， (中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，四川 成都 610021)

智慧電廠建設(shè)研究

錢澄浩，張靜
(中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，四川 成都 610021)

建設(shè)智慧型電廠逐漸成為了新時(shí)代的追求目標(biāo)和發(fā)展趨勢(shì)，但目前仍處于探索研究階段?；诋?dāng)前智慧電廠的發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)智慧電廠智能感知、智能控制、智慧管控3層架構(gòu)進(jìn)行了規(guī)劃和詮釋，并提出了一種電廠二三維聯(lián)動(dòng)監(jiān)控的實(shí)現(xiàn)方法。此外，根據(jù)國(guó)家"互聯(lián)網(wǎng)+"智慧能源發(fā)展戰(zhàn)略重點(diǎn)推行的多能流協(xié)同供應(yīng)和梯級(jí)利用要求，對(duì)首次在工程中運(yùn)用和實(shí)施的多能流管控系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行了研究，分析和總結(jié)了工程設(shè)計(jì)特點(diǎn)，并對(duì)其具備的功能進(jìn)行了展望。

智慧電廠；管控；聯(lián)動(dòng)監(jiān)控；多能流

0 引 言

2010年以后，隨著中國(guó)“智慧中國(guó)”、“智慧城市”、“智慧園區(qū)”建設(shè)的蓬勃發(fā)展，智慧化建設(shè)逐漸從社會(huì)公共服務(wù)、市政建設(shè)向基礎(chǔ)工業(yè)領(lǐng)域拓展。在“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代發(fā)展的大背景下，云計(jì)算、大數(shù)據(jù)分析、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等優(yōu)勢(shì)技術(shù)不斷進(jìn)入人們視線，將先進(jìn)科學(xué)技術(shù)與復(fù)雜電力能源系統(tǒng)進(jìn)行有效結(jié)合，進(jìn)而提升生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)的管控力度，已成為電廠建設(shè)所追求的新興目標(biāo)，智慧電廠的概念也因此應(yīng)運(yùn)而生。但畢竟智慧電廠概念引入時(shí)間較短，對(duì)智慧電廠建設(shè)的構(gòu)架和模式尚缺乏相應(yīng)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，目前有業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為智慧電廠是傳統(tǒng)電廠建設(shè)的基礎(chǔ)上增加一套智能系統(tǒng)[1]，也有的認(rèn)為智慧電廠的建設(shè)應(yīng)與德國(guó)“工業(yè)4.0”理念對(duì)接[2]。基于此，通過(guò)分析當(dāng)前研究熱點(diǎn)及各技術(shù)流派特點(diǎn)，規(guī)劃了智慧電廠的整體架構(gòu)，設(shè)想了相關(guān)功能，并對(duì)功能實(shí)施進(jìn)行了闡釋。

分布式能源采用清潔能源或可再生能源為用戶供能，分布式能源站通常分布在集中負(fù)荷點(diǎn)附近，具有負(fù)荷響應(yīng)迅速、能源供應(yīng)直接等特點(diǎn)。其中，天然氣分布式能源站對(duì)外輸出通常存在著冷、熱、電、蒸汽等多種能流形式，根據(jù)用戶端對(duì)能源的不同需求，實(shí)現(xiàn)能源的對(duì)口供應(yīng)，在實(shí)現(xiàn)能源效能最大化的同時(shí)，將輸送環(huán)節(jié)的損耗降至最低，這符合中國(guó)現(xiàn)行負(fù)荷使用和調(diào)度模式，也是國(guó)家“十三五”期間能源規(guī)劃的發(fā)展趨勢(shì)。同燃煤電廠相比，天然氣分布式能源站機(jī)組類型更小、工藝流程更簡(jiǎn)單，使其更具備智慧電廠的建設(shè)條件。近年來(lái)，針對(duì)天然氣分布式能源站多能流高度耦合供應(yīng)的特點(diǎn)，以及如何快速響應(yīng)負(fù)荷需求，有學(xué)者提出了綜合能源系統(tǒng)多能流的計(jì)算方法，并進(jìn)行了相應(yīng)的建模研究[3]，已具備了在工程中應(yīng)用的能力。在成都某分布式能源站工程中首次落地實(shí)施多能流管控系統(tǒng)，這里將針對(duì)工程實(shí)施方案進(jìn)行總體設(shè)計(jì)和分析，為實(shí)現(xiàn)分布式能源站的智慧運(yùn)營(yíng)提供有力的支撐。

1 智慧電廠的架構(gòu)

智慧電廠的架構(gòu)應(yīng)用一方面仍依賴于工藝系統(tǒng)中基礎(chǔ)儀控測(cè)點(diǎn)提供數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及控制系統(tǒng)的可靠性；另一方面離不開對(duì)全廠進(jìn)行三維精細(xì)化的建模。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)大量智能設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的應(yīng)用對(duì)電廠人、機(jī)、料、環(huán)、法進(jìn)行全面地管控，并能進(jìn)入能源互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)進(jìn)行分析和決策。智慧電廠的架構(gòu)應(yīng)包括智能感知層、智能控制層、智慧管控層，如圖1所示。

圖1 智慧電廠架構(gòu)示意圖

1.1 智能感知層

智能感知屬于物聯(lián)網(wǎng)范疇，是覆蓋面更廣、顆粒度更細(xì)、更精深的感知。對(duì)智慧電廠而言，智能感知的范疇包括生產(chǎn)領(lǐng)域和非生產(chǎn)領(lǐng)域。

對(duì)生產(chǎn)領(lǐng)域的感知，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在目前熱工自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用已日趨成熟，除可靠性要求較高的保護(hù)系統(tǒng)以及實(shí)時(shí)性要求較高的控制回路外，現(xiàn)場(chǎng)總線的適用范圍可包含大部分的儀控和電氣設(shè)備。采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)除能獲取采集的過(guò)程信息外，還能為控制系統(tǒng)提供豐富的設(shè)備狀態(tài)、管理和診斷信息。

而借助于數(shù)字?jǐn)z像頭、無(wú)線定位傳感器、RFID射頻芯片等新型傳感器技術(shù)，智慧電廠將數(shù)字化和智能化延伸到了電廠的非生產(chǎn)領(lǐng)域。采集的數(shù)據(jù)范圍包括：實(shí)時(shí)視頻信號(hào)、實(shí)時(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)安防數(shù)據(jù)、人員位置坐標(biāo)、建構(gòu)筑物數(shù)據(jù)、生產(chǎn)管理信息等。智能感知層的典型功能應(yīng)用是可實(shí)現(xiàn)電廠人員的定位及智能巡檢，即在三維虛擬電廠中預(yù)先設(shè)定巡檢路線，巡檢人員可借助手機(jī)APP對(duì)設(shè)備二維碼進(jìn)行掃碼完成巡檢記錄。當(dāng)班值長(zhǎng)可在三維虛擬電廠中，查看全廠運(yùn)維人員的行走軌跡并調(diào)出視頻畫面，當(dāng)人員接近危險(xiǎn)源區(qū)域會(huì)自動(dòng)提醒該人員遠(yuǎn)離危險(xiǎn)源，并在虛擬電廠中發(fā)出報(bào)警。

可看出，智能感知的目的是通過(guò)遍布全廠的智能儀控設(shè)備和傳感器構(gòu)建全廠物聯(lián)網(wǎng)，可測(cè)量和感知、可識(shí)別與定位，最終形成信息、物理融合的一體化數(shù)據(jù)平臺(tái)[4]。

1.2 智能控制層

智慧電廠在控制層面，除采用已具備成熟技術(shù)的廠級(jí)分散控制系統(tǒng)(廠級(jí)DCS)[5]和機(jī)組無(wú)斷點(diǎn)自啟?？刂葡到y(tǒng)(APS)。系統(tǒng)的智能化還體現(xiàn)在智能的運(yùn)行優(yōu)化、逼真的在線仿真、二三維聯(lián)動(dòng)監(jiān)控等幾個(gè)方面。

對(duì)建立的大數(shù)據(jù)平臺(tái)運(yùn)用模糊神經(jīng)元等人工智能分析和自學(xué)習(xí)技術(shù)[6]，從中發(fā)掘出有價(jià)值的信息，可以使數(shù)據(jù)平臺(tái)從被動(dòng)數(shù)據(jù)系統(tǒng)變成主動(dòng)表達(dá)的智能數(shù)據(jù)系統(tǒng)，控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組運(yùn)行的優(yōu)化控制。例如在燃煤電廠中，每層每路燃燒器的風(fēng)煤配比一直是控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)的重點(diǎn)和難題，但綜合負(fù)荷需求、燃料狀態(tài)并結(jié)合爐膛內(nèi)部激光傳感器獲得實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，智能控制系統(tǒng)能運(yùn)用優(yōu)化算法對(duì)風(fēng)門開度、風(fēng)粉濃度和煤粉細(xì)度等輸出最優(yōu)控制。

傳統(tǒng)電廠仿真功能由于仿真數(shù)據(jù)與電廠實(shí)際工藝系統(tǒng)熱力特性差異較大，因此常用于培訓(xùn)使用，但智慧電廠通過(guò)在線仿真系統(tǒng)，可接受機(jī)組的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，能對(duì)機(jī)組運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行回放，對(duì)于已通過(guò)仿真驗(yàn)證適用的邏輯組態(tài)，可下載至控制系統(tǒng)，指導(dǎo)優(yōu)化控制。

在操作臺(tái)上實(shí)現(xiàn)操作的二維畫面和對(duì)應(yīng)三維模型的聯(lián)動(dòng)，達(dá)到用透視的眼光，觀察設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，并在需要時(shí)調(diào)出現(xiàn)場(chǎng)視頻畫面，已成為智慧電廠運(yùn)行人員的希望。一種可行的技術(shù)解決方案為：電廠三維模型接入全廠一體化數(shù)據(jù)平臺(tái)，并與生產(chǎn)監(jiān)視系統(tǒng)(SIS)、全廠視頻監(jiān)控系統(tǒng)(CCTV)進(jìn)行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，通過(guò)數(shù)據(jù)接口將DCS操作指令實(shí)時(shí)傳輸至一體化數(shù)據(jù)平臺(tái)。此外，在操作臺(tái)上的雙屏應(yīng)分別接至DCS操作員站和一體化數(shù)據(jù)平臺(tái)操作員站。二三維聯(lián)動(dòng)監(jiān)控的實(shí)施方案如圖2所示。

1.3 智慧管控層

智慧電廠管控層的根本目的是實(shí)現(xiàn)電廠的智能運(yùn)營(yíng)，主要體現(xiàn)在智能運(yùn)維、智能診斷、智能安防、智能決策4個(gè)方面。

圖2 二三維聯(lián)動(dòng)監(jiān)控示意圖

1)智能運(yùn)維：將基于時(shí)間周期或者使用頻率的傳統(tǒng)設(shè)備檢修方式，改進(jìn)為以大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)以設(shè)備可靠性為中心的維護(hù)策略。通過(guò)制定基于設(shè)備健康狀態(tài)的檢修實(shí)施計(jì)劃，能最大限度地防止設(shè)備過(guò)修或欠修，進(jìn)而再對(duì)電廠備件庫(kù)存進(jìn)行優(yōu)化管理。

2)智能診斷：結(jié)合專家規(guī)則推理及建立辨識(shí)模型，辨識(shí)電廠中關(guān)鍵設(shè)備在穩(wěn)態(tài)、變工況和異常情況下的性能，給出控制參數(shù)調(diào)整方案。對(duì)異常數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析，形成卡澀、粘滯、堵塞或泄漏故障的辨識(shí)模型，制定故障云策略庫(kù)，進(jìn)而達(dá)到能辨識(shí)某臺(tái)設(shè)備的某個(gè)元件出現(xiàn)了問(wèn)題，以及應(yīng)該采取何種措施去處理。

3)智能安防：將全廠火災(zāi)報(bào)警和消防控制系統(tǒng)、門禁一卡通系統(tǒng)、電廠周界防范及電子巡更系統(tǒng)、安保數(shù)字視頻監(jiān)視系統(tǒng)進(jìn)行整合。改變以往各系統(tǒng)之間功能上不關(guān)聯(lián)互助、信息不共享互換的孤島狀態(tài)，各系統(tǒng)之間可根據(jù)報(bào)警級(jí)別預(yù)定義多種應(yīng)急預(yù)案，依據(jù)觸發(fā)條件實(shí)現(xiàn)如消防聯(lián)動(dòng)、安防聯(lián)動(dòng)、應(yīng)急處置等功能。

4)智能決策：其一可通過(guò)對(duì)大數(shù)據(jù)的分析并結(jié)合專家系統(tǒng)診斷結(jié)論，對(duì)廠內(nèi)設(shè)備、系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)評(píng)估、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，給出預(yù)知保養(yǎng)方案，并能對(duì)設(shè)備和系統(tǒng)能耗進(jìn)行建模分析，找出具有節(jié)能空間的設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化改造；其二能在大數(shù)據(jù)平臺(tái)上開發(fā)出機(jī)組可用性模型、發(fā)電成本模型、負(fù)荷需求預(yù)測(cè)模型等，輔助電廠制定生產(chǎn)計(jì)劃及報(bào)價(jià)決策，指導(dǎo)電廠的經(jīng)營(yíng)駕駛。

2 分布式智慧能源站多能流管控

天然氣分布式能源站作為最適合智慧電廠建設(shè)條件的發(fā)電站，其建設(shè)方向通常納入到所在智慧園區(qū)規(guī)劃中，這使得分布式能源站需智慧感知其終端負(fù)荷需求隨季節(jié)、晝夜和使用時(shí)間呈現(xiàn)多周期的變化規(guī)律，因而對(duì)能源供應(yīng)提出了更嚴(yán)格的要求[7]。多能流管控系統(tǒng)正是面向智慧園區(qū)這一對(duì)象而提出的，與電廠本身的控制系統(tǒng)不同，多能流管控系統(tǒng)控制對(duì)象包括電廠、廠外電/熱網(wǎng)管線、用戶負(fù)荷以及儲(chǔ)能裝置等，能通過(guò)遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)供能側(cè)運(yùn)行工況及用能側(cè)信息，實(shí)現(xiàn)智能化分配調(diào)控[8]。

2.1 多能流管控系統(tǒng)架構(gòu)

多能流管控系統(tǒng)需要一套適應(yīng)調(diào)度系統(tǒng)及用戶側(cè)需求的數(shù)據(jù)平臺(tái)，并同時(shí)滿足電、熱、冷、天然氣、蒸汽等多能流的綜合能量管理。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可以分為上下兩層，如圖3所示。 可以看出，整個(gè)系統(tǒng)的硬件包括：應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、磁盤陣列、核心交換機(jī)等。多能流管控系統(tǒng)的上層架構(gòu)，能通過(guò)公司專網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)兩種方式獲取外部數(shù)據(jù)，根據(jù)上級(jí)公司的調(diào)度要求以及負(fù)荷側(cè)需求，結(jié)合對(duì)智慧能源站的綜合評(píng)估，實(shí)現(xiàn)多能流的能源交易、能源調(diào)度和能耗分析。

多能流管控系統(tǒng)與能源站的接口在系統(tǒng)下層網(wǎng)絡(luò)。能源站計(jì)量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、電氣監(jiān)控系統(tǒng)和遠(yuǎn)動(dòng)設(shè)備通過(guò)約定的通訊協(xié)議，將數(shù)據(jù)以冗余通訊方式進(jìn)行上行傳送；同時(shí)，多能流管控系統(tǒng)服務(wù)器、上位機(jī)、工程師站，能對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)視、存儲(chǔ)和管理。需注意的是與能源站控制系統(tǒng)的接口，上行通訊傳輸須經(jīng)過(guò)接口機(jī)和單向隔離裝置，而下行傳輸則能通過(guò)RTU裝置將系統(tǒng)分析的結(jié)果轉(zhuǎn)為硬接線信號(hào)接至廠級(jí)DCS系統(tǒng)，下達(dá)信號(hào)主要包括：機(jī)組發(fā)電量、發(fā)熱量、制冷量等信號(hào)，再由能源站控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的運(yùn)行工況。

2.2 多能流管控系統(tǒng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

同傳統(tǒng)電廠相比，分布式智慧能源站在進(jìn)行多能流管控系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)時(shí)，具備以下兩個(gè)特點(diǎn)：

1)額外的測(cè)點(diǎn)要求

多能流的電網(wǎng)和熱網(wǎng)系統(tǒng)潮流建模及解耦算法目前已有成熟技術(shù)[8]，但模型功能的實(shí)現(xiàn)除獲取設(shè)計(jì)和運(yùn)行參數(shù)外，還需在工藝系統(tǒng)上設(shè)置額外的測(cè)點(diǎn)。主要包括冷、熱、天然氣主管道及支管道首末端設(shè)置管內(nèi)瞬時(shí)流量、壓力、溫度測(cè)點(diǎn)；燃?xì)廨啓C(jī)、發(fā)電機(jī)、余熱鍋爐、汽輪機(jī)、燃?xì)忮仩t、制冷機(jī)、蓄熱罐設(shè)置工作物質(zhì)進(jìn)出口流量、溫度、壓力；廠內(nèi)主要斷路器和開關(guān)開合狀態(tài)、兩側(cè)瞬時(shí)電壓、電流測(cè)點(diǎn)。

圖3 多能流管控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖

2)特殊的監(jiān)控方式

多能流管控系統(tǒng)監(jiān)控中心位于分布式智慧能源站內(nèi)，有專用的控制室、工程師室、大屏顯示墻、電子設(shè)備間及配套公共用房，雖獨(dú)立于能源站集中控制中心，但相互之間又有密切的聯(lián)系。成都某分布式能源站工程，在集中控制室操作臺(tái)和值長(zhǎng)臺(tái)上，分別布置了2臺(tái)多能流管控系統(tǒng)操作員站和值長(zhǎng)站，同時(shí)集中控制室和多能流控制室大屏進(jìn)行信號(hào)通訊，實(shí)現(xiàn)畫面的互相調(diào)取。

2.3 多能流管控系統(tǒng)功能展望

多能流管控系統(tǒng)能在供能側(cè)實(shí)現(xiàn)：

1)多能流數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控，包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和處理、事件和告警處理、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲龋饕糜趯?shí)現(xiàn)完整的、高性能的、穩(wěn)態(tài)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控功能，是后續(xù)所有預(yù)警、控制等功能的基礎(chǔ)[9]。

2)多能流的狀態(tài)感知是多能流管控系統(tǒng)的核心功能，通過(guò)對(duì)多能流的狀態(tài)與量測(cè)維護(hù)、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治觥?shù)辨識(shí)與估計(jì)等，能實(shí)現(xiàn)機(jī)組在多種運(yùn)行模式下多能分配的效率評(píng)估。

3)多能流的優(yōu)化調(diào)度是智慧園區(qū)及能源互聯(lián)微網(wǎng)的發(fā)展需求，通過(guò)協(xié)同可調(diào)控的分布式資源，實(shí)現(xiàn)不同能源類型的耦合互補(bǔ)與最優(yōu)流動(dòng)，達(dá)到能源使用效率的提升[10]。同時(shí)，根據(jù)用戶負(fù)荷預(yù)測(cè)的結(jié)果，利用不同類型的儲(chǔ)能設(shè)備，能對(duì)能源站內(nèi)部資源進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)度，達(dá)到削峰填谷的目的。

多能流管控系統(tǒng)為用能側(cè)提供的優(yōu)勢(shì)功能在于節(jié)點(diǎn)能價(jià)，即通過(guò)最優(yōu)潮流算法，推導(dǎo)多能流模型中節(jié)點(diǎn)電價(jià)、熱價(jià)，引導(dǎo)園區(qū)用戶對(duì)用電用熱進(jìn)行選擇。

3 總 結(jié)

智慧電廠的建設(shè)以自動(dòng)化、信息化、數(shù)字化、智能化為基礎(chǔ)，并輔以先進(jìn)的智能設(shè)備和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對(duì)電廠生產(chǎn)能力進(jìn)行分析和優(yōu)化，并與社會(huì)多能流負(fù)荷需求相結(jié)合提升生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)的智慧管控。

智慧電廠建設(shè)目標(biāo)可以總結(jié)為：1)將事后處理前移到事前預(yù)警、事中控制，從而有效提高電廠運(yùn)行管理和經(jīng)濟(jì)效益；2)通過(guò)借助于人工智能等先進(jìn)算法，實(shí)現(xiàn)電廠的優(yōu)化控制、優(yōu)化調(diào)度；3)利用能源物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)跨行業(yè)相關(guān)信息和數(shù)據(jù)的優(yōu)化利用?？梢哉f(shuō)，智慧電廠的建設(shè)將是“智慧園區(qū)、智慧城市”中必不可少的一環(huán)，其成功營(yíng)運(yùn)將會(huì)具有劃時(shí)代的意義。

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The construction of smart power plant has gradually become the goal and trend of the new era. Based on the current development of smart power plant, the three layer architecture of smart power plant, that is, ntelligent perception, intelligent control and smart management and control, is programmed and interpreted. A method of two-dimensional and three-dimensional linkage monitoring for smart plant is proposed. Besides that, according to national development strategy of "Internet plus" for wisdom energy, coordinated supply and cascade utilization of multi-energy flow are the key points. The architecture of multi-energy flow management and control system is studied, which is firstly applied and implemented in engineering project. The characteristics of engineering design are analyzed and summarized, and the possessed functions are described.

smart power plant; management and control; linkage monitoring; multi-energy flow

TM62

A

1003-6954(2017)05-0087-04

錢澄浩(1987)，碩士、工程師，從事發(fā)電熱工自動(dòng)化設(shè)計(jì)工作。

2017-06-27)