淺談基于工程數(shù)字化技術(shù)的電廠智能化管理系統(tǒng)

曹慧文 張婷

【摘 要】文章對基于工程數(shù)字化設(shè)計技術(shù)的電廠智能化管理系統(tǒng)的研究和開發(fā)情況進行了介紹，包括系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)、研究思路，說明了系統(tǒng)的主要功能，針對不同的項目情況，提出了建議的實施路線。

【關(guān)鍵詞】發(fā)電工程;數(shù)字化;智慧電廠;管理系統(tǒng)

【中圖分類號】TM621 【文獻標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2020）12-0050-03

0 引言

隨著計算機技術(shù)的高速發(fā)展及發(fā)電行業(yè)對安全、經(jīng)濟運維水平要求的不斷提高，發(fā)電廠對業(yè)務(wù)及設(shè)備智能化管理的要求也在不斷提高。

面對能源優(yōu)化配置的新要求，“電廠智能化”已不單純是一個概念上的問題，電廠智能化管理系統(tǒng)的建設(shè)要充分了解國家各項政策，全面審視國內(nèi)外的宏觀發(fā)展環(huán)境，不斷進行技術(shù)革新，大力應(yīng)用智能化技術(shù)提高電廠管控水平，解決目前電廠面臨的各類問題，同時要積極學(xué)習(xí)和借鑒國內(nèi)外已建立智能化管理系統(tǒng)電廠的成功經(jīng)驗，建成電廠智能化管理系統(tǒng)，確保電力企業(yè)在新形勢、新技術(shù)、新管理、新挑戰(zhàn)、新機遇背景下創(chuàng)造更大價值。

1 電廠智能化管理系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)

電廠智能化管理系統(tǒng)，就是在工程數(shù)字化基礎(chǔ)上，利用過程控制系統(tǒng)積累的過程大數(shù)據(jù)，通過智能化硬件和網(wǎng)絡(luò)，基于信息物理系統(tǒng)（Cyber Phsical System，CPS）實現(xiàn)設(shè)備、數(shù)據(jù)、控制系統(tǒng)之間的橫向和縱向，以及端到端的集成整合，實現(xiàn)控制過程的智能化，達到人機互聯(lián)、自動識別、實時感知與智能控制;并在此基礎(chǔ)上運用信息和通信技術(shù)（Information and Communication Technology，ICT）實現(xiàn)電廠發(fā)電生產(chǎn)管理過程的智能作業(yè)，保證作業(yè)安全;利用各類大數(shù)據(jù)算法對電廠系統(tǒng)和設(shè)備運行過程產(chǎn)生的大數(shù)據(jù)進行智能分析，在傳統(tǒng)的設(shè)備監(jiān)視功能的基礎(chǔ)上發(fā)展到實現(xiàn)設(shè)備診斷、故障預(yù)測及控制干預(yù)，最終實現(xiàn)狀態(tài)檢修;通過對各類型生產(chǎn)、經(jīng)營數(shù)據(jù)的大數(shù)據(jù)集成分析，為實時決策提供數(shù)據(jù)支撐;通過建立各類設(shè)備故障問題庫、維修方法知識庫、遠程診斷專家?guī)?，實現(xiàn)精益生產(chǎn);最終形成一套智能化的管控系統(tǒng)，實現(xiàn)電廠的智能高效管理。

2 電廠智能化管理系統(tǒng)建設(shè)總體思路

以工程數(shù)字化設(shè)計為基礎(chǔ)，結(jié)合先進、成熟的企業(yè)管理理念，以經(jīng)濟效益為中心、以生產(chǎn)管理為主線、以設(shè)備管控為重點，融合嵌入式系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)、傳感器、云計算、移動應(yīng)用、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)，以數(shù)字化和信息化對電廠進行全生命周期管理。在此基礎(chǔ)上，實現(xiàn)設(shè)備的智能控制和系統(tǒng)運行優(yōu)化，基于大數(shù)據(jù)的計算模型可以對設(shè)備異常進行預(yù)判、報警，甚至自動控制和調(diào)整;實現(xiàn)管理的智能決策，通過大數(shù)據(jù)平臺，應(yīng)用決策支持系統(tǒng)，對信息資源進行分析和提煉，挖掘數(shù)據(jù)中的“隱性知識”，幫助解決復(fù)雜的決策問題。

3 電廠智能化管理系統(tǒng)功能

基于先進的設(shè)備和控制系統(tǒng)，在常規(guī)SIS、MIS的基礎(chǔ)上，在智能智慧管控上出重拳，通過全過程數(shù)字化移交、人員定位、三維建模、虛擬仿真、大數(shù)據(jù)分析、人工智能和移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)了高度智能的管控一體化平臺。系統(tǒng)主要功能包括以下幾個方面。

3.1 三維虛擬電廠和數(shù)字化移交

工程數(shù)字化是實現(xiàn)智能化的前提，通過工程數(shù)字化技術(shù)實現(xiàn)電廠物理對象的數(shù)字化，例如設(shè)備或設(shè)施的三維模型、空間信息、數(shù)字化參數(shù)等。

智慧電廠的數(shù)據(jù)積累始于設(shè)計階段，在建設(shè)物理電廠之前構(gòu)建虛擬電廠，通過仿真對工藝系統(tǒng)、設(shè)備選型進行優(yōu)化，避免投產(chǎn)后的技術(shù)改造，優(yōu)化電廠投資。

設(shè)計院負責(zé)電廠的數(shù)字化設(shè)計，形成包括工藝、結(jié)構(gòu)、電氣等多專業(yè)的全息數(shù)據(jù)模型。在電廠設(shè)計階段，依托數(shù)據(jù)模型進行碰撞檢測，避免返工;實現(xiàn)精細化設(shè)計，精準(zhǔn)控制材料數(shù)量，節(jié)省投資，降低造價。虛擬電廠還是“互聯(lián)網(wǎng)+安全生產(chǎn)管理系統(tǒng)”的基礎(chǔ)，傳承設(shè)計院三維設(shè)計成果。

基于資產(chǎn)全生命周期管理，將電廠設(shè)計期、基建期及建成后的運維數(shù)據(jù)文檔資料放入系統(tǒng)中，與電廠三維模型建立關(guān)聯(lián)，快速定位三維模型，并查閱各種技術(shù)資料。支持的文檔格式有Office文檔、PDF文檔、圖片、視頻等。實現(xiàn)了工程全過程的數(shù)字化移交。

3.2 一體化工程編碼

通過建立統(tǒng)一的電廠標(biāo)識系統(tǒng)，實現(xiàn)工程從設(shè)計、采購、施工到運行維護的一體化，可以減少溝通聯(lián)絡(luò)過程中數(shù)據(jù)傳遞不一致帶來的麻煩。對電廠所有對象進行統(tǒng)一編碼的過程也是實現(xiàn)電廠所有設(shè)備、儀表、閥門等對象數(shù)字化的過程，這是實現(xiàn)基于工程數(shù)字化技術(shù)的電廠智能化系統(tǒng)建設(shè)的基礎(chǔ)。

由于編碼與編碼庫是組織信息和實現(xiàn)集成的關(guān)鍵，因此需要整合目前較為分散的編碼標(biāo)準(zhǔn)，建立一套統(tǒng)一的符合工程設(shè)計、項目管理和生產(chǎn)運維要求的企業(yè)編碼體系和編碼規(guī)則，統(tǒng)一工程標(biāo)識編碼，建設(shè)工程材料編碼，促進應(yīng)用系統(tǒng)的集成和深化應(yīng)用，消除信息孤島。

為滿足數(shù)字化電廠運行和管理對設(shè)備編碼的要求，結(jié)合《電廠標(biāo)識系統(tǒng)編碼標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50549—2010），我們編寫了《發(fā)電工程KKS編碼實施細則》，對電廠所有系統(tǒng)和設(shè)備元件進行詳細的編碼。KKS標(biāo)識系統(tǒng)是針對電廠設(shè)備的工藝工程、相關(guān)位置、安裝地點等特征相關(guān)的編碼，它難以被應(yīng)用到需要表征物性特點的物資編碼中，所以需要進行物資編碼，我們以《電力行業(yè)物資編碼》為基準(zhǔn)，細化了物資編碼規(guī)則，在部件級做了必要的擴展，形成自身的物資編碼體系。

3.3 基于CPS的三維智能主動安全管理

電廠的安全管控主要包括設(shè)備安全和人員安全兩個方面。目前，電廠設(shè)備都已經(jīng)實現(xiàn)了數(shù)字化、自動化和信息化，對于設(shè)備的安全管控在手段和機制上已經(jīng)比較成熟。但是人員安全管控一直沒有突破，目前人員安全管控仍然是離線的、被動的和不可控的狀態(tài)，安全管理仍然采用以下方式：高度依賴于制度的培訓(xùn)和宣貫;高度依賴臨場人員的經(jīng)驗、自覺性、甚至精神狀態(tài);管理手段主要是反復(fù)強調(diào)，以及極低比例的現(xiàn)場抽查;無法做到每個點都安裝門禁，無法控制人員流動;無法實時阻止錯誤人員在錯誤的時間出現(xiàn)在錯誤的位置。

之所以保持這樣的狀態(tài)是因為缺少有效的手段為現(xiàn)場人員提供過程實時安全保障。只有將現(xiàn)場環(huán)境、設(shè)備對象、人員任務(wù)和位置、工器具、相關(guān)的安全措施和危險點等信息實時有機地融合為一體，才能為人員提供實時、有效、有針對性的安全保障。

通過利用電廠三維虛擬模型，應(yīng)用高精度定位技術(shù)、視頻識別技術(shù)、無線通信技術(shù)，集成各類設(shè)備臺賬、運行過程實時數(shù)據(jù)、工作票、操作票、巡檢系統(tǒng)等一系列設(shè)備運行和生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)，可以建設(shè)一個與電廠真實生產(chǎn)場景和生產(chǎn)流程完全一致的虛擬系統(tǒng)（CPS）。在虛擬系統(tǒng)中可以加入各類的安全數(shù)據(jù)，保證各類生產(chǎn)過程的安全可控。

此外，CPS平臺不僅能夠?qū)崿F(xiàn)主動安全防控，三維平臺更是一個生產(chǎn)管理業(yè)務(wù)的統(tǒng)一前端入口，包括但不限于設(shè)備臺賬查詢和維護、缺陷登記、兩票管理、物資申請、巡點檢任務(wù)下達等功能都可以在三維虛擬電廠模型中發(fā)起。主動安全在整個廠級應(yīng)用體系架構(gòu)作為安全主線為生產(chǎn)人員提供安全保障。

3.4 以可靠性為中心的設(shè)備維修管理（RCM）

目前，集團各個電廠設(shè)備管理主要基于專家經(jīng)驗和傳統(tǒng)的定檢定修模式，在電力市場競爭激烈的環(huán)境下，這種管理模式帶來了巨大檢維修資源和成本的浪費。更嚴重的是，基于這種傳統(tǒng)的管理模式，企業(yè)的數(shù)字化和智能化基礎(chǔ)薄弱，無法實現(xiàn)工業(yè)4.0科技時代下，向數(shù)字化和智能化電廠的轉(zhuǎn)型。RCM設(shè)備優(yōu)化管理是突破以上兩個困境的核心技術(shù)體系。

RCM設(shè)備優(yōu)化管理，從管理角度看，結(jié)構(gòu)化了整個企業(yè)資產(chǎn)管理的數(shù)字化，使得多個IT系統(tǒng)的分散數(shù)據(jù)，能夠統(tǒng)一在同一平臺，實現(xiàn)設(shè)備管理的“三預(yù)”（預(yù)測、預(yù)知、預(yù)防），在這個數(shù)字化的基礎(chǔ)上，應(yīng)用多種算法，提供設(shè)備管理專家和管理者需要的決策信息。從社會經(jīng)濟角度講，RCM設(shè)備優(yōu)化管理體系，將集團公司對國家、社會、民眾、股東承諾的設(shè)備資產(chǎn)安全運營、環(huán)保為重和實現(xiàn)高經(jīng)濟效益等多個經(jīng)營目標(biāo)，通過一套“RAM+RCM”的軟件平臺，轉(zhuǎn)化成每類設(shè)備和每套機組的設(shè)備管理檢測和維修策略，提升了企業(yè)抗風(fēng)險能力，同時通過提升設(shè)備檢測和維修的有效率，也提升了設(shè)備檢測和維修的投資回報。從技術(shù)角度來看，隨時間變化，設(shè)備健康狀態(tài)在變化，RCM是以設(shè)備健康狀態(tài)為中心，對設(shè)備管理檢測和維修計劃和點巡檢任務(wù)進行優(yōu)化，智能地推薦可能的故障模式和原因，發(fā)現(xiàn)設(shè)備管理的薄弱環(huán)節(jié)，減少備品備件的積壓，實現(xiàn)基于設(shè)備狀態(tài)的維修維護。

3.5 基于狀態(tài)監(jiān)測的設(shè)備智能故障預(yù)警

設(shè)備智能故障預(yù)警以人工智能診斷技術(shù)為基礎(chǔ)，以高水平診斷專家?guī)鞛橐劳?，實現(xiàn)發(fā)電廠系統(tǒng)級、設(shè)備級、部件級的故障預(yù)警分析，及早發(fā)現(xiàn)設(shè)備及部件可能存在的潛在故障信息，為運行、檢修專業(yè)人員提供安全早期報警，為檢修人員確定必要的檢修措施贏得時間，實現(xiàn)潛在故障的事前預(yù)防處理，將傳統(tǒng)被動故障事后處理改為事先主動預(yù)防控制，防止非停事故發(fā)生。系統(tǒng)應(yīng)包含數(shù)據(jù)管理、模型創(chuàng)建及訓(xùn)練、趨勢預(yù)警、集中預(yù)警信息處理等功能，所有功能模塊及應(yīng)用基于統(tǒng)一的系統(tǒng)軟件平臺進行開發(fā)配置，采用B/S架構(gòu)，用戶數(shù)應(yīng)能滿足公司的管理需求，尤其在多用戶并發(fā)訪問應(yīng)用時，應(yīng)用系統(tǒng)框架應(yīng)具備良好的穩(wěn)定性，業(yè)務(wù)必須保持正確性。

該系統(tǒng)應(yīng)充分利用大數(shù)據(jù)、人工智能等數(shù)字化新興技術(shù)。在建模方式上提供豐富的機器學(xué)習(xí)算法，保證系統(tǒng)的領(lǐng)先性與實用性。

3.6 智能培訓(xùn)

基于三維技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的仿真培訓(xùn)，學(xué)員可以在逼真的仿真環(huán)境中進行與現(xiàn)場幾乎完全一樣的操作，達到事半功倍的培訓(xùn)效果。此外，發(fā)揮培訓(xùn)平臺中的模型開放性和擴展性，可以在培訓(xùn)中心建立更多機組類型和設(shè)備的仿真機，讓更多學(xué)員在身臨其境的仿真環(huán)境中獲得專業(yè)提升和經(jīng)驗積累。本規(guī)劃分別從檢修、運行和“兩票”培訓(xùn)3個角度提供了智能培訓(xùn)方面的建設(shè)思路。

基于虛擬現(xiàn)實火力發(fā)電機組設(shè)備檢修工藝培訓(xùn)，能夠?qū)崿F(xiàn)智能培訓(xùn)考核及機組設(shè)備檢修工藝的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化管理，并保留傳統(tǒng)的培訓(xùn)考核功能?；谔摂M現(xiàn)實技術(shù)，可以利用軟件技術(shù)和平臺給受培訓(xùn)人員提供逼真的檢修環(huán)境，降低使用實際系統(tǒng)進行培訓(xùn)的硬件基礎(chǔ)和費用。

3.7 移動一體化平臺

移動一體化平臺是電廠一體化管控智能平臺管理系統(tǒng)建設(shè)的內(nèi)容之一，是將一體化平臺系統(tǒng)功能從桌面工作臺延伸到移動端，將系統(tǒng)的工作任務(wù)、通知公告推送到移動端，方便相關(guān)人員及時處理工作和接收通知。手機的便攜性使移動工作臺更貼近使用者，第一時間以提示消息的方式提醒用戶最新的工作任務(wù)和待辦事項。信息中心集中個人所有正在處理中的未完成業(yè)務(wù)和尚未開始的業(yè)務(wù)，方便用戶有序地管理工作進程。移動待辦也為移動審批業(yè)務(wù)提供提醒支持，主動提示最新需要處理的審批業(yè)務(wù)，促進各級審批流程更快地推進。通過進行專業(yè)化的開發(fā)，可以覆蓋所有重要的需要移動化的業(yè)務(wù)點。

4 實施路線

在晉能電力集團進行統(tǒng)一規(guī)劃和部署下，為了充分發(fā)揮集團的資源優(yōu)勢，同時兼顧各電廠的業(yè)務(wù)特點，建議電廠智能化工作遵循以下的實施路線。

（1）集團級平臺應(yīng)用和廠級應(yīng)用同步建設(shè)。在集團統(tǒng)一規(guī)劃框架下，集團級智能化平臺和廠級智能化平臺建設(shè)可以同步建設(shè)實施，以便固化和細化整體規(guī)劃的各項標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，在建設(shè)過程中不斷完善數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)信息縱向集成和橫向一體化、業(yè)務(wù)流程實現(xiàn)全面貫通。

（2）上下協(xié)調(diào)、齊心協(xié)力、分步實施、持續(xù)優(yōu)化。集團級智能化平臺建設(shè)要基于電力集團級應(yīng)用系統(tǒng)現(xiàn)有的信息化建設(shè)現(xiàn)狀，采用逐步過渡的方式升級到統(tǒng)一的集團大數(shù)據(jù)平臺中;各電廠可根據(jù)實際情況選擇不同的子項目分步開展建設(shè)，并在不違反整體規(guī)劃的前提下體現(xiàn)一定的電廠個性和特色，更好地滿足電廠級的各項工作需求。

（3）廠級建設(shè)的實施建議：集團統(tǒng)一規(guī)劃的智能化管理系統(tǒng)架構(gòu)及功能應(yīng)用。對于正處于基建期的新建電廠，要統(tǒng)一按集團規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)開展智能化立項和建設(shè);對于基建已完成新投運的電廠并已經(jīng)實施信息化相關(guān)系統(tǒng)建設(shè)的電廠，需對照集團整體規(guī)劃，將現(xiàn)有系統(tǒng)升級達到規(guī)劃中的廠級建設(shè)基本要求，同時能夠滿足集團規(guī)劃中的標(biāo)準(zhǔn)化的相關(guān)規(guī)范要求;對于已經(jīng)具有信息化基礎(chǔ)且運行期在2～10年的電廠，需要參照規(guī)劃選擇重要模塊有側(cè)重地逐步改造和更新，以最終達到集團規(guī)劃的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。

目前，系統(tǒng)的規(guī)劃和方案設(shè)計工作已經(jīng)完成，下一步將在試點工程中全面開展項目實施工作。

5 結(jié)語

電廠智能化管理系統(tǒng)是電廠向信息化、智能化發(fā)展的必然階段。通過建設(shè)電廠智能化管理系統(tǒng)，利用設(shè)備智能監(jiān)控技術(shù)和智能化的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)電廠運行過程的數(shù)據(jù)集成和智能處理，實現(xiàn)運行流程可視化、實現(xiàn)生產(chǎn)過程高度自控，并避免和減少了人工干預(yù)，從而構(gòu)建一個高效節(jié)能的、運行優(yōu)化的、環(huán)境舒適的人性化智能電廠。智能化管理系統(tǒng)的建設(shè)可以使電廠運行更安全、更高效、更綠色、更經(jīng)濟，必將在電廠生產(chǎn)運維中發(fā)揮越來越重要的作用。

參 考 文 獻

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