智能發(fā)電運(yùn)行控制技術(shù)研究

浙江浙能嘉華發(fā)電有限公司燃料部 董寶祥

智能化技術(shù)飛速發(fā)展，給各個(gè)領(lǐng)域帶來(lái)了革命性變革。發(fā)電行業(yè)引入智能化技術(shù)后，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采集發(fā)電現(xiàn)場(chǎng)信息信號(hào)，經(jīng)過(guò)數(shù)字化處理并通過(guò)現(xiàn)代化信息網(wǎng)絡(luò)將信號(hào)傳輸至控制中心進(jìn)行處理和分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電設(shè)備的智能化監(jiān)控、操作及故障診斷。由此可以看出，智能化發(fā)電技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、通信網(wǎng)絡(luò)等諸多現(xiàn)代化技術(shù)，其中通信網(wǎng)絡(luò)是信息傳輸載體，是智能發(fā)電技術(shù)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)[1-2]。

常規(guī)的發(fā)電系統(tǒng)包括傳感、執(zhí)行、控制和管理四個(gè)方面，而智能化發(fā)電技術(shù)是將智能化滲透至各個(gè)層面，能夠使電力生產(chǎn)過(guò)程控制更加精準(zhǔn)，提升發(fā)電生產(chǎn)及運(yùn)行的可靠性和安全性[3]。智能發(fā)電技術(shù)根本目的是通過(guò)提升電力生產(chǎn)的智能化水平，從而提升發(fā)電廠運(yùn)行的安全性。

智能化發(fā)電技術(shù)中的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，技術(shù)人員可以遠(yuǎn)程的對(duì)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)電機(jī)組進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)還能夠根據(jù)情況發(fā)送操作指令，隨著技術(shù)不斷發(fā)展，未來(lái)可能實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守，即可對(duì)發(fā)電機(jī)組進(jìn)行監(jiān)控。而采用云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，能夠?qū)﹄姀S設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)和診斷，并給診斷結(jié)果顯示出來(lái)，技術(shù)人員可以技術(shù)多故障進(jìn)行維修，大幅度提升了設(shè)備運(yùn)行的可靠性。

火力發(fā)電目前仍然是我國(guó)電力生產(chǎn)主要方式，傳統(tǒng)的分散控制系統(tǒng)已經(jīng)無(wú)法滿足現(xiàn)代發(fā)電要求。智能發(fā)電運(yùn)行控制系統(tǒng)在分散控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，引進(jìn)智能化技術(shù)，通過(guò)提升發(fā)電控制的智能化水平，提升發(fā)電廠運(yùn)行的安全性及電力生產(chǎn)效率。本文首先對(duì)智能發(fā)電運(yùn)行控制技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行分析，然后對(duì)智能發(fā)電運(yùn)行控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，以及硬件和軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了探索，為今后智能發(fā)電運(yùn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供一些參考。

1 智能發(fā)電運(yùn)行控制技術(shù)特點(diǎn)

目前我國(guó)內(nèi)大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)非常成熟和廣泛，發(fā)電廠的運(yùn)行控制技術(shù)仍處于比較基礎(chǔ)的數(shù)字化、信息化的階段，需要有效結(jié)合當(dāng)前不斷發(fā)展的新技術(shù)，提高我們國(guó)家發(fā)電廠機(jī)組運(yùn)行的智能化水平，所謂的智能發(fā)電運(yùn)行控制技術(shù)應(yīng)具備以下特點(diǎn)[4]：

對(duì)全廠的生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)進(jìn)行高度整合，提供全廠一體化監(jiān)控的基礎(chǔ)平臺(tái)。廣泛收集生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)并進(jìn)行集中高效地存儲(chǔ)、梳理和通用計(jì)算，為全廠生產(chǎn)過(guò)程的深度分析和全廠運(yùn)行控制優(yōu)化指導(dǎo)提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；應(yīng)在全廠統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺(tái)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)器深度學(xué)習(xí)、能效計(jì)算、運(yùn)行優(yōu)化、智能控制、故障診斷等各種生產(chǎn)環(huán)節(jié)的計(jì)算，并且能夠提供數(shù)據(jù)分析訓(xùn)練，提供全面解讀特征信息的可能，實(shí)現(xiàn)基于數(shù)據(jù)的智能報(bào)警；應(yīng)在底層控制器和上層應(yīng)用軟件層面均提供高度開(kāi)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，進(jìn)一步優(yōu)化技術(shù)及應(yīng)用，并充分保護(hù)其知識(shí)產(chǎn)權(quán)，推動(dòng)先進(jìn)技術(shù)研究的良性發(fā)展。

2 智能發(fā)電運(yùn)行控制系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

智能發(fā)電運(yùn)行控制技術(shù)系統(tǒng)架構(gòu)，是以一套統(tǒng)一的底層生產(chǎn)數(shù)據(jù)匯集和計(jì)算中心為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)的，由先進(jìn)控制技術(shù)序列和數(shù)據(jù)分析技術(shù)序列的智能算法構(gòu)成以實(shí)現(xiàn)6大功能應(yīng)用的完整系統(tǒng)。智能發(fā)電運(yùn)行控制系統(tǒng)平臺(tái)面向發(fā)電生產(chǎn)運(yùn)行控制過(guò)程，建立生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)統(tǒng)一處理平臺(tái)，在泛在感知、數(shù)據(jù)融合與互聯(lián)互通的基礎(chǔ)上，靈活運(yùn)用各種人工智能算法、數(shù)據(jù)分析技術(shù)和先進(jìn)控制技術(shù)，有效提升運(yùn)行和控制環(huán)節(jié)的智能化水平，深入挖掘?qū)嶋H生產(chǎn)數(shù)據(jù)中蘊(yùn)含的特征、信息和規(guī)律，使數(shù)據(jù)充分發(fā)揮價(jià)值。最終實(shí)現(xiàn)機(jī)組智能運(yùn)行，自動(dòng)尋找并保持控制的全局最優(yōu)狀態(tài)；可靠的設(shè)備運(yùn)行智能監(jiān)測(cè)、診斷與預(yù)警。以此為核心將智能發(fā)電運(yùn)行控制系統(tǒng)平臺(tái)構(gòu)架分為基礎(chǔ)設(shè)施層、平臺(tái)層、應(yīng)用層和交互層[5]。

基礎(chǔ)設(shè)施層。生產(chǎn)控制環(huán)節(jié)需要大量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行交互，以滿足火電機(jī)組深度調(diào)峰、安全運(yùn)行、故障診斷的需要，需安裝大量新型自動(dòng)化檢測(cè)設(shè)備設(shè)施及時(shí)準(zhǔn)確傳達(dá)指令和信息?；A(chǔ)設(shè)施層為平臺(tái)層和應(yīng)用層提供基礎(chǔ)和支撐，主要包含網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)控制設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)為生產(chǎn)控制網(wǎng)；工業(yè)控制設(shè)備為智能發(fā)電平臺(tái)的基礎(chǔ)硬件，其中包含新型智能傳感器和智能調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。隨著智能技術(shù)在智能發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用不斷深入，智能算法、數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)能夠?qū)Ａ康碾娏ιa(chǎn)數(shù)據(jù)中特征、規(guī)律等信息進(jìn)行挖掘，是數(shù)據(jù)的利用價(jià)值最大化。這些信息數(shù)據(jù)可以為生產(chǎn)決策提供支持，是提升企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力和經(jīng)濟(jì)效益的強(qiáng)大助力。因此，智能化發(fā)電技術(shù)全面的應(yīng)用將是市場(chǎng)發(fā)展的必然趨勢(shì)，利用智能化技術(shù)時(shí)，需要將數(shù)字化、信息化、自動(dòng)化、智能化高度融合，才能充分發(fā)揮出智能發(fā)電技術(shù)的效能?；鹆Πl(fā)電目前仍然是我國(guó)電力生產(chǎn)主要方式，傳統(tǒng)的分散控制系統(tǒng)已經(jīng)無(wú)法滿足現(xiàn)代發(fā)電要求。智能發(fā)電運(yùn)行控制系統(tǒng)在分散控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，引進(jìn)智能化技術(shù)，通過(guò)提升發(fā)電控制的智能化水平，提升發(fā)電廠運(yùn)行的安全性及電力生產(chǎn)效率。本文首先對(duì)智能發(fā)電運(yùn)行控制技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行分析，然后智能發(fā)電運(yùn)行控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，及硬件和軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了探索，為今后智能發(fā)電運(yùn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供一些參考。智能化技術(shù)飛速發(fā)展，給各個(gè)領(lǐng)域帶來(lái)了革命性變革。發(fā)電行業(yè)引入智能化技術(shù)后，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采集發(fā)電現(xiàn)場(chǎng)信息信號(hào)，經(jīng)過(guò)數(shù)字化處理并通過(guò)現(xiàn)代化信息網(wǎng)絡(luò)將信號(hào)傳輸至控制中心進(jìn)行處理和分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電設(shè)備的智能化監(jiān)控、操作及故障診斷。由此可以看出，智能化發(fā)電技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、通信網(wǎng)絡(luò)等諸多現(xiàn)代化技術(shù)，其中通信網(wǎng)絡(luò)是信息傳輸載體，是智能發(fā)電技術(shù)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。

平臺(tái)層。以生產(chǎn)信息全集成為基礎(chǔ)，搭建數(shù)據(jù)分析環(huán)境、智能計(jì)算環(huán)境、智能控制環(huán)境、開(kāi)放的應(yīng)用開(kāi)發(fā)環(huán)境。其中數(shù)據(jù)分析環(huán)境以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，可在線或離線方式完成生產(chǎn)數(shù)據(jù)預(yù)處理。智能計(jì)算環(huán)境為監(jiān)控側(cè)智能應(yīng)用提供計(jì)算基礎(chǔ)，依托智能控制器高性能、高可靠的硬件資源，提供豐富的先進(jìn)控制算法庫(kù)，支持先進(jìn)控制策略與智能控制策略的組態(tài)、執(zhí)行與維護(hù)。智能控制環(huán)境在智能技術(shù)的基礎(chǔ)上依托先進(jìn)控制（預(yù)測(cè)控制、自抗擾、自適應(yīng)）算法進(jìn)行控制性能優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)機(jī)組性能嘴優(yōu)化控制，建設(shè)或消除機(jī)組或設(shè)備的運(yùn)行能耗偏差，使得機(jī)組運(yùn)行效率時(shí)刻保持最優(yōu)。

應(yīng)用層。智能發(fā)電平臺(tái)的應(yīng)用層包含“智能檢測(cè)”、“智能控制”、“智能分析”、“智能監(jiān)控”、“智能診斷”、“智能報(bào)警”六項(xiàng)業(yè)務(wù)應(yīng)用。“智能檢測(cè)”、“智能診斷”、“智能報(bào)警”主要提供機(jī)組運(yùn)行中系統(tǒng)或設(shè)備的狀態(tài)檢測(cè)，“智能控制”、“智能分析”主要提供對(duì)機(jī)組運(yùn)行過(guò)程的智能分析、智能優(yōu)化，智能指導(dǎo)和先進(jìn)控制研究如何提高燃煤的有效利用，讓最少的煤發(fā)最多的電；“智能監(jiān)控安全管控”主要依靠現(xiàn)代智能技術(shù)手段有效識(shí)別存在的安全隱患，防止操作失誤、規(guī)避潛在風(fēng)險(xiǎn)，讓技術(shù)保障成為安全管控的有力工具，進(jìn)一步提高安全管控水平。

智能發(fā)電平臺(tái)通過(guò)實(shí)施上述一系列高級(jí)應(yīng)用功能，完成機(jī)組的控制優(yōu)化、運(yùn)行優(yōu)化、智能監(jiān)視及設(shè)備故障在線監(jiān)測(cè)、主動(dòng)安全管控等功能（圖1）。

圖1 智能發(fā)電運(yùn)行控制系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)圖

交互層。通過(guò)操作員站、工程師站、高級(jí)值班員站完成數(shù)據(jù)監(jiān)視、指令下達(dá)、邏輯畫面組態(tài)下裝等功能，實(shí)現(xiàn)人機(jī)監(jiān)控交互。智能發(fā)電平臺(tái)匯集和分析全廠生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，具有指標(biāo)統(tǒng)計(jì)、工況分析、全廠能效對(duì)標(biāo)等功能。對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)和歷史統(tǒng)計(jì)，給出異常預(yù)警、關(guān)鍵操作與處理方案建議等。按照不同負(fù)荷情況對(duì)系統(tǒng)當(dāng)前參數(shù)工況進(jìn)行劃分，結(jié)合各種典型的輔機(jī)組合，建立典型工況數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)當(dāng)前運(yùn)行工況是否屬于最優(yōu)工況進(jìn)行分析、判定，提供調(diào)整方案，可提供的智能操作指導(dǎo)包括送風(fēng)、制粉、燃燒、主/再蒸汽、吹灰、噴氨、最佳氧量、滑壓指令偏置、機(jī)爐協(xié)調(diào)策略優(yōu)化等一系列閉環(huán)優(yōu)化指導(dǎo)建議。能效對(duì)標(biāo)通過(guò)對(duì)同類機(jī)組運(yùn)行工況和能效進(jìn)行對(duì)比分析，將結(jié)論轉(zhuǎn)化為專家診斷、趨向展示、運(yùn)行建議，提高人機(jī)交互智能化水平。

3 智能發(fā)電運(yùn)行控制系統(tǒng)應(yīng)用

硬件架構(gòu)。硬件設(shè)施是智能發(fā)電平臺(tái)的運(yùn)行載體。智能發(fā)電平臺(tái)的硬件設(shè)施主要包含廠級(jí)計(jì)算服務(wù)器、數(shù)據(jù)分析服務(wù)器、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、高級(jí)值班員站和智能控制器、工程師站、網(wǎng)管平臺(tái)等；軟件架構(gòu)。智能發(fā)電平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)為生產(chǎn)控制網(wǎng)，又細(xì)分為I/O 通信網(wǎng)、實(shí)時(shí)控制網(wǎng)和高級(jí)應(yīng)用服務(wù)網(wǎng)。智能發(fā)電平臺(tái)包括機(jī)組級(jí)、廠級(jí)兩層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，控制范圍包括全廠主控及輔控一體化系統(tǒng)，包括熱控設(shè)備控制，電氣設(shè)備管控，脫硫脫硝一體控制，智能優(yōu)化控制，工控網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)等。

圖2 生產(chǎn)控制網(wǎng)結(jié)構(gòu)

智能發(fā)電運(yùn)行控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)基于數(shù)據(jù)分析技術(shù)的全體系智能化改進(jìn)，為人工智能技術(shù)在生產(chǎn)控制層面的廣泛應(yīng)用提供了強(qiáng)大的平臺(tái)基礎(chǔ)。運(yùn)行人員可通過(guò)智能算法尋優(yōu)提示，得到不同工況下的節(jié)能降耗潛力和最佳控制目標(biāo)，從而使運(yùn)行人員對(duì)系統(tǒng)加以干預(yù)。底層控制回路輔以系統(tǒng)辨識(shí)、預(yù)測(cè)控制、自抗擾、自適應(yīng)等算法進(jìn)行控制性能優(yōu)化，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(shí)刻保持最優(yōu)。

4 智能發(fā)電運(yùn)行控制技術(shù)瓶頸與展望

目前智能化發(fā)電運(yùn)行控制技術(shù)還有一些關(guān)鍵技術(shù)需要研發(fā)，高級(jí)智能控制器、高級(jí)服務(wù)器的一個(gè)統(tǒng)籌，需要基于深度系統(tǒng)學(xué)習(xí)的感知模塊，在深度學(xué)習(xí)這樣建模的基礎(chǔ)上使得控制能更加精準(zhǔn)地適應(yīng)全能耗的能源平衡，也就是通過(guò)自己學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)挖掘、先進(jìn)的控制理論方法、專家的知識(shí)建立優(yōu)化的模型庫(kù)，這里需要進(jìn)一步研發(fā)突破，同時(shí)需考慮在控制上投入最少，產(chǎn)出效率最佳。

智能發(fā)電控制技術(shù)在實(shí)際運(yùn)用上，在多元數(shù)據(jù)的搜集方面必須要保證數(shù)據(jù)的安全、網(wǎng)絡(luò)安全，需考慮不同的信息安全的防護(hù)和大數(shù)據(jù)云平臺(tái)的結(jié)合問(wèn)題，未來(lái)以大數(shù)據(jù)云平臺(tái)、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，整合支撐系統(tǒng)，支持?jǐn)?shù)據(jù)資源在設(shè)計(jì)、調(diào)試、運(yùn)維，以及全廠的人、財(cái)、物、信息及智能管理、智能服務(wù)等呈現(xiàn)在一個(gè)平臺(tái)來(lái)建立智能發(fā)電公共服務(wù)平臺(tái)，為設(shè)備安全、精細(xì)化管理、優(yōu)化決策提供服務(wù)。智能發(fā)電運(yùn)行控制技術(shù)應(yīng)用前景非常廣闊，基于機(jī)組運(yùn)行的大數(shù)據(jù)挖掘，在原來(lái)較薄弱的碳計(jì)量碳排放實(shí)現(xiàn)智能控制監(jiān)測(cè)、超低排放監(jiān)測(cè)，助力企業(yè)碳減排和碳交易、優(yōu)化電網(wǎng)調(diào)度，在智能發(fā)電+智能電網(wǎng)上推進(jìn)發(fā)電企業(yè)能源轉(zhuǎn)型。

綜上，隨著智能技術(shù)在智能發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用不斷深入，智能算法、數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)對(duì)海量的電力生產(chǎn)數(shù)據(jù)中特征、規(guī)律等信息進(jìn)行挖掘，使數(shù)據(jù)的利用價(jià)值最大化。這些信息數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)多目標(biāo)尋優(yōu)等算法提供最優(yōu)控制值，為現(xiàn)場(chǎng)操作員提供最優(yōu)運(yùn)行指導(dǎo)建議，為生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)決策提供支持，是提升傳統(tǒng)發(fā)電企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力和經(jīng)濟(jì)效益的強(qiáng)大助力。因此，智能化發(fā)電技術(shù)全面的應(yīng)用將是市場(chǎng)發(fā)展的必然趨勢(shì)，利用智能化技術(shù)時(shí)，需將數(shù)字化、信息化、自動(dòng)化、智能化高度融合，才能充分發(fā)揮出智能發(fā)電技術(shù)的效能。