智慧電廠的結(jié)構(gòu)形態(tài)和發(fā)展方向

潘威丞

摘? 要：隨著我國電力體制改革，智慧電廠建設(shè)已逐漸成為電廠發(fā)展的新方向。在國家數(shù)字化、信息化、智能化等政策的號召驅(qū)動下，綜合利用人工智能技術(shù)推進(jìn)電廠數(shù)字化轉(zhuǎn)型，有效強化電廠中心競爭力，保持電廠穩(wěn)定持續(xù)發(fā)展是當(dāng)下時代電廠的發(fā)展目的。本文系統(tǒng)地分析了智慧電廠的結(jié)構(gòu)形態(tài)和建設(shè)思路，為當(dāng)今時代下電廠進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供了指導(dǎo)意見。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化? 智慧電廠? 人工智能? 電廠發(fā)展

中圖分類號：F426.61;F49? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2021）06（c）-0041-04

Abstract： With the reform of China's power system， the construction of smart power plant has gradually become a new direction of power plant development. Driven by the call of national policies on digitization， informatization and intelligence， the development purpose of power plants in the current era is to comprehensively use artificial intelligence technology to promote the digital transformation of power plants， effectively strengthen the central competitiveness of power plants， and maintain the stable and sustainable development of power plants. This paper systematically analyzes the structural form and construction ideas of smart power plant， and provides guidance for the digital transformation of power plant in today's era.

Key Words： Digitalization; Smart power plant; Artificial intelligence; Power Plant

1? 智慧電廠的總體概述

綜合利用邊緣計算和人工智能技術(shù)推進(jìn)電廠數(shù)字化轉(zhuǎn)型，有效提升電廠核心競爭力，推動電廠可持續(xù)發(fā)展是電廠發(fā)展的必然趨勢。2014年6月，習(xí)近平總書記提出了“四個革命、一個合作”的能源革命戰(zhàn)略思想，為開拓新時代中國特色能源發(fā)展新前景描繪了宏偉的藍(lán)圖。2016年底，我國正式發(fā)布了《關(guān)于推進(jìn)互聯(lián)網(wǎng)+智慧能源發(fā)展的指導(dǎo)意見》，進(jìn)一步明確指出促進(jìn)能源和信息深度融合，實現(xiàn)智能發(fā)電是發(fā)電企業(yè)提升管理水平、培育市場競爭優(yōu)勢的創(chuàng)新舉措和有效途徑。2017年底，智慧電廠開始在全國部分區(qū)域試點，各大發(fā)電企業(yè)開始深入智慧電廠領(lǐng)域?！靶禄ā备黜椪叩牟粩喑雠_，也為智慧電廠的發(fā)展按下了“快進(jìn)鍵”，至此，智慧電廠開始進(jìn)入快速發(fā)展階段。2020年9月21日，國務(wù)院國資委正式印發(fā)《關(guān)于加快推進(jìn)國有企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型工作的通知》，促進(jìn)國有企業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展，提升產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)能力和產(chǎn)業(yè)鏈現(xiàn)代化水平，發(fā)揮國有企業(yè)的示范引領(lǐng)作用。2021年3月5日，我國提出要在“十四五”時期大力推進(jìn)大數(shù)據(jù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)同各產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域深度融合，加速5G、互聯(lián)網(wǎng)+、數(shù)據(jù)中心等建設(shè)，系統(tǒng)布局新型基礎(chǔ)設(shè)施從而推動先進(jìn)制造業(yè)集群發(fā)展[1-3]。

總的來講，智慧發(fā)電的數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智慧化改造的主體是第四次工業(yè)革命及工業(yè)數(shù)字轉(zhuǎn)型大背景下的各個能源企業(yè)，其目的是使電廠得到更加安全的運行過程，更好的經(jīng)濟效益和更環(huán)保的效益指標(biāo)。為實現(xiàn)這一目的，需要“數(shù)據(jù)+模型”的深度融合及應(yīng)用，例如，以“數(shù)字孿生”推動數(shù)據(jù)融合;以“全量數(shù)據(jù)”為基礎(chǔ)，以大數(shù)據(jù)分析技術(shù)為依托實現(xiàn)全量分析、實時分析;以“機理模型為準(zhǔn)繩、以大數(shù)據(jù)模型為核心，以經(jīng)驗?zāi)Ｐ蜑殚]環(huán)”，實現(xiàn)全面的狀態(tài)評估、科學(xué)的決策分析，實現(xiàn)精準(zhǔn)的協(xié)同執(zhí)行等[4]。

2? 智慧電廠建設(shè)的挑戰(zhàn)與困境

智慧電廠的建設(shè)，不是單純地采用某種技術(shù)，對單一設(shè)備或系統(tǒng)進(jìn)行升級，也不是加裝一些智能裝置。而是它在應(yīng)用廣泛的現(xiàn)代通信技術(shù)、數(shù)字信息處理和人工智能的基礎(chǔ)上，集智能傳感、執(zhí)行和控制于一體。伴隨能源產(chǎn)業(yè)政策，電廠數(shù)字化、智慧化轉(zhuǎn)型的過程中，必然伴隨著諸多困境與挑戰(zhàn)。

2.1 多維信息源處理

目前，隨著信息系統(tǒng)的不斷增多，系統(tǒng)的復(fù)雜性不斷加深，使得各個系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)的組織越來越困難。而無論是一個熟練的操作工，還是有豐富經(jīng)驗的專家，都只能服務(wù)于極度有限的目標(biāo)，其知識難以高效和規(guī)?；貞?yīng)用系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)。同時，人的認(rèn)知能力很強且擅長抽象思維，但人并不擅長處理多維信息之間的關(guān)系及精確量化分析。制約決策質(zhì)量的不再是如何獲取信息，而是對信息進(jìn)行精確的分析與對目標(biāo)的優(yōu)化。在電廠生產(chǎn)過程中，以人的知識和經(jīng)驗推動的生產(chǎn)系統(tǒng)已經(jīng)逼近了生產(chǎn)力的邊界，有相當(dāng)大一部分產(chǎn)能價值沒有被釋放出來。

2.2 數(shù)據(jù)孤島

由于電廠的建設(shè)是在原有設(shè)備或系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行升級、改造、整合而來，因此在數(shù)字化、智慧化電廠的建設(shè)過程中，難以形成一致的規(guī)范，建設(shè)過程中必然存在數(shù)據(jù)不連通的現(xiàn)象。同時目前行業(yè)內(nèi)缺少統(tǒng)一的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，各單位均根據(jù)自己需求單獨進(jìn)行智慧化改造，系統(tǒng)水平參差不齊，難以大面積推廣，各個系統(tǒng)大多采用傳統(tǒng)的煙囪式、垂直式的建設(shè)方式，使系統(tǒng)之間存在明顯壁壘。

2.3 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)評估

受電廠歷史因素影響，目前多數(shù)電廠關(guān)鍵位置缺乏數(shù)據(jù)測點，其數(shù)據(jù)不足以支撐整個機組系統(tǒng)、設(shè)備、巡檢點的全方位覆蓋。從數(shù)據(jù)的體量上來看，當(dāng)前無論是SIS還是點巡檢的記錄都屬于采樣數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)置信度不能夠支撐狀態(tài)評估。從評估的手段上來看，目前主要還是依托于人和機理模型，對業(yè)務(wù)狀態(tài)評估的精準(zhǔn)性不足。

2.4 協(xié)同執(zhí)行方式

當(dāng)前的協(xié)同系統(tǒng)只能夠按照特定的模式和規(guī)則，或按照人的指令執(zhí)行。知識和經(jīng)驗如何高效以及規(guī)?；貞?yīng)用，狀態(tài)評估的結(jié)果及科學(xué)決策如何快速應(yīng)用于生產(chǎn)運維都是當(dāng)下面臨的難點。電廠協(xié)同執(zhí)行要考慮決策的分發(fā)與實施的層級關(guān)系、時間尺度和順序相關(guān)性，要有一定的容錯能力，但目前多數(shù)電廠不能滿足這些要求。

3? 智慧電廠的結(jié)構(gòu)框架

如圖1所示，在智慧電廠的建設(shè)過程中，首先要完成底層數(shù)據(jù)池的搭建，滿足數(shù)據(jù)的存儲與交換，具備數(shù)據(jù)匯聚整合、數(shù)據(jù)提純加工、數(shù)據(jù)服務(wù)可視化、數(shù)據(jù)價值變現(xiàn)的4個核心功能，并同時完成四碼合一的動態(tài)編碼體系——KKS功能位置編碼、設(shè)備資產(chǎn)編碼、固定資產(chǎn)編碼、物資編碼。集成散落在企業(yè)各方的數(shù)據(jù)，并對異常數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗，完成海量數(shù)據(jù)的存儲與計算，有效消除數(shù)據(jù)孤島，實現(xiàn)實時的數(shù)據(jù)信息共享與全局的數(shù)據(jù)資產(chǎn)管理。以“數(shù)據(jù)池”為地基，并以智能安全維護保障體系全面支撐電廠頂層應(yīng)用及軟件的功能實現(xiàn)[5]。

數(shù)據(jù)傳入上層，需要對現(xiàn)有有線、無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改造，使用5G、IPv6等更高效、更全面、更安全的模式所代替。5G通信速率高、延時短，能實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的及時采集，實現(xiàn)更細(xì)粒度的“次重要”數(shù)據(jù)統(tǒng)一采集和集中分析，將有價值但不經(jīng)常使用、不舍得投資硬接線接入的數(shù)據(jù)，真正接入大數(shù)據(jù)中心，打通廠級數(shù)據(jù)池的“最后一公里”。將智能可穿戴設(shè)備、臨時攝像頭、臨時傳感器、臨時標(biāo)簽、溫度測點、電伴熱投運等數(shù)據(jù)源產(chǎn)生的不那么經(jīng)常使用的數(shù)據(jù)或開關(guān)量均可采集至企業(yè)中臺。通過光纖等有線網(wǎng)絡(luò)連接萬物，成本較高、適用性較差，所以泛在電力物聯(lián)網(wǎng)必須通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行補充連接。5G通信有利于海量對象的協(xié)調(diào)，降低通信成本，有助于真正實現(xiàn)電廠的智慧運行。

中臺是用于溝通底層數(shù)據(jù)池和頂層應(yīng)用/平臺的橋梁，對于中臺而言，需要分別從數(shù)據(jù)、電廠行業(yè)所需業(yè)務(wù)以及人工智能服務(wù)同時出發(fā)，實現(xiàn)智慧電廠正常穩(wěn)定運行。中臺跨越非常大。第一，需要保證底層的數(shù)據(jù)池中數(shù)據(jù)得到有效處理，實現(xiàn)電廠數(shù)字化管理的標(biāo)準(zhǔn)化、精細(xì)化，具有數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)抽取、數(shù)據(jù)治理的能力。通過集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，結(jié)合三維模型打造以數(shù)據(jù)驅(qū)動的中臺架構(gòu)。第二，中臺需要能夠有效推動電廠業(yè)務(wù)，保證前臺需求和后臺數(shù)據(jù)的溝通穩(wěn)定和諧。中臺需要理解業(yè)務(wù)接下來的發(fā)展方向，針對具體生產(chǎn)、運維、管理建立業(yè)務(wù)模型，對某一專業(yè)領(lǐng)域建立機理模型，并實現(xiàn)業(yè)務(wù)之間的相融融合，打破其溝通壁壘。第三，中臺又需要極強的自我調(diào)節(jié)能力，能夠通過不斷更新自身的智能化深度的同時不斷協(xié)調(diào)配合中臺在數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)之間的平衡。中臺需要保證其具有能夠接入三方的通用標(biāo)準(zhǔn)，具有訓(xùn)練強化自我更新的能力，實現(xiàn)生產(chǎn)、運營、安全、維護的穩(wěn)定運行。

頂層應(yīng)用是基于中臺建模實現(xiàn)電廠具體智能化需求的位置，其貫穿于智慧生產(chǎn)、智慧運營、智慧管理、智慧維護等方面。利用底層數(shù)據(jù)池的數(shù)據(jù)，通過指導(dǎo)、自主學(xué)習(xí)、設(shè)備故障庫、運行優(yōu)化等構(gòu)建支撐體系，實現(xiàn)遠(yuǎn)程診斷、遠(yuǎn)程控制、智能巡檢、無人值守、狀態(tài)檢修、故障診斷、故障預(yù)防等智慧電廠功能，做到區(qū)域/行業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺深度融合，實現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同[6]。

4? 智慧電廠的建設(shè)思路

智慧電廠是與智能電網(wǎng)及需求側(cè)相互協(xié)調(diào)，與社會資源和環(huán)境相互融合的發(fā)展過程。因此，智慧電廠的建設(shè)應(yīng)包含電廠建設(shè)（設(shè)計、安裝、調(diào)試）、運行（過程檢測、控制、操作）、維修（維護、檢修）、生產(chǎn)與資產(chǎn)管理等全生命周期進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃[7]。

4.1 全范圍的智慧建設(shè)

將全廠設(shè)備設(shè)計、制造、安裝、運行、退役等全壽命周期數(shù)據(jù)數(shù)字化，通過信息共享、功能融合的一體化平臺管控，進(jìn)行全范圍覆蓋的數(shù)據(jù)與設(shè)備資產(chǎn)管理，形成橫縱交錯的全方位建設(shè)。從縱向來看，將從基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的智慧化接入出發(fā)，以中臺過程為導(dǎo)向，從而保證生產(chǎn)、運維管理、管控的一體化。從橫向而看，各個位置產(chǎn)生的數(shù)據(jù)匯入數(shù)據(jù)池、橫跨多個平臺，重新進(jìn)行大數(shù)據(jù)整合。基于數(shù)據(jù)挖掘找到數(shù)據(jù)間的內(nèi)在邏輯關(guān)系，從而匯入中臺實現(xiàn)各類基于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的高級應(yīng)用?；谌S建模技術(shù)實現(xiàn)電廠的數(shù)字場景重現(xiàn)，從而實現(xiàn)設(shè)計圖紙的具現(xiàn)化。通過使用三維激光掃描技術(shù)，將物理場景進(jìn)行實地模型創(chuàng)建，從而修正整個廠區(qū)的三維虛擬場景。結(jié)合數(shù)據(jù)池中的數(shù)據(jù)，打造數(shù)字孿生體系，最終以三維可視化的形式，在PC端、移動終端、管理者駕駛艙到完美呈現(xiàn)和應(yīng)用。

4.2 全方位的數(shù)據(jù)處理

智慧電廠建設(shè)的基礎(chǔ)是將各類智能傳感設(shè)備進(jìn)行升級，完善各類數(shù)據(jù)池中數(shù)據(jù)的順利獲取，將數(shù)據(jù)傳入中臺中，并將非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗，從而實現(xiàn)對頂層應(yīng)用端的生產(chǎn)和經(jīng)營管理進(jìn)行全方位監(jiān)測。將檢測數(shù)據(jù)對接到底層數(shù)據(jù)源的設(shè)備元器件中，進(jìn)行智能融合和智能分析，與業(yè)務(wù)、AI算法深度集成，從而對頂層相關(guān)模塊進(jìn)行決策提供依據(jù)。在數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)池中的海量數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)清洗、深度學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)，評估識別操作與生產(chǎn)決策的有效性，提高智能評估的準(zhǔn)確性。因為數(shù)據(jù)在準(zhǔn)確、全面的前提下才能保證上端分析與診斷的精確度。通過對數(shù)據(jù)池中相關(guān)性數(shù)據(jù)的挖掘分析+機理模型的構(gòu)建+專家經(jīng)驗的甄別+人工智能（AI）形成各類設(shè)備及系統(tǒng)的專家診斷知識庫。

4.3 全覆蓋的評價指標(biāo)

只有當(dāng)評價指標(biāo)涵蓋在各個領(lǐng)域的范圍時，才能誕生一個完整的智慧電廠。通過大數(shù)據(jù)的挖掘與提煉，對各類資源管理與開發(fā)、運行等各類信息進(jìn)行感知、挖掘，經(jīng)過綜合分析和提煉，利用檔案數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢統(tǒng)計進(jìn)行縱向分析，利用生產(chǎn)活動質(zhì)量評價、經(jīng)營報告等分類統(tǒng)計進(jìn)行橫向評價，使其為電廠的生產(chǎn)、管理、投資決策服務(wù)。

5? 結(jié)語

本文主要從智慧電廠的建設(shè)思路出發(fā)，對智慧電廠建設(shè)的整體概況、面臨的挑戰(zhàn)與困境、以及建設(shè)思路進(jìn)行分析介紹。大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)和移動技術(shù)為代表的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展迅速，正在給電力企業(yè)帶來巨大影響，數(shù)字化轉(zhuǎn)型勢必成為電力行業(yè)的重要關(guān)注點。它貫穿于電廠整體流程，勢必為新時代下電廠的智慧化發(fā)展提供新的方向。

參考文獻(xiàn)

[1] 溫?zé)?電力企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型技術(shù)的應(yīng)用分析[J].集成電路應(yīng)用，2021，38（3）：100-101.

[2] 田寧.智慧電廠頂層設(shè)計的研究[D].秦皇島：燕山大學(xué)，2016.

[3] 陳彥恒.智慧電廠規(guī)劃設(shè)計研究[J].電工技術(shù)，2020 （18）：104-105.

[4] 付晨，肖子洋.電力企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型技術(shù)研究及應(yīng)用[J].中國新通信，2020，22（4）：43-45.

[5] 潘玉松，陳旭偉，張鵬.傳統(tǒng)火電廠建設(shè)智慧電廠的典型方向及構(gòu)架體系[J].分布式能源，2018，3（5）：48-53.

[6] 葉珍.智慧電廠的建設(shè)探析[J].綠色科技，2020（24）： 225-226.

[7] 何立榮，劉春波.構(gòu)建云、大、物、移的智能電廠[J].中國設(shè)備工程，2018（4）：12-17.