大數(shù)據(jù)智能控制一體化平臺及其體系架構

郭亦文，耿林霄，胡 勇，高 林，鄭 西

大數(shù)據(jù)智能控制一體化平臺及其體系架構

郭亦文1，耿林霄1，胡 勇2，高 林1，鄭 西2

（1.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054；2.國電黃金埠發(fā)電有限公司，江西 上饒 334000）

本文通過分析智能優(yōu)化控制技術的發(fā)展及其實施現(xiàn)狀，提出大數(shù)據(jù)智能控制一體化平臺的構想，指出該平臺需要具備標準的智能控制技術實施規(guī)范、可靠的數(shù)據(jù)采集技術、多模塊協(xié)作共享、靈活的擴展能力、合理的硬件擴展設備成本、良好的升級基礎等特點。同時結合智能電廠系統(tǒng)架構模型，提出大數(shù)據(jù)智能控制一體化平臺的體系架構。該體系架構分為現(xiàn)場設備、控制系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)通信鏈路、智能控制以及智能監(jiān)控5個層級，并對各層級的功能進行了詳細分析。該一體化平臺對于推進發(fā)電機組智能化建設具有重要意義。

智能發(fā)電；智能控制技術；大數(shù)據(jù)；一體化平臺；體系架構

隨著數(shù)字化、信息化技術的飛速進步，大數(shù)據(jù)與人工智能等依賴大量數(shù)據(jù)與計算的新技術在工業(yè)領域得到快速發(fā)展[1]。受限于分散控制系統(tǒng)（DCS）的封閉性等原因，發(fā)電機組的智能化建設依然落后于工業(yè)過程控制新技術的進展[2]。由于缺乏統(tǒng)一、安全、規(guī)范的智能控制實施平臺，導致現(xiàn)有的先進控制技術不得不采用獨立外掛控制器的方式，控制器質量及實施水平較低。不同的智能控制技術實施方式不但導致各控制回路無法實現(xiàn)協(xié)同合作，而且造成資源浪費，同時也增加了系統(tǒng)的不確定風險點以及維護成本。因此，發(fā)電行業(yè)亟待推出一套完整、規(guī)范的大數(shù)據(jù)智能控制一體化平臺，使之能涵蓋未來人工智能、大數(shù)據(jù)、云平臺的應用場景，以滿足未來多元化的智能控制需求[3]。

基于此，本文通過分析智能控制技術的發(fā)展及升級需求，綜合對比當前智能控制技術的實施現(xiàn)狀，以智能電廠系統(tǒng)架構模型為框架，結合一體化平臺的特性，提出了大數(shù)據(jù)智能控制一體化平臺的體系架構。

1 大數(shù)據(jù)智能控制一體化平臺

1.1 智能優(yōu)化控制技術

在煤質頻繁波動、運行負荷偏低以及需要大幅度升降負荷的工況下，為了提高發(fā)電機組運行效率，進一步挖掘機組非額定工況下的節(jié)能減排潛力，一些以模糊控制、神經網絡控制、多目標非線性預測控制、狀態(tài)觀測器等算法為核心的智能優(yōu)化控制技術應運而生[4]。

以智能協(xié)調優(yōu)化控制技術為代表，智能燃燒優(yōu)化控制技術、智能吹灰優(yōu)化控制技術、智能脫硝控制技術以及智能壁溫超溫預警技術等新型智能控制技術在近兩年得到大規(guī)模應用，其投資小、靈活性高、見效快等優(yōu)點也受到發(fā)電行業(yè)的普遍好評[5]。隨著大數(shù)據(jù)、人工智能等技術在工業(yè)領域發(fā)展日漸成熟，煤質在線智能校正技術、風煤水智能協(xié)同優(yōu)化技術等依賴大數(shù)據(jù)分析的前沿性技術課題的研發(fā)工作也迫在眉睫[6]。實現(xiàn)當前智能控制技術的多元化整合，并在整合基礎上實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲與平臺多方位擴展的需求，已成為目前發(fā)電機組智能優(yōu)化控制技術應用及升級改造所面臨的問題[7]。

1.2 智能優(yōu)化控制技術實施現(xiàn)狀

當前發(fā)電機組智能控制系統(tǒng)主要以DCS為控制核心，以智能執(zhí)行機構、擴展智能變送器以及智能優(yōu)化算法庫等資源為輔助[8]。在此智能化建設原則的基礎上，各智能優(yōu)化控制技術普遍采用外掛可編程控制器（PLC）的控制方式，該控制方式承擔數(shù)據(jù)處理和智能計算功能，并將智能結果通過Modbus/OPC/總線等通信方式送入DCS直至執(zhí)行器，以此實施智能控制。

在智能控制技術開展初期，由于該技術普遍不被接受，因此項目實施數(shù)量較少，主要以獨立控制器的方式開展。隨著電力行業(yè)智能化升級改造工作的逐步深入，利用智能控制技術提高發(fā)電機組的綜合效率逐漸成為行業(yè)的普遍共識[9-10]。目前，智能控制技術常以打包的方式開展，同一機組多項智能控制技術同時實施已成為常態(tài)。在智能控制技術項目全面開展的同時，一些在獨立項目應用中被隱藏的技術阻礙也逐漸顯露，譬如：重復性的硬件設備導致項目執(zhí)行成本偏高；不同控制器之間難以實現(xiàn)數(shù)據(jù)協(xié)同共享導致項目執(zhí)行效率較低；控制器的通信配置受限于機組停機時間，導致項目執(zhí)行周期較長；不同項目的實施規(guī)范不同導致機組的安全風險增加[11-12]。

因此，為了能在更好地整合智能控制技術的基礎上進一步提高智能控制技術的實施效率，亟需一套涵蓋通信、計算、管理和監(jiān)督的一體化平臺。該平臺應具有適合智能電站應用場合的平臺架構，為智能控制技術的應用提供成熟、穩(wěn)定的實施環(huán)境。

1.3 大數(shù)據(jù)智能控制一體化平臺特點

1）標準的智能控制技術實施規(guī)范 作為發(fā)電機組智能化建設項目的實施載體，大數(shù)據(jù)智能控制一體化平臺應具備統(tǒng)一的智能控制技術實施規(guī)范。該規(guī)范應從技術前期實施、中期調試、后期維護以及未來擴展4個方面做統(tǒng)一規(guī)劃，以提高項目的施工管理效率，統(tǒng)一規(guī)避安全風險。

2）可靠的數(shù)據(jù)采集技術 數(shù)據(jù)采集技術作為大數(shù)據(jù)智能控制一體化平臺數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮诵募夹g，其可靠性將直接影響智能控制技術的研發(fā)與應用。在成熟、穩(wěn)定的通信協(xié)議（Modbus/OPC/總線等）基礎上，可靠的數(shù)據(jù)采集技術不但應包含完備的安全防護措施和合理的通信指標評價體系，也應包含高效的事故預處理方案等，這將為大數(shù)據(jù)智能控制一體化平臺的實施、推廣及升級改造工作提供扎實的技術保障。

3）多模塊協(xié)作共享 為完成多元化智能控制項目的技術整合工作，大數(shù)據(jù)智能控制一體化平臺應該為各類型控制技術提供具備獨立運算能力的核心處理控制器?？刂破鲬捎貌⒙?lián)的硬件結構布置方式，彼此間相互獨立互不干擾。以并聯(lián)式硬件結構作為基礎，大數(shù)據(jù)智能控制一體化平臺應在控制中間層設置共享網絡結構，該層網絡作為數(shù)據(jù)交互橋梁，不但能實現(xiàn)多控制器多模塊之間的信息交匯共享，也能為平臺的控制級及監(jiān)控級提供一個有效的通信鏈接途徑。

4）靈活的擴展能力 為了提高大數(shù)據(jù)智能控制一體化平臺的擴展能力，其硬件結構應在并聯(lián)方式的基礎上涵蓋標準化的實施接口及項目拓展端口，并針對這些接/端口設計一套完整的接口組態(tài)軟件，使得項目的擴展不受機組運行狀況及并行項目工程進度的影響，滿足現(xiàn)有機組多方位的智能化建設需求。

5）合理的硬件擴展設備成本 與靈活的拓展能力相結合，大數(shù)據(jù)智能控制一體化平臺應在保障通信穩(wěn)定、計算高效的基礎上盡量剝除重復的硬件設備，使智能控制技術項目的硬件搭建過程冗余較少，插件或設備的重復利用率較高，確保智能控制技術項目合理的利潤空間。

6）良好的升級基礎 由于大數(shù)據(jù)智能控制一體化平臺架構必須能夠涵蓋未來人工智能、大數(shù)據(jù)、云平臺等應用場景，因此為了保證大數(shù)據(jù)智能控制一體化平臺未來技術升級改造的可持續(xù)性，平臺在滿足現(xiàn)有智能控制技術整合需求的基礎上，還應配備具有可擴展能力的大數(shù)據(jù)存儲服務器。該服務器應能提供更高效的大數(shù)據(jù)處理和存儲服務，使大數(shù)據(jù)智能控制一體化平臺能夠真正發(fā)揮一體化智能控制的優(yōu)勢與潛力。

綜上所述，大數(shù)據(jù)智能控制一體化平臺能夠在整合現(xiàn)有智能控制技術的基礎上滿足發(fā)電機組未來多元化的升級發(fā)展需求，將是提高發(fā)電機組乃至電力行業(yè)智能化升級改造進程的有效手段。

2 平臺體系架構

2.1 智能電廠系統(tǒng)體系架構

以“工業(yè)4.0”架構模型為基礎，參考中國智能制造系統(tǒng)架構《中國制造2025》總體部署規(guī)劃[13]，智能電廠系統(tǒng)體系架構如圖1所示。

圖1 智能電廠系統(tǒng)體系架構

智能電廠系統(tǒng)體系架構可分為生命周期、系統(tǒng)和智能功能3個層級[14]。生命周期層級包含電廠資產從規(guī)劃、設計、制造、安裝調試到維護、消亡等一系列過程。系統(tǒng)層級代表發(fā)電過程的結構層級劃分，具體包括設備及電力系統(tǒng)層、監(jiān)控層、車間層、電廠層及互聯(lián)世界層，主要用來相對精準地描述電廠的資產以及資產的組合體，因此與實際的物理電廠層級并無一一對應關系。智能功能層級包含執(zhí)行、通信、信息、功能及業(yè)務共5層智能化要求。該層級覆蓋人工智能（AI）、信息、通信、技術（ICT）、MT等先進技術，能夠使電廠的運行和管理具有自決策、自學習、自適應等智能功能，具有較高的靈活性與魯棒性。

當前，國內絕大多數(shù)發(fā)電機組都已經實現(xiàn)了初步的信息化，但在智能電廠的建設過程中，智能功能層級的建設進度卻較緩慢，尤其在通信、信息和功能3個領域仍然具有很大的進步空間。

1）通信層即通過有線或無線媒介，實現(xiàn)電廠內各資源之間全方位的集成與交互功能。由于該層級不但需要貫穿設備層、監(jiān)控層、控制系統(tǒng)層、車間層等不同的縱向層面，也需要橫跨感知、執(zhí)行、信息等多方位功能與業(yè)務，因此其連貫性、兼容性及穩(wěn)定性是該層級智能化建設的關鍵[15]。從當前的智能化電廠實施現(xiàn)狀可以看出，現(xiàn)場絕大多數(shù)智能設備僅使用其常規(guī)功能，這造成了資源的浪費，也影響了通信鏈路由下至上的完整性即連貫性，底層設備信息由于通信層阻礙缺乏有效的二次開發(fā)和利用[16]。擴展設備的通信實施規(guī)范與實施方式缺乏統(tǒng)一規(guī)劃，導致通信層的兼容性及穩(wěn)定性受到極大影響，最終造成數(shù)字化通信層的建設工作無法貫穿始末。

3）功能層包括電廠資產的全部邏輯、功能和服務，該層級從信息層獲取信息，并將決策執(zhí)行信息通過信息層傳遞給執(zhí)行器。智能功能層級的建設著重于功能層的智能化模塊設計與開發(fā)，并將智能化模塊進行整合，最終實現(xiàn)智能控制策略的應用與發(fā)展。目前大多數(shù)發(fā)電機組的功能層僅為技術實施人員提供基礎的模塊開發(fā)和組合環(huán)境，底層編程語言環(huán)境（C、C++、類C等）的缺失導致神經網絡控制、廣義預測控制（GPC）等依賴于編程語言結構的智能控制算法難以完成編譯及調試工作，這嚴重影響了智能控制模塊的設計與實施進度。

因此，未來的發(fā)電機組智能化建設工作應著力解決通信、信息和功能這三個領域的技術難點，從而進一步推進智能電廠的升級改造進程。

2.2 大數(shù)據(jù)智能控制一體化平臺體系架構

圖2為大數(shù)據(jù)智能控制一體化平臺體系架構，分為現(xiàn)場設備、控制系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)通信鏈路、智能控制以及智能監(jiān)控5個層級。

圖2 大數(shù)據(jù)智能控制一體化平臺體系架構

2.2.1現(xiàn)場設備層

現(xiàn)場設備層包括總線智能執(zhí)行器、總線智能傳感器以及傳統(tǒng)I/O設備。該層能夠充分收集現(xiàn)場設備的各類診斷信息，包含但不限于設備性能信息、設備健康信息以及設備維護信息等，為智能控制層提供執(zhí)行依據(jù)。

2.2.2控制系統(tǒng)層

控制系統(tǒng)層包括各大主流控制系統(tǒng)，是由過程控制級和過程監(jiān)控級組成的以通信網絡為紐帶的多級計算機系統(tǒng)，它綜合了計算機、通信、顯示和控制等4C技術，能夠為大數(shù)據(jù)智能控制一體化平臺體系架構的大數(shù)據(jù)通信鏈路層提供過程數(shù)據(jù)，并將智能控制層的控制指令下達至現(xiàn)場設備層，完成控制的實施過程。

2.2.3大數(shù)據(jù)通信鏈路層

在核設施的輻射防護上，起初認為只要保護了人類，也就保護了其他物種。1976年，國際原子能機構(IAEA)明確提出非人類物種的保護問題，1990年國際放射防護委員會(ICRP)提出的在保護人類的同時還需要保護人類賴以生存和發(fā)展的其他生物的輻射防護觀點逐漸為人們所認可。因此，從保護環(huán)境、維持生物多樣性的角度，需要評價核設施對于生物的輻射影響。國外在該方面進行了較多的研究，并研發(fā)了專門軟件，得到了廣泛應用。

與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)信息不同的是，發(fā)電機組的數(shù)據(jù)來源廣泛，其中一部分來源于現(xiàn)場生產設備監(jiān)測數(shù)據(jù)，另一部分來源于設備管理、物資管理等經營管理數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)類型涵蓋數(shù)字、文檔和圖片，采樣頻率周期也從秒級跨越至年級。這類來源分散、數(shù)據(jù)量大、相互關系復雜的數(shù)據(jù)構成發(fā)電機組大數(shù)據(jù)結構的底層基礎，結合當前數(shù)據(jù)處理分析技術與智能電廠的特點，大數(shù)據(jù)通信鏈路層應涵蓋高速通信控制站、大數(shù)據(jù)存儲服務器以及大數(shù)據(jù)實時通信網絡三大部分。

1）高速通信控制站 高速通信控制站包括大數(shù)據(jù)采集技術、硬件通信設備/工具以及配套的防護軟件三大部分。大數(shù)據(jù)采集技術針對多元化的大數(shù)據(jù)結構特征，應分為離線數(shù)據(jù)的批量采集技術以及在線數(shù)據(jù)的實時采集技術。不同負荷段的機組配風狀況、環(huán)保出口NO含量時均值等批量離散數(shù)據(jù)可依靠Pentaho Kettle這類開源ETL軟件進行數(shù)據(jù)采集，而機組實際負荷、分離器出口壓力等在線數(shù)據(jù)則主要依靠硬件通信設備完成實時傳輸過程。這些硬件設備囊括傳統(tǒng)的I/O插件，也包含EtherNet、Modbus、PLC集成CPU等高速通信設備。為了保證大數(shù)據(jù)智能控制一體化平臺在大數(shù)據(jù)采集過程中的安全性及規(guī)范性，高速通信控制站的配套防護軟件應該包括完備的功能體系，即具備故障預警功能、故障診斷功能、預防通信阻塞功能以及裝置切換保護功能等。在安全防護措施完備的基礎上，智能控制站針對通信質量也應具備合理的指標評價體系，包含但不限于通信質量查驗功能、通信時間統(tǒng)計功能以及通信穩(wěn)定性估算功能等。高速通信控制站作為大數(shù)據(jù)通信鏈路層的底層結構基礎，能夠為智能控制層提供長期有效的數(shù)據(jù)支撐。

2）大數(shù)據(jù)存儲服務器 作為大數(shù)據(jù)通信鏈路層級的中間結構層，大數(shù)據(jù)存儲服務器主要滿足大數(shù)據(jù)智能控制一體化平臺對于大數(shù)據(jù)的存儲及處理需求。與傳統(tǒng)的結構化數(shù)據(jù)不同，發(fā)電機組的大數(shù)據(jù)類型涉及廣泛，圖片、音/視頻以及地理信息等各類非結構化數(shù)據(jù)已成為需要存儲和處理的海量數(shù)據(jù)的重要組成部分。在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫（面向結構化數(shù)據(jù)）的存儲容量、處理能力以及擴展能力無法滿足當前存儲要求的前提下，基于NoSQL數(shù)據(jù)庫的分布式存儲方式很好地解決這些問題。該方式采用可擴展的系統(tǒng)結構，充分利用多臺存儲服務器分擔存儲任務，利用位置服務器定位存儲信息，不但提高了系統(tǒng)的可靠性，也提高了存儲效率。存儲類型既包含以Hbase數(shù)據(jù)庫為基礎的列存儲，也包含以Dynamo系統(tǒng)為基礎的鍵值對存儲以及以HDFS文件系統(tǒng)為基礎的分布式文件存儲等，可以滿足多元化數(shù)據(jù)的存儲需求。為適應這種分布式數(shù)據(jù)存儲方式，發(fā)電機組大數(shù)據(jù)處理服務器可以選擇相對廉價的型號以降低硬件投入成本，通過構建分布式數(shù)據(jù)處理計算系統(tǒng)作為整體解決方案，其處理場景可以按照批處理、流處理和內存計算三類模式分別選取Map Reduce、Storm和Spark三類成熟的軟件，用以高效地完成海量大數(shù)據(jù)的處理工作，為大數(shù)據(jù)智能控制一體化平臺未來的升級改造工作提供良好的技術支撐。

3）大數(shù)據(jù)實時通信網絡 大數(shù)據(jù)實時通信網絡作為連接通信鏈路層和智能控制層的橋梁，承擔著智能數(shù)據(jù)交互的功能。作為大數(shù)據(jù)通信鏈路層的最上層結構基礎，實時通信網絡采用令牌與主從輪詢相結合的存取方式為智能控制層的設備提供數(shù)據(jù)支持。智能設備擁有均等的數(shù)據(jù)共享權，如果遇到特殊需求，實時通信網絡也可以設置優(yōu)先級，以滿足工程項目的實際需求。不同類型的智能控制設備可以利用大數(shù)據(jù)實時通信網絡實現(xiàn)數(shù)據(jù)協(xié)作共享，如智能協(xié)調控制系統(tǒng)可利用智能燃燒配風系統(tǒng)的優(yōu)化數(shù)據(jù)完成風煤的合理配比控制，智能噴氨脫硝控制也可以參考智能燃燒器擺角數(shù)據(jù)提高NO排放控制精度。擴展設備也可以充分利用該網絡避免與同級設備或控制系統(tǒng)級進行直接的通信連接，進而能夠大規(guī)模簡化拓展項目的實施流程，縮短實施周期。

2.2.4智能控制層

智能控制層包括但不限于智能控制器、工控服務器以及拓展控制器等設備。該層作為大數(shù)據(jù)智能控制一體化平臺的核心處理器層，承擔了大多數(shù)的智能算法處理工作。智能控制層的設計不但可以允許拓展設備隨時通過標準化的實施接口及項目拓展端口接入智能控制層，與同級設備共同利用大數(shù)據(jù)通信鏈路層的實時通信網絡進行數(shù)據(jù)共享，也可以剝除拓展設備的底層通信插件設備，使拓展項目的硬件結構簡化至具備組網接口的核心控制器，降低了項目成本。這一特性可為大數(shù)據(jù)智能控制一體化平臺的靈活性擴展能力提供有效的技術支撐，也可為平臺未來的技術升級改造提供優(yōu)良的底層結構基礎。

2.2.5智能監(jiān)控層

智能監(jiān)控層即指智能監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)用于監(jiān)測大數(shù)據(jù)智能控制一體化平臺的執(zhí)行效能，并為發(fā)電機組現(xiàn)場設備提供在線故障診斷以及狀態(tài)檢修指導。該層能夠充分利用控制平臺的高速通信控制站對SIS、MIS、物資管理、檢修管理等各類數(shù)據(jù)進行采集，通過關聯(lián)分析各類型設備的設計參數(shù)與性能試驗指標，結合設備實際變化趨勢，對機組環(huán)保設施和高耗能設備進行性能評估與預測。并在此基礎上計算機組的優(yōu)化空間以及節(jié)能減排潛力[17]，以及一些綜合設備管理系統(tǒng)中的超溫報警、超壓報警、超速報警及跳閘報警等數(shù)據(jù)，也能夠對關鍵運行設備進行可靠性和安全性動態(tài)評估，從而減小機組爆管、結渣以及環(huán)保指數(shù)超標等現(xiàn)象的發(fā)生，為今后評估機組調峰能力以及開展相關節(jié)能技術提供有效依據(jù)。

3 結 語

為了加快電力行業(yè)的智能化升級改造進程，本文對大數(shù)據(jù)智能控制一體化平臺及其體系架構進行了解析。參考當前智能技術項目的實施方式，對大數(shù)據(jù)智能控制一體化平臺的特性進行了界定。以智能電廠系統(tǒng)體系架構為基礎，并充分結合大數(shù)據(jù)智能控制一體化平臺特性，對該平臺的體系架構進行了分級闡述，以推進智能控制技術在電力行業(yè)中的推廣應用，對于構建綠色、經濟、環(huán)保的能源產業(yè)結構具有重大意義。

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Big data intelligent control integration platform and its architecture

GUO Yiwen1, GENG Linxiao1, HU Yong2, GAO Lin1, ZHENG Xi2

(1. Xi’an Thermal Power Research Institute Co., Ltd., Xi’an 710054, China; 2. Guodian Huangjinbu Power Plant Co., Ltd., Shangrao 334000, China)

Through analyzing the development and implementation status of intelligent optimization control technology, this paper puts forward the conception of big data intelligent control integrated platform. It points out that this platform needs to have the characteristics of standard intelligent control technology implementation specification, reliable data acquisition technology, multi-module cooperative sharing, flexible expansion ability, reasonable hardware expansion equipment cost and good upgrade foundation. Moreover, combining with the architecture model of smart power plant, it proposes the architecture of intelligent integrated control platform based on big data, which is divided into five levels including field equipment, control system, big data communication link, intelligent control and intelligent monitoring. Each level's function is investigated in detail. This platform has great significance for improving the intelligent construction process of power plants.

smart power generation, intelligent optimization technology, big data, integrated control platform, system architecture

TM621

A

10.19666/j.rlfd.201907142

2019-07-05

郭亦文(1990—)，女，碩士，工程師，主要研究方向為熱工自動化技術，guoyiwen@tpri.com.cn。

郭亦文, 耿林霄, 胡勇, 等. 大數(shù)據(jù)智能控制一體化平臺及其體系架構[J]. 熱力發(fā)電, 2019, 48(9): 22-27. GUO Yiwen, GENG Linxiao, HU Yong, et al. Big data intelligent control integration platform and its architecture[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(9): 22-27.

（責任編輯 杜亞勤）