智慧電廠關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

葉康利

[摘 ? ?要]發(fā)電廠作為能源系統(tǒng)的重要組成部分，信息技術(shù)和智能化程度都很高。融合大數(shù)據(jù)和云技術(shù)等現(xiàn)代信息技術(shù)的智慧電廠將是發(fā)電廠未來發(fā)展的重要方向?；谙冗M技術(shù)和設(shè)備的智慧電廠具有信息采集、匯總、分類、分析等功能，不僅可以實現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場無人化，還可以數(shù)據(jù)共享、遠程專家診斷等功能。本文探討了智慧電廠關(guān)鍵技術(shù)目前的發(fā)展現(xiàn)狀和智慧電廠未來的發(fā)展趨勢。

[關(guān)鍵詞]智慧電廠;信息化;智能化

[中圖分類號]TU855 [文獻標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2020）05–00–03

Development Status and Development Trend of Key Technologies of Smart Power Plant

Ye Kang-li

[Abstract]As an important part of energy system， power plant has a high degree of information technology and intelligence.Smart power plants integrating modern information technologies such as big data and cloud technology will be an important direction for the future development of power plants.The intelligent power plant based on advanced technology and equipment has the functions of information collection， summary， classification and analysis.It can not only realize unmanned production site， but also can share data and remote expert diagnosis.This paper discusses the current development status of key technologies of smart power plant and the future development trend of smart power plant.

[Keywords]smart power plant; informatization; intellectualization

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，國家環(huán)保標(biāo)準越來越嚴格，在節(jié)能、降耗、減排政策的驅(qū)動下，對發(fā)電企業(yè)管理模式和技術(shù)方面提出了更為嚴苛的要求，將傳統(tǒng)發(fā)電技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、智慧智能發(fā)電措施相結(jié)合，構(gòu)建節(jié)能減排的新發(fā)展模式，能夠有效地提升電廠核心競爭力。

智慧電廠是由先進信息化和智能化技術(shù)與電廠高度融合發(fā)展的產(chǎn)物。智慧電廠具有智能化、互聯(lián)化的特點，智慧電廠通過以太網(wǎng)、現(xiàn)場總線等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將電廠企業(yè)生產(chǎn)的各個過程進行銜接，使用云計算、大數(shù)據(jù)等先進技術(shù)進行數(shù)據(jù)的收集、分析、處理，數(shù)據(jù)高效集成，便于業(yè)務(wù)形態(tài)的聯(lián)合以及管理者做出相應(yīng)的決策和措施。在智能化能源開發(fā)的背景下，智慧電廠很好地結(jié)合了智能發(fā)電技術(shù)，成為目前互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的重要組成部分。目前，智慧電廠相關(guān)技術(shù)還不成熟，國內(nèi)的相關(guān)研究則以技術(shù)體系研究為主，部分關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用也已逐步深入，技術(shù)發(fā)展進步顯著。

1 ?智慧電廠組成

如圖1所示是智慧型電廠的主要組成，包括了智能設(shè)備層、智能控制層、智能生產(chǎn)監(jiān)管層和智慧管理層，這四層構(gòu)架構(gòu)成智慧電廠的體系框架[1]，實現(xiàn)業(yè)務(wù)協(xié)同、統(tǒng)一管理。

智能設(shè)備層是智慧電廠的構(gòu)成基礎(chǔ)，作為工業(yè)控制領(lǐng)域的基礎(chǔ)，智能設(shè)備層主要由數(shù)字智能儀表和智能設(shè)備組成。智能儀表支持豐富的設(shè)備數(shù)據(jù)類型，高精度的數(shù)據(jù)采集，大量的現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)，使得智能DCS或自動化設(shè)備的改造得以實現(xiàn)，也為電廠生產(chǎn)經(jīng)營管理決策提供了數(shù)據(jù)依據(jù)[2-3]。在目前智能化過渡階段，部分設(shè)備仍將繼續(xù)使用傳統(tǒng)儀表進行測量，以提供相對穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)監(jiān)控服務(wù)。

智能控制層相當(dāng)于整個電廠的中樞神經(jīng)系統(tǒng)，在傳統(tǒng)的分布式控制系統(tǒng)（DCS）和現(xiàn)場總線系統(tǒng)（FCS）等現(xiàn)場控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)系統(tǒng)間的互聯(lián)和控制[4]。同時，不同控制網(wǎng)絡(luò)之間，通過以太網(wǎng)實現(xiàn)信息互聯(lián)，確保電廠各部分實現(xiàn)信息互傳?，F(xiàn)有的成熟技術(shù)可以實現(xiàn)發(fā)電廠現(xiàn)場系統(tǒng)運行和并網(wǎng)控制，可大大提高設(shè)備狀態(tài)管理水平和操作設(shè)備的安全性和可靠性，減少工作量，并降低運營成本。

智能生產(chǎn)監(jiān)管層是一個基于所有控制網(wǎng)絡(luò)的面向生產(chǎn)管理和運行監(jiān)測的信息控制系統(tǒng)。在該層中，實現(xiàn)數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)計算以及數(shù)據(jù)監(jiān)視的功能，為全廠的生產(chǎn)及管理提供綜合優(yōu)化服務(wù)，以便于管理者掌握全廠各個設(shè)備的運行質(zhì)量和經(jīng)濟效益。

智慧管理層通過大數(shù)據(jù)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)生產(chǎn)全過程的實時監(jiān)測與控制，該層包括數(shù)據(jù)分析中心、人財物管理信息以及各個業(yè)務(wù)流程的一體化信息系統(tǒng)[5-6]。

2 ?智慧電廠的關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用

2.1 ?智能控制技術(shù)應(yīng)用

風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等可再生能源發(fā)電技術(shù)還不成熟，且容易受到地域和季節(jié)等因素的影響，具有明顯的不確定性。如圖2所示，根據(jù)國家能源局發(fā)布2019年全國電力工業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，目前我國在役機組中燃煤機組占據(jù)了近60%的裝機容量，加上我國能源儲存結(jié)構(gòu)具有富煤、貧油、少氣的特點，決定了未來很長一段時間內(nèi)燃煤機組依然會是中國發(fā)電市場的主力軍。目前，燃煤機組依然長期占據(jù)著基荷機組的地位，在大規(guī)模調(diào)峰和調(diào)頻中扮演著重要角色。然而，數(shù)據(jù)顯示燃煤機組平均利用小時數(shù)在不斷下降，甚至很多機組長期處于低負荷運行狀態(tài)，經(jīng)濟效益不理想[7]。智能燃燒優(yōu)化控制技術(shù)是基于先進的智能算法和檢測技術(shù)，不斷優(yōu)化各項參數(shù)，實現(xiàn)燃燒的智能控制，提升機組的發(fā)電效率，以取得更多的經(jīng)濟效益。

目前廣泛使用的煤辨識和燃燒優(yōu)化技術(shù)具體有以下幾個方面：首先，通過控制含氧量、煤的分布和節(jié)流閥的開度等，建立各自簡化的燃燒數(shù)字模型，對鍋爐的運行進行優(yōu)化控制。此外，利用煤質(zhì)在線監(jiān)測技術(shù)，了解煤燃燒狀態(tài)參數(shù)，結(jié)合鍋爐運行參數(shù)，實現(xiàn)鍋爐效率的準確計算。并利用煤粉在線檢測，明確目前燃燒煤粉的床層燃燒情況，動態(tài)控制磨煤細度和出口溫度。調(diào)整和優(yōu)化煤粉的具體粘結(jié)狀態(tài)，提高整體運行水平。最后，使用免疫遺傳算法優(yōu)化模型，獲得最優(yōu)的參數(shù)信息，優(yōu)化和改善整個燃燒過程，提高鍋爐運行效率。

2.2 ?智能預(yù)警技術(shù)應(yīng)用

智能檢測技術(shù)通過將三維建模與先進的檢測技術(shù)和定位技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)發(fā)電廠三維可視化。該技術(shù)不僅可以監(jiān)測發(fā)電廠生產(chǎn)現(xiàn)場的各種細節(jié)，還可以提高發(fā)電廠檢測的智能化程度[8]。智能預(yù)警技術(shù)是將智能檢測技術(shù)與大數(shù)據(jù)相結(jié)合，通過對實時參數(shù)的計算分析，及時發(fā)現(xiàn)電廠運行中存在的隱患和故障，并激活報警系統(tǒng)，能夠有效地減少機組設(shè)備的故障以及其他潛在風(fēng)險。

運用智能預(yù)警技術(shù)可以在線監(jiān)控所有系統(tǒng)和設(shè)備的情況，不僅可以監(jiān)視各種工作流程，還可以在事故發(fā)生前檢測到異常問題并報告。發(fā)現(xiàn)異常問題時，能夠提供異常趨勢和相關(guān)參數(shù)，協(xié)助處理異常問題，提升設(shè)備的安全性和可靠性。比如利用在線監(jiān)控系統(tǒng)進行鍋爐設(shè)備的監(jiān)控，可以清晰及時地反映出鍋爐內(nèi)部的運行情況，確保鍋爐系統(tǒng)能夠正常運作。

2.3 ?智能巡檢技術(shù)應(yīng)用

隨著定位技術(shù)、傳感器技術(shù)、機器人技術(shù)和圖像識別技術(shù)等先進技術(shù)不斷發(fā)展創(chuàng)新，在智慧電廠建設(shè)中，廣泛地應(yīng)用智能機器人替代人力進行電廠巡檢工作是不可能避免的發(fā)展趨勢。智能巡檢技術(shù)通過WIFI或RFID無線自組網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)三維定位，結(jié)合智能終端、圖像識別分析和無線通信技術(shù)，實時關(guān)聯(lián)缺陷管理數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備的智能檢測和自動缺陷管理[9]。當(dāng)技術(shù)成熟時，電廠將實現(xiàn)“生產(chǎn)現(xiàn)場無人化”，各類機器人的應(yīng)用可以實現(xiàn)無人值守的智能巡檢。涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括自動識別設(shè)備參數(shù)、信息可視化和記錄訪問、實時存檔異常數(shù)據(jù)，實時定位檢查人員，現(xiàn)場風(fēng)險預(yù)警和數(shù)據(jù)加密傳輸?shù)取?/p>

3 ?智慧電廠的發(fā)展方向

3.1 ?生產(chǎn)管理智慧化

對于智慧電廠而言，其可以全方位分析生產(chǎn)過程中的各項數(shù)據(jù)，從而明確現(xiàn)場狀態(tài)，并對相關(guān)的機械設(shè)備、物料等情況進行預(yù)測.同時，在充分考量電網(wǎng)用電需求基礎(chǔ)上，及時調(diào)整與改進自身的運行狀態(tài)，從而保證管理決策的科學(xué)性與準確性，為高效管理提供可靠的參考依據(jù)。隨著智慧型電廠的逐漸發(fā)展，其將擁有顯著的功能，包括自主分析、決策及協(xié)調(diào)等。

智慧電廠管理層和互聯(lián)控制層，二者間的數(shù)據(jù)、信息互通主要是借助以太網(wǎng)實現(xiàn)的，在具體實現(xiàn)過程中對網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計算機技術(shù)等有著較強的依賴性，一旦傳輸中出現(xiàn)問題，則會對電廠造成直接的影響，嚴重情況下，甚至?xí)霈F(xiàn)安全事故。因此，為了保證信息安全，電廠要充分結(jié)合自身的實際情況，制定針對性的信息安全方案，如：分層保護、數(shù)據(jù)加密等。同時，電廠要了解自身設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)的具體情況，一旦出現(xiàn)異常情況，要及時識別與消除，并利用有效手段進行防范;此外，對于不同的信息異常問題，也要給予高度關(guān)注，從而提高電廠信息可靠性。

3.2 ?電廠互聯(lián)控制

電廠互聯(lián)控制是智慧電廠發(fā)展的一個重要發(fā)向，互聯(lián)控制包含了設(shè)備管理、人員管理和環(huán)境檢測這3個方面。電廠互聯(lián)控制以智能化的主動安防為出發(fā)點，通過監(jiān)測設(shè)備抓取設(shè)備、人員和環(huán)境的信息，利用圖像識別技術(shù)等技術(shù)對環(huán)境參數(shù)、設(shè)備運行情況和人員行為進行自動識別和分析，從而進行有效地管理。例如，引入智能穿戴設(shè)備，與門禁和人臉識別設(shè)備相結(jié)合，在智慧電廠三維模型中顯示人員的信息，從開票一直到現(xiàn)場作業(yè)，對整個過程進行安全控制如圖3所示。

傳統(tǒng)電廠的設(shè)備管理主要涉及缺陷、檢修以及維護這幾個方面。智慧電廠的設(shè)備管理模式是在傳統(tǒng)電廠的基礎(chǔ)上，加上了智慧化的管理手段，比如智慧檢測、智慧診斷、智慧維修和智慧作業(yè)等。傳統(tǒng)電廠設(shè)備管理模式是封閉在自己內(nèi)部的管理系統(tǒng)，未來智慧電廠發(fā)展趨勢必然是開放式的設(shè)備管理體系，這就需要以“設(shè)備+互聯(lián)網(wǎng)”方式將封閉的系統(tǒng)開放化，形成設(shè)備云平臺，進行設(shè)備的全生命周期管理。

3.3 ?數(shù)據(jù)云平臺

使用遠程專家AR（增強現(xiàn)實）互動平臺系統(tǒng)引入數(shù)據(jù)挖掘云平臺資源，實現(xiàn)跨區(qū)域?qū)＜夜蚕砗蛿?shù)據(jù)共享。在廠級知識信息管理、遠程數(shù)據(jù)監(jiān)督平臺、專家共享平臺等技術(shù)載體支撐下，利用數(shù)據(jù)挖掘、風(fēng)險預(yù)測、實時風(fēng)險預(yù)警設(shè)置和全局風(fēng)險預(yù)警設(shè)置等技術(shù)手段，可以實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)區(qū)域化智能控制系統(tǒng)。在訓(xùn)練操作中，可逐漸開基于VR技術(shù)的培訓(xùn)，利用設(shè)備虛擬拆解等方式進行培訓(xùn)，使技術(shù)人員在培訓(xùn)過程中有更為深刻的感受和體會。這將為之后設(shè)備檢修與維護等工作的開展打下良好基礎(chǔ)，在保證操作規(guī)范性的同時提高整個檢修維護工作效率。

4 ?結(jié)語

在智能化與信息化不斷發(fā)展的背景下，智慧電廠的發(fā)展也在不斷推進，融合先進技術(shù)與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的智慧電廠將是未來的重要發(fā)展方向。智能控制、智能預(yù)警、智能巡檢等相關(guān)技術(shù)日趨完善，進一步推動智慧電廠的建設(shè)步。大數(shù)據(jù)技術(shù)、AR技術(shù)等新興技術(shù)將不可表面地使用在未來智慧電廠中，使得電廠的管理、運行更加智慧化。

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