劉三軍，劉中華，方 草，崔 希

（1.國家電投集團江西電力有限公司，江西 南昌 330096；2.國家電投集團江西電力有限公司分宜發(fā)電廠，江西 分宜 336600；3.國家電投集團上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究院，上海 200240）

0 引言

隨著社會的不斷發(fā)展以及互聯(lián)網(wǎng)與人工智能的技術(shù)進步，技術(shù)迭代導(dǎo)致的國內(nèi)外安全生產(chǎn)事故頻發(fā)，特別是電廠特殊的復(fù)雜生產(chǎn)環(huán)境給安全管理工作提出了更高的要求。繼黎巴嫩貝魯特港口大爆炸發(fā)生后，北京南四環(huán)一儲能電站又發(fā)生鋰電池爆炸事故，針對國內(nèi)外安全事故頻發(fā)的現(xiàn)狀，黨的十九屆五中全會提出要加快發(fā)展現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)體系，推進能源革命，加快數(shù)字化發(fā)展，推動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等同各產(chǎn)業(yè)深度融合，建設(shè)智慧能源系統(tǒng)，優(yōu)化電力生產(chǎn)和輸送通道布局。深入到企業(yè)集團層面，則要筑牢能源發(fā)展新跑道，打開企業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵點，其中最為關(guān)鍵的一點就是新技術(shù)領(lǐng)域能力，數(shù)字化智能化技術(shù)是一個非常重要的切入點。而推動數(shù)字化智能化技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用是每一家發(fā)電企業(yè)向多元化發(fā)展，能源基礎(chǔ)技術(shù)向高層次發(fā)展的重要途徑。

國家電投集團江西電力有限公司分宜發(fā)電廠緊密結(jié)合當下社會互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展形勢，以智能電廠大項目中的智能安全功能為基礎(chǔ)，利用圖像智能識別分析、智能兩票、智能門禁、自主DCS、狀態(tài)檢修、數(shù)字孿生體和智能巡點檢等工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與安全生產(chǎn)相關(guān)內(nèi)容發(fā)展成為四個部分，即工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與人員安全、設(shè)備安全、運行安全和網(wǎng)絡(luò)信息安全，從本質(zhì)上保障了火力發(fā)電廠電力生產(chǎn)環(huán)節(jié)的安全可靠[1]。

1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與人的安全

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與人的安全主要體現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)軟硬件結(jié)合對廠區(qū)人員的安全基礎(chǔ)管理流程方面，從項目啟動到項目結(jié)束，管理功能貫穿始終，事前有安全管理手段進行權(quán)限審查，事中有監(jiān)控系統(tǒng)跟蹤報警保護，事后則有智能統(tǒng)計分析系統(tǒng)整合復(fù)盤。在整個項目人員管理的全流程中，對歷來傳統(tǒng)模式感到棘手困難的問題，以智能化手段輔助，最終實現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)對人員的智能安全管控。

1.1 生產(chǎn)區(qū)域安全實時感知

智能安防系統(tǒng)在整個廠區(qū)大范圍布置了智能攝像頭（見圖1），其中重要生產(chǎn)區(qū)域和生產(chǎn)道路區(qū)域尤為密集，布置在重點區(qū)域的攝像頭均具有人臉識別功能和安全帽佩戴識別功能，并對抓拍到的人員自動檢索上報，配合一體化平臺軟件體系，在全生產(chǎn)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)了人臉識別和人員軌跡查詢功能[2]。

圖1 生產(chǎn)區(qū)域智能攝像頭布局

1.2 生產(chǎn)區(qū)域安全事前預(yù)防

整個生產(chǎn)區(qū)的重要關(guān)口均配備智能門禁系統(tǒng)（見圖2），相關(guān)工作人員在進入生產(chǎn)區(qū)域之前，經(jīng)由一體化平臺智能兩票模塊自動配置目的地關(guān)口權(quán)限，工作人員僅能進入被授予權(quán)限的區(qū)域，且智能門禁將會判定工作人員安全帽佩戴情況，使得人員可識別、有授權(quán)，在未正確佩戴安全帽的場合也會被禁止進入相關(guān)區(qū)域。如此以來，通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)了事前權(quán)限配置，避免誤入、錯入生產(chǎn)重地的情況發(fā)生[3-4]。

圖2 生產(chǎn)區(qū)域智能門禁布局

1.3 聯(lián)動一體化平臺的安防設(shè)備全廠普及

結(jié)合一體化平臺軟件管理，做到安全管理貫穿項目執(zhí)行的全過程，涉及項目執(zhí)行的各方面，實現(xiàn)人員安全的智能分析和統(tǒng)計。信息錄入能夠做到當場在線學(xué)習、便捷采集以及一鍵上傳，提供便捷的、一站式的入廠人員信息初始化和過程管理[5]。

人臉庫在采集標準化、規(guī)范化之后，做到一份人臉資料全廠通用，一份人臉檔案同步于人員信息、門禁信息以及視頻對比數(shù)據(jù)庫中，作為安防系統(tǒng)自動判斷是否滿足人臉庫的依據(jù)。

一體化平臺通過過程管理的智能聯(lián)動，可以查看、檢索、導(dǎo)出項目和人員的全部相關(guān)信息，同時實現(xiàn)項目到期提醒、資質(zhì)到期提醒等功能。

智能安防設(shè)備均配置陌生人報警功能，同時組態(tài)違章邏輯，實現(xiàn)違章抓拍，能抓拍現(xiàn)場違章照片，并通過人臉識別功能識別出人員信息，一鍵轉(zhuǎn)違章處理，違章自動考核，嚴重違章3次者自動歸入黑名單，自動收回入廠門禁權(quán)限，并提醒HSE管理人員。

1.4 區(qū)域三分離管理

智能安防系統(tǒng)部署道閘、高旋門、訪客一體機對進入辦公區(qū)、生產(chǎn)區(qū)的人員、車輛進行管理，統(tǒng)一納入全廠智能門禁體系：訪客、外包工通過訪客一體機認證后自動授權(quán)進入辦公區(qū)；正式員工、認證合格的外包工自動授權(quán)進入生產(chǎn)區(qū)，項目到期自動收回外包工權(quán)限。

對進入生產(chǎn)區(qū)域的人員，門禁系統(tǒng)自動進行佩戴安全帽檢測，進入后發(fā)送安全短信提醒。

1.5 安全信息大屏通報

將各方面安全生產(chǎn)相關(guān)數(shù)據(jù)匯集統(tǒng)計，經(jīng)由計算法形成各個模塊，將數(shù)據(jù)展示于大屏，便于事后對人員分布進行統(tǒng)計和行為模式分析，具體如圖3所示。

圖3 智能安全大屏展示

安全大屏所展示的內(nèi)容以電廠現(xiàn)場數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以智能電廠設(shè)備網(wǎng)絡(luò)為架構(gòu)，進行了算法方面的設(shè)計。例如圖中所示施工單位“日工作小時”，其計算方式如下

式中：T為該單位日均工作小時（昨日）；tn為該單位昨日每位員工進廠時間片段；N為該單位昨日進廠人數(shù)累計值。

以上述公式為例，發(fā)電企業(yè)可以自由定制算法并計劃監(jiān)管外包單位的出工情況，做到有效有力的管控，以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的形式實現(xiàn)對人員的安全管理。

面對長期以來困擾發(fā)電企業(yè)的外包單位人員管理困難的問題，智能安防系統(tǒng)以權(quán)限控制為預(yù)警，以人臉抓拍和軌跡跟蹤為監(jiān)督，以信息統(tǒng)計和行為分析為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，通過對管理流程貫穿始終的跟蹤控制，有效解決了因外包項目環(huán)境復(fù)雜、外包人員人數(shù)眾多流動性大導(dǎo)致的管理困難問題。

2 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與設(shè)備的安全

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與設(shè)備的安全主要體現(xiàn)在對設(shè)備的維護檢修、對重要生產(chǎn)部件的預(yù)見性診斷和報警、建立數(shù)字孿生體系對檢測困難的設(shè)備實時監(jiān)控等方面。該信息系統(tǒng)對于設(shè)備的定義涵蓋全廠所有主機及重要輔機，使用的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)涉及機器深度學(xué)習、大數(shù)據(jù)和數(shù)字孿生體等領(lǐng)域，通過數(shù)據(jù)中心、模型中心、時間中心完成狀態(tài)量的計算、監(jiān)測與事件觸發(fā)等功能，內(nèi)置預(yù)設(shè)的規(guī)則庫、故障庫與現(xiàn)場實際檢修情況相結(jié)合，得出狀態(tài)評價基礎(chǔ)信息、評價方法、關(guān)鍵參數(shù)、維護策略、效果與收益評估、持續(xù)改進策略等優(yōu)化結(jié)論，在一體化平臺、專業(yè)設(shè)備視圖等功能模塊的輔助下，以聯(lián)動虛擬電廠、智能巡點檢、SIS、ERP系統(tǒng)，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)、設(shè)備報警信息、設(shè)備缺陷信息的三維展示[6]。

2.1 設(shè)備運維的范圍和思路

發(fā)電企業(yè)經(jīng)過長年積累的技術(shù)改造，新增和升級的設(shè)備復(fù)雜且繁多，處于優(yōu)化和成本考慮，設(shè)備的運維系統(tǒng)專門針對主機和重要輔機設(shè)備的欠修、過修進行，優(yōu)化設(shè)備的檢修成本，提升設(shè)備的安全性能，其范圍涵蓋如表1所示。

表1 設(shè)備運維范圍

設(shè)備運維信息系統(tǒng)經(jīng)過組態(tài)化建模平臺的邏輯搭建之后，可以根據(jù)狀態(tài)監(jiān)測量判斷故障特征，進而分析出故障原因類型，根據(jù)不同的故障類型，將報警推送至智能預(yù)警平臺。

總體來說，對設(shè)備運維的思路主要體現(xiàn)在利用互聯(lián)網(wǎng)信息平臺的先手優(yōu)勢，在設(shè)備運行階段，通過大數(shù)據(jù)規(guī)則庫智能分析，判斷出設(shè)備在不可視、難以測量的層面的狀態(tài)，以豐富的經(jīng)驗庫預(yù)知設(shè)備可能出現(xiàn)的問題并告知用戶，將故障和隱患消滅在萌芽階段，深度保證了設(shè)備的安全。

2.2 以數(shù)字孿生體保障重要設(shè)備部件的安全

鍋爐受熱面作為電廠鍋爐專業(yè)的重要部件，因其面積廣、傳感器安裝困難、建立測量體系所需測點繁多等種種原因，長期以來難以保證對其的精確測量和監(jiān)控，一定程度上限制了鍋爐的可靠性、安全性。

江西分宜電廠的鍋爐受熱面數(shù)字孿生系統(tǒng)作為率先開發(fā)的國內(nèi)第一臺660 MW超超臨界塔式鍋爐數(shù)字孿生體，通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)搭建的一體化平臺信息交互共享系統(tǒng)，綜合考慮了鍋爐煤質(zhì)、爐膛熱負荷、水動力、熱偏差、機組調(diào)峰等特征，結(jié)合長周期運行過程中管材外壁沾污結(jié)焦、內(nèi)壁氧化、腐蝕、結(jié)垢等導(dǎo)致的傳熱性能劣化數(shù)據(jù)，結(jié)合管材磨損、腐蝕、脹粗等導(dǎo)致的強度性能下降數(shù)據(jù)，結(jié)合管材材質(zhì)老化數(shù)據(jù)、受熱面離線檢測數(shù)據(jù)（壁厚、脹粗、金相等），進行以過熱器/再熱器出口汽溫為目標的燃燒調(diào)整優(yōu)化，實現(xiàn)設(shè)備監(jiān)管一體的基于鍋爐受熱面數(shù)字孿生系統(tǒng)的鍋爐運行優(yōu)化，保障了鍋爐本體這一重要設(shè)備的安全[7]，見圖4。

圖4 鍋爐受熱面數(shù)字孿生體系統(tǒng)

綜上所述，隨著科技進步發(fā)展，現(xiàn)代化智能電廠的設(shè)備只會越來越多，而發(fā)電企業(yè)的檢修人員卻不可能無限擴容，啟用基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的對設(shè)備運維系統(tǒng)，既可以滿足設(shè)備增長對維護檢修的需求，又能減輕電廠檢修人員的工作壓力，降低發(fā)電企業(yè)用人成本，智能運維提升了檢修維護的安全性，為解決電廠人少設(shè)備多的難題提供了一個實際可行的方案。

3 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與運行的安全

現(xiàn)階段的主流發(fā)電廠在運行領(lǐng)域基本采用DCS控制系統(tǒng)結(jié)合智能化組態(tài)的方式以達到運行的安全指標要求。DCS控制系統(tǒng)為運行安全提供了穩(wěn)定可靠的基礎(chǔ)平臺，然而國內(nèi)電廠以及其他高端工業(yè)控制行業(yè)領(lǐng)域較多數(shù)還在使用國外DCS產(chǎn)品并形成了一定程度上的依賴性，國電投集團針對這一情況自主研發(fā)了NuCON工業(yè)控制系統(tǒng)平臺，該套純國產(chǎn)DCS系統(tǒng)成功應(yīng)用于“國和一號”示范工程，并且在江西分宜電廠首次投用于大容量火電機組。國產(chǎn)化的NuCON系統(tǒng)以不遜于國外DCS的性能全方位涵蓋單元機組、公用系統(tǒng)和輔網(wǎng)系統(tǒng)，形成全廠控制系統(tǒng)一體化，廣泛兼容現(xiàn)場總線技術(shù)，全廠使用現(xiàn)場總線通訊的設(shè)備達到2938臺，設(shè)備數(shù)量占比達到72%，形成高度集中的控制模式[8]。

對于普通DCS系統(tǒng)難以檢測控制其運行的設(shè)備，同樣以鍋爐受熱面為例，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺則利用數(shù)字孿生系統(tǒng)，對鍋爐受熱面進行精確計算優(yōu)化，以NuCON系統(tǒng)為基礎(chǔ)平臺，聯(lián)合智能燃燒與吹灰，最少降低/提高受熱面主、再蒸汽管材超溫/欠溫10℃，最少提高鍋爐效率0.6%，大幅保障了鍋爐運行的平穩(wěn)安全，在發(fā)電端口配合智能AGC，可以帶來巨大的經(jīng)濟和安全效益。

3.1 安全可靠的DCS系統(tǒng)

NuCON工業(yè)控制軟件平臺作為國產(chǎn)DCS控制系統(tǒng)（詳見圖5），不僅為智能燃燒吹灰和AGC提供了安全可靠的基礎(chǔ)平臺，其作為DCS系統(tǒng)固有的冗余配置、網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)為保障運行安全奠定了重要基礎(chǔ)，上文提及的江西分宜發(fā)電廠1號機組使用NuCON系統(tǒng)從2020年5月29日投運開始計算，連續(xù)運行一年未曾停機檢修，該國產(chǎn)DCS系統(tǒng)對運行的安全保障性能可見一斑。

圖5 NuCON工業(yè)控制軟件平臺網(wǎng)絡(luò)拓撲

3.2 智能燃燒與智能吹灰

智能燃燒系統(tǒng)最初的建模由非對稱神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型完成，在投入試運行階段以后，系統(tǒng)篩選得出并儲存數(shù)據(jù)樣本，非對稱神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型根據(jù)這些樣本進行自動學(xué)習更新。通過系統(tǒng)輸入的反饋數(shù)據(jù)，智能燃燒系統(tǒng)以網(wǎng)絡(luò)模型優(yōu)化算法并得到最優(yōu)的控制目標輸出理論優(yōu)化指令，經(jīng)過燃燒優(yōu)化專家提供的經(jīng)驗限幅將優(yōu)化指令轉(zhuǎn)換為最終控制目標并輸出至DCS系統(tǒng)，輔助數(shù)字孿生體完成對運行的安全控制[9]，見圖6。

圖6 智能燃燒邏輯架構(gòu)

基于鍋爐受熱面的灰污生成特性和機理，智能吹灰系統(tǒng)采集其相關(guān)參數(shù)，經(jīng)過計算模塊得到的有效清潔因子，排除了鍋爐運行工況的干擾，單純反應(yīng)受熱面污染程度。智能吹灰系統(tǒng)又通過檢測該有效清潔因子以深入探知爐內(nèi)灰污情況，實施監(jiān)測評估鍋爐積灰結(jié)渣程度和趨勢，建立灰污增長模型，設(shè)置規(guī)則庫，對積灰結(jié)焦的情況實施監(jiān)測報警，后臺制定吹灰計劃，融入運行管理之中，實現(xiàn)通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)提高運行安全的目標，見圖7。

圖7 智能吹灰控制界面

3.3 智能AGC

智能AGC作為一個國內(nèi)較為成熟的技術(shù)項目，其主要目的是滿足電網(wǎng)調(diào)度的要求，通過在汽機主控、鍋爐主控、燃料主控、主汽溫和再熱汽溫控制回路分別應(yīng)用動態(tài)自回歸預(yù)測、免疫調(diào)節(jié)控制、模糊調(diào)節(jié)運算、狀態(tài)觀測網(wǎng)絡(luò)、粒子群尋優(yōu)算法等技術(shù)，實現(xiàn)AGC調(diào)節(jié)的智能化，智能化的同時也穩(wěn)定了供電網(wǎng)絡(luò)的調(diào)度運行[10-11]，見圖8。

圖8 智能AGC邏輯結(jié)構(gòu)

無論是DCS平臺，還是智能燃燒/吹灰/AGC，還是針對燃燒運行的數(shù)字孿生體，它們所反映的都是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在發(fā)電企業(yè)日益增長的運行安全需求下的縮影，現(xiàn)代化智能電廠往往面臨運行人少但工況繁多且復(fù)雜的情況，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)在很大程度上可以緩解這一問題，在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與運行安全相結(jié)合的前提下，甚至以往某些不可精準控制的單元也可以形成成熟的控制環(huán)節(jié)，保證其運行可控即是最大的安全。

4 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與網(wǎng)絡(luò)信息的安全

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)對網(wǎng)絡(luò)信息的安全表現(xiàn)為網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)略性防御和局域網(wǎng)絡(luò)自主化的特性。隨著發(fā)電企業(yè)不斷進行的技術(shù)革新和改造，遠程運維、大數(shù)據(jù)通訊、APP信息共享等互聯(lián)網(wǎng)信息平臺的出現(xiàn)，將電廠的網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)從內(nèi)部封閉逐漸向?qū)ν忾_放轉(zhuǎn)變，從而促使原本純粹的企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)向著外部萬維網(wǎng)開放，這種變化在利好自動化智能化的同時，也會帶來黑客和網(wǎng)絡(luò)攻擊等新的問題[11]。

4.1 網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)略性防御系統(tǒng)

智能電廠一體化平臺網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)、硬件資源設(shè)計，其全部應(yīng)用服務(wù)按系統(tǒng)部署在專有云平臺上，由云平臺對存儲進行統(tǒng)一管理，藉此提升IT設(shè)備管理效率與信息安全。智能電廠云平臺通過自動化云部署、彈性伸縮、資源監(jiān)控等智能化創(chuàng)新應(yīng)用，提升了IT設(shè)備管理效率；基于S3存儲，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)安全；基于SDN，實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)安全；基于OAUTH與Spring Security，實現(xiàn)了應(yīng)用系統(tǒng)安全[12]。

這一網(wǎng)絡(luò)防御體系基于一體化平臺統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)安全防護策略與DCS、SIS系統(tǒng)，通過集成安全防護產(chǎn)品，保護DCS系統(tǒng)和SIS系統(tǒng)免受黑客、病毒、惡意代碼等的侵襲，降低電力監(jiān)控系統(tǒng)的安全事件或?qū)е码娏σ淮蜗到y(tǒng)事故的發(fā)生概率，保障電站安全穩(wěn)定運行，同時提高電廠網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢感知、預(yù)警與應(yīng)急處置能力。

4.2 局域網(wǎng)絡(luò)自主化

國內(nèi)自主研制的NuCON工業(yè)控制軟件平臺，提供了安全物理環(huán)境、安全通信網(wǎng)絡(luò)、安全區(qū)域邊界、DCS系統(tǒng)環(huán)境、安全管理中心、數(shù)據(jù)擺渡及外設(shè)監(jiān)控、工業(yè)控制系統(tǒng)安全擴展等全方位的防護措施，從機柜、卡件、控制器、服務(wù)器等硬件，到信息平臺、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、冗余配置等各方面都充分國產(chǎn)化、自主化，其生產(chǎn)企業(yè)也是本土企業(yè)，從出產(chǎn)到安裝到調(diào)試到投運，整條產(chǎn)業(yè)鏈全部都在國內(nèi)進行，保證了控制系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性和可靠性。

近年來國際形勢風起云涌，境外勢力屢屢抬頭，或是通過國外進口貿(mào)易卡死國內(nèi)企業(yè)發(fā)展，或是通過收買國內(nèi)私營資本挖掘信息庫，發(fā)電企業(yè)作為掌握國家經(jīng)濟命脈的關(guān)系到國計民生的重要單位，對網(wǎng)絡(luò)防御和自主化的需求迫在眉睫，將工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)應(yīng)用在網(wǎng)絡(luò)信息領(lǐng)域，是每一個現(xiàn)代化智能電廠的必經(jīng)之路。

5 結(jié)語

現(xiàn)代社會信息爆炸，科學(xué)突飛猛進，技術(shù)日新月異，發(fā)電企業(yè)想要適應(yīng)現(xiàn)代化社會，就必須時刻跟上社會進步的速度，在奮力追趕的同時，與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)緊密結(jié)合，解決設(shè)備技術(shù)越來越深奧、指標要求越來越嚴格、工況越來越復(fù)雜、用人成本越來越高昂等問題。這些由互聯(lián)網(wǎng)時代帶來的問題自然而然地激發(fā)了對安全生產(chǎn)定義的重新思考，導(dǎo)致安全生產(chǎn)的定義越來越廣。面對新的安全生產(chǎn)問題，發(fā)電企業(yè)需要跟進工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)信息平臺，加速自動化、智能化，實現(xiàn)智慧化無人值守，充分保障工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)對人、對設(shè)備、對運行和對網(wǎng)絡(luò)信息的安全，進而保證整個工業(yè)生產(chǎn)的安全，最終在激烈的競爭中處于不敗之地，成為中國社會乃至整個世界電力行業(yè)的標桿企業(yè)。