基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的電廠集控運行優(yōu)化策略研究

國能神皖馬鞍山發(fā)電有限責(zé)任公司 馬忠禮

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展和智能化水平的提高，電力系統(tǒng)的運行管理面臨著新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇，電廠作為電力系統(tǒng)的核心組成部分，其集中控制運行的優(yōu)化策略對于保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行、提高電能利用效率和降低運行成本具有重要意義。傳統(tǒng)的電廠集控運行優(yōu)化策略主要基于經(jīng)驗規(guī)則和靜態(tài)模型，難以適應(yīng)電力系統(tǒng)運行的復(fù)雜性和變化性，因此需要借助數(shù)據(jù)驅(qū)動對大數(shù)據(jù)的深度挖掘、分析，實現(xiàn)對電廠集控運行的精細(xì)化和智能化。

1 存在問題

1.1 數(shù)據(jù)不完整、不準(zhǔn)確、不一致

電廠作為一個錯綜復(fù)雜的系統(tǒng)，其運行數(shù)據(jù)的采集、傳輸和處理環(huán)節(jié)多且復(fù)雜，每一個環(huán)節(jié)都有可能成為數(shù)據(jù)質(zhì)量下降的源頭。例如，由于傳感器的老化、損壞或者校準(zhǔn)不準(zhǔn)確，采集到的數(shù)據(jù)可能存在偏差；在數(shù)據(jù)傳輸過程中也可能因為網(wǎng)絡(luò)延遲或者信號干擾而發(fā)生數(shù)據(jù)丟失或數(shù)據(jù)錯誤；而在數(shù)據(jù)處理階段，算法設(shè)計不合理或參數(shù)設(shè)置不當(dāng)也會產(chǎn)生誤差[1]。

1.2 缺乏靈活性和自適應(yīng)性

傳統(tǒng)的電廠集控運行策略在靈活性和自適應(yīng)性方面的缺乏，這一問題的根源在于傳統(tǒng)策略往往基于預(yù)設(shè)的規(guī)則和固定的模型，而忽視了電廠運行環(huán)境的動態(tài)變化和不確定性，當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷波動或者設(shè)備狀態(tài)變化時傳統(tǒng)策略往往無法及時調(diào)整，導(dǎo)致運行效率下降，甚至出現(xiàn)安全隱患。由于傳統(tǒng)策略通常缺乏自我學(xué)習(xí)和適應(yīng)的能力，因此在面對新的運行條件時往往需要人工干預(yù)。這不僅增加了運維成本，還降低了運行的自動化水平。因此設(shè)計出既能夠適應(yīng)電廠運行環(huán)境的動態(tài)變化，又能夠自我學(xué)習(xí)和優(yōu)化的集控運行策略，成為提高電廠運行效率和安全性的關(guān)鍵[2]。

1.3 缺乏綜合考慮多種因素的能力

電廠運行是一個涉及眾多變量和參數(shù)的復(fù)雜系統(tǒng)，包括但不限于負(fù)荷需求、設(shè)備性能、環(huán)境條件，以及市場動態(tài)等，然而傳統(tǒng)的運行策略往往只能針對單一或少數(shù)因素進(jìn)行優(yōu)化，難以實現(xiàn)對整個系統(tǒng)多維度因素的綜合平衡和協(xié)調(diào)[3]。例如，在負(fù)荷需求波動較大時單純追求設(shè)備效率的最大化可能會導(dǎo)致資源配置不合理，從而影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性；同樣忽視環(huán)境因素或市場變化的策略可能會在長期運行中造成資源浪費或經(jīng)濟(jì)損失。在這一背景下基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的優(yōu)化策略以其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析能力和多維度優(yōu)化能力，為解決這一問題提供了新的視角和方法。

2 優(yōu)化對策

2.1 改進(jìn)數(shù)據(jù)采集和處理方法，提高數(shù)據(jù)質(zhì)量和一致性

改進(jìn)數(shù)據(jù)采集和處理方法，從而提高數(shù)據(jù)的質(zhì)量和一致性，這需要通過采用先進(jìn)的傳感器技術(shù)和高精度的測量設(shè)備，確保原始數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性；對于數(shù)據(jù)的傳輸和存儲過程，采用穩(wěn)定高效的通信協(xié)議和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，以減少數(shù)據(jù)在傳輸過程中的丟失和損壞。數(shù)據(jù)的預(yù)處理環(huán)節(jié)也至關(guān)重要，通過有效的數(shù)據(jù)清洗、校正和標(biāo)準(zhǔn)化處理，可以消除數(shù)據(jù)中的噪聲和異常值，保證數(shù)據(jù)的一致性和可比性，在數(shù)據(jù)處理和分析階段采用機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)技術(shù)等先進(jìn)的算法和模型，可以從大量復(fù)雜的數(shù)據(jù)中提取有價值的信息，為電廠集控運行的優(yōu)化決策提供科學(xué)依據(jù)。建立健全的數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)控和管理機(jī)制、定期對數(shù)據(jù)采集和處理過程進(jìn)行評估和優(yōu)化也是保證數(shù)據(jù)質(zhì)量和一致性的重要措施。通過這些綜合性的改進(jìn)措施，可以為基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的電廠集控運行優(yōu)化提供更加準(zhǔn)確、可靠和一致的數(shù)據(jù)支持，從而提高整個優(yōu)化策略的有效性和可靠性。

2.2 采用數(shù)據(jù)驅(qū)動的優(yōu)化方法，實現(xiàn)靈活性和自適應(yīng)性

采用數(shù)據(jù)驅(qū)動優(yōu)化方法的核心在于利用大數(shù)據(jù)技術(shù)和人工智能算法，對電廠運行中的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析和挖掘，從而實現(xiàn)對運行策略的實時優(yōu)化和調(diào)整[4]。第一，需要建立一個全面的數(shù)據(jù)分析框架，整合電廠運行中的各類數(shù)據(jù)，包括負(fù)荷數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)等；第二，利用機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)，對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行模式識別和趨勢預(yù)測以準(zhǔn)確把握電廠運行的動態(tài)變化?；诖丝梢栽O(shè)計智能的優(yōu)化算法，根據(jù)實時數(shù)據(jù)和預(yù)測結(jié)果，動態(tài)調(diào)整電廠的運行參數(shù)和控制策略以適應(yīng)不斷變化的運行環(huán)境和需求，數(shù)據(jù)驅(qū)動的優(yōu)化方法還具有較強(qiáng)的自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力，能夠不斷從歷史數(shù)據(jù)和運行經(jīng)驗中學(xué)習(xí)，進(jìn)一步提升優(yōu)化策略的準(zhǔn)確性和效率。

2.3 設(shè)計綜合考慮多種因素的集控運行優(yōu)化策略

面對電廠集控運行優(yōu)化的復(fù)雜多維需求，設(shè)計一套綜合考慮多種因素的運行優(yōu)化策略顯得尤為迫切，該策略應(yīng)當(dāng)建立在一個高度整合的框架之上，既要考慮操作層面的直接控制系統(tǒng)如分布式控制系統(tǒng)（DCS）、網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)（NCS）和緊急控制系統(tǒng)（ECS）等，又需涵蓋信息層面的管理信息系統(tǒng)（MIS）和安全信息系統(tǒng)（SIS），確保從設(shè)備到管理層面的信息流暢通無阻，實現(xiàn)信息的實時監(jiān)控和動態(tài)分析[5]。電廠集控運行優(yōu)化策略與信息流系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

在此基礎(chǔ)上還需充分考慮生產(chǎn)調(diào)度、設(shè)備維護(hù)、能效管理、環(huán)境監(jiān)測、安全保障，以及市場響應(yīng)等因素，運用先進(jìn)的算法如大數(shù)據(jù)分析、人工智能和復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論來進(jìn)行系統(tǒng)性的優(yōu)化計算，尋找各因素之間的最優(yōu)平衡點。該策略要具備前瞻性，能夠基于預(yù)測模型對未來可能發(fā)生的變化進(jìn)行預(yù)測和準(zhǔn)備，及時調(diào)整運行參數(shù)，應(yīng)對可能出現(xiàn)的各種情況，這不僅可以在實際運行中實現(xiàn)高度的自適應(yīng)性和靈活性，還能夠在保障電廠穩(wěn)定運行的同時，優(yōu)化能源利用效率，提升整體的經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境友好度。

3 研究方法和實驗設(shè)計

3.1 收集電廠集控運行數(shù)據(jù)和相關(guān)參數(shù)

本實驗旨在驗證基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的電廠集控運行優(yōu)化策略的有效性和可行性，實驗組（采用數(shù)據(jù)驅(qū)動的優(yōu)化策略）和對照組（采用傳統(tǒng)的集控運行策略），對比其在不同時間段的負(fù)荷和能耗情況，從電廠實際運行中獲取歷史數(shù)據(jù)與使用模擬仿真平臺生成數(shù)據(jù)收集數(shù)據(jù)。在收集數(shù)據(jù)后將對實驗組和對照組的負(fù)荷和能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、校正和標(biāo)準(zhǔn)化處理，以消除噪聲和異常值，保證數(shù)據(jù)的一致性和可比性，具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 2023.11.1電廠集控運行負(fù)荷和能耗數(shù)據(jù)對比

隨后，將根據(jù)實驗設(shè)計對比實驗組和對照組的運行數(shù)據(jù)，分析基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的優(yōu)化策略對電廠集控運行的影響，評估優(yōu)化策略的有效性和可行性，通過這些步驟可以全面評估基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的電廠集控運行優(yōu)化策略在提高能源利用效率和降低運行成本方面的效果，為進(jìn)一步研究和應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

3.2 建立數(shù)據(jù)驅(qū)動的集控運行優(yōu)化模型

在構(gòu)筑基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的電廠集控運行優(yōu)化模型時必須梳理與分析各控制系統(tǒng)，包括分布式控制系統(tǒng)（DCS）、網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)（NCS）、緊急控制系統(tǒng)（ECS），以及遠(yuǎn)程終端單元（RTU）的數(shù)據(jù)輸出特性[6]。電廠集控系統(tǒng)數(shù)據(jù)同步與優(yōu)化管理架構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 電廠集控系統(tǒng)數(shù)據(jù)同步與優(yōu)化管理架構(gòu)圖

依托于核心的同步數(shù)據(jù)庫SyncBase5.0，本模型旨在實現(xiàn)數(shù)據(jù)流的實時整合與高效處理，這是確保模型準(zhǔn)確性與快速響應(yīng)的關(guān)鍵所在，將采用分層的數(shù)據(jù)分析方法并結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)及深度學(xué)習(xí)技術(shù)，對各項關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練和提煉以構(gòu)建出反映電廠集控運行核心變量的預(yù)測模型。模型的設(shè)計理念著眼于模塊化與個性化，以滿足不同電廠的運行特性及需求，優(yōu)化模型應(yīng)具備自適應(yīng)能力，能在設(shè)備性能波動、外部環(huán)境改變，以及市場供需變化等情況下自動調(diào)節(jié)控制策略。模型中融入的自學(xué)習(xí)機(jī)制能夠通過分析歷史操作數(shù)據(jù)與系統(tǒng)反饋，不斷完善其決策邏輯，以實現(xiàn)決策精準(zhǔn)度與操作響應(yīng)速度的雙重提升。在實驗室環(huán)境中以模擬數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對模型進(jìn)行初始階段的訓(xùn)練與驗證，此步驟是檢驗?zāi)Ｐ皖A(yù)測與優(yōu)化能力的前提；在模型驗證階段，將導(dǎo)入真實的電廠運行數(shù)據(jù)進(jìn)行對照分析，不僅可以幫助調(diào)整和優(yōu)化模型參數(shù)，還能確保模型在真實場景中能達(dá)到預(yù)期的運行效率和能源管理效果。

3.3 進(jìn)行實驗驗證和性能評估

實驗驗證通常由一系列模擬運行情境組成，這些情境精心設(shè)計以模仿現(xiàn)實世界中電廠可能遭遇的各類挑戰(zhàn)，例如負(fù)荷劇烈波動、關(guān)鍵設(shè)備突發(fā)故障，以及環(huán)境條件的極端變化，在這些模擬情境中新優(yōu)化模型將被置于與傳統(tǒng)模型對照的環(huán)境中，通過比較兩者在相同條件下的表現(xiàn)，評估新模型的改進(jìn)效果。性能評估重點關(guān)注以下幾個關(guān)鍵：系統(tǒng)的反應(yīng)時間、能效比、運行成本，以及系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。在此基礎(chǔ)上將使用多變量分析和假設(shè)檢驗等統(tǒng)計方法來處理實驗數(shù)據(jù)，判定新模型在不同運行情境下的性能表現(xiàn)是否統(tǒng)計上顯著優(yōu)于傳統(tǒng)模型。此外，還應(yīng)考慮引入機(jī)器學(xué)習(xí)算法來識別模型性能與電廠運行參數(shù)之間的潛在關(guān)聯(lián)，這些分析結(jié)果不僅可以驗證新模型的有效性，還能夠揭示優(yōu)化模型對特定運行參數(shù)變化的敏感度，為今后的模型迭代和改進(jìn)提供寶貴的信息。

4 結(jié)語

在電廠集控運行優(yōu)化方案中，針對存在的問題提出了一系列解決方案，通過改進(jìn)數(shù)據(jù)采集和處理方法，提高數(shù)據(jù)質(zhì)量和一致性；采用數(shù)據(jù)驅(qū)動的優(yōu)化方法，實現(xiàn)靈活性和自適應(yīng)性；設(shè)計綜合考慮多種因素的集控運行優(yōu)化策略，能夠有效提高電廠的運行效率和安全性。收集了電廠集控運行數(shù)據(jù)并建立了數(shù)據(jù)驅(qū)動的集控運行優(yōu)化模型，通過實驗驗證和性能評估驗證了優(yōu)化策略的有效性和可行性，這些努力為電廠的智能化和高效運行提供了重要支持。