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(zhuǎn)型分析

葛志偉，劉戰(zhàn)禮，周保中，鄭　張

（華電電力科學(xué)研究院，浙江杭州310030）

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(zhuǎn)型分析

葛志偉，劉戰(zhàn)禮，周保中，鄭張

（華電電力科學(xué)研究院，浙江杭州310030）

數(shù)字化是電廠智能化的基礎(chǔ)，智能化電廠是數(shù)字化電廠的進(jìn)一步深入和發(fā)展。本文闡述了數(shù)字化電廠的發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)智能化電廠的概念、結(jié)構(gòu)內(nèi)容和未來(lái)發(fā)展方向進(jìn)行了分析和展望。隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)與火力發(fā)電廠的不斷融合，電廠的智能化水平將進(jìn)一步得到提升。

火電廠；數(shù)字化電廠；智能化電廠

0　引言

目前，隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的蓬勃發(fā)展，各個(gè)領(lǐng)域興起了智能化建設(shè)的高潮，在發(fā)電領(lǐng)域?qū)χ悄芑姀S的呼聲也越來(lái)越高，與此同時(shí)數(shù)字化電廠的建設(shè)也在不斷發(fā)展，本文將梳理兩者之間的區(qū)別與聯(lián)系。

1　數(shù)字化電廠發(fā)展現(xiàn)狀

數(shù)字化電廠，即先把電廠的所有信息進(jìn)行數(shù)字化，然后利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確且可靠的信息交換和實(shí)時(shí)共享，并利用智能專家系統(tǒng)進(jìn)行各種優(yōu)化決策，為機(jī)組的操作提供科學(xué)指導(dǎo)的電廠[1～3]。

經(jīng)過(guò)多年努力，我國(guó)火力發(fā)電廠在不同程度上實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化，但數(shù)字化的程度與實(shí)際要求還存在一些差距，主要反映在以下三個(gè)方面[4]：1）基礎(chǔ)設(shè)備層的數(shù)字化程度不夠。大量的底層基礎(chǔ)設(shè)備仍采用模擬量或開(kāi)關(guān)量信號(hào)進(jìn)行控制，數(shù)字化程度低，且建設(shè)和維護(hù)成本高。2）數(shù)據(jù)的利用程度不足。隨著基礎(chǔ)設(shè)備層上傳的數(shù)據(jù)逐漸增多，而其實(shí)時(shí)信息無(wú)法及時(shí)上傳到上層的監(jiān)控層和管理層，制約了上層高級(jí)應(yīng)用軟件的應(yīng)用深度。3）數(shù)據(jù)挖掘的程度不夠。大量的數(shù)據(jù)資源由于缺乏整合，數(shù)據(jù)分散并缺乏連貫性，管理人員很難從中得到有用信息從而做出有效決策。

數(shù)字化電廠，當(dāng)前首要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)底層基礎(chǔ)設(shè)備層的全面數(shù)字化，積極穩(wěn)妥的推行現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。只有當(dāng)最底層的有用的數(shù)據(jù)信號(hào)能夠以數(shù)字化的方式傳送到上級(jí)控制、監(jiān)控、管理和決策層時(shí)，才能夠使上層的高級(jí)應(yīng)用軟件與各種分析決策技術(shù)得到更全面廣泛的應(yīng)用。現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的應(yīng)用將擴(kuò)大信息收集的范圍和深度，為數(shù)字化電廠的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

數(shù)字化電廠是智能化電廠的基礎(chǔ)，而智能化電廠是數(shù)字化電廠的進(jìn)一步豐富和發(fā)展。隨著數(shù)字化電廠不斷地與先進(jìn)的技術(shù)相融合，數(shù)字化電廠將向智能化電廠轉(zhuǎn)型。

2　數(shù)字化電廠向智能化電廠的轉(zhuǎn)型分析

2.1智能化電廠的概念

智能化電廠，就是在數(shù)字化和信息化基礎(chǔ)上，將現(xiàn)代先進(jìn)的傳感量測(cè)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、分析決策技術(shù)和信息通信技術(shù)等與物理電廠高度集成，最大限度達(dá)到經(jīng)濟(jì)、高效、安全、智能和環(huán)保的最優(yōu)化狀態(tài)的新型現(xiàn)代化電廠[5～7]。

由數(shù)字化電廠和智能化電廠的概念比較可以看出，智能化電廠在數(shù)字化電廠基礎(chǔ)上進(jìn)行了進(jìn)一步的深化和拓展，在基礎(chǔ)設(shè)備層應(yīng)用更先進(jìn)的傳感測(cè)量技術(shù)實(shí)現(xiàn)在線精確測(cè)量，在實(shí)時(shí)控制層應(yīng)用智能算法實(shí)現(xiàn)智慧控制，在系統(tǒng)優(yōu)化層、生產(chǎn)管理層和電廠決策層結(jié)合云計(jì)算和大數(shù)據(jù)技術(shù)等實(shí)現(xiàn)智慧分析決策，在全廠應(yīng)用移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)等信息通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)電廠高效信息傳輸，使電廠的運(yùn)行、控制、管理和決策等更加符合現(xiàn)代化電廠的要求。數(shù)字化是電廠智能化的基礎(chǔ)，而智能化是數(shù)字化的進(jìn)一步發(fā)展和提升。

2.2智能化電廠的結(jié)構(gòu)內(nèi)容

智能化電廠與數(shù)字化電廠具有相同的體系結(jié)構(gòu)，都包含基礎(chǔ)設(shè)備層、實(shí)時(shí)控制層、系統(tǒng)優(yōu)化層、生產(chǎn)管理層和電廠決策層等，智能化電廠在數(shù)字化電廠結(jié)構(gòu)內(nèi)容的基礎(chǔ)上進(jìn)行了不同程度的豐富和發(fā)展[6，8]。

（1）基礎(chǔ)設(shè)備層。在基礎(chǔ)設(shè)備層，數(shù)字化電廠與智能化電廠都采用成熟的現(xiàn)場(chǎng)總線（FCS）數(shù)字化裝置或儀表，采集發(fā)電廠相關(guān)設(shè)備和系統(tǒng)上的數(shù)據(jù)，在生產(chǎn)設(shè)備層直接實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。智能化電廠在此基礎(chǔ)上，還采用先進(jìn)的在線煤質(zhì)測(cè)量技術(shù)（包括激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)、雙能γ射線技術(shù)、中子活化技術(shù)和微波技術(shù)等[9]）、在線煙氣測(cè)量技術(shù)（包括智能煙氣分析儀、基于LIBS的煙氣測(cè)量技術(shù)和基于信息融合的軟測(cè)量技術(shù)等）、爐膛溫度測(cè)量技術(shù)（包括CCD三維可視化技術(shù)、超聲波測(cè)量技術(shù)和激光等離子體溫度測(cè)量技術(shù)等）等進(jìn)行相關(guān)指標(biāo)的在線精確測(cè)量，為實(shí)時(shí)控制層的控制及優(yōu)化提供基礎(chǔ)[6]。

（2）實(shí)時(shí)控制層。在實(shí)時(shí)控制層，數(shù)字化電廠與智能化電廠都包括鍋爐、汽機(jī)、電氣、輔機(jī)等的DCS一體化控制系統(tǒng)，保證火電廠的安全平穩(wěn)運(yùn)行。智能化電廠在此基礎(chǔ)上，通過(guò)使用預(yù)測(cè)控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和遺傳算法等各種智能控制和算法，實(shí)現(xiàn)機(jī)組的優(yōu)化控制，從而提高機(jī)組效率和安全性，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

（3）系統(tǒng)優(yōu)化層。在系統(tǒng)優(yōu)化層，數(shù)字化電廠與智能化電廠都包括廠級(jí)監(jiān)控信息系統(tǒng)（SIS），對(duì)廠級(jí)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控，分析和優(yōu)化控制系統(tǒng)和機(jī)組性能，并對(duì)下層的實(shí)時(shí)控制層進(jìn)行指導(dǎo)。智能化電廠在此基礎(chǔ)上，還加入智能化煤場(chǎng)、數(shù)字化視頻監(jiān)控等。

（4）生產(chǎn)管理層。在生產(chǎn)管理層，數(shù)字化電廠與智能化電廠都以電廠資產(chǎn)管理為主線對(duì)電廠的機(jī)組性能指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)電廠的經(jīng)濟(jì)、高效和安全地運(yùn)行。此層根據(jù)從上層的電廠決策層取得的經(jīng)營(yíng)指標(biāo)制定生產(chǎn)計(jì)劃，并為下層的系統(tǒng)優(yōu)化層提供指導(dǎo)。智能化電廠在此基礎(chǔ)上，可結(jié)合移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)搭建移動(dòng)信息管理平臺(tái)，使火電廠的經(jīng)營(yíng)管理者可以隨時(shí)隨地獲取電廠的相關(guān)信息，提高全廠的現(xiàn)代化管理水平。

（5）電廠決策層。電廠決策層在數(shù)字化電廠和智能化電廠結(jié)構(gòu)中均處于最上層，該層主要體現(xiàn)為監(jiān)視、考核和管理。該層以綜合計(jì)劃管理為主線、以監(jiān)視和考核為核心，確保電廠的運(yùn)營(yíng)規(guī)范化、科學(xué)化和效益最大化。智能化電廠在此基礎(chǔ)上，可結(jié)合云計(jì)算和大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)電廠的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和挖掘，分析數(shù)據(jù)之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，獲得有益于電廠發(fā)展的規(guī)律，為電廠決策提供支持。

2.3智能化電廠未來(lái)的發(fā)展方向

雖然到目前為止，國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有一個(gè)完整意義上的智能化電廠，但智能化電廠框架下的許多智能控制技術(shù)和先進(jìn)算法已在許多電廠中已有應(yīng)用研究[6]。如預(yù)測(cè)控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊神將網(wǎng)絡(luò)控制[10～14]和遺傳算法等已應(yīng)用于主蒸汽溫度控制[15～20]。隨著各種智能控制和信息技術(shù)以及數(shù)字化電廠的不斷發(fā)展，智能化電廠也將不斷發(fā)展和完善過(guò)程中。

智能化電廠未來(lái)的發(fā)展需要不斷與移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)等先進(jìn)技術(shù)相互融合，促進(jìn)火電廠的進(jìn)一步轉(zhuǎn)型升級(jí)。

（1）與移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合。

目前，工業(yè)局域網(wǎng)在電廠中的應(yīng)用已經(jīng)較為普遍，電廠人員可以通過(guò)局域網(wǎng)對(duì)整個(gè)電廠的信息進(jìn)行查看，或利用VPN通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程查看。隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)與移動(dòng)終端的發(fā)展，特別是隨著4G等移動(dòng)通信技術(shù)的普及，使智能手機(jī)和平板電腦等移動(dòng)終端設(shè)備在電力行業(yè)的應(yīng)用將成為可能[21]。通過(guò)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以將電廠的實(shí)時(shí)生產(chǎn)和運(yùn)行狀況同步到智能移動(dòng)終端，因?yàn)橐苿?dòng)互聯(lián)網(wǎng)不僅傳輸速度快，而且覆蓋面廣，可使管理人員或技術(shù)人員不在現(xiàn)場(chǎng)時(shí)，仍然可以通過(guò)移動(dòng)終端及時(shí)獲取所需要的電廠信息，并進(jìn)行相關(guān)決策，最大程度地減少經(jīng)濟(jì)損失，從而提高全廠的現(xiàn)代化管理水平。

（2）與云計(jì)算、大數(shù)據(jù)技術(shù)結(jié)合。

云計(jì)算是一種新型計(jì)算模式，可將企業(yè)內(nèi)部的大量數(shù)據(jù)儲(chǔ)存到云端，利用云端服務(wù)器組對(duì)大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和挖掘，這種大數(shù)據(jù)分析側(cè)重通過(guò)分布式或并行算法提高現(xiàn)有數(shù)據(jù)挖掘方法對(duì)海量數(shù)據(jù)的處理效率，忽略了數(shù)據(jù)之間的前后因果關(guān)系，側(cè)重對(duì)數(shù)據(jù)間的相關(guān)性進(jìn)行預(yù)測(cè)，然后將有用信息回傳給用戶[22]。

電廠可將其生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的海量數(shù)據(jù)傳入云存儲(chǔ)平臺(tái)進(jìn)行保存和備份，并利用云端并行服務(wù)器對(duì)大數(shù)據(jù)進(jìn)行快速分析和挖掘，發(fā)現(xiàn)有利于生產(chǎn)和管理的有用信息，為智能決策服務(wù)。通過(guò)與云計(jì)算、大數(shù)據(jù)技術(shù)的結(jié)合，火電廠將不需要自己額外對(duì)硬件設(shè)備及相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行投入和維護(hù)，節(jié)省大筆開(kāi)銷(xiāo)。

（3）與物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)結(jié)合。

物聯(lián)網(wǎng)就是通過(guò)射頻識(shí)別技術(shù)、傳感器和定位系統(tǒng)等信息傳感設(shè)備，將各種物體連接到互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)各種信息的通信與交換，從而可對(duì)各種物體進(jìn)行智能化識(shí)別、定位、跟蹤和管理等的一種網(wǎng)絡(luò)[23]。

目前電廠存在設(shè)備和物資的信息共享性差、結(jié)構(gòu)不統(tǒng)一和綜合利用困難等顯著問(wèn)題[23]?？衫梦锫?lián)網(wǎng)技術(shù)，通過(guò)將感應(yīng)器和射頻識(shí)別標(biāo)簽等嵌入到機(jī)爐電設(shè)備和各類重要物資中，形成電廠內(nèi)部的物聯(lián)網(wǎng)，并與互聯(lián)網(wǎng)加以整合，以更加精細(xì)化和動(dòng)態(tài)化的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)電廠的智慧管理，提升全廠的現(xiàn)代化管理水平。

3　結(jié)語(yǔ)

本文首先對(duì)火力發(fā)電廠的數(shù)字化發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了描述，指出數(shù)字化電廠的首要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)底層基礎(chǔ)設(shè)備層的全面數(shù)字化，積極穩(wěn)妥的推行現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。對(duì)智能化電廠的概念、結(jié)構(gòu)內(nèi)容與發(fā)展方向進(jìn)行了分析，指出智能化電廠是數(shù)字化電廠的豐富和發(fā)展。智能化電廠，需要不斷與當(dāng)今先進(jìn)的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)相互融合，促進(jìn)火電廠的進(jìn)一步轉(zhuǎn)型升級(jí)。

[1]楊浚，姜春敏.現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在數(shù)字化電廠中的應(yīng)用[J].山東電力技術(shù)，2012，（5）：62～65.

[2]李臻，崔利.數(shù)字化電廠設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的一些問(wèn)題[J].熱力發(fā)電，2009，38（10）：78～80.

[3]曹?chē)?guó)棟，張倩.建設(shè)數(shù)字化電廠的關(guān)鍵問(wèn)題探討[J].電力設(shè)備.2008（12）：63～65.

[4]燕辰凱.建設(shè)數(shù)字化電廠的思考[J].能源與節(jié)能，2014，（1）：53～56.

[5]侯子良，侯云浩.21世紀(jì)第二個(gè)十年火電廠自動(dòng)化[J].電站信息. 2012，（1）：27～29.

[6]陳世和.智能電站發(fā)展現(xiàn)狀及展望[A].智能化電站技術(shù)發(fā)展研討暨電站自動(dòng)化2013年會(huì)論文集[C].2013.

[7]高鵬里.智能化電廠建設(shè)探索[J].市場(chǎng)周刊，2013，（11）：7～9.

[8]章素華.構(gòu)建中國(guó)數(shù)字化電廠的技術(shù)思考[J].華電技術(shù)，2008，30（7）：32～36.

[9]李立志.提高激光誘導(dǎo)擊穿光譜測(cè)量的可重復(fù)性及煤質(zhì)應(yīng)用[D].清華大學(xué)，2012.

[10]曾蓉.火電廠主蒸汽溫度的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的研究[D].重慶大學(xué)，2007.

[11]賀飛.預(yù)測(cè)控制及其在電站鍋爐汽溫控制中的應(yīng)用研究[D].北京交通大學(xué)，2014.

[12]劉瑞.模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在火電廠鍋爐主蒸汽溫度控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[D].長(zhǎng)安大學(xué)，2013.

[13]栗少萍，郭放.模糊神經(jīng)元反饋網(wǎng)絡(luò)在電廠串級(jí)汽溫控制中的應(yīng)用[J].電氣自動(dòng)化，2006，28（2）：11～12.

[14]孫建平，梅華.應(yīng)用模糊預(yù)測(cè)控制實(shí)現(xiàn)主汽溫控制[J].華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，30（2）：49～52.

[15]王子杰，李健，孫萬(wàn)云.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法的鍋爐燃燒優(yōu)化方法[J].華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，35（1）：14～17.

[16]周昊，茅建波，池作和，等.燃煤鍋爐低氮氧化物燃燒特性的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)報(bào)[J].環(huán)境科學(xué)，2002，23（2）：18～22.

[17]李鵬，孫鶴，張健，等.電廠鍋爐燃燒系統(tǒng)先進(jìn)過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)[J].計(jì)算機(jī)與應(yīng)用化學(xué)，2012，29（10）：1216～1219.

[18]趙俊.基于遺傳算法的鍋爐燃燒優(yōu)化設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].蘇州大學(xué)，2009.

[19]孫巧玲，沈炯，李益國(guó).基于遺傳算法的燃煤電站鍋爐整體燃燒優(yōu)化方法研究[J].熱能動(dòng)力工程，2004，19（1）：85～88.

[20]張紅福，張曦，羅嘉.基于預(yù)測(cè)控制方法的燃燒優(yōu)化研究與應(yīng)用[J].自動(dòng)化博覽.2015（07）：90～92.

[21]王愛(ài)娟，王明春.火電廠移動(dòng)信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[J].發(fā)電設(shè)備，2015，29（1）：31～34.

[22]王軍.基于“云計(jì)算”的電廠繼電保護(hù)系統(tǒng)的研究[J].科技風(fēng)，2013（6）：20.

[23]張士海.基于物聯(lián)網(wǎng)的電廠設(shè)備管理及運(yùn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].電子科技大學(xué)，2012.

Current Situation of Digitized Coal-fired Power Plants and Analysis of Its Transformation to the Intelligent Power Plant

GE Zhi-wei，LIU Zhan-li，ZHOU Bao-zhong，ZHENG Zhang
（Huadian Electric Power Research Institute，Hang Zhou 310030，China）

Digital power plant is the foundation of intelligent power plant，and intelligent power plant is more in-depth.This paper firstly discribes the current development of digital power plant，and then analyzes the concept，content and the future development direction of intelligent power plant.With the convergence of mobile internet，cloud computing，big data and internet of things with coal-fired power plants，the intelligent degree of power plant will be further improved.

Coal-fired power plants；Digitized power plant；Intelligent power plant

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.05.011

TM76

B

2095-3429（2015）05-0045-03

葛志偉（1986-），男，山東青州人，博士，研究方向：火力發(fā)電廠的智能化研究。

2015-10-14

2015-10-28