淺議智慧電廠建設(shè)

邵鳳文

摘 要：從概念入手，分析智慧電廠與常規(guī)電廠的聯(lián)系和區(qū)別，闡述了智慧電廠對(duì)管理的提升作用，并論述了智慧電廠的建設(shè)方案，供建設(shè)智慧電廠相關(guān)人員參考。

關(guān)鍵詞：智慧電廠；常規(guī)電廠；建設(shè)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.20.176

1 概念

《火力發(fā)電廠熱工自動(dòng)化術(shù)語(yǔ)》（DL/T 701-2012）對(duì)數(shù)字化電廠的描述分為三個(gè)層次：

（1）電廠數(shù)字化，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)及及微處理器技術(shù)把反映火電廠生產(chǎn)過(guò)程和管理過(guò)程的對(duì)象的現(xiàn)象、特征、本質(zhì)及規(guī)律的聲音、文字、數(shù)字、符號(hào)、圖形、和圖像等模擬信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息的過(guò)程。

（2）數(shù)字化電廠，是電廠數(shù)字化達(dá)到一定程度后的概念。電廠各級(jí)控制和管理系統(tǒng)均進(jìn)入數(shù)字化后稱為數(shù)字化電廠。

（3）電廠智能化，廣泛采用現(xiàn)代信息處理和通訊技術(shù)、智能傳感技術(shù)、智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)技術(shù)，以及智能控制方法和管理決策技術(shù)，最大限度達(dá)到火電廠安全、高效、環(huán)保運(yùn)行狀態(tài)的過(guò)程。

數(shù)字化電廠既不能簡(jiǎn)單歸結(jié)為一個(gè)軟件或系統(tǒng)，也非僅僅是一個(gè)項(xiàng)目，更是一種管理理論和方法，是數(shù)字化管理思想在發(fā)電行業(yè)的具體應(yīng)用，是互聯(lián)網(wǎng)思維在能源行業(yè)的具體應(yīng)用，也貼合“工業(yè)4.0”、“中國(guó)制造2025”等發(fā)展理念。

智慧電廠是在物理和數(shù)字化電廠的基礎(chǔ)上，通過(guò)建立先進(jìn)控制系統(tǒng)和安全高效網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和分析平臺(tái)及信息交流平臺(tái)，將相關(guān)制造、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行、維護(hù)、管理決策等互動(dòng)起來(lái)，用先進(jìn)管理理念和信息技術(shù)，就企業(yè)資源分析給出最合理的發(fā)電報(bào)價(jià)；就設(shè)備狀態(tài)給出最恰當(dāng)?shù)木S護(hù)指令；就工程建設(shè)進(jìn)度給出最合算的資金調(diào)配；從而使電廠建設(shè)、管理、運(yùn)營(yíng)和維護(hù)更加智慧，實(shí)現(xiàn)環(huán)境友好、發(fā)展持續(xù)的科學(xué)發(fā)展目標(biāo)，具有多點(diǎn)感知，全面互聯(lián)，智能分析等特點(diǎn)。

2 智慧電廠與常規(guī)電廠的聯(lián)系和區(qū)別

傳統(tǒng)電廠已經(jīng)建立了自動(dòng)化控制系統(tǒng)和信息化系統(tǒng)進(jìn)行日常生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)管理，但這種按“實(shí)物價(jià)值鏈”構(gòu)成的信息系統(tǒng)，其競(jìng)爭(zhēng)策略是提高營(yíng)運(yùn)效率。而基于“虛擬價(jià)值鏈”不只考慮自動(dòng)化，更關(guān)注信息的價(jià)值和靈活度，信息范疇不只是生產(chǎn)環(huán)節(jié)，而是覆蓋電廠壽命周期全過(guò)程、各環(huán)節(jié)。

大型電廠擁有比較完整的控制和信息系統(tǒng)，運(yùn)行控制DCS，事務(wù)辦理MIS，檢修維護(hù)有以設(shè)備為中心的EAM，分公司或集團(tuán)層面有以財(cái)務(wù)為核心的ERP，各司其職，DCS負(fù)責(zé)監(jiān)控、SIS負(fù)責(zé)監(jiān)管，MIS負(fù)責(zé)管理，那么智慧電廠相對(duì)常規(guī)電廠而言，其新穎在何處？簡(jiǎn)單而言，智慧電廠是常規(guī)電廠的升級(jí)。

2.1 DCS升級(jí)

智能儀表、現(xiàn)場(chǎng)總線及虛擬仿真等綜合技術(shù)對(duì)常規(guī)DCS進(jìn)行全面升級(jí)換代。

2.1.1 運(yùn)行全面數(shù)字化

要想全面數(shù)字化，必須建設(shè)先進(jìn)的自動(dòng)控制以及數(shù)字化信息管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)總體架構(gòu)分為三個(gè)層次，第一層是廠級(jí)信息管理層，第二層是過(guò)程控制層，第三層是現(xiàn)場(chǎng)測(cè)、控智能設(shè)備層。

現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備層，是數(shù)字化控制系統(tǒng)基礎(chǔ)部分，包括現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量?jī)x表、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、電動(dòng)閥門(mén)、電氣馬達(dá)控制器等均采用智能化設(shè)備，并以總線通訊的方式與控制系統(tǒng)連接，設(shè)備中大量的整定和維護(hù)信息通過(guò)數(shù)字化的現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)送入控制系統(tǒng)，從而讓運(yùn)行和維護(hù)管理人員更加方便、快捷、科學(xué)管理現(xiàn)場(chǎng)儀表和設(shè)備。通過(guò)智能管理系統(tǒng)對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)設(shè)備進(jìn)行預(yù)測(cè)性維護(hù)，對(duì)工藝系統(tǒng)和工藝設(shè)備的運(yùn)行工況進(jìn)行優(yōu)化，從而提高效率、降低能耗。

帶有現(xiàn)場(chǎng)總線功能的DCS系統(tǒng)，其意義在于大量現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備數(shù)字化狀態(tài)信號(hào)傳輸至數(shù)字化控制系統(tǒng)，通過(guò)設(shè)備的智能化管理改變維護(hù)策略，通過(guò)設(shè)備智能管理平臺(tái)的應(yīng)用，將傳統(tǒng)的被動(dòng)型維護(hù)模式轉(zhuǎn)變成主動(dòng)型維護(hù)模式，大量現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)信息為精益管理決策提供基礎(chǔ)和依據(jù)。

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，其根本出發(fā)點(diǎn)是讓電廠工藝流程的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備信息均實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，特別是來(lái)自基層控制級(jí)的信息可以及時(shí)、準(zhǔn)確掌握，是真正意義上的智能智慧電廠基石。

2.1.2 虛擬仿真與生產(chǎn)DCS結(jié)合

仿真技術(shù)的應(yīng)用系統(tǒng)，旨在解決長(zhǎng)期困擾電廠生產(chǎn)、運(yùn)行與管理中的難題-避免生產(chǎn)干擾，消除事故隱患，減少事故發(fā)生，降低運(yùn)行成本，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)運(yùn)行，提高整體經(jīng)濟(jì)效益。

在實(shí)際應(yīng)用中，為達(dá)到設(shè)計(jì)調(diào)試、人員培訓(xùn)、檢測(cè)診斷等系統(tǒng)應(yīng)用目標(biāo)，需將真實(shí)DCS在非DCS的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中以某種形式再現(xiàn)，DCS與虛擬仿真技術(shù)的混合應(yīng)用正是在這一客觀的需求背景下應(yīng)運(yùn)而生。

根據(jù)仿真機(jī)中分散控制系統(tǒng)（DCS）設(shè)備和功能的復(fù)制方式，可將仿真分為模擬、虛擬和全激勵(lì)三種方式。

2.2 MIS升級(jí)

由于電力生產(chǎn)的特殊性，有些事情采用現(xiàn)場(chǎng)管理反而會(huì)耽誤事情，需要遠(yuǎn)程及時(shí)解決，傳統(tǒng)MIS信息系統(tǒng)流轉(zhuǎn)的是枯燥的二維表單或流程，而解決問(wèn)題的最佳辦法是虛擬出空間場(chǎng)景，場(chǎng)景感是人類最好的工作和認(rèn)識(shí)模式，空間場(chǎng)景不僅僅是三維模型，還包涵可視化、信息化門(mén)戶，從而使MIS生動(dòng)起來(lái)。

2.2.1 基建MIS可視化管理

傳統(tǒng)基建MIS是被動(dòng)式的記錄信息、處理信息，智能基建MIS構(gòu)建了新一代基建MIS，具有模型化、專家化、知識(shí)化、模版化、智能化等特點(diǎn)。

對(duì)施工管理的支持，一是精益施工組織設(shè)計(jì)，不是簡(jiǎn)單的4D動(dòng)畫(huà)漫游，而是多維度、可視化、直觀模擬，不僅僅只考慮本身業(yè)務(wù)的組織設(shè)計(jì)，還結(jié)合大數(shù)據(jù)應(yīng)用，如考慮天氣等因素；二是精益材料管理，小到一個(gè)螺母，大到大宗設(shè)備，所有相關(guān)內(nèi)容均能快速瀏覽，材料分發(fā)與具體作業(yè)面、施工卷冊(cè)掛鉤，能隨時(shí)快速盤(pán)點(diǎn)庫(kù)存，材料管理整體有序、準(zhǔn)確、節(jié)約。

整個(gè)基建過(guò)程的活動(dòng)，信息系統(tǒng)均能自動(dòng)推送相關(guān)提醒，提示下一個(gè)階段工作內(nèi)容并給出專業(yè)建議。

2.2.2 生產(chǎn)MIS可視化管理

設(shè)備管理模塊或者圖檔管理以及兩票操作均可進(jìn)行可視化場(chǎng)景管理。將業(yè)務(wù)流程移植在三維虛擬門(mén)戶基礎(chǔ)上，利用可視化技術(shù)實(shí)現(xiàn)電廠業(yè)務(wù)+IT的全局可視化信息掌控，真正從業(yè)務(wù)源頭進(jìn)行管理，變被動(dòng)為主動(dòng)，涵蓋電廠全壽命周期，數(shù)據(jù)中心、安全管理、培訓(xùn)操作、節(jié)能環(huán)保、設(shè)備管理、燃料管理、生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)、決策管理等方面均可進(jìn)行可視化管理。endprint

2.3 SIS升級(jí)

SIS已經(jīng)向廣義概念發(fā)展，擴(kuò)展到發(fā)電企業(yè)集團(tuán)級(jí)和集團(tuán)科技中心級(jí)。從技術(shù)方面來(lái)看，火電廠實(shí)時(shí)生產(chǎn)過(guò)程的監(jiān)控模式幾乎沒(méi)有大的實(shí)質(zhì)性變化，運(yùn)行值班人員有數(shù)據(jù)，但沒(méi)有能力利用數(shù)據(jù)，相關(guān)數(shù)據(jù)不能順利到達(dá)最有效的專家手中處理。大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來(lái)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力以及數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)等正爆炸式發(fā)展，為我們提供了無(wú)限想象空間，火電廠實(shí)時(shí)生產(chǎn)過(guò)程信息化的廣度和深度取得了前所未有的發(fā)展。調(diào)整監(jiān)控模式，采用適當(dāng)值班，增加實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)挖掘和大數(shù)據(jù)分析人員，最終變班組考核機(jī)制為實(shí)時(shí)考核機(jī)制，通過(guò)技術(shù)手段來(lái)確保時(shí)刻優(yōu)化進(jìn)而增加電廠效益。

2.4 維修和維護(hù)系統(tǒng)的改進(jìn)升級(jí)

基于三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)的項(xiàng)目管理或基建體系對(duì)傳統(tǒng)的檢修管理提供可視化的項(xiàng)目管理、材料管理、虛擬檢修等功能，再加上基于云計(jì)算和大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)的設(shè)備故障診斷、趨勢(shì)預(yù)警應(yīng)用，這些對(duì)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)化檢修管理系統(tǒng)的補(bǔ)充和升級(jí)，能夠完美實(shí)現(xiàn)設(shè)備檢修導(dǎo)則所提倡的維護(hù)模式。

3 智慧電廠對(duì)提升管理水平的促進(jìn)作用

智慧電廠全方位促進(jìn)電廠管理水平的提升。

3.1 電廠運(yùn)行

由于多點(diǎn)感知，全面互聯(lián)，智能分析，準(zhǔn)確獲取全面信息的速度加快，使得電廠管理水平顯著提高。

更加先進(jìn)的控制系統(tǒng)必然減少日常維護(hù)人員，傳統(tǒng)運(yùn)行人員減少，高端復(fù)合人才要求增多，要求更多、更高水平的全能型值班員，運(yùn)行人員不但懂電廠知識(shí)還需要精通計(jì)算機(jī)技能。

采集數(shù)據(jù)量的增加必然會(huì)帶來(lái)管控模式的變化，例如國(guó)內(nèi)有電廠提出一控三中心的生產(chǎn)組織架構(gòu)，就是在嘗試?yán)砬迳a(chǎn)力與生產(chǎn)關(guān)系的匹配問(wèn)題。

在確保安全的前提下，不斷減員增效，管理水平自然不斷提高。

3.2 安防管理

數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)，三維工廠系統(tǒng)中輸入危險(xiǎn)源，人員定位，共同構(gòu)成實(shí)時(shí)虛擬三維工廠，危險(xiǎn)復(fù)雜區(qū)域機(jī)器人巡檢，移動(dòng)攝像頭隨時(shí)推送大修和臨時(shí)檢修現(xiàn)場(chǎng)圖片，使電廠安防管理更加科學(xué)、更加嚴(yán)格。

3.3 電廠檢維修

機(jī)器人巡檢危險(xiǎn)復(fù)雜區(qū)域，全面的物資管理、全面的設(shè)備壽命管理、趨勢(shì)預(yù)警、故障診斷等使電廠維護(hù)強(qiáng)度減輕、電廠檢修更加優(yōu)化，檢修向可靠性方向轉(zhuǎn)變。

3.4 基建管理

數(shù)字資產(chǎn)已被越來(lái)越重視，數(shù)字化設(shè)計(jì)、綜合交付管理、數(shù)字化移交，《發(fā)電工程數(shù)據(jù)移交》（GB_T 32575-2016）已正式頒發(fā)，間接證明數(shù)據(jù)移交的必要性已成為行業(yè)基本共識(shí)。

協(xié)同設(shè)計(jì)、4D施工模擬、精益材料管理、遠(yuǎn)程終端等使設(shè)計(jì)過(guò)程完全透明，基建各方時(shí)刻掌控所需信息，進(jìn)而為科學(xué)決策帶來(lái)可靠依據(jù)。

3.5 人員培訓(xùn)

在不影響電廠生產(chǎn)的情況下，全面解決員工培訓(xùn)體系的變化，培訓(xùn)體系發(fā)生了重大變化。

虛擬仿真體系，全激勵(lì)式仿真，解決了運(yùn)行人員的培訓(xùn)，而三維虛擬電廠，虛擬檢修和電廠認(rèn)識(shí)培訓(xùn)，VR以及AR等技術(shù)手段，使電廠各級(jí)人員和設(shè)備檢維修管理人員培訓(xùn)效果得以保證，并且不影響實(shí)際生產(chǎn)。

3.6 電廠決策管理

信息全面，更加智能，決策更加科學(xué)，使電廠管理者從解決日常戰(zhàn)術(shù)問(wèn)題中解脫出來(lái)，更多時(shí)間來(lái)思考企業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略。

4 智慧電廠建設(shè)方案探討

智慧電廠的建設(shè)分為新建工程、老廠改造兩類整體解決方案，所有解決方案均有軟硬件投入要求。

智慧電廠的基礎(chǔ)是海量數(shù)據(jù)，如何管理這些大數(shù)據(jù)？由于云技術(shù)資源豐富、動(dòng)態(tài)伸縮、綜合性價(jià)比高等特點(diǎn)，電力企業(yè)紛紛改擴(kuò)建或建立自己的數(shù)據(jù)中心，中心既可承擔(dān)基礎(chǔ)架構(gòu)、平臺(tái)、軟件等服務(wù)，又可承擔(dān)大數(shù)據(jù)綜合分析利用等功能，在降低IT運(yùn)行成本的同時(shí)，還能輔助企業(yè)高效運(yùn)轉(zhuǎn)。

4.1 新建工程

實(shí)施關(guān)鍵在于“提高認(rèn)識(shí)、統(tǒng)一規(guī)劃，執(zhí)行有力，驗(yàn)收把關(guān)”。

對(duì)于數(shù)字化電廠當(dāng)中的重要基礎(chǔ)功能包——虛擬數(shù)字化三維工廠可由設(shè)計(jì)單位來(lái)承擔(dān)，隨著《發(fā)電工程數(shù)據(jù)移交》國(guó)標(biāo)的實(shí)施，設(shè)備制造單位、設(shè)計(jì)、施工等單位越來(lái)越重視將過(guò)程成果轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)化、可視化數(shù)據(jù)，隨著智能制造的推進(jìn)，設(shè)備制造單位將逐步向設(shè)計(jì)院提供精細(xì)化的設(shè)備來(lái)縮短整體設(shè)計(jì)時(shí)間，非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)也會(huì)被集成到虛擬工廠門(mén)戶系統(tǒng)當(dāng)中，這些都會(huì)被視為數(shù)字資產(chǎn)，供日后運(yùn)行維護(hù)管理、新進(jìn)員工培訓(xùn)等反復(fù)使用。

除建設(shè)常規(guī)的控制及信息系統(tǒng)外，還需重視門(mén)戶系統(tǒng)的信息集成，將分散在多個(gè)系統(tǒng)或終端當(dāng)中的數(shù)據(jù)集中到一個(gè)窗口或應(yīng)用當(dāng)中。

如采用機(jī)器人巡檢，主廠房布置時(shí)要規(guī)劃巡檢通道。

4.2 老廠改造

老廠而言，通過(guò)無(wú)人機(jī)或者激光掃描裝置等構(gòu)建三維虛擬工廠是可行的技術(shù)方案。

改造現(xiàn)有信息門(mén)戶，將MIS、SIS、DCS等系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成到三維虛擬工廠門(mén)戶，信息高度集中。

結(jié)合已有功能對(duì)SIS進(jìn)行升級(jí)改造，利用云和大數(shù)據(jù)技術(shù)建設(shè)新的設(shè)備故障、針對(duì)診斷、趨勢(shì)預(yù)警、性能分析等模塊，為電廠更經(jīng)濟(jì)運(yùn)行保駕護(hù)航。

云和大數(shù)據(jù)利用方面，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳、決策樹(shù)、粗集等算法中以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)比較適合，規(guī)模較大的電廠都會(huì)建設(shè)私有云，而中小型企業(yè)建議租用公有云服務(wù)來(lái)節(jié)省成本。

4.3 智慧電廠建設(shè)模塊

智慧電廠建設(shè)涉及到眾多方面，可結(jié)合自身情況，量力投入，按模塊投入，比如，三維工程平臺(tái)、生產(chǎn)控制模塊、生產(chǎn)管理模塊、智能廠區(qū)、數(shù)據(jù)中心等。

5 結(jié)論及展望

數(shù)據(jù)是信息系統(tǒng)的源泉，但報(bào)表復(fù)雜枯燥，管理者很難了解大量、長(zhǎng)串的設(shè)備名稱與具體的資產(chǎn)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，更難了解和追溯設(shè)備資產(chǎn)的變動(dòng)情況，在此情況下，企業(yè)管理者很難保證數(shù)據(jù)中心設(shè)備資產(chǎn)能夠物盡其用。因此，需要企業(yè)有統(tǒng)一的規(guī)劃平臺(tái)，全面實(shí)施數(shù)字化、信息化、智能化管理，管控一體化，進(jìn)而衍進(jìn)到智慧管理的境界。

智慧電廠深刻影響電廠的運(yùn)行、檢修和經(jīng)營(yíng)等多個(gè)層面，它與現(xiàn)有的數(shù)字化電廠高度融合，與DCS、SIS、MIS和仿真高度相關(guān)，不僅是一套獨(dú)立信息系統(tǒng)，更是高效管理的實(shí)踐應(yīng)用。

相對(duì)于基建、本體設(shè)備等方面的投資，智慧電廠的投資比重要小得多，但是先進(jìn)的自動(dòng)化、信息技術(shù)在減少建設(shè)成本、運(yùn)行維修費(fèi)用、提高管理工作效率和科學(xué)決策方面起著非常重要的作用，具有較高的投資價(jià)值。

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