馬鋼北湖電廠發(fā)電智慧運(yùn)營(yíng)應(yīng)用及探索

晏 超，張 鵬，王 琴，張劍秋，束 軍

（馬鋼股份公司能環(huán)部 安徽馬鞍山 243000）

前言

在節(jié)能減排政策的要求和發(fā)電集約化、高效管理需求的驅(qū)動(dòng)下，建設(shè)智慧電廠已成為行業(yè)共識(shí)的目標(biāo)，十四五期間我國(guó)電力發(fā)展將加快電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施智能化改造，推動(dòng)能源企業(yè)安全清潔、高效發(fā)展。中國(guó)寶武科技創(chuàng)新部發(fā)布的《中國(guó)寶武智慧制造行動(dòng)方案》中明確提出智慧制造工作進(jìn)入全面提升階段，加快建設(shè)智能產(chǎn)線和智慧工廠，要深化推進(jìn)智慧制造，加速建設(shè)智慧生態(tài)圈。同期馬鋼能環(huán)部北湖電廠全面對(duì)接智慧發(fā)電發(fā)展，項(xiàng)目建立的智慧營(yíng)運(yùn)中心提供開放的接口，通過智慧平臺(tái)實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程維護(hù)、事故預(yù)警、優(yōu)化運(yùn)行，以達(dá)到減員增效、降低排放和減少非停的目的，力爭(zhēng)形成采用智慧運(yùn)營(yíng)創(chuàng)新亮點(diǎn)，模塊化智慧應(yīng)用在同行業(yè)的推廣將推動(dòng)智慧電廠的快速發(fā)展。

1 智慧運(yùn)營(yíng)的關(guān)鍵問題

綜合分析當(dāng)前電力生產(chǎn)形勢(shì)和未來發(fā)展趨勢(shì)，北湖電廠建設(shè)團(tuán)隊(duì)認(rèn)為發(fā)電智慧運(yùn)營(yíng)應(yīng)基于可靈活開發(fā)、實(shí)時(shí)拓展的核心平臺(tái)，著力解決連續(xù)生產(chǎn)過程的要素管控，針對(duì)電廠生產(chǎn)周期過程管理中的重點(diǎn)區(qū)塊和部位，利用自動(dòng)工況優(yōu)化、在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和要素偵測(cè)等先進(jìn)技術(shù)，強(qiáng)調(diào)運(yùn)行過程的人機(jī)協(xié)作，利用先進(jìn)智能化分析手段，構(gòu)建智能分析決策系統(tǒng)，最終利用遠(yuǎn)程操控的集成控制手段，實(shí)現(xiàn)全廠高效清潔運(yùn)營(yíng)，整體智慧系統(tǒng)著力解決以下幾點(diǎn)問題。

(1)解決傳統(tǒng)電廠基礎(chǔ)集成程度不足問題。智慧化燃?xì)怆姀S是利用數(shù)字化和信息化技術(shù)，在物理電廠中高度集成傳感量測(cè)、自動(dòng)控制、分析決策和信息通信等現(xiàn)代技術(shù)，構(gòu)筑智慧運(yùn)營(yíng)的基礎(chǔ)[1]。

(2)解決傳統(tǒng)電廠數(shù)據(jù)挖掘、利用程度不足問題。大數(shù)據(jù)和人工智能疊加應(yīng)用，使非人工智慧運(yùn)營(yíng)成為可能，通過對(duì)主要工藝和設(shè)備工況數(shù)據(jù)的采集和判定，能給出產(chǎn)線系統(tǒng)故障的早期預(yù)警，幫助運(yùn)營(yíng)團(tuán)隊(duì)早發(fā)現(xiàn)、預(yù)處理，契合電力生產(chǎn)連續(xù)性的剛性需求，減少非計(jì)劃停機(jī)。

(3)解決傳統(tǒng)電廠生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)、管理等信息系統(tǒng)碎片化嚴(yán)重等問題。智慧電廠將實(shí)現(xiàn)信息一體化的建設(shè)，致力于將跨區(qū)域的信息統(tǒng)一規(guī)劃、構(gòu)造跨區(qū)域數(shù)據(jù)中心，使得不同區(qū)域、不同系統(tǒng)各業(yè)務(wù)之間信息傳輸更暢通，為實(shí)現(xiàn)大集控及能源智慧云的構(gòu)建奠定基礎(chǔ)。

(4)解決智慧營(yíng)運(yùn)應(yīng)用與生產(chǎn)運(yùn)行的融合問題。在虛擬現(xiàn)實(shí)及仿真應(yīng)用、大數(shù)據(jù)平臺(tái)與人工智能、安全生產(chǎn)管理、生產(chǎn)要素勘測(cè)集成等方面實(shí)際應(yīng)用注重在生產(chǎn)運(yùn)行系統(tǒng)中的“嵌入”，從現(xiàn)場(chǎng)視角考慮智慧應(yīng)用的落地，如在特定環(huán)境實(shí)現(xiàn)“機(jī)器替代人”，無人化房所應(yīng)用等。

2 北湖電廠智慧運(yùn)營(yíng)頂部思路

結(jié)合國(guó)內(nèi)各企業(yè)智慧電廠發(fā)展經(jīng)驗(yàn)和CCPP 項(xiàng)目的自身特點(diǎn)，北湖電廠智慧運(yùn)營(yíng)構(gòu)建出國(guó)內(nèi)首個(gè)5G+私有數(shù)據(jù)云模塊化智慧電廠模型，實(shí)現(xiàn)燃機(jī)電廠設(shè)備（感知）層、中間層和系統(tǒng)層智能貫通，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)見圖1。

圖1 智慧電廠平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)示意圖

智慧電廠平臺(tái)廣泛采用現(xiàn)代信息處理和通信技術(shù)、智能測(cè)量和控制技術(shù)，以及基于多接入邊緣計(jì)算(MEC)應(yīng)用的數(shù)據(jù)處理技術(shù)，最大限度地實(shí)現(xiàn)電廠的安全、經(jīng)濟(jì)、高效、環(huán)保、智能運(yùn)行。具體實(shí)現(xiàn)思路如下。

(1)打造虛擬電廠是對(duì)發(fā)電生產(chǎn)全要素合集的認(rèn)知梳理，從現(xiàn)場(chǎng)視角出發(fā)選擇要素優(yōu)化是發(fā)揮智慧電廠效力的前提。

(2)依托大數(shù)據(jù)分析、診斷與優(yōu)化，建立以發(fā)電提質(zhì)為核心的運(yùn)營(yíng)體系，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)效率提升。

(3)建立5G 通信網(wǎng)絡(luò)，5G 基站拓展性好，且其最低空口時(shí)延可達(dá)1 ms，故摒棄傳統(tǒng)的資源堆疊式擴(kuò)容“剛性網(wǎng)絡(luò)”體系，建立可重構(gòu)、可改進(jìn)的“柔性網(wǎng)絡(luò)”架構(gòu)以滿足工業(yè)化智慧電廠的需求。

(4)建立以私有云數(shù)據(jù)中心，實(shí)現(xiàn)信息系統(tǒng)集成，打通信息孤島；集成設(shè)備數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)跨域貫通的綜合數(shù)據(jù)庫(kù)，為大數(shù)據(jù)下集中控制和工藝優(yōu)化提供基礎(chǔ)支撐。

(5)構(gòu)造智慧電廠軟件平臺(tái)，應(yīng)用電廠智能技術(shù)，融合馬鋼電力生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，通過持續(xù)學(xué)習(xí)歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，產(chǎn)生具有價(jià)值的洞察。在設(shè)備預(yù)警、設(shè)備診斷、能耗分析、負(fù)荷優(yōu)化、技術(shù)監(jiān)控和以可靠性為中心的巡檢等方面全面感知、全面互聯(lián)、重點(diǎn)智控。

(6)采用模塊化智能組件，在底層設(shè)計(jì)上實(shí)現(xiàn)自我閉環(huán)，在數(shù)據(jù)應(yīng)用上充分共享，在架構(gòu)布局上開放靈活，強(qiáng)調(diào)組件對(duì)機(jī)組運(yùn)營(yíng)和設(shè)備狀態(tài)的支撐。

3 北湖電廠智慧運(yùn)營(yíng)應(yīng)用

北湖電廠智慧應(yīng)用目標(biāo)是基于大數(shù)據(jù)分析，強(qiáng)化發(fā)電生產(chǎn)要素整合處理，優(yōu)化多約束條件下全工況特性，實(shí)現(xiàn)跨生產(chǎn)分區(qū)綠色智慧運(yùn)營(yíng)。在功能應(yīng)用上充分體現(xiàn)數(shù)字化、模塊化、可視化、信息化、智能化、可操作性等特點(diǎn)，其中典型應(yīng)用如下。

(1)建立上下貫通、實(shí)時(shí)管控、數(shù)據(jù)完備的數(shù)據(jù)運(yùn)營(yíng)中心，實(shí)現(xiàn)電力生產(chǎn)全過程數(shù)字化信息管理，全方位、立體化描繪電廠生產(chǎn)全景，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)全過程管理數(shù)字化、標(biāo)準(zhǔn)化。智慧管控中心借助硬件支撐系統(tǒng)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、三維引擎支撐平臺(tái)、核心防護(hù)系統(tǒng)、一體化信息平臺(tái)、智慧決策系統(tǒng)及與第三方集成接口，實(shí)現(xiàn)技術(shù)手段與生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理的無縫融合。生產(chǎn)管理方面，建設(shè)涵蓋運(yùn)行管理、安全管理、檢修管理、物資管理、項(xiàng)目管理、預(yù)算管理的生產(chǎn)信息化體系。經(jīng)營(yíng)管理方面，實(shí)現(xiàn)經(jīng)營(yíng)指標(biāo)實(shí)時(shí)監(jiān)控、計(jì)劃進(jìn)度實(shí)時(shí)跟蹤，同時(shí)引入財(cái)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，開展指標(biāo)深度分析，使生產(chǎn)建立在靈活的經(jīng)營(yíng)基礎(chǔ)之上。

(2)基于電廠物理設(shè)備布局（包括燃機(jī)島、鍋爐房及結(jié)構(gòu)、設(shè)備、管道、橋架等）搭建全系統(tǒng)三維場(chǎng)景,真實(shí)展示發(fā)電主體系統(tǒng)的設(shè)備物理分布。通過對(duì)實(shí)物關(guān)系的全景如實(shí)映射，幫助運(yùn)營(yíng)人員理解和把握工藝要點(diǎn)?？梢暬S實(shí)景展示系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)信息采集、工藝分析、設(shè)備預(yù)警、實(shí)時(shí)工況的集合展示，在復(fù)雜的電廠三維工藝模型導(dǎo)入不同的運(yùn)行維護(hù)數(shù)據(jù)，并通過圖形、色彩等可視化功能再現(xiàn)生產(chǎn)實(shí)景，結(jié)合三維狀態(tài)與專業(yè)文檔，最終形成三維可視化的電力生產(chǎn)管理。

(3)以UWB 技術(shù)為核心，通過定位基站對(duì)人、設(shè)備、車輛等不同定位標(biāo)簽的物理空間高精度定位，實(shí)現(xiàn)在安全可視化領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。電廠危險(xiǎn)源點(diǎn)多面廣，高溫、高壓、煤氣等區(qū)域工作專業(yè)要求極高，形成的“兩票三制”等做法雖較為完備，但人員執(zhí)行情況差異明顯，通過空間定位技術(shù)可有效約束工作區(qū)域和專業(yè)人員的相互關(guān)系，對(duì)不同設(shè)備、不同工作進(jìn)行區(qū)域性的虛擬權(quán)限控制，對(duì)違規(guī)進(jìn)入及時(shí)報(bào)警，解決了人員流動(dòng)性大、控制難的老問題。該人員定位系統(tǒng)具備定位、軌跡回放、動(dòng)態(tài)預(yù)警、區(qū)域監(jiān)測(cè)等可視化功能[2]，與其他系統(tǒng)配套構(gòu)建出諸如安全管理、門禁管理等高級(jí)應(yīng)用。見圖2。

圖2 人員定位及軌跡回放應(yīng)用

(4)基于大數(shù)據(jù)分析技術(shù)、人工智能技術(shù)、在線建模技術(shù)和專家系統(tǒng)構(gòu)建智能預(yù)警服務(wù)。以電力生產(chǎn)線檢修周期的工況積累作為大數(shù)據(jù)分析源，挖掘有效數(shù)據(jù)，給出發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)在不同負(fù)荷條件下的正常運(yùn)行參數(shù)范圍，設(shè)置動(dòng)態(tài)報(bào)警運(yùn)行參數(shù)閾值，并相應(yīng)地提出超限后果預(yù)判分析。按系統(tǒng)、設(shè)備、參數(shù)不同索引方式，進(jìn)行重要性分類，集成工藝要求形成精準(zhǔn)報(bào)警，避免誤報(bào)誤判[3]。系統(tǒng)還可提供具體告警信息,如超限預(yù)警、診斷故障主因、劣化趨勢(shì)、誤操作信息等,以使運(yùn)行方獲得更多的故障診斷處理時(shí)間,提高單位機(jī)組可靠性。

(5)基于大數(shù)據(jù)分析的運(yùn)行優(yōu)化系統(tǒng)包括機(jī)組計(jì)算模型的建立和機(jī)組離線性能測(cè)試系統(tǒng)。通過基于大數(shù)據(jù)分析(分類、聚類、關(guān)聯(lián)分析等)的技術(shù)手段，從實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)等多個(gè)數(shù)據(jù)源收集、轉(zhuǎn)換、挖掘和分析海量歷史數(shù)據(jù)，并確定機(jī)組的多重約束條件下的全工況特性，為優(yōu)化運(yùn)行提供更準(zhǔn)確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。工況分析模塊根據(jù)歷史數(shù)據(jù)建立各種工況下的模型，并采用最佳的迭代方法來指導(dǎo)運(yùn)行:判斷機(jī)組當(dāng)前工況，一般依據(jù)負(fù)荷狀態(tài)，同時(shí)考慮煤氣平衡條件和環(huán)境條件、產(chǎn)線狀態(tài)等，計(jì)算當(dāng)前工況指標(biāo)。在相同的工作條件下，將當(dāng)前指數(shù)與歷史最佳指數(shù)進(jìn)行比較。如果優(yōu)于后者，保持當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)，將當(dāng)前可控運(yùn)行值替換為歷史最優(yōu)值，并存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中;建議將各項(xiàng)可控參數(shù)調(diào)整到歷史最佳水平，并自動(dòng)建立最優(yōu)作業(yè)計(jì)劃和典型工況的經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)。根據(jù)優(yōu)化方案，評(píng)估和指導(dǎo)當(dāng)前流程，通過數(shù)據(jù)積累實(shí)現(xiàn)全工況經(jīng)濟(jì)、可靠高效運(yùn)行。

(6)智能巡檢由智能機(jī)器人巡檢組件、電纜管廊集中監(jiān)控組件、嵌入式在線診斷組件構(gòu)成，以全自主模式代替或輔助人工進(jìn)行馬鋼CCPP 發(fā)電工程項(xiàng)目巡檢，覆蓋CCPP主廠房、余熱鍋爐、220kV升壓站等生產(chǎn)主要產(chǎn)線設(shè)備，達(dá)到數(shù)據(jù)分析專業(yè)、檢測(cè)方式多樣、巡檢反饋智能、巡檢工作標(biāo)準(zhǔn)等目標(biāo)。巡檢全過程自動(dòng)管理、專業(yè)信息實(shí)時(shí)上傳，實(shí)現(xiàn)煤氣管路泄露巡視、機(jī)械設(shè)備油、水管道滲漏、余熱鍋爐在線溫度檢測(cè)、易燃?xì)庥卸練怏w探測(cè)、發(fā)電機(jī)及其輔助設(shè)備聲音檢測(cè)等要素監(jiān)控功能。采用智能聯(lián)合巡檢的方式可以減少運(yùn)維人員或者代替運(yùn)維人員進(jìn)行巡檢，大大降低了危險(xiǎn)系數(shù)，保障人身、設(shè)備安全。見圖3。

圖3 智巡機(jī)器人應(yīng)用

(7)無人化房所實(shí)現(xiàn)真正意義無人化運(yùn)營(yíng)，由動(dòng)力設(shè)備電動(dòng)組件、環(huán)境控制組件、狀態(tài)視頻組件、照明智控組件集成，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控、房所狀態(tài)自動(dòng)調(diào)節(jié)、故障感知主動(dòng)上報(bào)的全場(chǎng)景無人化支持。設(shè)備要素?cái)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸后臺(tái)，并形成生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)和設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)報(bào)表，為發(fā)電廠“無人值守、關(guān)門運(yùn)行”打下基礎(chǔ)，在一定程度上代替人工完成設(shè)備的操巡工作，減少值班人員配置，減輕值班人員的工作強(qiáng)度，降低人員成本。見圖4。

圖4 無人化房所應(yīng)用

(8)跨區(qū)運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)不同機(jī)組運(yùn)行參數(shù)和運(yùn)行曲線優(yōu)化積累。根據(jù)能損分析的結(jié)果，得出機(jī)組能損耗差排序；在不同運(yùn)行工況下給出實(shí)際運(yùn)行參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)的對(duì)比關(guān)系，得出對(duì)比優(yōu)化曲線；然后給出當(dāng)前運(yùn)行狀況下的優(yōu)化操作指導(dǎo)建議，使不同區(qū)域機(jī)組共享最優(yōu)工況模型，逐步實(shí)現(xiàn)三個(gè)生產(chǎn)分區(qū)的信息互通和集中管控、工況協(xié)同優(yōu)化。

4 結(jié)語

在中國(guó)寶武智慧制造發(fā)展過程中，智能制造技術(shù)將會(huì)產(chǎn)生更為重要的價(jià)值和作用。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)在發(fā)電智慧運(yùn)營(yíng)頂層思路、智慧應(yīng)用層面深入思考，在綜合評(píng)估智慧手段應(yīng)用的基礎(chǔ)上，將智能技術(shù)、檢測(cè)方法和數(shù)據(jù)分析手段綜合立體運(yùn)用于生產(chǎn)中，提供出可行的應(yīng)用工程實(shí)例，也為國(guó)內(nèi)發(fā)電行業(yè)的智慧產(chǎn)業(yè)升級(jí)積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。北湖電廠所建智慧體系極具參考價(jià)值，它的推廣應(yīng)用將促進(jìn)發(fā)電智造的體系化發(fā)展，是通過技術(shù)升級(jí)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)方式換代的一個(gè)縮影，為最終實(shí)現(xiàn)少人值守、無人智造探索出一條全新的技術(shù)路線，在寶武系統(tǒng)的智能制造發(fā)展乃至國(guó)內(nèi)同類型企業(yè)中起到了良好的示范效果。隨著電力生產(chǎn)智慧生態(tài)圈的構(gòu)建和智造手段的進(jìn)一步發(fā)展，北湖電廠所探索的發(fā)電智慧運(yùn)營(yíng)必將迎來新的跨越。