基于大數(shù)據(jù)平臺的智能電廠數(shù)據(jù)及系統(tǒng)集成方案研究

李維聰 ，胡玉濤 ，李偉

（1. 中國能源建設(shè)集團廣東省電力設(shè)計研究院有限公司， 廣東 廣州 510663；2. 廣東省能源集團有限公司， 廣東 廣州 510630）

0 引言

2010 年以來，“智慧城市”“智慧園區(qū)”“清潔新能源”的建設(shè)在我國逐步推廣落地[1]，設(shè)備產(chǎn)能的“智能化”建設(shè)、控制和管理也逐漸從社會公共服務(wù)、市政建設(shè)向基礎(chǔ)工業(yè)領(lǐng)域拓展。而電力行業(yè)以分散控制、信息安全管理為核心的數(shù)字化建設(shè)模式經(jīng)過長期的發(fā)展，自動化和數(shù)字化水平程度已相對成熟。中共中央政治局常務(wù)委員會全體會議強調(diào)了國家新基建的未來發(fā)展方向，人工智能、數(shù)據(jù)中心也都明確屬于智能電廠實施范疇[2]。隨著電力智能產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，針對智能工程設(shè)計、智能控制設(shè)計、智能運行設(shè)計、智慧管理設(shè)計及其相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用的可行性方案已經(jīng)被提出，并已在國內(nèi)電廠中分步實施部分智能模塊。

智能電廠以電力發(fā)電廠的模型設(shè)計、生產(chǎn)過程監(jiān)控、廠區(qū)監(jiān)控、設(shè)備狀態(tài)的數(shù)字化為基礎(chǔ)，以計算機系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)為平臺，運用云計算、大數(shù)據(jù)對海量數(shù)據(jù)進行加工處理[3]，為電廠相應(yīng)的人員提供輔助決策依據(jù)。海量數(shù)據(jù)的處理和多應(yīng)用子系統(tǒng)融合運行是整個智能電廠實現(xiàn)快速數(shù)據(jù)流和多功能聯(lián)合操控的核心技術(shù)。目前，智能電廠平臺主要分為基礎(chǔ)設(shè)施層、智能平臺層、智能應(yīng)用層、智能交互管控層四個部分[4]。各層次結(jié)構(gòu)以數(shù)據(jù)作為橋架進行交互，形成一個整體平臺，智能電廠平臺的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 智能電廠平臺結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Structure diagram of intelligent power plant platform

1 智能電廠平臺

智能電廠由智能生產(chǎn)控制平臺和智能管控平臺組成[5]。圍繞智能化的兩大平臺，從四大功能層部分在電廠范圍內(nèi)進行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理儲存、數(shù)據(jù)處理分析和數(shù)據(jù)展示應(yīng)用，形成具備自主學(xué)習(xí)、智能分析、優(yōu)化決策、事故預(yù)測、智能應(yīng)急方案、機器學(xué)習(xí)分析、自動化管理等功能的智能運行及管理模式[6]。

1.1 基礎(chǔ)設(shè)施層

智能生產(chǎn)控制平臺的基礎(chǔ)設(shè)施層主要包括智能控制器、實時數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、高級值班員站和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，主要通過智能控制網(wǎng)絡(luò)層設(shè)備對生產(chǎn)控制網(wǎng)數(shù)據(jù)進行交互，同時為優(yōu)化控制應(yīng)用提供運行硬件設(shè)備支撐，使用智能控制器進行邏輯運算及信息輸入輸出。

基礎(chǔ)設(shè)施層主要由一體化安防設(shè)施、計算機儲存及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、智能應(yīng)用硬件設(shè)施（如巡檢儀、巡檢機器人）組成，為大數(shù)據(jù)平臺、應(yīng)用服務(wù)提供硬件設(shè)施，確保整體平臺數(shù)據(jù)和程序流運轉(zhuǎn)順暢、穩(wěn)定。

1.2 智能平臺層

智能生產(chǎn)控制平臺中平臺層的建設(shè)是以生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)庫為數(shù)據(jù)核心，搭建數(shù)據(jù)處理分析、自主管理體系、智能算法模型、多平臺共享的應(yīng)用開發(fā)環(huán)境[7]。

智能平臺層以鏡像方式將生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)庫源，對智能應(yīng)用相關(guān)設(shè)備數(shù)據(jù)進行采集、抽樣、存儲等，以大數(shù)據(jù)平臺、應(yīng)用開發(fā)平臺、運行維護及算法平臺等部分組建平臺層架構(gòu)。

1.3 智能應(yīng)用層

智能生產(chǎn)控制平臺的智能應(yīng)用層是以平臺層數(shù)據(jù)庫為分析模型基礎(chǔ)，對整個電廠機組及公輔控制網(wǎng)工藝流程和設(shè)備進行“智能分析”“智能報警”“智能監(jiān)盤”“智能控制”和“智能運行”。

智能應(yīng)用層以廠級實時監(jiān)控信息系統(tǒng)和管理信息系統(tǒng)為模版，將各部分功能進行融合開發(fā)和數(shù)據(jù)互連，以管理規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化、流程化為基礎(chǔ)，以管控智能化為核心，建設(shè)電廠各專業(yè)崗位、生產(chǎn)運行的平臺構(gòu)架[8]，包括智能基礎(chǔ)建設(shè)、智能生產(chǎn)管理、智能行政管理、智能運維、智能安全、智能經(jīng)營等。

1.4 智能交互管控層

智能生產(chǎn)控制平臺的智能交互管控層是通過高級操作員站、高級值班站、智能監(jiān)盤站等設(shè)備實現(xiàn)智能控制指令的下發(fā)、數(shù)據(jù)分析的顯示和報警等功能。

智能交互管控層是通過上位機、數(shù)字中心屏幕、移動設(shè)備等，通過門戶網(wǎng)頁方式、移動客戶端APP、智能分析軟件、短信電話等方式進行交互，通過更加智能化的途徑實現(xiàn)智能管控。

2 智能電廠數(shù)據(jù)采集集成方案

2.1 智能電廠安全分區(qū)劃分

目前在規(guī)劃的智能電廠方案中，智能生產(chǎn)控制平臺建設(shè)用于生產(chǎn)控制的安全I 區(qū)，其智能控制是由內(nèi)部生產(chǎn)控制網(wǎng)與智能控制網(wǎng)通過VLAN（Virtual Local Area Network， 虛擬局域網(wǎng)）實現(xiàn)邏輯訪問控制。智能電廠的平臺層架構(gòu)中，智能優(yōu)化控制數(shù)據(jù)和實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)由物理隔離裝置輸入到實時數(shù)據(jù)庫從而進行數(shù)據(jù)存儲及處理，而實時數(shù)據(jù)庫為非控制生產(chǎn)的安全Ⅱ區(qū)。智能管控平臺的生產(chǎn)數(shù)據(jù)核心是由實時數(shù)據(jù)庫的鏡像功能存儲至本地的鏡像數(shù)據(jù)庫內(nèi)從而進行數(shù)據(jù)抽取及管理。同時管控平臺也需要提取其他非生產(chǎn)數(shù)據(jù)，如巡檢、視頻門禁、三維數(shù)字化等。因此，智能管控平臺屬于管理信息大區(qū)，即安全Ⅲ區(qū)。具體的系統(tǒng)與對應(yīng)的安全區(qū)如表1 所示。

表1 智能電廠系統(tǒng)安全分區(qū)Tab. 1 The intelligent power plant system safety zone

2.2 智能電廠系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成

在安全I 區(qū)中，一般實時生成數(shù)據(jù)由本地的歷史站或者服務(wù)器形式存儲。而大部分控制系統(tǒng)如分散式控制系統(tǒng)、廠用電監(jiān)控管理系統(tǒng)隨系統(tǒng)配置歷史站，通過歷史站接口數(shù)據(jù)接口機以O(shè)PC（Object Linking and Embedding for Process Control，對象鏈接與嵌入過程控制）方式通信[9]。

實時數(shù)據(jù)庫是智能電廠將生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行集成處理的核心設(shè)備，通過接收接口機的網(wǎng)絡(luò)通信傳輸方式對生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行存儲處理。實時數(shù)據(jù)庫位于生產(chǎn)大區(qū)的安全Ⅱ區(qū)中，以鏡像映射方式對應(yīng)存儲至關(guān)系數(shù)據(jù)庫，關(guān)系數(shù)據(jù)庫則作為智能管控平臺的核心設(shè)備集成生產(chǎn)、管理監(jiān)控、安防一體化、智能工具設(shè)備等信息。

管理信息大區(qū)（安全Ⅲ區(qū)）基于數(shù)據(jù)的集成有利于智能管控的執(zhí)行，生產(chǎn)監(jiān)控信息管理、綜合信息管理、大數(shù)據(jù)優(yōu)化分析、智能兩票及巡檢等多用于業(yè)務(wù)流、工作流、生產(chǎn)數(shù)據(jù)流等關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)，由智能電廠的關(guān)系數(shù)據(jù)庫進行統(tǒng)一數(shù)據(jù)存儲及管理。對于交互相對較少且存在大量數(shù)據(jù)存儲記錄的三維數(shù)字化和安防一體化系統(tǒng)則采用數(shù)據(jù)接口形式進行通信。

實際上適用于電廠的數(shù)據(jù)集成方式存在多樣性，數(shù)據(jù)的交互、通信方式可以根據(jù)實際數(shù)據(jù)量及設(shè)備采用的連接接口形式調(diào)整。智能電廠的大數(shù)據(jù)建設(shè)核心目的是利用強大的計算機存儲及算力將數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)和優(yōu)化分析。

3 智能電廠應(yīng)用系統(tǒng)集成方案

智能電廠從整體平臺架構(gòu)分析出發(fā)，從電廠的業(yè)務(wù)需求分析，按照類型對不同的業(yè)務(wù)流進行分類，同時根據(jù)數(shù)據(jù)流傳輸方式設(shè)計不同的數(shù)據(jù)架構(gòu)。在傳統(tǒng)電廠建設(shè)中，各供應(yīng)商提供的軟件及設(shè)備都是具有多年的運行業(yè)績，其對應(yīng)的應(yīng)用及系統(tǒng)開發(fā)已模式化。而在實際實施過程中，由于供應(yīng)商所設(shè)計的應(yīng)用系統(tǒng)及控制系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境、開發(fā)語言、人機交互方式、數(shù)據(jù)存儲采集方式等不同，智能電廠一體化平臺建設(shè)[10]存在較大難度。智能電廠需要從頂層設(shè)計出發(fā)，建設(shè)統(tǒng)一的業(yè)務(wù)流及數(shù)據(jù)流平臺。

3.1 智能電廠業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)組成

智能電廠的業(yè)務(wù)應(yīng)用主要包括分散式控制系統(tǒng)、振動監(jiān)視及分析設(shè)備、安防一體化系統(tǒng)、生成實時管理系統(tǒng)、綜合信息管理系統(tǒng)、智能兩票及巡檢系統(tǒng)、三維數(shù)字化平臺等，按照其功能可以劃分為生產(chǎn)控制類、輔助生產(chǎn)監(jiān)控類、信息監(jiān)控管理類、安全監(jiān)控類四種。

生產(chǎn)控制類系統(tǒng)包括分散式控制系統(tǒng)、廠用電監(jiān)視管理系統(tǒng)、智能生產(chǎn)控制平臺等，具有較高的安全性要求，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備均為獨立的體系，建設(shè)布置在生產(chǎn)大區(qū)安全I 區(qū)中，系統(tǒng)需與安全Ⅱ區(qū)及Ⅲ區(qū)平臺設(shè)置隔離裝置。

輔助生產(chǎn)監(jiān)控類主要是指用于輔助生產(chǎn)運行，針對電廠內(nèi)現(xiàn)場環(huán)境狀況、設(shè)備狀態(tài)、檢修維護、監(jiān)督管理等相應(yīng)建立的系統(tǒng)及設(shè)備，如智能巡檢、智能兩票、熱網(wǎng)管控、智能倉庫等[11]。該部分系統(tǒng)在傳統(tǒng)電廠中一般由不同的供應(yīng)商提供，沒有形成一體化管理，有各自開發(fā)的環(huán)境及語言。

信息監(jiān)控管理類主要用于電廠所有信息分析監(jiān)控及辦公管理業(yè)務(wù)，主要包括生產(chǎn)實時信息管理系統(tǒng)、綜合業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)優(yōu)化運行及分析、三維數(shù)字化等。在傳統(tǒng)電廠中其業(yè)務(wù)劃分也由不同的供應(yīng)商開發(fā)實現(xiàn)，隨著智能電廠的快速發(fā)展和方案落地，大部分綜合能力較強的供應(yīng)商均可以實現(xiàn)上述系統(tǒng)的融合，可以基于大數(shù)據(jù)平臺中開發(fā)應(yīng)用。

安防監(jiān)控類主要用于電廠范圍內(nèi)的安全防護相關(guān)的系統(tǒng)，在電廠分布較廣，應(yīng)用的場合較多，包括視頻監(jiān)視、門禁管理、人員定位、環(huán)境監(jiān)測等[12]。該部分系統(tǒng)供應(yīng)商均集成在一體化的安防管理平臺中，同時該部分的安防信息存儲量較大，相對智能電廠信息交互量較少。

3.2 智能電廠各系統(tǒng)互連結(jié)構(gòu)

智能電廠各類系統(tǒng)通過大數(shù)據(jù)平臺進行交互，其業(yè)務(wù)交互網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 智能電廠業(yè)務(wù)流信息結(jié)構(gòu)圖Fig. 2 Business interaction structure diagram of intelligent power plant

生產(chǎn)控制類與信息監(jiān)控管理類系統(tǒng)需要提供實時的生產(chǎn)監(jiān)控數(shù)據(jù)，同時需要進行優(yōu)化決策的計算。安防監(jiān)控類聯(lián)動的監(jiān)控視頻、入侵報警、定位信息均可通過信息監(jiān)控管理類系統(tǒng)如數(shù)字中心、三維數(shù)字化進行交互顯示及控制。輔助生產(chǎn)監(jiān)控類業(yè)務(wù)如巡檢記錄、兩票檢修需要實時監(jiān)控安防相關(guān)信息，同時信息監(jiān)控管理類系統(tǒng)中的工作流運轉(zhuǎn)及班組管理也與其有信息關(guān)聯(lián)。大數(shù)據(jù)平臺作為各系統(tǒng)的信息“橋梁”對信息進行集中存儲處理。

3.3 智能電廠數(shù)據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)集成方式

智能電廠作為業(yè)務(wù)應(yīng)用及系統(tǒng)統(tǒng)一的軟硬件載體平臺，還需為未來電廠新增業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)的快速部署或者原應(yīng)用系統(tǒng)的功能拓展提供更便捷、更穩(wěn)定、標(biāo)準(zhǔn)化的統(tǒng)一開發(fā)環(huán)境。將平臺的集成方式劃分為三大類，建設(shè)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺架構(gòu)使得各業(yè)務(wù)流、數(shù)據(jù)流之間的傳輸更為便捷，同時可以使用不同的集成方式，具體如表2 所示。

表2 智能電廠系統(tǒng)集成類別Tab. 2 Intelligent power plant system integration category

第一類集成系統(tǒng)項目包括分散式控制系統(tǒng)、振動檢測與分析系統(tǒng)、廠用電監(jiān)視管理系統(tǒng)、智能生產(chǎn)控制系統(tǒng)、安防一體化系統(tǒng)、三維數(shù)字化等。其服務(wù)器及存儲、控制網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備、采集信息的儀器、顯示運算等均相對獨立或性能要求較高，從生產(chǎn)運行安全要求、廠區(qū)安全考慮，采用獨立的硬件設(shè)備、數(shù)據(jù)庫和通信方式，與大數(shù)據(jù)平臺以數(shù)據(jù)接口方式連接。由于第一類系統(tǒng)的軟件部分相對獨立，只能采用自身系統(tǒng)開發(fā)的軟件系統(tǒng)。

第二類集成系統(tǒng)項目包括智能兩票、智能巡檢系統(tǒng)等[13]。其應(yīng)用程序可以在虛擬平臺上運行，由于其輔助生產(chǎn)業(yè)務(wù)及部分硬件設(shè)備關(guān)聯(lián)，且數(shù)據(jù)量交互相對獨立，可使用本地的數(shù)據(jù)庫及通信方式。第二類集成通過接口形式與大數(shù)據(jù)平臺進行數(shù)據(jù)交互。在軟件方面，第二類集成系統(tǒng)采用自身開發(fā)的軟件在平臺上運行；在硬件方面，無需單獨配置，可使用平臺的硬件設(shè)備。

第三類集成系統(tǒng)項目包括生產(chǎn)監(jiān)控管理、綜合信息管理系統(tǒng)、設(shè)備全生命周期管理、智能倉儲等。第三類融合屬于高度融合方式，軟件程序開發(fā)及數(shù)據(jù)庫等的使用均采用大數(shù)據(jù)平臺提供的部署及開發(fā)模式。其數(shù)據(jù)融合的主要內(nèi)容包括設(shè)備編碼信息的融合，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模型、運行指標(biāo)模型、經(jīng)營指標(biāo)模型的融合，關(guān)聯(lián)、時序數(shù)據(jù)的編碼以及數(shù)據(jù)格式融合，非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的融合等。智能電廠最終實現(xiàn)的綜合平臺即為第三類集成方式。第三類系統(tǒng)與平臺高度融合，在軟硬件方面均采用平臺提供的開發(fā)環(huán)境及硬件設(shè)備。

不同應(yīng)用系統(tǒng)的供應(yīng)商開發(fā)模式不同，所使用的數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)接口、硬件要求均不一致。因此，上述各種系統(tǒng)的具體集成方式需要與智能電廠不同的供應(yīng)商進行協(xié)調(diào)溝通，若要求系統(tǒng)采用第三類集成方式則需要更多地考慮開發(fā)成本、應(yīng)用效果、數(shù)據(jù)量交互方式等。

3.4 智能電廠應(yīng)用系統(tǒng)集成實施

應(yīng)用系統(tǒng)集成的完整性對于智能電廠的一體化運行、智能化程度、數(shù)據(jù)管理等都有十分重要的影響。因此前期應(yīng)重點調(diào)研供應(yīng)商的平臺集成能力，以及相關(guān)集成系統(tǒng)的應(yīng)用案例和業(yè)績，基于一體化方面的考慮，需要了解不同子系統(tǒng)供應(yīng)商的集成方式。

在智能電廠規(guī)范書的編寫階段，需對供應(yīng)商提出集成融合的要求，要求其提供硬件融合、軟件層融合、數(shù)據(jù)融合等技術(shù)方案，以助力實現(xiàn)智能電廠一體化大數(shù)據(jù)平臺[14]。在實施階段，應(yīng)對應(yīng)用系統(tǒng)與大數(shù)據(jù)平臺的集成進行調(diào)試測評，聘請專業(yè)技術(shù)人員對系統(tǒng)的穩(wěn)定性、操作性、兼容性等方面進行檢測，以確保大數(shù)據(jù)平臺長期穩(wěn)定高效運行?；陧椖拷ㄔO(shè)及產(chǎn)權(quán)要求，還需在規(guī)范書編寫階段及實施過程中讓各系統(tǒng)的供應(yīng)商明確系統(tǒng)軟硬件的授權(quán)及相關(guān)知識產(chǎn)權(quán)的使用關(guān)系，同時為項目提供相關(guān)創(chuàng)新產(chǎn)權(quán)的保護。

以某智能電廠為例，項目實施過程中，前期項目組對各應(yīng)用系統(tǒng)進行了深度調(diào)研，并在規(guī)范書中明確了應(yīng)用系統(tǒng)的三類集成方式；協(xié)議簽訂后邀請各應(yīng)用系統(tǒng)廠家及技術(shù)專家在技術(shù)聯(lián)絡(luò)會上對各系統(tǒng)的具體方案應(yīng)用進行審查，確認(rèn)了系統(tǒng)與智能管控平臺的數(shù)據(jù)接口、開發(fā)平臺、通信方式等。項目采用了協(xié)商后的實施方案，在系統(tǒng)軟件開發(fā)及對接上進展順利，有利于后續(xù)項目落地應(yīng)用。

4 結(jié)論

文章分析了智能電廠的平臺，分析了基礎(chǔ)設(shè)施層、平臺層、應(yīng)用層、管控交互層各層數(shù)據(jù)連接的關(guān)系，同時對數(shù)據(jù)采集集成的方式進行了研究，將智能電廠的應(yīng)用系統(tǒng)劃分四類方式，不同類型對數(shù)據(jù)采集的方式不同，但都可以通過大數(shù)據(jù)平臺進行交互。智能電廠的核心在于大數(shù)據(jù)高度集成，融入更多的智能算法、智能聯(lián)動、智能分析等功能，以實現(xiàn)各系統(tǒng)無縫連接融合，實現(xiàn)電廠的智能化[15]。因此，文章對各應(yīng)用系統(tǒng)的三類集成方式進行了歸納，通過不同的集成方式實現(xiàn)大數(shù)據(jù)平臺的融合。

目前智能電廠在國內(nèi)已逐漸發(fā)展推廣，部分已在電廠中落地實施。傳統(tǒng)電廠的應(yīng)用系統(tǒng)相對獨立，存在數(shù)據(jù)孤島的問題，智能電廠通過大數(shù)據(jù)平臺實現(xiàn)了融合和智能分析，解決了該問題。在后續(xù)的智能電廠項目實施過程中，在智能電廠的集成方式和應(yīng)用系統(tǒng)供應(yīng)商的選擇方面，都需考慮各方集成的實施，充分利用大數(shù)據(jù)平臺的優(yōu)勢；在大數(shù)據(jù)平臺及應(yīng)用系統(tǒng)的選取方面，應(yīng)充分考慮其兼容性和融合方案，以擴展不同的系統(tǒng)功能及其他新興智能技術(shù)。