展。

一、發(fā)電智能化是時代要求

大數(shù)據(jù)、人工智能正在全球范圍內(nèi)與傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)深度融合，“智能工廠”“智能生產(chǎn)”和“智能物流”等主題不斷涌現(xiàn)。我國政府十分重視工業(yè)智能化轉(zhuǎn)型。從2016年5月國務院發(fā)布《國務院關于深化制造業(yè)與互聯(lián)網(wǎng)融合發(fā)展的指導意見》，2017年10月黨的“十九大”提出推動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能和實體經(jīng)濟深度融合，2017年11月國務院發(fā)布《國務院關于深化“互聯(lián)網(wǎng)+先進制造業(yè)”發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的指導意見》，到2019年3月19日習近平總書記主持召開中央全面深化改革委員會第七次會議時發(fā)表“促進人工智能和實體經(jīng)濟深度融合，……構(gòu)建數(shù)據(jù)驅(qū)動、人機協(xié)同、跨界融合、共創(chuàng)分享的智能經(jīng)濟形態(tài)”重要講話，為我國傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展指明了方向。

發(fā)電行業(yè)包括水電、火電、風電、光伏等，其生產(chǎn)智能化較為復雜，僅火電智能化就牽涉燃料系統(tǒng)、三大主機、風機水泵等輔機、電氣系統(tǒng)、分散控制系統(tǒng)、化學制水系統(tǒng)、循環(huán)冷卻水系統(tǒng)、環(huán)保島、MIS和SIS等。我國火電領域在辦公信息化、生產(chǎn)數(shù)字化實踐基礎上，近些年開始了智能化探索，逐步認識到火電智能化不是單純在傳統(tǒng)火電廠內(nèi)采用一些智能裝置，而是應用大數(shù)據(jù)和人工智能等現(xiàn)代信息技術(shù)來全面提升火電廠的發(fā)電生產(chǎn)方式、業(yè)務管理模式和信息服務能力，是對物質(zhì)流、能量流、信息流的融合再造，但對滿足可測、可觀、可控和自愈要求的火電智能化體系架構(gòu)的認識還不十分清晰。

二、發(fā)電智能化內(nèi)涵和定義

國內(nèi)外對智能發(fā)電（或發(fā)電智能化）尚無明確定義和統(tǒng)一標準，在計算機技術(shù)應用中使用了自動化、信息化、數(shù)字化、智能化等各種名稱。

從宏觀的生產(chǎn)力發(fā)展與生產(chǎn)關系變革的視角看，電廠的智能化轉(zhuǎn)型是通過生產(chǎn)力提升、生產(chǎn)關系優(yōu)化、信息技術(shù)支撐三者的互聯(lián)、融合、創(chuàng)新，在運營模式、業(yè)務過程、生產(chǎn)過程、生產(chǎn)設備、IT支撐等五個層面實現(xiàn)傳統(tǒng)電廠向智能電廠的轉(zhuǎn)變。

從微觀視角看，通過建立清晰的支撐智能電廠所需的IT架構(gòu)體系與應用模式，運用設備、控制、管理等一系列智能化手段，實現(xiàn)電廠可靠感知能力、真實再現(xiàn)能力、即時響應能力、業(yè)務協(xié)同能力、管控決策能力的全面提升。

發(fā)電智能化的關鍵技術(shù)特征體現(xiàn)為自學習、自尋優(yōu)、自適應。具體講，就是大量應用自學習、自尋優(yōu)、自適應的智能化技術(shù)，自動根據(jù)發(fā)電廠內(nèi)設備、燃料、調(diào)度、市場等影響因素的變化，不斷優(yōu)化生產(chǎn)、經(jīng)營、管理，實現(xiàn)經(jīng)濟效益和社會效益的最大化，實現(xiàn)生產(chǎn)安全、職業(yè)危害，生態(tài)環(huán)保的最優(yōu)化運營。

智能發(fā)電廠定義：在現(xiàn)有生產(chǎn)管理基礎上，廣泛采用現(xiàn)代信息技術(shù)和通信技術(shù)，集成智能的傳感與執(zhí)行、控制和管理等技術(shù)，通過數(shù)據(jù)挖掘及價值分析，形成具有一定自主性的感知、學習、協(xié)調(diào)控制、分析決策能力，能動態(tài)地適應發(fā)電生產(chǎn)、電力調(diào)度和用電需求的變化，與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、社會資源和環(huán)境相互融合的新型電廠。

對于火電智能化來說，除了上述發(fā)電智能化內(nèi)涵外，還需要考慮調(diào)峰和保障電力供應安全等因素。本研究主要聚焦火電廠的發(fā)電設備、控制、管理和信息支撐等生產(chǎn)領域。

三、火電智能化創(chuàng)新方向

傳統(tǒng)的火電廠生產(chǎn)運營體系邏輯上由設備層、控制層、管理層構(gòu)成。設備層主要包括發(fā)電生產(chǎn)主輔設備，以及配套的測控設備；控制層主要包括各種控制、保護、調(diào)節(jié)系統(tǒng)；管理層則包括所有生產(chǎn)運營的業(yè)務與管理活動，涵蓋各類運維作業(yè)、各項專業(yè)管理、各種業(yè)務條線管控等所有業(yè)務管理過程，具體包括集控運行、設備運維與檢修、安全保障與監(jiān)管、經(jīng)營管理與運營管控等主要業(yè)務。

火電智能化發(fā)展方向體現(xiàn)在互聯(lián)、融合和創(chuàng)新三個方面。

互聯(lián)：重點是人機互聯(lián)、業(yè)務互聯(lián)、用戶互聯(lián)。人機互聯(lián)：實現(xiàn)人、設備、系統(tǒng)的互聯(lián)，通過“機”要素之間高效整合，實現(xiàn)“人機協(xié)調(diào)”的模式。業(yè)務互聯(lián)：打通業(yè)務藩籬，圍繞核心價值鏈，實現(xiàn)端到端的互聯(lián)，使核心業(yè)務圍繞價值鏈形成協(xié)同、聯(lián)動的智能有機體。用戶互聯(lián)：實現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部不同管理層級間的互聯(lián)，實現(xiàn)與用戶的互聯(lián)，實現(xiàn)與外部單位（政府、電網(wǎng)、兄弟單位、社會機構(gòu)）互聯(lián)[1]。

融合：重點是多業(yè)務管理融合、信息與自動化融合、新技術(shù)融合。各業(yè)務融合：實現(xiàn)企業(yè)業(yè)務管理的協(xié)同融合。推動安全、生產(chǎn)、營銷等生產(chǎn)經(jīng)營與人、財、物資源管理一體化融合，創(chuàng)新管理模式，提升核心能力，使企業(yè)業(yè)務管理協(xié)同融合、決策科學。與自動化融合：實現(xiàn)管理信息化與生產(chǎn)自動化的融合。在智能發(fā)電發(fā)展方式下，生產(chǎn)運行的前臺監(jiān)控、信息分析與企業(yè)調(diào)度、生產(chǎn)、營銷等業(yè)務管理更加緊密的聯(lián)系在一起，需要通過實時信息與管理信息的交互、更大范圍跨業(yè)務的流程整合和信息自動流轉(zhuǎn)，提高大生產(chǎn)的駕馭能力。與新技術(shù)融合：信息技術(shù)與通信技術(shù)本身的技術(shù)邊界已經(jīng)模糊，信息通信技術(shù)共同構(gòu)成信息化核心技術(shù)手段。為實現(xiàn)更加有力的信息技術(shù)支撐，將信息化核心技術(shù)與業(yè)務管理融合，推動管理高度一體化[2]。

創(chuàng)新：重點是技術(shù)應用創(chuàng)新、管理應用創(chuàng)新。技術(shù)應用創(chuàng)新：在智能裝備、智能控制、信息技術(shù)等方面引入新技術(shù)或關鍵技術(shù)，實現(xiàn)運行優(yōu)化、故障預警、智能巡檢、主動安全，通過技術(shù)創(chuàng)新應用，帶來降耗、安全、環(huán)保能力的提升。管理應用創(chuàng)新：支持企業(yè)資產(chǎn)全生命周期管理、能量全過程管理、資源集約化管理等管理理念。在企業(yè)資源方面，實現(xiàn)集約與共享；在業(yè)務協(xié)同方面，實現(xiàn)業(yè)務之間的互通、融合；在企業(yè)運營方面，實現(xiàn)企業(yè)級的管控和決策[3]。

四、火電智能化體系架構(gòu)內(nèi)容

火電智能化體系建設，由信息化支撐和貫通，通過設備層智能化、控制層智能化、管理層智能化，最終實現(xiàn)火力發(fā)電的生產(chǎn)運營由傳統(tǒng)體系向智能體系的轉(zhuǎn)變[4]。因此，火電智能化的體系架構(gòu)，對應于傳統(tǒng)的三層體系架構(gòu)，就是由設備層、控制層和管理層的智能化組成，由信息化支撐的智能化生產(chǎn)運營體系[5]。

圖1 火電生產(chǎn)運營傳統(tǒng)體系向智能化體系轉(zhuǎn)變

在從傳統(tǒng)體系向智能化體系的轉(zhuǎn)變中（見圖1），火電智能化是一個不斷發(fā)展進步的過程，需要不斷融合人工智能技術(shù)，構(gòu)建出一整套從數(shù)據(jù)匯聚、計算建模、分析決策到最后執(zhí)行的開發(fā)應用標準和不同范式，將眾多智能應用與生產(chǎn)控制融為體，逐步走向智能發(fā)電高級階段。

由于傳統(tǒng)火電廠廣泛采用的DCS系統(tǒng)已發(fā)展成熟，其設計思想、組態(tài)配置、功能匹配等十分完善，已滲透到火電廠控制系統(tǒng)的各個領域，加之現(xiàn)場總線技術(shù)（FCS）的應用，可以直接實現(xiàn)電廠“爐-機-電-輔-仿”一體化網(wǎng)絡控制[6]。因此，依托柔性的一體化信息支撐平臺構(gòu)建系列管控一體化的智能應用，以貫通業(yè)務、共享數(shù)據(jù)、按崗所需、組合應用為目的，打造虛擬業(yè)務中心，是火電智能化架構(gòu)設計的主要方向。

數(shù)據(jù)來源：國家能源集團信息技術(shù)有限公司，《智能電站總體設計方案》

虛擬業(yè)務中心是圍繞火力發(fā)電的幾個主要核心價值鏈，按照“大控制、大生產(chǎn)、大安全、大經(jīng)營”的理念，將相關“數(shù)據(jù)-業(yè)務-系統(tǒng)”融合為業(yè)務運營平臺，形成“監(jiān)控、生產(chǎn)、安全、經(jīng)營”四個數(shù)字虛擬業(yè)務中心。每個虛擬業(yè)務中心彼此既相對獨立，又環(huán)環(huán)相扣，從而構(gòu)成以價值創(chuàng)造為目標的，體系完整、協(xié)同運作的業(yè)務應用體系。

1．監(jiān)控中心?；鹆Πl(fā)電的首要價值鏈就是實現(xiàn)一次能源向二次能源的轉(zhuǎn)換。發(fā)電企業(yè)作為以電、熱為核心產(chǎn)品的能源生產(chǎn)與供應商，貫穿了能量生產(chǎn)與轉(zhuǎn)化的全過程。監(jiān)控中心就是圍繞能量轉(zhuǎn)化價值鏈，以“大控制”的理念，以自動化控制為基礎，運用智能化控制技術(shù)進行優(yōu)化運行，以實現(xiàn)能量從燃料儲運、到生產(chǎn)轉(zhuǎn)換、至電熱（產(chǎn)品）傳輸?shù)雀鳝h(huán)節(jié)的最優(yōu)控制，確保實現(xiàn)整個能量轉(zhuǎn)化過程的靈活敏捷、節(jié)能低耗、低排環(huán)保等價值目標。

2．生產(chǎn)中心。火力發(fā)電的第二條價值鏈就是實現(xiàn)設備資產(chǎn)的高效運轉(zhuǎn)，最大限度的發(fā)揮出設備資產(chǎn)的效能與價值。發(fā)電企業(yè)作為“重資產(chǎn)”企業(yè)，強化生產(chǎn)環(huán)節(jié)的設備全壽命周期管理，深化狀態(tài)檢修，提高設備檢修效率和運行可靠性，是發(fā)揮資產(chǎn)價值，保障能源轉(zhuǎn)化生產(chǎn)的重中之重。生產(chǎn)中心就是圍繞設備資產(chǎn)價值鏈，以“大生產(chǎn)”的理念，統(tǒng)籌生產(chǎn)運行、設備運維等諸環(huán)節(jié)，實現(xiàn)運維一體化和檢修專業(yè)化，在確保實現(xiàn)發(fā)電生產(chǎn)運行的安全、高效、穩(wěn)定的前提下，最大限度達到設備的可靠性、使用效率、使用壽命和全生命周期成本的動態(tài)平衡，確保實現(xiàn)資產(chǎn)價值鏈的安全、可靠、高效等價值目標，實現(xiàn)資產(chǎn)效能和運營效益的綜合最優(yōu)。

3．安全中心?；鹆Πl(fā)電的第三條價值鏈就是確保發(fā)電生產(chǎn)與運營的過程安全。發(fā)電企業(yè)作為具有“高溫、高壓、高速、高?！钡壬a(chǎn)環(huán)境的企業(yè)，能否確保安全生產(chǎn)與運營，是決定其能否實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換與資產(chǎn)運維價值目標的前決條件。安全中心就是針對“為能量轉(zhuǎn)換與資產(chǎn)運維提供安全保障支持”這一核心任務，以“大安全”的理念，將傳統(tǒng)電站的以事件管理為核心的管理模式，升級為以危險源辨識、風險評估為核心、全員參與的全面管理、科學決策、預測預防和可控在控的安全生產(chǎn)風險一體化管理模式，確保實現(xiàn)火電生產(chǎn)運營的主動安全。

4．經(jīng)營中心?；鹆Πl(fā)電的第四條價值鏈就是確保實現(xiàn)發(fā)電企業(yè)人力、物力、財力、信息、技術(shù)、管理等資源要素的最佳配置，獲得可持續(xù)競爭的優(yōu)勢。伴隨著電力改革的深入與經(jīng)營領域的拓展，發(fā)電企業(yè)將逐步進入到具有更大競爭性的市場，智能的生產(chǎn)經(jīng)營應當在市場環(huán)境變化時能夠做出快速反應，通過提供最大的社會價值，獲取最佳的價值收益。經(jīng)營中心就是圍繞企業(yè)資源要素的價值鏈，以“大經(jīng)營”的理念，突破傳統(tǒng)業(yè)務條塊束縛，消弭核心資源相關信息壁壘，強化對企業(yè)整體運營績效的把握能力，圍繞火電企業(yè)核心資源進行集約化管理和共享化服務，實現(xiàn)信息共享和業(yè)務協(xié)同，打通戰(zhàn)略目標、預算控制、經(jīng)營計劃、市場響應和績效管理之間的關聯(lián)，使企業(yè)可以集中核心資源、優(yōu)化配置、降本增效、精益管理，確保實現(xiàn)精益、規(guī)范、敏捷、協(xié)同、增效的價值目標。

火電智能化重點環(huán)節(jié)集中在設備、控制、管理和信息支撐四個方面。設備智能化主要包括生產(chǎn)設備的數(shù)字化描述和表達、智能測控裝置的應用，控制智能化主要包括智能化的模擬量控制和基于機器學習的運行優(yōu)化，管理智能化主要包括建立虛擬監(jiān)控、生產(chǎn)、安全和經(jīng)營中心，信息支撐主要包括智能工作臺、知識圖譜、移動應用、智能報表、云支撐等能力。

五、火電智能化典型應用舉例

國內(nèi)火電廠近些年在安全監(jiān)控、生產(chǎn)運維、優(yōu)化運行、巡檢管控等方面開展了一些典型的智能化應用。

1．智能安全監(jiān)控方面的汽輪機智能安全監(jiān)控系統(tǒng)，突破傳統(tǒng)TDM設計思想，不再是簡單的振幅報警和時頻分析圖形作為事后“黑匣子”使用，而是將所需專業(yè)性較強或依賴于個別專家的振動信號分析與故障診斷工作，交給系統(tǒng)內(nèi)逐步建立的專家診斷知識庫，實時自動分析并發(fā)現(xiàn)機組當前出現(xiàn)的異?，F(xiàn)象，自動完成故障診斷，實現(xiàn)設備故障部位、故障等級、故障原因、處理建議的自動生成與推送。產(chǎn)生的效果是可縮短啟動時間。

2．智能生產(chǎn)運維方面的五檢合一智能維護系統(tǒng)，將“巡檢/點檢/精密點檢/技術(shù)監(jiān)督/智能在線診斷”集成并與設備的優(yōu)化檢修進行有機融合，建立一套統(tǒng)一的信息、工作、考核、管理控制、決策支持與集中維護平臺。建立基于大數(shù)據(jù)與人工智能應用的專家診斷知識庫，實現(xiàn)對設備故障部位、故障等級、故障原因、故障解決方案及檢修成本的確定。產(chǎn)生的應用效果是減少設備故障、提高收益[7]。

3．智能優(yōu)化運行方面的多源耦合智能吹灰系統(tǒng)，采用熱平衡作為模型依據(jù)，根據(jù)溫度場分布建立動態(tài)模型并與熱力系統(tǒng)工藝進行關聯(lián)建模，對立式區(qū)域、臥式區(qū)域根據(jù)工質(zhì)溫差、壓差、煙差建立大數(shù)據(jù)模型，智能推送吹灰優(yōu)化策略，判斷水平煙道、后豎井煙道煙氣走廊的形成并通過吹灰策略消除安全隱患，指導運行優(yōu)化調(diào)整，輔助鍋爐燃燒控制，最終實現(xiàn)考核負荷下的智能吹灰。產(chǎn)生的應用效果是提高鍋爐效率。

4．智能巡檢與安全管控方面的可視化地下管網(wǎng)智能管理系統(tǒng)，將地下管網(wǎng)、閥門、彎頭及其連接設備的設計制造信息、屬性信息、安裝調(diào)試及實時工藝參數(shù)，全部掛接在對應的三維模型上，并與“專家診斷數(shù)據(jù)庫”相關聯(lián)，大幅度提高了管網(wǎng)的日常維護、泄漏定位和開挖規(guī)劃與演練等水平，有效預防管網(wǎng)泄漏引起的停機等事故，快速為事故發(fā)生后的處理方案提供支撐。產(chǎn)生的應用效果體現(xiàn)在地下管網(wǎng)三維實時可視，動態(tài)監(jiān)督運行狀態(tài)、危險點以及工藝優(yōu)化點；有效及時監(jiān)督地下管網(wǎng)的缺陷、隱患，提高地下管網(wǎng)漏泄處理工作效率，為火電廠貢獻間接或直接收益。

對于上述火電智能化典型應用，其產(chǎn)生的效果很難量化。但可以肯定的是，它們并不能突破熱效率、發(fā)電標煤耗、啟動調(diào)整時間等指標的理論限值。應該說，智能化手段的作用是“逼近”理論值或最優(yōu)值，是減少人工調(diào)整或傳統(tǒng)方式所帶來的時間金錢浪費和安全隱患。

六、結(jié)束語

我國發(fā)電行業(yè)通過幾十年的發(fā)展已經(jīng)步入成熟期，中電聯(lián)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2019年中國發(fā)電裝機總規(guī)模達到20.1億千瓦，其中火電11.9億千瓦，連續(xù)多年位居世界第一?！笆奈濉奔拔磥硪欢螘r間內(nèi)，作為發(fā)電行業(yè)主力軍的火電，必須走高質(zhì)量發(fā)展之路。

除了聚焦高參數(shù)、大容量、多聯(lián)產(chǎn)、近零排放、耦合發(fā)電等生態(tài)友好方向外，火電應從辦公自動化、生產(chǎn)過程數(shù)字化向智能化邁進。隨著可以提供智能化組態(tài)方案的中小IT企業(yè)不斷加入，火電智能化具有了重要的技術(shù)服務支撐，伴隨的多行業(yè)協(xié)作也逐漸萌芽。經(jīng)過近些年在研究論證和工程實踐上的有益探索，依托現(xiàn)場總線技術(shù)（FCS）、自動啟停機控制（APS）技術(shù)、人工智能、云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動應用和虛擬現(xiàn)實技術(shù)等，我國在火電智能化方面已經(jīng)形成了一定的技術(shù)積累。

火電智能化的大量典型應用，是新型基礎設施建設、數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展和智能經(jīng)濟形態(tài)形成的巨大場景，將為傳統(tǒng)火電廠帶來巨大的效益提升，大幅度提高發(fā)電行業(yè)的全要素勞動生產(chǎn)率，助力我國電力企業(yè)躋身世界先進行列。

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