O智能發(fā)電運(yùn)行控制技術(shù)

崔青汝，朱子凡

O智能發(fā)電運(yùn)行控制技術(shù)

崔青汝1，朱子凡2

（1.國家能源投資集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100034；2.北京國電智深控制技術(shù)有限公司，北京 102200）

目前國內(nèi)的各個發(fā)電廠已在不同程度上完成了數(shù)字化和信息化改造，但現(xiàn)在的數(shù)字化和信息化發(fā)電廠和智能電廠相比還存在一定差距。本文從智能發(fā)電對于火力發(fā)電機(jī)組的必要性出發(fā)，闡明智能發(fā)電廠的建設(shè)是發(fā)電廠發(fā)展的必然趨勢，并且結(jié)合發(fā)電廠現(xiàn)狀，總結(jié)了智能發(fā)電控制技術(shù)的3個特點(diǎn)，提出一種智能發(fā)電運(yùn)行控制技術(shù)應(yīng)用架構(gòu)，并列舉其在發(fā)電廠的實際功能應(yīng)用，有效保障機(jī)組高效、靈活、環(huán)保地運(yùn)行。

發(fā)電廠；智能發(fā)電；智能控制；技術(shù)架構(gòu)：智能管控：能效分析：能效閉環(huán)

我國的能源消費(fèi)總量連續(xù)多年位居世界前列，據(jù)國家統(tǒng)計局初步核算，2017年能源消費(fèi)總量為標(biāo)準(zhǔn)煤44.9億t，比2016年增長2.9%[1]。其中傳統(tǒng)煤炭的消費(fèi)比重為60.4%，在國民經(jīng)濟(jì)中仍占據(jù)重要地位[1]。針對我國逐年上漲的能源需求，以及提高能源利用率和減輕環(huán)境污染的發(fā)展戰(zhàn)略，2015年國家戰(zhàn)略《中國制造2025》發(fā)布，與發(fā)電行業(yè)密切相關(guān)的制造業(yè)明確提出要“以加快新一代信息技術(shù)與制造業(yè)深度融合為主線，以推進(jìn)智能制造為主攻方向”[2-3]，基于信息物理系統(tǒng)的智能裝備、智能工廠等智能制造正在引領(lǐng)制造方式變革，并通過“三步走”實現(xiàn)制造強(qiáng)國的戰(zhàn)略目標(biāo)[2-3]。2016年我國在《關(guān)于推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源發(fā)展的指導(dǎo)意見》中明確提出促進(jìn)能源和信息深度融合以及“智慧建設(shè)”“智能發(fā)電”的概念[4-6]。

通過近些年信息技術(shù)、通信技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和控制技術(shù)的不斷發(fā)展，國內(nèi)的各個發(fā)電廠在不同程度上完成了數(shù)字化和信息化改造，但也必須清醒地認(rèn)識到現(xiàn)在的數(shù)字化和信息化發(fā)電廠離真正的智能化電廠還存在一些差距，主要反映在以下5個方面[7-9]。

1）安全生產(chǎn)要求日趨嚴(yán)格，現(xiàn)有電廠安全管理手段不能滿足安全生產(chǎn)要求?，F(xiàn)階段，主要依靠管理制度和人員監(jiān)督進(jìn)行安全生產(chǎn)管理，對人員的主觀意識依賴性較強(qiáng)。隨著工業(yè)信息化逐漸 深入，工控系統(tǒng)信息安全要求越來越高，系統(tǒng)自身信息安全防護(hù)能力需要全面提升，才能避免出現(xiàn)安全生產(chǎn)問題。

2）生產(chǎn)控制環(huán)節(jié)僅停留在數(shù)字化和信息化階段，現(xiàn)代智能技術(shù)應(yīng)用不多。當(dāng)前外部負(fù)荷需求多變，要求火電機(jī)組大量參與深度負(fù)荷調(diào)節(jié)，復(fù)雜工況下鍋爐燃燒、風(fēng)煙、汽水、環(huán)保等分系統(tǒng)的運(yùn)行適應(yīng)性不能滿足要求。關(guān)鍵參數(shù)控制品質(zhì)差已成為制約當(dāng)前機(jī)組靈活調(diào)峰能力的重要因素，而靈活性正是火電機(jī)組智能化的重要組成部分。生產(chǎn)控制環(huán)節(jié)的智能化直接關(guān)系火電機(jī)組的運(yùn)行效能[10-12]。

3）基礎(chǔ)設(shè)備和機(jī)組控制設(shè)備的數(shù)字化、智能化程度不夠，無法滿足數(shù)據(jù)分析與數(shù)據(jù)挖掘需求。智能傳感器和智能調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)數(shù)量的不足，導(dǎo)致對重要設(shè)備的檢測控制過于粗放。發(fā)電廠內(nèi)仍然存在大量自動化、信息化孤島，各系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)和信息難以在廠區(qū)范圍內(nèi)順暢流動。數(shù)據(jù)資源分散，缺乏連貫性，管理與運(yùn)行人員很難從冗雜的數(shù)據(jù)中得到有用的信息并做出正確決策[7]。

4）燃料管理方面，現(xiàn)代智能技術(shù)應(yīng)用較少，控制水平與管理水平尚有較大提升空間?；痣姀S燃料主要以煤炭為主，燃料成本占火電廠總成本的70%~80%[13]，火電廠燃料管理在燃料入廠斗輪機(jī)無人控制堆取物料、運(yùn)煤信息自動采集、汽車運(yùn)煤實時檢測煤質(zhì)、精準(zhǔn)配煤等方面均需要進(jìn)一步實現(xiàn)智能化管理。隨著高科技、智能化的發(fā)展，使用智能監(jiān)控輔助人工生產(chǎn)，智能化管控企業(yè)生產(chǎn)中的相關(guān)細(xì)節(jié)，跟蹤實時數(shù)據(jù)，可以有效減少危險發(fā)生，優(yōu)化生產(chǎn)過程，提高工作效率[14-15]。

5）企業(yè)經(jīng)營管理方面，全局?jǐn)?shù)據(jù)分析與最優(yōu)資源配置能力尚待完善。發(fā)電企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益是企業(yè)運(yùn)營的核心內(nèi)容。隨著電力體制改革的不斷深入，國家去產(chǎn)能政策等影響，發(fā)電企業(yè)經(jīng)營管理也面臨嚴(yán)峻形勢，急需建設(shè)智能化利潤分析及決策系統(tǒng)，提升管理水平，降本增效，提高企業(yè)競爭力。

因此，建設(shè)更加清潔、高效、可靠的智能火電廠是傳統(tǒng)燃煤電廠在電力行業(yè)新形勢下發(fā)展的必然趨勢，也是新時代智能火電廠建設(shè)的必然要求。充分運(yùn)用大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、移動應(yīng)用、人工智能等技術(shù)，將電力工業(yè)技術(shù)與電子信息技術(shù)、企業(yè)管理技術(shù)高度融合，使發(fā)電生產(chǎn)實現(xiàn)自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)、自趨優(yōu)、自恢復(fù)、自組織，促進(jìn)電力生產(chǎn)更安全、更高效、更清潔、更低碳、更靈活，進(jìn)一步提升質(zhì)量效益，增強(qiáng)核心競爭力。

1 智能發(fā)電運(yùn)行控制技術(shù)特點(diǎn)

現(xiàn)階段大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、移動應(yīng)用、人工智能等技術(shù)的應(yīng)用正處于蓬勃發(fā)展階段，然而發(fā)電廠運(yùn)行控制仍處于最基本的數(shù)字化和信息化階段，并沒有有效地利用當(dāng)今不斷發(fā)展的新技術(shù)，發(fā)電廠智能化還處于較低的水平。結(jié)合當(dāng)前我國火電機(jī)組的現(xiàn)狀和當(dāng)前智能化發(fā)展，所謂智能發(fā)電運(yùn)行控制技術(shù)應(yīng)具備以下特點(diǎn)[16]：

1）應(yīng)整合全廠的生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)，提供全廠一體化監(jiān)控的基礎(chǔ)平臺。廣泛收集過程數(shù)據(jù)并進(jìn)行集中高效地存儲、梳理和通用計算，為生產(chǎn)過程深度分析及指導(dǎo)全廠運(yùn)行控制提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；

2）應(yīng)在全廠統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺上，提供豐富的智能算法及其應(yīng)用環(huán)境供運(yùn)行控制調(diào)用，能完成包含機(jī)器學(xué)習(xí)、能效計算、運(yùn)行優(yōu)化、智能控制等各種生產(chǎn)環(huán)節(jié)的計算，并且能夠提供數(shù)據(jù)分析訓(xùn)練；

3）應(yīng)在底層控制器和上層應(yīng)用軟件層面均提供高度開放的接口供第三方調(diào)用。這樣可使其更加專注于專業(yè)技術(shù)核心功能的研究，并充分保護(hù)其知識產(chǎn)權(quán)，推動先進(jìn)技術(shù)研究的良性發(fā)展。

2 智能發(fā)電運(yùn)行控制技術(shù)架構(gòu)

智能發(fā)電運(yùn)行控制技術(shù)架構(gòu)如圖1所示，可以用“1、2、3”來概括。

“1”是指一套統(tǒng)一的底層生產(chǎn)數(shù)據(jù)匯聚和計算中心。由一套高性能實時歷史站為核心，搭配多臺計算服務(wù)器形成集群計算架構(gòu)，對全廠生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)、工業(yè)物聯(lián)數(shù)據(jù)、設(shè)備資料信息等感知信息進(jìn)行統(tǒng)一高效地梳理、存儲和發(fā)布，為智能分析和控制打好堅實基礎(chǔ)。

“2”是指兩大技術(shù)序列，分別是“先進(jìn)控制技術(shù)序列”和“數(shù)據(jù)分析技術(shù)序列”。前者采用經(jīng)典和現(xiàn)代控制理論和技術(shù)，完成生產(chǎn)過程的機(jī)理分析、建模和先進(jìn)控制；后者采用智能數(shù)據(jù)分析算法，如數(shù)據(jù)挖掘、機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)算法等，從數(shù)據(jù)分析角度對機(jī)組運(yùn)行工況進(jìn)行建模和深層信息提取，給出基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的優(yōu)化建議。

“3”是指三大功能群組，分別是“智能診斷與預(yù)警功能群”“智能運(yùn)行與控制優(yōu)化功能群”“智能安全管控功能群”。“智能診斷與預(yù)警功能群”主要提供機(jī)組運(yùn)行中系統(tǒng)或設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷、故障根源分析與預(yù)警的一套智能化功能群組，保障機(jī)組運(yùn)行的高可靠性；“智能運(yùn)行與控制優(yōu)化功能群”主要提供對機(jī)組運(yùn)行過程的智能分析、智能優(yōu)化指導(dǎo)和先進(jìn)控制，研究如何“讓更少的煤發(fā)更多的電”；“智能安全管控功能群”主要采用現(xiàn)代智能技術(shù)手段有效識別存在的危險因素，防止操作失誤，規(guī)避潛在風(fēng)險，讓技術(shù)保障成為安全管控的有力工具，進(jìn)一步提升安全管理水平。

圖1 智能發(fā)電運(yùn)行控制技術(shù)架構(gòu)

3 智能發(fā)電運(yùn)行控制技術(shù)應(yīng)用

3.1 智能診斷與預(yù)警

當(dāng)前，機(jī)組大型化和復(fù)雜化，加之報警系統(tǒng)設(shè)計隨意性較大，產(chǎn)生的報警數(shù)據(jù)中存在大量的冗余和虛假信息[17]，成為無效的滋擾報警，而真正有效的報警信息淹沒其中，異常情況發(fā)生時運(yùn)行人員無法第一時間發(fā)現(xiàn)報警和定位報警源頭，或者報警信號產(chǎn)生時留給運(yùn)行人員應(yīng)急處理時間太短，造成非停事故。

為了提高火電機(jī)組報警的可靠性、智能性、易用性，北京國電智深控制技術(shù)有限公司設(shè)計并研發(fā)了一套適于現(xiàn)有火電機(jī)組的智能報警系統(tǒng)（圖2）。其主要通過自動或者運(yùn)行人員手動抑制一些無效的冗余滋擾報警（圖3），將真正有效的報警體現(xiàn)出來。并通過數(shù)據(jù)訓(xùn)練得到重要參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值，對參數(shù)進(jìn)行預(yù)警，使運(yùn)行人員能夠提前發(fā)現(xiàn)異常。高效智能化的報警系統(tǒng)能確保報警的展現(xiàn)方式和負(fù)荷不超過運(yùn)行員的處理能力，有助于操作人員快速識別關(guān)鍵報警，及時采取積極的措施。

圖2 智能報警系統(tǒng)界面

圖3 冗余滋擾抑制界面

智能報警系統(tǒng)還可以利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行分類、回歸、聚類等數(shù)據(jù)模式識別，利用因果圖、知識圖譜技術(shù)實現(xiàn)故障診斷與異常狀況的根源自動分析，依靠服務(wù)器的超強(qiáng)計算能力覆蓋大范圍數(shù)據(jù)，為運(yùn)行員提供全面解讀特征信息的可能性，實現(xiàn)基于數(shù)據(jù)的智能報警和預(yù)警。

應(yīng)用智能報警系統(tǒng)，電廠關(guān)鍵設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、關(guān)鍵參數(shù)的實時值、變量趨勢由智能算法實時監(jiān)控，在無需提高運(yùn)行員經(jīng)驗值和反應(yīng)速度的前提下大幅提升對故障工況的預(yù)測、識別、定位、處理能力，顯著提高機(jī)組的監(jiān)控品質(zhì)。智能報警系統(tǒng)投運(yùn)后，以330 MW機(jī)組為例，預(yù)計能為機(jī)組每年減少1~2次非停損失，為電廠減少約200萬元/年的停機(jī)損失。

3.2 機(jī)組能效實時分析和智能操作指導(dǎo)

在生產(chǎn)實時控制層面，配置機(jī)組在線能效實時分析和性能診斷、智能操作指導(dǎo)功能。采用基于機(jī)組汽水分布方程、系統(tǒng)功率方程、系統(tǒng)吸熱方程等系統(tǒng)工程計算方法，以及熱力學(xué)機(jī)理建模仿真配合數(shù)據(jù)驅(qū)動校正的混合建模方法，建立全面、精確、直觀地反映廠級、機(jī)組級、分系統(tǒng)級、設(shè)備級的多層次立體式能效分析體系，直觀展示從機(jī)組到設(shè)備的性能指標(biāo)和能損分布狀況（圖4），明確給出不同工況下的節(jié)能降耗潛力和最佳控制目標(biāo)。

圖4 機(jī)組性能指標(biāo)界面

以能效計算結(jié)果為基礎(chǔ)，系統(tǒng)應(yīng)用數(shù)據(jù)挖掘、機(jī)器學(xué)習(xí)和自尋優(yōu)算法，實時給出當(dāng)前工況下的最優(yōu)操作目標(biāo)值和最優(yōu)運(yùn)行方式，推薦給一線運(yùn)行人員，同時還可應(yīng)用智能語音運(yùn)行助手的方式，提高人機(jī)交互的智能化水平[18-19]。

智能操作指導(dǎo)可提供制粉、燃燒、蒸汽溫度、吹灰、噴氨、冷端系統(tǒng)、最佳氧量以及滑壓指令偏置等一系列閉環(huán)優(yōu)化指導(dǎo)建議，運(yùn)行人員可根據(jù)建議自動或手動改變控制回路設(shè)定值和運(yùn)行方式，使機(jī)組能效逐步趨優(yōu)?？刂苹芈份o以系統(tǒng)辨識、先進(jìn)控制（預(yù)測控制、自抗擾、自適應(yīng)等）算法進(jìn)行控制性能優(yōu)化。二者結(jié)合，形成發(fā)電生產(chǎn)過程的“能效大閉環(huán)”過程控制，既實現(xiàn)控制性能優(yōu)化，又減小或消除機(jī)組、設(shè)備的運(yùn)行能耗偏差，使機(jī)組運(yùn)行效率時刻保持最優(yōu)。

3.3 協(xié)調(diào)與控制優(yōu)化

采用先進(jìn)控制算法，優(yōu)化機(jī)爐協(xié)調(diào)控制策略及控制參數(shù)，提升機(jī)組主/再熱蒸汽溫度、主蒸汽壓力控制品質(zhì)和負(fù)荷響應(yīng)速度，滿足AGC、一次調(diào)頻、靈活性調(diào)峰的要求。采用復(fù)雜過程建模方法、軟測量、廣義預(yù)測、內(nèi)模、系統(tǒng)辨識、PID自整定等先進(jìn)控制技術(shù)，結(jié)合精準(zhǔn)能量平衡控制，自動適應(yīng)不同工況、煤質(zhì)及工藝系統(tǒng)特性的變化，增強(qiáng)機(jī)組寬范圍的負(fù)荷調(diào)節(jié)能力和AGC控制的品質(zhì)[20-22]。

同時，對鍋爐送風(fēng)、制粉系統(tǒng)、主/再熱蒸汽溫度、吹灰、冷端系統(tǒng)等設(shè)計控制優(yōu)化策略（圖5），全面有效提升機(jī)組運(yùn)行和控制品質(zhì)。

圖5 控制優(yōu)化界面

3.4 智能安全管控

火電企業(yè)日益大型化和復(fù)雜化，為保證生產(chǎn)中人員和設(shè)備的安全，已在運(yùn)行規(guī)程、生產(chǎn)管理、安全教育等環(huán)節(jié)進(jìn)行了大量的歸納總結(jié)、優(yōu)化完善工作，但多是依靠制度、教育和人的自覺自律。智能安全管控研究采用現(xiàn)代智能技術(shù)手段有效識別存在的危險因素，防止操作失誤，規(guī)避潛在風(fēng)險，讓技術(shù)保障成為安全管控的有力工具，提升安全管理水平。

信息安全管控具備網(wǎng)絡(luò)管控、設(shè)備加固、安全審計等功能，可以提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，杜絕控制系統(tǒng)因病毒、非法入侵、第三方系統(tǒng)故障等原因?qū)е碌墓收习l(fā)生，降低因控制系統(tǒng)問題導(dǎo)致的停機(jī)、降負(fù)荷等事故的發(fā)生。

信息安全管控具備生產(chǎn)大區(qū)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部入侵檢測、主機(jī)加固、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)監(jiān)管、安全審計和惡意代碼防護(hù)等功能，使發(fā)電廠的生產(chǎn)系統(tǒng)安全防護(hù)措施達(dá)到國家監(jiān)管部門對發(fā)電企業(yè)的硬性要求。其采用主動網(wǎng)絡(luò)信息探測和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備安全強(qiáng)化相結(jié)合的安防技術(shù)和方法，通過層層主動監(jiān)管、整體協(xié)作，組成一個完整的多層次的網(wǎng)絡(luò)安全系統(tǒng)，為智能發(fā)電平臺提供安全可靠的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行環(huán)境，保證業(yè)務(wù)的連續(xù)性和數(shù)據(jù)安全性。通過DCS主機(jī)操作系統(tǒng)安全防護(hù)、網(wǎng)絡(luò)邊界的安全防護(hù)、DCS網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的主動安全防護(hù)，構(gòu)建第二代DCS網(wǎng)絡(luò)安全管控平臺。主要包括DCS專用網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)控平臺、DCS關(guān)鍵設(shè)備和節(jié)點(diǎn)操作系統(tǒng)安全加固相關(guān)產(chǎn)品、研發(fā)DCS安全審計平臺。實現(xiàn)從操作系統(tǒng)到DCS控制器的全自主安全可控，確保DCS內(nèi)部通信數(shù)據(jù)經(jīng)過合法審核，成為具有最高等級的信息安全強(qiáng)化型DCS。

4 結(jié) 語

智能發(fā)電運(yùn)行控制技術(shù)目的是在安全運(yùn)行的前提下，保障機(jī)組高效、靈活、環(huán)保運(yùn)行。其通過能效實時計算得到煤耗、熱耗率、耗差、鍋爐效率等性能實時指標(biāo)，經(jīng)過多目標(biāo)尋優(yōu)等算法得到最優(yōu)控制目標(biāo)值，為運(yùn)行人員提供最優(yōu)的運(yùn)行指導(dǎo)建議，使用預(yù)測控制、系統(tǒng)辨識等智能控制算法及策略，對機(jī)組進(jìn)行高品質(zhì)的控制，保持過程全局的最優(yōu)狀態(tài)，由信息安全管控提供全系統(tǒng)的信息安全保障，最終實現(xiàn)生產(chǎn)過程的“能效大閉環(huán)”。

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Operation control technology for intelligent power generation

CUI Qingru1, ZHU Zifan2

(1. CHN Energy Investment Group Co., Ltd., Beijing 100034, China; 2. Beijing GuoDianZhiShen Control Technology Co., Ltd., Beijing 102200, China)

Recently, although various power plants all over the country have completed the reform in digitalizing and promotion of information technology in different levels, neither of them is real intelligence-oriented. This paper starts from the necessity of smart power generation upon thermal power plants and makes a clarification of the fact that construction of smart generation power plants is an evitable trend combining with the current situation of power plants. Then, it summarizes the required features of smart generation technology and puts forward one kind of practical frame of smart generation technology by illustrating its functional application in power plants. Through the application of smart generation technologies, the whole production process forms a closed loop, which ensures the units be operated in highly efficiency, flexibly and environmentally in force.

power plant, intelligent power generation, intelligent control, technical architecture, intelligent management and control, energy efficiency analysis, energy efficiency closed-loop

TM611

A

10.19666/j.rlfd.201812225

2018-12-28

崔青汝(1970—)，男，碩士，高級工程師，主要研究方向為自動控制技術(shù)，12000142@chnenergy.com.cn。

崔青汝, 朱子凡. 智能發(fā)電運(yùn)行控制技術(shù)[J]. 熱力發(fā)電, 2019, 48(9): 28-33. CUI Qingru, ZHU Zifan. Operation control technology for intelligent power generation[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(9): 28-33.

（責(zé)任編輯 杜亞勤）