針對火力發(fā)電廠中智慧電廠存在的 問題和優(yōu)化對策研究

宮健

吉林電力股份有限公司長春熱電分公司，吉林長春，130600

0 引言

火力發(fā)電是我國最先興建的發(fā)電模式，在經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起到了能源支柱的作用。后來，國家為了減少碳排放、緩解霧霾等環(huán)境問題，實現(xiàn)碳中和，正在逐步降低火力發(fā)電占比，2015年火力發(fā)電占全國發(fā)電總量的七成，2020年降至66%?？梢钥吹剑鹆Πl(fā)電在短期內(nèi)仍占我國能源結(jié)構(gòu)中的主要地位。

火力發(fā)電的方式會不可避免地對環(huán)境造成破壞，如排放溫室氣體、酸性氣體、可吸入顆粒物等。為了提高電廠能源利用率，優(yōu)化管理模式，減少環(huán)境危害物質(zhì)的排放，應(yīng)用智慧電廠成為一種新型電廠運(yùn)行方式并被廣泛使用。

1 智慧電廠的發(fā)展背景

近年來，互聯(lián)網(wǎng)和人工智能為主的計算機(jī)技術(shù)蓬勃發(fā)展，逐漸出現(xiàn)了制造業(yè)高度數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化，并融入信息物理融合系統(tǒng)的工廠，這被稱為第四次工業(yè)革命。在此基礎(chǔ)上，各國提出了將計算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于各領(lǐng)域的推廣計劃，國外稱之為智能工廠、智能制造。美國制定了自己的智能制造計劃“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”，德國提出“工業(yè)革命4.0”計劃，都劍指智能制造。中國也在2015年提出了自己的智能制造計劃，宣布將融合工業(yè)化與信息化，發(fā)展制造業(yè)智能化、數(shù)字化。后來，國務(wù)院又陸續(xù)出臺《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展行動計劃》《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》《深化“互聯(lián)網(wǎng)+先進(jìn)制造業(yè)”發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的指導(dǎo)意見》等多項文件，為我國智能制造的發(fā)展指明了方向。時間推進(jìn)到2020年，智能制造戰(zhàn)略的多項成果已經(jīng)落地，制造業(yè)信息化與智能化的技術(shù)日趨成熟，人工智能開始廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的方方面面[1]。

在智能制造的背景下，國家能源局著手推動能源行業(yè)的智能化發(fā)展，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》。意見指出，要開展能源行業(yè)大數(shù)據(jù)采集工作，實施能源行業(yè)大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略，將大數(shù)據(jù)在能源領(lǐng)域多方位融合?；鹆Πl(fā)電廠作為能源行業(yè)的中流砥柱，在火電廠中開展智慧能源戰(zhàn)略，最能體現(xiàn)出智能制造的發(fā)展成果，因此，智慧電廠作為智慧能源的集大成者，在火電廠中逐漸推廣開來。

2 智慧電廠的含義和作用

智慧電廠是一種管理模式的總稱，是由一系列數(shù)據(jù)、軟件、人員、規(guī)范建立起來的綜合管理體系。智慧電廠的建設(shè)，是能源制造業(yè)的思想轉(zhuǎn)變的標(biāo)志，是發(fā)電行業(yè)實現(xiàn)更高更快發(fā)展的有效途徑，也是我國智能制造計劃階段性成果之一。在電廠不斷創(chuàng)新發(fā)電技術(shù)的基礎(chǔ)上，引入人工智能、大數(shù)據(jù)、信息技術(shù)、檢測技術(shù)，實現(xiàn)電廠運(yùn)行智能化、數(shù)字化轉(zhuǎn)變。經(jīng)過智慧電廠改造后，電廠具有一定程度的自動決策能力，實現(xiàn)了能根據(jù)采集的信息獲取用電環(huán)境的變化、及時調(diào)整發(fā)電運(yùn)行參數(shù)、自動發(fā)布維護(hù)維修提示和發(fā)生重大突發(fā)情況時自動執(zhí)行預(yù)設(shè)保護(hù)指令等多種應(yīng)用。

總的來說，與傳統(tǒng)火電廠相比，智慧電廠可以提高資源利用率，提高電廠管理效率，降低管理成本，實現(xiàn)發(fā)電系統(tǒng)精準(zhǔn)管控，提高電廠安全性，降低操作難度。智慧電廠能助力我國低碳經(jīng)濟(jì)的建設(shè)和環(huán)保節(jié)能事業(yè)的推廣，為早日實現(xiàn)碳中和打下基礎(chǔ)[2]。

3 智慧電廠系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)電廠的區(qū)別

3.1 監(jiān)測設(shè)備層面

傳統(tǒng)火電廠的監(jiān)測設(shè)備往往是就地安裝，就地使用，設(shè)備之間聯(lián)系少，無法遠(yuǎn)程監(jiān)控、維護(hù)，設(shè)備狀態(tài)主要靠人工讀取。智慧電廠通過基站和網(wǎng)點(diǎn)實現(xiàn)全廠WIFI覆蓋，監(jiān)測設(shè)備帶有網(wǎng)絡(luò)模塊，連接設(shè)備之間信息能夠?qū)崟r地互通互傳，并匯總到每個終端，使所有終端使用者都能實時監(jiān)控電廠運(yùn)行的數(shù)據(jù)。另一方面，借助一系列傳感器，可以對監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)和電廠各項參數(shù)，如有報錯將推送給運(yùn)維人員，及時發(fā)現(xiàn)及時處理，保障電廠穩(wěn)定運(yùn)行。

3.2 系統(tǒng)控制層面

如何將采集的信息作出正確處理，并發(fā)布指令給執(zhí)行人員，就是控制系統(tǒng)的功能。除了上述功能，智慧電廠還涉及了復(fù)雜的管控內(nèi)容，我們常用SCADA系統(tǒng)來進(jìn)行控制。該系統(tǒng)能接受工人指令并傳達(dá)給相應(yīng)設(shè)備，使設(shè)備作出正確的操作。可以控制諸如系統(tǒng)自啟停、緊急跳閘、脫硫脫硝運(yùn)行、AGC優(yōu)化等?？刂葡到y(tǒng)用先進(jìn)的算法和人工智能輔助，定期進(jìn)行版本更新以適應(yīng)運(yùn)行環(huán)境的變化，并引入最新的機(jī)器學(xué)習(xí)、機(jī)器視覺等新技術(shù)，使控制系統(tǒng)具備一定的成長能力，適應(yīng)電廠操作環(huán)境和工人操作習(xí)慣，提高利用率[3]。

3.3 中樞管理層面

要讓智慧電廠按既定規(guī)則運(yùn)行，最重要的還是統(tǒng)一全廠上下對智慧電廠進(jìn)行適應(yīng)，這就要求設(shè)立智慧電廠的中樞管理。管理層面要明確智慧電廠的實施目的，制定行之有效的管理方案。借助信息技術(shù)，構(gòu)建電廠三維視圖，提高監(jiān)視能力，制定燃料計劃、物資計劃等專項管理方案，布置天眼探頭于傳感器，定位巡邏人員，監(jiān)視設(shè)備運(yùn)行，觀察機(jī)組狀態(tài)。在智慧電廠搭建的數(shù)據(jù)平臺基礎(chǔ)上，結(jié)合電廠自身情況，將管理細(xì)則逐一落實到位，實現(xiàn)精細(xì)化管理。

4 火電廠的智慧電廠建設(shè)存在的問題

4.1 信息化程度不夠

在火電廠智慧化的過程中，信息化是非常重要的一環(huán)。如前文所說，信息化程度影響到設(shè)備之間的連接狀態(tài)，也就進(jìn)一步影響信息采集和大數(shù)據(jù)平臺建立，最終影響了智慧電廠的統(tǒng)籌和管控。因此，在智慧電廠建設(shè)中，信息技術(shù)的應(yīng)用有著嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，整套系統(tǒng)交付前，對人員也有著必備的崗前培訓(xùn)、現(xiàn)場教學(xué)，運(yùn)行期還有即時的技術(shù)支持。但是，由于工人素質(zhì)、培訓(xùn)內(nèi)容難度、智慧化程度等多方面原因，部分工人無法掌握信息技術(shù)相關(guān)技能，操作系統(tǒng)、終端、APP等應(yīng)用操作不熟練，信息技術(shù)推廣效果差。就出現(xiàn)工人只能部分借助智慧化作業(yè)，甚至出現(xiàn)放棄智慧化，回退傳統(tǒng)作業(yè)的現(xiàn)象，智慧電廠對設(shè)備運(yùn)行、檢修、維護(hù)的支持作用不能體現(xiàn)，也讓整個系統(tǒng)出現(xiàn)漏洞而影響其整體置信度，最終結(jié)果將是系統(tǒng)失效[4]。

4.2 控制系統(tǒng)復(fù)雜，應(yīng)用難度大

智慧電廠的控制系統(tǒng)，是建立在大數(shù)據(jù)、人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)等一系列高新技術(shù)為基礎(chǔ)的自動化智能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過對各種來源的數(shù)據(jù)和信號進(jìn)行有序處理，根據(jù)特定算法，有針對性地自動處理參數(shù)。導(dǎo)入歷史指令集，該系統(tǒng)還可以學(xué)習(xí)具體事件的處理并在以后加以運(yùn)用。對信號進(jìn)行處理時，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換，結(jié)合多種濾波手段分析原始信號。在進(jìn)一步應(yīng)用中，還可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行平均值、方差、分布函數(shù)等多種方式的處理，對周期信號的頻譜分析、非周期信號的頻譜和功率譜分析。

智慧控制系統(tǒng)預(yù)設(shè)的功能強(qiáng)大，作用多范圍廣。但實踐中，由于系統(tǒng)的高級應(yīng)用過于復(fù)雜，管理者及工人都不能發(fā)揮出其作用；對于基礎(chǔ)功能的設(shè)置，在交付使用后就不再更改，后期由于運(yùn)行環(huán)境和部分參數(shù)改變，系統(tǒng)也不能及時做出調(diào)整，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)同步也時有落下，這一系列問題，導(dǎo)致控制系統(tǒng)無法按照既定的程序開展工作，也就背離了建設(shè)的目的。

4.3 故障和報錯的意義不明

智慧電廠有自動監(jiān)測功能，將采集的數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)參數(shù)進(jìn)行比對，如果參數(shù)有誤，系統(tǒng)將發(fā)布故障提示，這通常被稱為報錯。理論上，每一種報錯對應(yīng)一道檢修程序，但在實際應(yīng)用中，故障類型特別多，發(fā)生同一個故障的參數(shù)可能是不同原因?qū)е碌?，智慧電廠建設(shè)還沒有成熟化應(yīng)用，導(dǎo)致監(jiān)測不全面或者程序設(shè)置覆蓋不夠，在面對故障下原因繼續(xù)細(xì)分時，智慧電廠還做得不夠。例如，對振動信號進(jìn)行獲取，涉及信號時域和頻域的綜合分析，就要對振動的參數(shù)和信號進(jìn)行細(xì)分。應(yīng)用于勵磁電流時，如果勵磁電流發(fā)生變化，過程往往快速，時頻域發(fā)展是同步的，振動較為明顯。如果振動變化不太明顯且出現(xiàn)滯后，可能是其他原因?qū)е?，在監(jiān)測中要重點(diǎn)關(guān)注。

諸如此類，參數(shù)細(xì)分太多，對程序和算法提出了更高的要求。盡管智慧電廠系統(tǒng)的版本還在不斷更迭，但該項工作還處于不斷優(yōu)化的狀態(tài)。

5 火電廠智慧電廠運(yùn)行的優(yōu)化策略

5.1 采用現(xiàn)場總線，精簡控制結(jié)構(gòu)

現(xiàn)場總線是一種控制模式。通過將所有信號搜集到總線傳輸，可以統(tǒng)一信號制式，防止信號干擾和失真，保證信號的高速通信，使其具有即時性和有效性。需要注意的是，智慧電廠的現(xiàn)場總線是以智能化控制為基礎(chǔ)的，對整個智慧系統(tǒng)進(jìn)行控制。具體地說，信號傳入總線之前，按統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，用數(shù)字信號代替現(xiàn)場的模擬信號。工作人員根據(jù)數(shù)字信號得知參數(shù)的具體數(shù)值，按照經(jīng)驗對其進(jìn)行傳輸、控制。這樣就減少了工作人員對信號進(jìn)行判斷和處理的難度，可以方便有效地向不同素質(zhì)的操作人員進(jìn)行推廣[5]。

現(xiàn)場總線控制除了針對設(shè)備本身以外，還會將各個傳感器搜集的信息，如設(shè)備狀態(tài)、運(yùn)行時間、歷史操作記錄等也進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換和傳輸。這些信號匯總到控制系統(tǒng)，作為設(shè)備的操作痕跡保存，并為下一步操作提供了參考和預(yù)測，為維修計劃的制定、人員的安排都提供了有效依據(jù)。

另一方面，對于控制系統(tǒng)的高級應(yīng)用過于復(fù)雜的問題，隨著技術(shù)的發(fā)展，解決方案提供商已經(jīng)可以通過優(yōu)化代碼，添加功能，將其交給機(jī)器來解決?；诙嗄赀\(yùn)行的數(shù)據(jù)、狀態(tài)、操作記錄，算法工程師可以優(yōu)化代碼，更新機(jī)器學(xué)習(xí)版本，引入深度學(xué)習(xí)技術(shù)，結(jié)合智能控制和新型設(shè)備管理技術(shù)等。經(jīng)過定期升級換代，智慧電廠就能與時俱進(jìn)，應(yīng)用范圍越來越廣，功能更加強(qiáng)大和齊全，高級應(yīng)用大部分將由人工智能完成，操作人員只需按照所得方案執(zhí)行即可，這樣就大大降低了智慧電廠的數(shù)據(jù)使用效率，減小了培訓(xùn)難度和工人操作難度。

5.2 智慧化控制，增加自動化覆蓋率

智慧電廠的終極應(yīng)用，就是電廠的完全自動化、無人化運(yùn)行。目前的技術(shù)還達(dá)不到這個要求，但隨著技術(shù)的進(jìn)步，自動化控制的覆蓋面將越來越大。這種情況下，運(yùn)維人員面臨報錯時，不必自己處理，系統(tǒng)將提供解決方案，工人執(zhí)行即可。

按目前的技術(shù)水平，電廠要自動化控制，就要以大數(shù)據(jù)平臺作為依托，結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，應(yīng)用貝葉斯定理、模糊控制系統(tǒng)等統(tǒng)計學(xué)理論，有效處理各種信息。面對多變量模型下的數(shù)據(jù)處理，目前應(yīng)用最好的是FCS系統(tǒng)以及配套輔助系統(tǒng)。智慧系統(tǒng)處理信號得到結(jié)論后，提交FCS系統(tǒng)制定解決方案，最后交給相應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)或執(zhí)行人員，實現(xiàn)控制的自動化。

通過上述方案，可以將智慧系統(tǒng)以及電廠的各項設(shè)備性能發(fā)揮到最大，目前這套系統(tǒng)已經(jīng)支持自動發(fā)電、自動停機(jī)、自動跳閘等功能，并能在操作人員輔助下，實現(xiàn)自動調(diào)頻、自動調(diào)壓、自動并網(wǎng)等功能。電廠精簡運(yùn)維人員，設(shè)備運(yùn)行效率提高，故障處理及時，管理人員壓力下降，事故頻次減少，電廠運(yùn)行更加平穩(wěn)有序。

5.3 加快電廠信息化建設(shè)，組織人員學(xué)習(xí)

電廠個區(qū)域信息化程度不一，除了現(xiàn)場總線控制以外，很多地方處于信號真空狀態(tài)，沒有網(wǎng)絡(luò)覆蓋和基站覆蓋，傳感器、攝像頭等與終端連接不暢。這樣，雖然信號通過總線傳輸?shù)搅酥锌厥?，但各區(qū)域維保人員進(jìn)行分體式遠(yuǎn)程控制還無法實現(xiàn)。因此，我們要推廣電廠信息化建設(shè)，提高網(wǎng)絡(luò)、基站、信號的覆蓋面積，做到信號無死角，基站全覆蓋。同時大力推廣手持終端的安裝與使用，培訓(xùn)工人在平臺上進(jìn)行遠(yuǎn)程接受指令，操作設(shè)備。進(jìn)一步解放工人的時間和生產(chǎn)力，提高單個工人的產(chǎn)值和效率，減輕值班人員的負(fù)擔(dān)。組織工人進(jìn)行技術(shù)交流和集中學(xué)習(xí)，大力推廣智慧電廠的智慧化管理，努力培養(yǎng)智慧電廠本地運(yùn)維人才，進(jìn)一步強(qiáng)化智慧電廠故障排查與保障。這樣，就能做到以人為本，將智慧電廠的運(yùn)維作為電廠運(yùn)維的中心，促進(jìn)電廠培養(yǎng)一支高質(zhì)量復(fù)合型技術(shù)人才[6]。

5.4 監(jiān)控運(yùn)行狀態(tài)，優(yōu)化經(jīng)濟(jì)效益

火電廠效益主要由投入煤炭和產(chǎn)出電能的比例來決定，智慧電廠也必須發(fā)揮出對經(jīng)濟(jì)效益的監(jiān)控和調(diào)整作用。目前已經(jīng)做到在機(jī)組運(yùn)行中，如果檢測到能量損失過大，系統(tǒng)發(fā)出報警，及時通知維護(hù)班組進(jìn)行檢查維修。但是，智慧電廠要做的是更高一層級的監(jiān)控，即在故障發(fā)生之前對其進(jìn)行預(yù)測，這對智慧電廠的機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能提出了更高的要求。例如，發(fā)電機(jī)運(yùn)行太久，容易出現(xiàn)水內(nèi)冷定子繞組滲水現(xiàn)象。傳統(tǒng)方法是大修期間對發(fā)電機(jī)進(jìn)行氣密性檢測，判斷是否存在此項問題。但是，應(yīng)用智慧電廠控制系統(tǒng)，就應(yīng)要求人工智能根據(jù)發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、往期大修檢測情況、發(fā)電機(jī)壽命等多種數(shù)據(jù)，智能判斷是否機(jī)組需要此項檢修，就可以及時在大修中排班檢查，防止問題發(fā)生造成重大損失，也避免了每次大修計劃都有此項檢查的冗余狀態(tài)。

6 結(jié)語

綜上所述，火電廠中智慧電廠存在的問題，可以從總線控制、自動化覆蓋、信息化建設(shè)、經(jīng)濟(jì)效益分析等多個方面來完善，最終實現(xiàn)智慧化電廠更穩(wěn)定更安全的運(yùn)行。發(fā)電行業(yè)是能源行業(yè)的中流砥柱，火力發(fā)電又在各發(fā)電方式中長期占據(jù)主要地位，對火力發(fā)電廠中智慧電廠進(jìn)行優(yōu)化改造，分析研究，也是為我國能源結(jié)構(gòu)和能源狀態(tài)獻(xiàn)計獻(xiàn)策，更是為以后其他電廠智慧化提供借鑒。