智慧電廠建設(shè)與智能發(fā)電技術(shù)應(yīng)用探討

薄玉龍

（中國(guó)聯(lián)合工程有限公司，浙江 杭州 310052）

0 引言

社會(huì)生產(chǎn)與生活的電力需求量提升，新能源、清潔能源不斷發(fā)展，電氣企業(yè)需要轉(zhuǎn)變現(xiàn)有管理模式，通過(guò)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)發(fā)展。同時(shí)注重創(chuàng)新管理體制，帶動(dòng)技術(shù)進(jìn)步發(fā)展，全面提升生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)效率，使企業(yè)生產(chǎn)成本降低，加強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力。在現(xiàn)代背景下，大量建設(shè)智慧型電廠可以滿(mǎn)足電力企業(yè)發(fā)展需求，同時(shí)注重管理模式創(chuàng)新。

1 智慧電廠總體規(guī)劃

火電智慧電廠是在現(xiàn)代數(shù)字處理技術(shù)、通信技術(shù)基礎(chǔ)上，將傳感、自動(dòng)控制、自動(dòng)執(zhí)行等技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)安全高效的運(yùn)行，與智慧電網(wǎng)互相協(xié)調(diào)，讓電力生產(chǎn)和社會(huì)資源相協(xié)調(diào)，能提高發(fā)電廠生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化和自動(dòng)化水平。借助于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)及一體化控制平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)智能傳輸、智能控制、智能管理及智能配置，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)和管理，充分利用智能技術(shù)支持感知決策，提高管控一體化水平。智慧電廠面向生產(chǎn)設(shè)備全生命周期展開(kāi)生產(chǎn)和運(yùn)營(yíng)管理，尤其是設(shè)備控制層面，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)、傳感器及自動(dòng)化控制技術(shù)的應(yīng)用，提高設(shè)備自主控制能力，減少人為操作，預(yù)防人為差錯(cuò)的發(fā)生。通過(guò)智能系統(tǒng)的應(yīng)用提高設(shè)備運(yùn)行可靠性，降低生產(chǎn)故障率，有利于生產(chǎn)效益的保障?；痣娭腔垭姀S的架構(gòu)體系主要分為智能控制層、一體化智能平臺(tái)及智能檢測(cè)層，智能結(jié)構(gòu)分工明確。智能檢測(cè)層主要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行檢測(cè)，收集設(shè)備信息和數(shù)據(jù)，將信息、數(shù)據(jù)與智能控制層共享，及時(shí)響應(yīng)智能控制層指令?；痣娭腔垭姀S通過(guò)嵌入式系統(tǒng)將電廠生產(chǎn)過(guò)程和全壽命周期相關(guān)信號(hào)、參數(shù)轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)庫(kù)中保存，為后續(xù)大數(shù)據(jù)技術(shù)的分析做好準(zhǔn)備，智能檢測(cè)層主要利用傳感器、信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能化檢測(cè)和感知。智能控制層主要利用設(shè)備層的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行智能運(yùn)行和診斷，監(jiān)控設(shè)備數(shù)據(jù)，讓智慧電廠高效穩(wěn)定運(yùn)行。隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用，智能算法得到演化，新技術(shù)不斷發(fā)展，被不斷應(yīng)用在生產(chǎn)過(guò)程中。經(jīng)過(guò)大數(shù)據(jù)技術(shù)優(yōu)化，智能系統(tǒng)對(duì)設(shè)備性能指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算，掌握機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)技術(shù)人員進(jìn)行指導(dǎo)，大幅提高生產(chǎn)環(huán)節(jié)的安全性，更有利于安全生產(chǎn)[1]。當(dāng)生產(chǎn)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，能根據(jù)數(shù)據(jù)分析提供故障診斷意見(jiàn)，規(guī)避人為主觀因素的影響，給維修人員提供技術(shù)支持。一體化智能平臺(tái)用于統(tǒng)計(jì)指標(biāo)和監(jiān)測(cè)信息，通過(guò)大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)數(shù)據(jù)的收集，專(zhuān)項(xiàng)分析數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)、監(jiān)督及故障診斷，實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)管，優(yōu)化生產(chǎn)負(fù)荷。一體化管理平臺(tái)也涵蓋人力資源管理、財(cái)務(wù)管理及生產(chǎn)管理等功能，將火電廠管理工作整合，實(shí)現(xiàn)一體化管理，有利于深度挖掘管理數(shù)據(jù)，將生產(chǎn)和管理結(jié)合起來(lái)，更有利于火電廠的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。

2 智慧電廠建設(shè)及智能發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用

2.1 遙視系統(tǒng)

遙視系統(tǒng)可全方位監(jiān)控電廠，應(yīng)用范圍應(yīng)用十分范圍，具有局限性。電廠中遙視系統(tǒng)可通過(guò)攝像頭，實(shí)現(xiàn)監(jiān)視、錄像，并能與其他設(shè)備配合實(shí)現(xiàn)安全、門(mén)禁等功能。人工智能技術(shù)的出現(xiàn)，能夠準(zhǔn)確提取、科學(xué)分析監(jiān)控視頻的詳細(xì)信息，以探索設(shè)備故障有關(guān)事件，并給予針對(duì)性處理。當(dāng)前很多人工智能在遙視系統(tǒng)中的應(yīng)用備受行內(nèi)專(zhuān)業(yè)人士的關(guān)注，取得了顯著的效果。電廠遙視系統(tǒng)的功能需求較碎片化，設(shè)備監(jiān)控方面為其重點(diǎn)研究方向，功能的實(shí)現(xiàn)主要通過(guò)圖像處理。傳統(tǒng)機(jī)器學(xué)習(xí)方法的應(yīng)用還沒(méi)有得到廣泛推廣。深度學(xué)習(xí)可以學(xué)習(xí)圖像中的特征，為遙測(cè)系統(tǒng)的信息分析帶來(lái)了許多新的方法。然而，這種方法仍處于初級(jí)階段，應(yīng)加強(qiáng)技術(shù)的優(yōu)化。

2.2 建立智能化獨(dú)立子系統(tǒng)

現(xiàn)階段，某電廠建立獨(dú)立子系統(tǒng)，涉及綜合管控系統(tǒng)、燃料智能化管理系統(tǒng)。對(duì)于燃料智能化管理系統(tǒng)，必須全方位管理燃料，基于電廠燃料管理需求，做好總體規(guī)劃設(shè)計(jì)，同時(shí)融合信息化、智能化理念，將條碼技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)融入燃料管理中，以此提升電廠燃料管理新高度，以智能化方式管理燃料全過(guò)程[2]。電廠智能管控系統(tǒng)，需要通過(guò)智慧小區(qū)、智慧城市理念，充分發(fā)揮信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)支持，利用協(xié)議轉(zhuǎn)化、信息集成、數(shù)據(jù)接口方式，將火災(zāi)消防報(bào)警系統(tǒng)、門(mén)禁管理系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)與數(shù)據(jù)平臺(tái)連接在一起，以此實(shí)現(xiàn)不同子系統(tǒng)設(shè)備聯(lián)動(dòng)、信息共享，確保電廠管理的便利性、高效性、安全性。針對(duì)用戶(hù)異常行為，可以及時(shí)診斷用能異常，分析費(fèi)用聯(lián)動(dòng)。通過(guò)用能全域數(shù)據(jù)模型，監(jiān)控能源消費(fèi)，同時(shí)分析能源損耗。

2.3 專(zhuān)家診斷系統(tǒng)

根據(jù)生產(chǎn)、運(yùn)維數(shù)據(jù)，建立云端數(shù)據(jù)庫(kù)，并通過(guò)數(shù)據(jù)分析建立專(zhuān)家診斷系統(tǒng)，能及時(shí)診斷故障和事故，積極預(yù)測(cè)風(fēng)險(xiǎn)，提高生產(chǎn)安全性。尤其是對(duì)火電智慧電廠中汽輪機(jī)組、風(fēng)機(jī)、磨煤制粉設(shè)備等核心機(jī)械設(shè)備的關(guān)鍵部件，展開(kāi)全程溫度檢測(cè)，預(yù)估運(yùn)行狀態(tài)。例如：滾動(dòng)軸承溫度閾值為95℃，滑動(dòng)軸承溫度閾值為80℃，引風(fēng)機(jī)電機(jī)定子、軸承的溫度閾值分別為130℃、110℃，當(dāng)工業(yè)設(shè)備出現(xiàn)溫度異常后，需立即發(fā)出報(bào)警信息，避免溫度過(guò)高停機(jī)后才察覺(jué)。因此需要對(duì)重要部件設(shè)定報(bào)警值，充分利用溫度傳感器對(duì)重要部件全程監(jiān)控，當(dāng)溫度升高至報(bào)警閾值后，立即發(fā)出警報(bào)信息。通過(guò)對(duì)核心設(shè)備部件溫度狀態(tài)實(shí)時(shí)識(shí)別，可以保證設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。除溫度外，部分部件經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行已達(dá)部件壽命，狀態(tài)劣化，需要及時(shí)更換。如泵軸承、風(fēng)機(jī)軸承等部件，其維修周期約為1×105h，以5×104h 為1 個(gè)周期，利用數(shù)據(jù)模型模擬核心部件，預(yù)估部件服役狀態(tài)，根據(jù)模型預(yù)測(cè)結(jié)果判斷設(shè)備能否正常運(yùn)轉(zhuǎn)，決策是否進(jìn)行維修或更換[3]。專(zhuān)家診斷系統(tǒng)能對(duì)生產(chǎn)設(shè)備展開(kāi)狀態(tài)評(píng)估，利用數(shù)據(jù)模型分析設(shè)備壽命和故障，制訂檢修決策。同時(shí)能對(duì)設(shè)備進(jìn)行在線診斷，提供檢修意見(jiàn)，大幅提高人工檢修工作的效率。

2.4 智能設(shè)備

（1）精益設(shè)備檢修業(yè)務(wù)的管理，固化了設(shè)備檢修的業(yè)務(wù)流程，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)有效管理的復(fù)制，避免了某些重復(fù)性的工作。按照a、b、c 各級(jí)的每一個(gè)年度進(jìn)行檢修，根據(jù)每一個(gè)年度的機(jī)組檢修工藝設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)”一鍵啟動(dòng)”的所有檢修工作項(xiàng)目，機(jī)組的所有檢修工作項(xiàng)目都啟動(dòng)，根據(jù)需要套用的檢修模板，自動(dòng)向相應(yīng)的檢修標(biāo)項(xiàng)列表，精益檢修管理，在線了解各種設(shè)備檢修的工作區(qū)域、進(jìn)度、質(zhì)量、成本等方面的變化。

（2）預(yù)知性維護(hù)，分別為各個(gè)專(zhuān)業(yè)人員所統(tǒng)計(jì)的預(yù)防性維護(hù)指標(biāo)，其中包括實(shí)施率、及時(shí)度、合格率等，并對(duì)其進(jìn)行跟蹤挖掘。由被動(dòng)維修，到預(yù)防性維修，再發(fā)展為可以預(yù)測(cè)的維修。通過(guò)連續(xù)測(cè)量和分析，預(yù)測(cè)性的保養(yǎng)系統(tǒng)是一種準(zhǔn)確的保養(yǎng)指標(biāo)，包括與設(shè)備零部件殘留壽命、機(jī)械零部件的剩余壽命等密切相關(guān)的保養(yǎng)指標(biāo)。關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)資料可以被廣泛地用來(lái)判斷機(jī)器的工作輔助和決策，判斷機(jī)器工作的運(yùn)行情況、優(yōu)化設(shè)備進(jìn)行維護(hù)的工作時(shí)間和位置，從而真正實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)器運(yùn)行的可控、在管。這樣我們就已經(jīng)做到了在進(jìn)行維護(hù)和檢修之前心里有數(shù)，在進(jìn)行維護(hù)的過(guò)程中得心應(yīng)手。

2.5 智能診斷處理及報(bào)警功能

為了提高火電機(jī)組報(bào)警的可靠性、智能性、易用性，針對(duì)當(dāng)前報(bào)警功能存在的不足，采用智能診斷處理及報(bào)警系統(tǒng)，主要包括四個(gè)模塊：滋擾報(bào)警抑制模塊、智能預(yù)警模塊、報(bào)警根源分析模塊、報(bào)警增強(qiáng)展現(xiàn)模塊。

2.5.1 滋擾報(bào)警抑制

滋擾報(bào)警通常不代表出現(xiàn)故障，振蕩報(bào)警和重復(fù)報(bào)警是其主要形式。其危害是對(duì)運(yùn)行人員正常操作造成干擾。滋擾報(bào)警抑制功能通過(guò)多變量聯(lián)合判斷、統(tǒng)計(jì)分析、濾波延遲等技術(shù)手段抑制、減少滋擾報(bào)警。

2.5.2 智能預(yù)警

主要功能是檢測(cè)設(shè)備參數(shù)是否處于正常范圍之內(nèi)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)設(shè)備參數(shù)偏離正常范圍時(shí)，向有關(guān)人員發(fā)出預(yù)警信號(hào)?？蓪?shí)現(xiàn)大量需要監(jiān)視的重要參數(shù)劣化分析的自動(dòng)監(jiān)測(cè)和提前預(yù)警，從而防止事故的進(jìn)一步擴(kuò)大，可快速定位存在異常的部位和參數(shù)，提供實(shí)時(shí)和歷史相結(jié)合的分析手段，可以幫助運(yùn)行相關(guān)人員分析過(guò)程存在的問(wèn)題。

2.5.3 智能報(bào)警根源分析

故障根源回溯的依據(jù)是將高級(jí)值班員的專(zhuān)業(yè)知識(shí)和豐富經(jīng)驗(yàn)、運(yùn)行規(guī)程、設(shè)備設(shè)計(jì)資料等表達(dá)和固化為代碼形式的邏輯故障知識(shí)庫(kù)。系統(tǒng)依靠邏輯故障知識(shí)庫(kù)、推理機(jī)及高性能歷史站的數(shù)據(jù)進(jìn)行故障樹(shù)專(zhuān)家推理分析[4]。

2.6 根據(jù)需求痛點(diǎn)，設(shè)計(jì)智慧電廠業(yè)務(wù)能力點(diǎn)

基于電力生產(chǎn)中的業(yè)務(wù)實(shí)際痛點(diǎn)需求，將枕頭壩電廠智慧業(yè)務(wù)能力劃分為五層，從基礎(chǔ)往上依次為：設(shè)備智能層、系統(tǒng)智能層、作業(yè)智能層、生產(chǎn)智能層、電廠管理層。設(shè)備智能層對(duì)應(yīng)智慧業(yè)務(wù)能力的“泛在感知”場(chǎng)景，主要包含實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)感知和自主運(yùn)行的能力。系統(tǒng)智能層對(duì)應(yīng)智慧業(yè)務(wù)能力的“數(shù)字孿生”和“多系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)”場(chǎng)景，通過(guò)各種數(shù)字化手段實(shí)現(xiàn)控制單元的智能化升級(jí)，實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)之間聯(lián)動(dòng)控制，構(gòu)建基于設(shè)備機(jī)理的數(shù)字孿生云端電廠。作業(yè)智能層對(duì)應(yīng)智慧業(yè)務(wù)能力的“無(wú)人巡檢”“智能操作”“智能作業(yè)輔助”三大場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)電廠運(yùn)行監(jiān)盤(pán)、巡檢、操作、定期輪換/試驗(yàn)、消缺、檢修、事故處理及作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)智能化管理等作業(yè)行為的智能化。生產(chǎn)智能層對(duì)應(yīng)智慧業(yè)務(wù)能力的“安全風(fēng)險(xiǎn)管理”和“智能生產(chǎn)管理”場(chǎng)景，對(duì)設(shè)備管理、檢修管理、缺陷管理、安全風(fēng)險(xiǎn)管理、備品備件及工器具管理等生產(chǎn)管理活動(dòng)提供智能化支持。電廠管理層對(duì)應(yīng)智慧業(yè)務(wù)能力的“電廠駕駛艙”場(chǎng)景，基于領(lǐng)導(dǎo)層的視野，實(shí)現(xiàn)智慧電廠的宏觀態(tài)勢(shì)整體管控能力，其核心包括生產(chǎn)態(tài)勢(shì)管理、所有安全生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)的集中管控，以及應(yīng)急指揮的一體化管控能力。

2.7 建立數(shù)據(jù)集成平臺(tái)

智慧型電廠運(yùn)營(yíng)期間，注重建立數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，對(duì)電廠設(shè)計(jì)、調(diào)試、采購(gòu)與運(yùn)維進(jìn)行整合，尤其是各環(huán)節(jié)資料、文件、數(shù)據(jù)等，屬于企業(yè)工程數(shù)據(jù)管理庫(kù)，可以整合、共享、存儲(chǔ)工程信息，屬于重要載體。一般來(lái)說(shuō)，數(shù)據(jù)集成平臺(tái)涉及工程信息檢索、數(shù)據(jù)管理、電子檔案維修、流程管理、資產(chǎn)可視化、生產(chǎn)可視化等。在數(shù)據(jù)集成平臺(tái)上，數(shù)字化移交屬于重要內(nèi)容，能夠?yàn)閿?shù)據(jù)平臺(tái)建設(shè)奠定基礎(chǔ)。不同單位應(yīng)做好協(xié)同工作。數(shù)據(jù)平臺(tái)通過(guò)統(tǒng)一標(biāo)識(shí)編碼格式，將不同數(shù)據(jù)連接在一起，以三維數(shù)字模型、CAD 圖紙、Office 文檔方式提交，但是卻無(wú)法通過(guò)電子文件方式提交，必須提交紙質(zhì)版文件，通過(guò)數(shù)據(jù)集成管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一化錄入和集成，發(fā)送至生產(chǎn)信息管控平臺(tái)[5]。所以，數(shù)據(jù)管理平臺(tái)將數(shù)據(jù)作為核心可以準(zhǔn)確抓取對(duì)象，在建立關(guān)系圖示的同時(shí)做好導(dǎo)航。

2.8 交流和直流一體化電源系統(tǒng)中的直流充電模塊

組成直流充電模塊的主要元素有交流配電單元、單元充電模塊、單元直流饋電、單元集中監(jiān)控、絕緣監(jiān)測(cè)和蓄電池組等。因?yàn)橄嚓P(guān)開(kāi)關(guān)器件的質(zhì)量有所不同，它們的性能同樣不同。受這方面因素影響，往往每個(gè)開(kāi)關(guān)電源模塊的最大輸出功率能達(dá)到幾千瓦。但在智慧電廠建設(shè)的實(shí)踐中，依靠直流系統(tǒng)，僅僅需要幾百千瓦的供電電能。因此，這就需要遴選并且并聯(lián)相對(duì)多個(gè)高頻開(kāi)關(guān)電源模塊，用來(lái)保證充電機(jī)能夠完成一定大功率電能的輸出。針對(duì)隔離變壓器而言，因?yàn)樗哂邢鄳?yīng)的高頻化特點(diǎn)，需要具有相對(duì)較小的體積和質(zhì)量，才能體現(xiàn)它的有利性。另外，如果選擇運(yùn)用一定的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，還可在一定程度上大幅度減少對(duì)開(kāi)關(guān)的相關(guān)損耗，并能相應(yīng)提高它們的變換效率。在智慧電廠的直流供電系統(tǒng)中，絕緣監(jiān)測(cè)技術(shù)同樣必不可少，因?yàn)檫@項(xiàng)技術(shù)可以實(shí)施對(duì)正負(fù)母線的接地絕緣，并能對(duì)正母線接地可能出現(xiàn)的失誤操作、對(duì)負(fù)母線接地出現(xiàn)的單點(diǎn)接地等問(wèn)題實(shí)施必要的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以防出現(xiàn)斷路器的拒動(dòng)問(wèn)題。

2.9 開(kāi)關(guān)設(shè)備智能化

電廠部分開(kāi)關(guān)設(shè)備主要采用開(kāi)關(guān)本體+傳感器+智能元件的方式實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步智能化。傳感器主要包括FS6氣體密度、微水、開(kāi)關(guān)本體放電、電流波形開(kāi)關(guān)的分合、蓄能發(fā)動(dòng)機(jī)的打壓時(shí)間和工作狀態(tài)，智能元件包括智能終端設(shè)備、連接合并單元、保護(hù)、測(cè)量和控制裝置等。智能元件的監(jiān)測(cè)信息按照DL/T860 標(biāo)準(zhǔn)連接到綜合信息平臺(tái)，將分析結(jié)果上傳到主站或狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置。進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了智能化在線檢測(cè)功能，如開(kāi)關(guān)測(cè)量數(shù)字化、控制網(wǎng)絡(luò)、狀態(tài)可視化、功能集成和信息交互。另外，開(kāi)關(guān)采用隔離斷路器，電子式電流、電壓互感器套管安裝在開(kāi)關(guān)座上，取代了臥式隔離開(kāi)關(guān)的靜態(tài)側(cè)絕緣子，節(jié)省了隔離開(kāi)關(guān)、電廠和設(shè)備的集成和共享。每個(gè)隔離開(kāi)關(guān)配備有1 個(gè)狀態(tài)檢測(cè)裝置，并放置在間隔智能元件柜中。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和信息科學(xué)的進(jìn)步，智慧電廠已經(jīng)越來(lái)越多地受到了電力企業(yè)的關(guān)注，其發(fā)展亦是必然的結(jié)果，智慧電廠所具有的預(yù)期性和效果也是顯著的。智慧電廠建設(shè)作為電力的主要?jiǎng)恿?lái)源，必將得到進(jìn)一步深入發(fā)展。