淺談數字化電廠的設計及應用

洪來根 張祖輝

(浙江省電力設計院，浙江 杭州 310012)

淺談數字化電廠的設計及應用

洪來根 張祖輝

(浙江省電力設計院，浙江 杭州 310012)

對發(fā)電廠數字化、信息化設計現狀進行分析研究。結合先進的智能三維設計平臺及已被廣泛應用的IT信息技術，提出了數字化電廠設計的基本內容、數字化電廠的架構、數字化電廠功能、各系統(tǒng)的集成及實現數字化電廠的方法。列舉了新建電廠的數字化詳細設計應用，并對已建成投入商業(yè)運行的電廠進行數字化技術改造提出了建議。

數字化電廠 設計 三維 功能 集成 技術改造

0 引言

隨著我國電力體制改革的深化，電力行業(yè)市場經濟的逐步形成，發(fā)電企業(yè)必將加速進入信息化時代。從發(fā)電企業(yè)管控一體化模型和電廠的特征看, 數字化電廠的層次結構模型可概括為四個內容、兩個支持系統(tǒng)。四個內容分別是電廠對象數字化、設備運行數字化、過程控制數字化和生產管理、經營決策數字化，兩個支持系統(tǒng)是數據庫支持系統(tǒng)和計算機網絡支持系統(tǒng)。但從一個電廠的全壽命周期來看，數字化電廠應包括項目前期、設計、采購、建設、調試、運行、檢修和維護、改造直至退役整個過程。因此電廠數字化也應是整個電廠生命周期的數字化。而最重要的是應建立電廠的數字模型，并在此模型基礎上，充分利用系統(tǒng)集成、專家系統(tǒng)、虛擬現實等現代信息處理和通信技術、智能控制和管理決策技術，實現電廠管控真正意義上的信息化、智能化，最大限度地達到電廠安全、高效、環(huán)保運行的狀態(tài)。

1 數字化電廠構成

1.1 數字化電廠內容

數字化電廠主要包括了以下幾方面的內容。

(1)電廠對象數字化：以工程對象為核心，將貫穿電廠全壽命周期內的三維模型、二維系統(tǒng)和各設備資料、成品文件等進行有機聯系，形成統(tǒng)一的數字化信息。

(2)設備和裝置數字化：采用現場總線技術、智能型儀表、智能化執(zhí)行機構、具有通信接口的電氣微機保護和配電裝置等，實現設備和裝置的數字化。

(3)過程控制數字化：廠級和機組(車間)級的過程控制數字化(SIS、DCS、NCS、PLC等控制系統(tǒng))。

(4)生產管理和經營決策數字化：各種業(yè)務處理和運行操作數字化，對各種基礎數據進行綜合加工，生成各方面管理需要的信息，對各種管理信息的挖掘和分析生成經營決策信息。

1.2 數字化電廠構架

數字化電廠建設運用智能的三維建模技術和開放的數據集成技術，基于三維智能虛擬現實模型，以基礎設備數字化、生產過程數字化、生產管理數字化為基礎，搭建統(tǒng)一的數字化電廠管理平臺；制定工廠數據資產收集、整理、移交、存儲、利用規(guī)范，集成分散在各應用系統(tǒng)中的設計、設備、生產、質量、安全、環(huán)保等業(yè)務數據，實現三維智能模型與生產、運營、經營業(yè)務融合；提升管理業(yè)務的直觀性、準確性、智能性和協(xié)同性，實現管理和決策業(yè)務的可管、可視。

數字化電廠系統(tǒng)構架主要分三層。

(1) 數據和信息網絡構架層。設計人員采集各類工程數據(包括二、三維設計模型、施工圖紙、設備資料等)、基建信息(包括采購、監(jiān)造、安裝、調試等資料)和運行信息(通過DCS、現場總線等采集現場設備運行信息)等數據，并以三維模型數據為中心，實現各數據庫以工程對象為核心的數字化關聯。

三維數字化電廠涉及到的數據有：工程設計、基建、技改變更、運行維護各個階段的信息。如來自于外部的3D模型、2D圖紙、GIS信息、檔案管理系統(tǒng)中的圖文檔資料、實施數據庫信息、設備管理信息、MIS/ERP信息等。數據分為靜態(tài)數據和動態(tài)數據兩類。工程數據為靜態(tài)數據，而生產管理數據為動態(tài)數據。

(2) 數字化信息集成平臺層。數字化電廠信息系統(tǒng)主要包括數字化移交系統(tǒng)、生產控制系統(tǒng)、生產(基建)管理系統(tǒng)、ERP管理系統(tǒng)、行政辦公和文檔管理系統(tǒng)和安防系統(tǒng)等。各系統(tǒng)間以數字化模型為核心，建立相互間的關聯，實現數據互通。

(3) 數字化電廠應用層。通過數字化信息的集成和互通，各用戶通過門戶系統(tǒng)，依據不同用戶不同權限的控制，實現電廠數字化生產、維護、決策等工作，其主要體現在：生產控制系統(tǒng)、生產(基建)管理系統(tǒng)、ERP管理系統(tǒng)、安防監(jiān)控系統(tǒng)、可視化三維虛擬系統(tǒng)、數字化檔案系統(tǒng)、數字化巡檢系統(tǒng)等。

1.3 數字化電廠配置

數字化電廠是一個系統(tǒng)工程，涵蓋了電廠的全壽命周期的管理，包含電廠運行、維護和管理工作。根據數字化電廠架構，其主要配置如下。

(1) 網絡及網絡設備：網絡以萬兆以太網為主干，千兆到桌面設備的高速連接覆蓋全廠范圍的局域網，星型拓撲結構。網絡設備包括核心交換機、接入交換機、用于無線組網的無線AP、路由器、防火墻、網絡隔離設備、入侵檢測及防御設備、VPN設備等。

(2) 服務器：關系數據庫服務器、實時數據庫服務器、應用服務器，采用虛擬技術實現虛擬服務器配置。

(3) 數據庫和數據倉庫：包括實時數據庫和關系數據庫，以及用于存放面向數據主題的結構化數據倉庫。

(4) 存儲系統(tǒng)：由存儲區(qū)域網絡(storage area network，SAN)交換和SAN存儲陣列構建的SAN光纖存儲系統(tǒng)。

(5) 備份系統(tǒng)：硬件由虛擬磁帶庫(磁盤陣列)構成，包括相應的專用備份軟件。

(6) 系統(tǒng)軟件：防病毒軟件、網管軟件、郵件系統(tǒng)軟件、數字化移交軟件、上網行為管理軟件等。

(7) 應用軟件：由模塊化的應用系統(tǒng)和一些獨立子系統(tǒng)構成，實現電廠生產、安防、經營、設備、辦公、門戶等應用功能，以及決策支持和其他高級應用功能。

(8) 三維虛擬投影設施和軟件：實現數字化三維虛擬場景，包括多通道3D立體數據處理設備、3D工程投影機、金屬硬幕、音響系統(tǒng)、立體偏振眼鏡等設備和軟件平臺。

(9) 數字化移交系統(tǒng)：以工程對象為核心，涵蓋設計、基建和運行等階段的各種信息，是數字化電廠的核心。

(10) 接口：與控制系統(tǒng)的接口、與上級管理部門的接口、與Internet的接口、各應用系統(tǒng)軟件與數字化移交系統(tǒng)的接口。

(11) 工作站：根據應用配置的功能站、面向桌面的臺式機、移動工作所需的便攜式微機及相應的外設等。

2 新建電廠的數字化設計及應用

2.1 數字化電廠的創(chuàng)建

數字化電廠是對實際電廠的客觀描述，它覆蓋電廠的整個生命周期，可確保主要的工程文件及信息得到有效維護，提供一個使物理電廠效益最大化的管理工具。同時，它可顯著降低數據的重復和冗余，節(jié)約數據查詢時間，提高管理效率。數字化電廠創(chuàng)建的基本工作內容如下。

(1)從項目開始就建立統(tǒng)一的電廠標志系統(tǒng)，通過數據倉庫平臺，將工程公司和工程企業(yè)提供的信息有效地傳遞給相應的采購、建設部門，實現運營維護。

(2) 電廠的設計以三維工廠設計系統(tǒng)為核心設計手段，通過網絡技術對電廠進行數字化協(xié)同設計，確保在正確的時間、正確的地點提供正確的信息。

(3)采用全球一體化工程協(xié)同設計、有效控制版本和相應的工作流，集中控制管理所有技術文件和圖紙的出版和升級，使得設計的知識和成果完整地保留在統(tǒng)一的中心數據庫中。

(4) 通過集成業(yè)主及所有電廠承包商的工程管理和運行管理系統(tǒng)，將現場的進度以及現場的建造和安裝、調試以及質量控制信息集中管理，實現數字化管理和知識積累。

(5)隨著工程的進展，不斷積累數據并保持數據的一致性，建立標準化的模型、數據、圖紙、文件。工程建成后，即可最終提交給業(yè)主包含電廠運行、維護所需的數據，用于今后電廠的運行、維護管理。

2.2 數字化電廠的功能

通過數字化平臺系統(tǒng)和自行開發(fā)的系統(tǒng)，可實現以下幾方面應用。

(1)提升企業(yè)形象、提高管理水平。作為新型的發(fā)電廠，利用信息技術對電廠的運營維護提供精確、及時、完整的了解，包括設備和系統(tǒng)的各種工藝屬性、幾何和布置屬性，以及其他有關設備運行、維修和安全的信息，特別是地下隱蔽工程的查詢，更加直觀準確。

(2)關聯的數據統(tǒng)一且準確。數字化電廠是以工程對象為核心進行數據的關聯，實現二維系統(tǒng)圖、三維模型、廠家設備資料、施工圖、數據表等進行高效連接，并能及時更新全廠信息，確保數據的統(tǒng)一和完整。特別是在建設期，由于建設方多，管理標準不一致，通過數字化電廠的管理平臺，有效統(tǒng)一各方管理標準，采用統(tǒng)一編碼，避免數據的冗余和不一致。

數字化電廠平臺能夠集成來自工廠全生命周期的數據，其中包括：設計階段的2D/3D圖文檔數據資料、建造階段的施工文件、設備文檔，以及運維階段的來自ERP、實時數據庫、EAM等系統(tǒng)的信息。

建立資料之間的網狀關聯關系和索引，完善版本管理，為資料的高效查詢、使用、檢索奠定基礎。平臺在處理數據時，能夠提取模型、圖紙和文檔中的位號，并能夠自動建立對象之間的關聯關系。

(3)現場信息的實時采集和監(jiān)控。對于業(yè)主來說，能否在生產中提高生產力是數字化電廠是否有生命力的標志。數字化電廠有四個層次的數字化，現場運行信息通過DCS、PLC、NCS等系統(tǒng)進行采集，并與工程對象進行關聯，可以大大提高信息的可讀性和分析性，實現大量關聯信息的高速查詢，有助于事故的快速分析和解決。

(4)事故分析和救援指揮。事故發(fā)生時，濃煙、毒氣和大火使得現場無法靠近和查看。而通過數字化電廠可以快速找到準確的事故點、相應的處理方案和撤離路線，指導救援工作的開展。同時通過GPS設備傳遞過來的“個人實時位置信息”，了解每個人在工廠中的真實位置，方便救援指揮。

(5)可視化培訓。特別是在電廠尚未建成之時，通過數字模型形象逼真地顯示廠房布置和設備結構，直觀了解電廠建成后的情況，在基于真實的企業(yè)環(huán)境三維模型平臺上內置各種培訓演練內容和方式，提高培訓演練的真實性和有效性，減少培訓演練成本，適應不同崗位和工種需求。

(6)全生命周期的數字化管理。在電廠運行過程中，利用三維設計集成系統(tǒng)，以項目設計、建設期間生成的完整數據庫為核心，對電廠設備、材料、備品/備件等進行項目全生命周期管理。

(7)維修方案和計劃。在維修/大修過程中，利用三維系統(tǒng)來進行有效準確的維修路徑規(guī)劃并驗證維修方案的可行性及計劃合理性，提高維修效率，降低維修成本，縮短維修時間。根據設備的維修程序，仿真各部件的拆卸過程，并進行設備的空間布置管理，提高維修人員的熟練程度，減少工作中的失誤并縮短工期。

(8)三維虛擬展示。虛擬現實技術(virtual reality,V+R)是20世紀末興起的一門嶄新的綜合性信息技術，它融合了數字圖像處理、計算機圖形學、多媒體技術、傳感器技術等多個信息技術分支。利用計算機生成一個逼真的三維虛擬環(huán)境，通過自然技能使用傳感設備以及與之相互作用的新技術。與傳統(tǒng)的模擬技術完全不同，V+R是將模擬環(huán)境、視景系統(tǒng)和仿真系統(tǒng)三合為一，并利用頭盔顯示器、圖形眼鏡、數據服、立體聲耳機、數據手套及腳踏板等傳感裝置。由于生成的視覺環(huán)境是立體的、音效是立體的，因此人機交互和諧友好。

(9)智能終端巡檢。采用平板便攜技術，通過現場設備二維碼的掃描，采集現場設備運行信息，實現現場巡檢的需要。根據維修工作單，自動在三維模型上顯示工作單工作對象的物理位置。操作人員手持智能終端就可以在電廠追蹤工作對象，并顯示自己實際所處的位置。在手持設備上可直接查看這個設備或管道的相關信息。

(10)快速信息交流、實時審查。在設計階段電廠非常關心的一項就是設計院和設備廠家的資料和圖紙的提交進度和管理。利用數字化電廠平臺，及時把電廠設計階段的資料和圖紙實時傳遞和反饋給業(yè)主方。系統(tǒng)能夠有效管理這些資料和圖紙，控制圖紙的版本和設計的變更。

(11)優(yōu)化施工工序，動態(tài)模擬施工進度。在電廠施工過程中，與Project、P3E等項目管理軟件鏈接，實現施工計劃、安裝的動態(tài)模擬，以時間為軸、空間為軌跡，將三維空間的實體按照時間順序顯示，直觀明了地表示出各個時間點上完成和未完成的工作，實現項目的全過程模擬。另外，借助三維數字化電廠平臺，提供一個從設計到施工不間斷的、完善的交互式信息服務，能使項目部直觀地理解設計意圖，從而直觀地指導施工，進而保證施工的質量。

(12)數字化移交。在設計、采購、建設階段所形成的工程信息和數據，以數字化方式，借助數字化移交平臺分階段進行移交，以滿足各階段間相互的業(yè)務需求。數字化電廠移交的內容主要包括工程文件、工程模型和工程數據。

3 對已建成電廠的數字化改造

對已建成投產的大型電廠的數字化進行設計改造，根據各個企業(yè)的具體情況，首先要做好頂層設計，統(tǒng)一規(guī)劃，結合項目的大/小修計劃，分步實施。

(1)做好基礎工作，全面了解電廠的實際現狀。目前已投入商業(yè)運行的電廠，基本上均設有MIS、SIS、DCS、NCS等數字化生產及管理系統(tǒng)，有些電廠還采用了現場總線控制系統(tǒng)。但不同的企業(yè)集團有不同的管理模式，所采用的系統(tǒng)平臺及應用軟件有所不同，加之對電廠系統(tǒng)及設備的維修改造，與原設計已存在較大的差異。因此，全面深入了解電廠的實際現狀非常重要。

(2)統(tǒng)一規(guī)劃。在全面了解的基礎上，提出數字化電廠改造的總體規(guī)劃，包括采用合適的、統(tǒng)一的和相互兼容的數字化平臺，網絡架構的建立，物理電廠模型的建立，各類數據流的整合及具體實施計劃等。

(3)分步實施。首先收集投運以后各類系統(tǒng)和設備的檢修維護資料，供設計單位建模及數據的錄入；在各種大/小修期間逐步完善各方面的數字化的基礎工作，如采用現場總線技術，智能型儀表、智能化執(zhí)行機構、具有通信接口的電氣微機保護和配電裝置等。

(4)建立數字化模型，創(chuàng)建和完善網絡架構，進行各類系統(tǒng)的集成，實現真正管控一體化的數字化電廠。

4 結束語

數字化電廠的設計是一項復雜的系統(tǒng)工程，尤其是對已建成投產的大型電廠的數字化設計改造，受各種因素的限制，創(chuàng)建過程則更為復雜。目前國內還沒有真正意義上的數字化電廠，因此，數字化電廠的創(chuàng)建必將使發(fā)電企業(yè)加速進入信息化時代，實現生產過程高度自動化和管理現代化質的飛躍。

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[3] 周四維，李忠炳，張晉賓.數字化電廠的概念及實施[J].上海電力學院學報，2014(3):208-212.

國家863高技術研究發(fā)展計劃基金資助項目(編號：2015AA043901-01)。

修改稿收到日期：2015-04-28。

第一作者尚文利(1974-)，男，2005年畢業(yè)于中國科學院沈陽自動化研究所機械電子工程專業(yè)，獲博士學位，副研究員；主要從事計算智能與機器學習、工業(yè)信息安全方面的研究。

Primarily Discussion of the Design and Application of Digitized Power Plant

The current status of digitizing and information design for power plants is analyzed and researched. Combining with the advanced intelligent three-dimensional design platform and the widely used information technology, the basic contents of designing digitized power plant, the architecture of digitized power plant, the functions of digitized power plant, the integration of various systems, and the method of implementing digitized power plant are proposed. The detail digitizing design application of the new built power plants is listed, and the suggestions for digitized technological transformation of the power plants that have been completed and put into commercial operation are given.

Digitized power plant Design Three-dimensional Function Integration Technical transformation

洪來根(1956-),男，1978年畢業(yè)于華北電力大學熱工自動化專業(yè)，高級工程師；主要從事發(fā)電廠自動化設計研究。

TP23+.3

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201510014

修改稿收到日期：2015-04-24。