數(shù)字化智慧電站技術(shù)研究與示范

張令

[摘要]貫徹落實(shí)“一五五”戰(zhàn)略，深化“雙提升、雙防范”和“三化一素”工作，以實(shí)現(xiàn)具有智能化、安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等特征的新型現(xiàn)代化電廠為目標(biāo)。研究智慧型電站關(guān)鍵技術(shù)，并在大型火電廠應(yīng)用示范，覆蓋火電廠生產(chǎn)過程、運(yùn)營管理等領(lǐng)域，包含生產(chǎn)環(huán)節(jié)控制算法優(yōu)化、信息系統(tǒng)一體化、大數(shù)據(jù)應(yīng)用等核心技術(shù)，形成涵蓋監(jiān)測與控制、一體化信息管理和智能決策支持的信息自動化體系架構(gòu)。

[關(guān)鍵詞]智慧電站；技術(shù)架構(gòu)平臺；電力市場；運(yùn)營成本

互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)快速發(fā)展的今天，智能化、數(shù)字化電廠也成為大勢所趨。數(shù)字化智慧電站是指以設(shè)備全生命周期的相關(guān)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在計(jì)算機(jī)虛擬環(huán)境中，對整個(gè)生產(chǎn)過程進(jìn)行仿真、評估和優(yōu)化，并進(jìn)一步擴(kuò)展到整個(gè)產(chǎn)品生命周期的新型生產(chǎn)組織方式，是現(xiàn)代數(shù)字制造技術(shù)與計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。數(shù)字化智慧電站的標(biāo)志是全面采用DCS、SIS、MIS、仿真機(jī)和三維設(shè)計(jì)等技術(shù)，清楚掌握生產(chǎn)流程、提高生產(chǎn)過程的可控性、減少人工干預(yù)、及時(shí)準(zhǔn)確地采集生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)，從而科學(xué)地制訂生產(chǎn)計(jì)劃，構(gòu)建高效節(jié)能、綠色環(huán)保、環(huán)境舒適的人性化工廠。

國電宿遷將借助于先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、工業(yè)4.0等“互聯(lián)網(wǎng)+”先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用，全面實(shí)現(xiàn)建設(shè)數(shù)字化智慧型電站的發(fā)展理念，本文主要是根據(jù)宿遷“數(shù)字化智慧型電站”各職能部門的配置及業(yè)務(wù)范圍搭建國電宿遷熱電有限公司的智慧型、數(shù)字化、大數(shù)據(jù)分析的管控平臺。

國電宿遷數(shù)字化智慧電站管控平臺采用集中管控模式，子系統(tǒng)均可獨(dú)自運(yùn)行，在管控平臺上實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一控制，各職能部門所需實(shí)現(xiàn)的功能通過三層數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分層數(shù)據(jù)傳輸、組態(tài)，最終在信息平臺上得以體現(xiàn)。管控平臺將各子系統(tǒng)打通，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)一編碼存儲，便于一鍵調(diào)用。堅(jiān)持方案總體原則，搭建大集中的過程控制系統(tǒng)層，集成生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和管理關(guān)系數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)層。

在數(shù)據(jù)中心建立的基礎(chǔ)上，通過企業(yè)門戶的建設(shè)，將各功能模塊集成到企業(yè)的信息門戶內(nèi)，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)的統(tǒng)一人口，并實(shí)現(xiàn)內(nèi)容、應(yīng)用的整合展現(xiàn)，大數(shù)據(jù)的檢索查詢，結(jié)合安全防護(hù)體系，進(jìn)行單點(diǎn)登陸和安全集成。

企業(yè)數(shù)據(jù)中心下轄生產(chǎn)管理、經(jīng)營管理和智慧決策三塊，采集生產(chǎn)和經(jīng)營各類參數(shù)（利潤、負(fù)荷、廠用電、水、汽等），以扁平化圖形及數(shù)字展示日發(fā)電量、日供電煤耗、日入爐表單、日發(fā)電廠用電率等相關(guān)數(shù)據(jù)，與智慧決策模塊內(nèi)提供的設(shè)計(jì)參數(shù)和先進(jìn)工藝對比，進(jìn)行決策方式優(yōu)化調(diào)整。可以按照不同區(qū)域以及設(shè)備劃分，關(guān)鍵數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)追蹤、實(shí)時(shí)報(bào)警，建立決策庫。根據(jù)不同情況提供不同的決策供判斷和分析，并引入行業(yè)（煤、電等）市場行情參數(shù)，提出優(yōu)化企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營決策建議。

數(shù)據(jù)中心開發(fā)手機(jī)APP，實(shí)現(xiàn)第一時(shí)間的移動辦公審批，并推送生產(chǎn)經(jīng)營數(shù)據(jù)。為智慧電站網(wǎng)絡(luò)安全考慮，采用EasyConnect深信服遠(yuǎn)程應(yīng)用發(fā)布解決方案將智慧電站所有業(yè)務(wù)系統(tǒng)及應(yīng)用輕松遷移至移動互聯(lián)網(wǎng)上，可以通過手機(jī)、PAD等智能移動終端隨時(shí)隨地開展業(yè)務(wù)。平臺連通網(wǎng)絡(luò)傳真機(jī)，實(shí)現(xiàn)移動傳真辦公，并支持一鍵轉(zhuǎn)發(fā)至QQ、微信等，盡享移動業(yè)務(wù)帶來的便利與效率。

針對國電宿遷熱電有限公司的資產(chǎn)管理，其核心內(nèi)容是企業(yè)資產(chǎn)（主要對象是企業(yè)設(shè)備）使用過程的維護(hù)、維修管理，核心目標(biāo)是設(shè)備的最大化利用，提高企業(yè)效益及投資回報(bào)率。

國電宿遷熱電有限公司信息管控平臺系統(tǒng)是以設(shè)備為主線，制定統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的KKS編碼、物資編碼及固定資產(chǎn)編碼，實(shí)現(xiàn)三碼聯(lián)動，全面貫穿設(shè)備管理的各個(gè)環(huán)節(jié)，通過以設(shè)備管理、檢修維護(hù)管理、項(xiàng)目管理、采購管理、庫存管理、合同管理、運(yùn)行管理、對標(biāo)管理等業(yè)務(wù)模塊為核心，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)MIS與物資管理系統(tǒng)的共存、互聯(lián)，將企業(yè)資產(chǎn)從“計(jì)劃-采購-接收-驗(yàn)收-入庫-庫存管理-領(lǐng)用出庫-安裝使用-維修養(yǎng)護(hù)-替換報(bào)廢”的全過程進(jìn)行記錄，并以“三碼聯(lián)動”規(guī)則充分全面地實(shí)現(xiàn)整個(gè)資產(chǎn)管理系統(tǒng)中各個(gè)業(yè)務(wù)之間的數(shù)據(jù)交互和數(shù)據(jù)共享，進(jìn)而通過數(shù)據(jù)分析功能對企業(yè)的資產(chǎn)使用提供決策數(shù)據(jù)支持。

進(jìn)入互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代后，除了原有的人與人的通信外，更大量的人與物（機(jī)器及數(shù)據(jù)中心）的通信，而且通信的時(shí)間長度、帶寬需求也變得更長和更不確定。電廠整體網(wǎng)絡(luò)主體架構(gòu)采用EPON（Ethernet Passive Optical Network，以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)）接入網(wǎng)技術(shù)，該技術(shù)已在中國移動、中國電信、中國聯(lián)通等運(yùn)營商領(lǐng)域廣泛使用。

EPON是幾個(gè)最佳的技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的結(jié)合，以以太網(wǎng)為載體，采用點(diǎn)到多點(diǎn)結(jié)構(gòu)、無源光纖傳輸方式，下行速率目前可達(dá)到1Gbit/s，上行以突發(fā)的以太網(wǎng)包方式發(fā)送數(shù)據(jù)流。另外，EPON也提供較為完善運(yùn)行維護(hù)和管理（OAM）功能。EPON技術(shù)和現(xiàn)有的設(shè)備具有很好的兼容性，而且EPON還可以輕松實(shí)現(xiàn)帶寬10Gbit/s的平滑升級。和傳統(tǒng)的以太網(wǎng)相比，EPON主要增加了兩部分功能：位于媒體接人控制（MAC）層之下的仿真子層和被作為MAC層一部分的多點(diǎn)控制協(xié)議（MPCP）。仿真子層使得下面的點(diǎn)到多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)在協(xié)議上層看來像是多個(gè)點(diǎn)到點(diǎn)鏈路，這一點(diǎn)是通過在每一個(gè)分組的開始加上邏輯鏈路標(biāo)識（LLID）以取代2個(gè)字節(jié)的前導(dǎo)來實(shí)現(xiàn)的。

具體到電廠的實(shí)際業(yè)務(wù)可以用一個(gè)核心、分散部署、多層防護(hù)來概括，結(jié)合EPON技術(shù)本身的技術(shù)優(yōu)勢以及特性，實(shí)現(xiàn)物理層、業(yè)務(wù)層、邏輯層等多個(gè)數(shù)據(jù)鏈的統(tǒng)一整合，整體系統(tǒng)從整體性、靈活性、經(jīng)濟(jì)性上達(dá)到了目前技術(shù)條件下最好的平衡。

一個(gè)核心是指智能電廠核心網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及中樞網(wǎng)絡(luò)鏈路，采用高性能的交換機(jī)/路由器作為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的核心設(shè)備，核心設(shè)備本身具有良好的性能及擴(kuò)展性，可通過更換業(yè)務(wù)背板及插槽支持更高的網(wǎng)絡(luò)速率及更先進(jìn)的功能，在保護(hù)原有投資的基礎(chǔ)之上最大限度滿足了作為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)核心節(jié)點(diǎn)的性能需求，為智慧電站的實(shí)現(xiàn)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。直接與核心設(shè)備進(jìn)行連接的是其他中樞網(wǎng)絡(luò)，如VPN專線、公司及集團(tuán)專線等。在核心網(wǎng)絡(luò)的周圍，各個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行分散部署，通過ODN及ONU設(shè)備與OLT進(jìn)行連接，所有子系統(tǒng)，包括門禁、視頻監(jiān)控、一卡通、辦公網(wǎng)絡(luò)及電話等都可以做到獨(dú)立運(yùn)行并由核心設(shè)備統(tǒng)一分配管理，兼顧了各系統(tǒng)的可用性和管理便捷度。使用EPON接入網(wǎng)技術(shù)，各級系統(tǒng)在進(jìn)行業(yè)務(wù)擴(kuò)展、增設(shè)子系統(tǒng)的時(shí)候，都可以充分利用EPON技術(shù)的特性，通過簡單地增加一些ONU和尾纖材料，可以隨意靈活吧按照需求調(diào)整系統(tǒng)承載能力或者接入新需求。

網(wǎng)絡(luò)信息安全是數(shù)字化智慧電站的重中之重，在現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，優(yōu)選的信息安全節(jié)約方案應(yīng)該兼顧成本、效率、性能等幾個(gè)方面，不應(yīng)該影響正常的業(yè)務(wù)進(jìn)行，也不應(yīng)該成為整體網(wǎng)絡(luò)的瓶頸，同時(shí)能充分保證信息安全。所以在原有生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)的橫向隔離、縱向加密的主流思想下，智慧電站在EPON網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下進(jìn)行了充分的調(diào)研，并結(jié)合自己的實(shí)際業(yè)務(wù)特點(diǎn)和控制點(diǎn)分布進(jìn)行了針對性的優(yōu)化，做到了核心防火、分級加密，下層系統(tǒng)絕不會因?yàn)樽陨淼漠惓Ｓ绊懙缴蠈釉O(shè)備，同時(shí)各級網(wǎng)絡(luò)設(shè)備.VIAN進(jìn)行了技術(shù)隔離，所有設(shè)備通過中心交換設(shè)備進(jìn)行中轉(zhuǎn)，做到了信息可控，各子系統(tǒng)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)完全整合人中心節(jié)點(diǎn)，最大化進(jìn)行了數(shù)據(jù)共享和資源共享。

在已有的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)上，結(jié)合自身業(yè)務(wù)需求充分利用先進(jìn)的理念和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行了業(yè)務(wù)流的數(shù)據(jù)整合。對生產(chǎn)區(qū)域進(jìn)行分散部署無線熱點(diǎn)納入集控統(tǒng)一管理，可以容納多種智慧電站手持設(shè)備，生產(chǎn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)可及時(shí)地自動傳人系統(tǒng)，效率和及時(shí)性有了質(zhì)的飛躍，安全性和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的參照等級遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)電廠的數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)途徑甚至是各種人工手段。對于過于分散控制點(diǎn)數(shù)據(jù)采集，靈活運(yùn)用移動通信網(wǎng)絡(luò)，通過各大運(yùn)營商的數(shù)據(jù)網(wǎng)進(jìn)行傳輸，不僅解決了以往這部分?jǐn)?shù)據(jù)點(diǎn)無法與系統(tǒng)連接的弊端而且還做到了成本低、擴(kuò)展性好。

為了進(jìn)一步保障智慧電站的數(shù)據(jù)安全，在重要、核心節(jié)點(diǎn)上采用了冗余架構(gòu)，所有在線核心設(shè)備做到熱備份，所有數(shù)據(jù)做到冗余保護(hù)，同時(shí)考慮核心數(shù)據(jù)使用遠(yuǎn)程容災(zāi)、異地備份等解決方案，增強(qiáng)智慧電站整體架構(gòu)的健壯性，一旦有需要可以做到硬件設(shè)備熱切及時(shí)，系統(tǒng)中斷時(shí)數(shù)小、可用率高，數(shù)據(jù)恢復(fù)有保障。同時(shí)在遠(yuǎn)景規(guī)劃上，所有硬件設(shè)備都應(yīng)該做到有極佳的擴(kuò)展延續(xù)性，可平滑過渡到更新的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

在國電宿遷數(shù)字化智慧電站管控平臺建設(shè)過程中，需要全廠各部門、各崗位的人員全員參與。該平臺整合了電力生產(chǎn)大區(qū)和管理大區(qū)的各類業(yè)務(wù)，形成“生產(chǎn)大區(qū)智能化、管理大區(qū)智慧化”一體化解決平臺，該平臺協(xié)助國電宿遷電廠完成大數(shù)據(jù)的挖掘與分析，建設(shè)企業(yè)內(nèi)部的私有云環(huán)境，實(shí)現(xiàn)企業(yè)橫向、縱向的關(guān)鍵指標(biāo)對標(biāo)，對企業(yè)發(fā)展提供輔助決策依據(jù)。同時(shí)幫助國電宿遷電廠將分散的業(yè)務(wù)形式有機(jī)融合，形成真正的管控一體化體系。