紀(jì)方旭 何堯璽 李雪松 曾戌運(yùn) 楊奕帆
摘 要:針對大型清潔能源基地新能源場站在全生命周期業(yè)務(wù)管控的需求,基于物聯(lián)感知、大數(shù)據(jù)分析、AI診斷、三維可視化、智能圖像識別等先進(jìn)技術(shù),研究并提出了可涵蓋新能源場站—區(qū)域集控—公司總部的數(shù)字化系統(tǒng)建設(shè)藍(lán)圖和架構(gòu)體系。通過規(guī)劃項(xiàng)目前期管理、工程建設(shè)管理、生產(chǎn)運(yùn)營管理、業(yè)務(wù)支撐保障等四大領(lǐng)域的功能應(yīng)用以及數(shù)字化平臺基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)任務(wù),為新能源發(fā)電企業(yè)提供可借鑒的數(shù)字化解決方案。
關(guān)鍵詞:新能源發(fā)電;全生命周期;數(shù)字化規(guī)劃
中圖分類號:TM71? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
0 引 言
近年來,國內(nèi)積極響應(yīng)構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)的倡議,推動(dòng)可再生能源替代行動(dòng)的實(shí)施計(jì)劃,加快推進(jìn)清潔能源大基地建設(shè)[1]。2023年3月,國家能源局發(fā)布《關(guān)于加快推進(jìn)能源數(shù)字化智能化發(fā)展的若干意見》,提出推動(dòng)形成能源智能調(diào)控體系,推動(dòng)數(shù)字化、智慧化技術(shù)在新能源行業(yè)全覆蓋應(yīng)用[2]。工業(yè)和信息化部等五部門聯(lián)合印發(fā)《智能光伏產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃(2021—2025年)》,提出智能光伏系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)自感知、自診斷、自維護(hù)、自調(diào)控等技術(shù)和管理目標(biāo)[3-4]。這些政策為新能源數(shù)字化轉(zhuǎn)型發(fā)展提供了重要的政策支持和指導(dǎo)。
當(dāng)前,數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展日新月異,各新能源發(fā)電企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型及建設(shè)處在不同階段,在基礎(chǔ)設(shè)施支撐、系統(tǒng)功能架構(gòu)、數(shù)據(jù)管理應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)、新技術(shù)融合創(chuàng)新以及信息化運(yùn)營保障等諸多方面都不同程度地存在一些問題,亟待優(yōu)化提升。為加強(qiáng)數(shù)字化頂層設(shè)計(jì),統(tǒng)籌場站—區(qū)域—總部各層級的數(shù)字化系統(tǒng)建設(shè),消除數(shù)字化系統(tǒng)架構(gòu)差異,避免數(shù)字化業(yè)務(wù)功能重疊、數(shù)據(jù)多源重復(fù)、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)不一致等問題,越來越多的新能源企業(yè)開始意識到數(shù)字化建設(shè)的重要性,并積極開展企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型及建設(shè)工作,以提升生產(chǎn)效率、降低運(yùn)營成本、優(yōu)化管理模式[5-6]。
1 規(guī)劃藍(lán)圖
基于新能源建設(shè)和運(yùn)營管理業(yè)務(wù)需求,提出企業(yè)新能源數(shù)字化的建設(shè)藍(lán)圖、總體架構(gòu)和功能應(yīng)用,助力新能源場站的標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)、智能化運(yùn)維和一體化管理。基于全生命周期數(shù)字化管控平臺和信息化基礎(chǔ)設(shè)施,圍繞項(xiàng)目前期管理、建設(shè)期管理、運(yùn)營期管理、業(yè)務(wù)保障支撐四大核心領(lǐng)域進(jìn)行規(guī)劃建設(shè),以實(shí)現(xiàn)多場景的數(shù)字化管理。業(yè)務(wù)藍(lán)圖如圖1所示。
1.1 項(xiàng)目前期管理
工程項(xiàng)目前期以科學(xué)規(guī)劃設(shè)計(jì)、全過程數(shù)字化管控為目標(biāo),通過建設(shè)市場開發(fā)項(xiàng)目管理、投資造價(jià)管理、投資經(jīng)營性評估等系統(tǒng),為項(xiàng)目的開發(fā)投資決策提供科學(xué)依據(jù)。通過對現(xiàn)場踏勘管理、項(xiàng)目管理信息、業(yè)務(wù)流程管理、項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)、投資造價(jià)編制、投資經(jīng)濟(jì)性評估等資料文件進(jìn)行數(shù)字化歸集,構(gòu)建全生命周期的資料庫。
1.2 工程建設(shè)管理
工程建設(shè)期聚焦于提升工程管理效率,通過建設(shè)工程控制臺、質(zhì)量管理、進(jìn)度管理、安全任務(wù)管理、技術(shù)管理和綜合管理等功能,實(shí)現(xiàn)工程項(xiàng)目總體態(tài)勢的監(jiān)控、處置以及工程全要素的管理。其中,工程控制臺功能實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目信息、人員、項(xiàng)目進(jìn)度、安全檢查統(tǒng)計(jì)、質(zhì)量檢查統(tǒng)計(jì)及重要公告展示等;進(jìn)度管理功能幫助公司監(jiān)控各個(gè)項(xiàng)目的工程目標(biāo)與進(jìn)度,及時(shí)發(fā)現(xiàn)所屬項(xiàng)目的進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn);質(zhì)量管理功能實(shí)現(xiàn)對工程質(zhì)量進(jìn)行輔助診斷、流程驗(yàn)收及質(zhì)檢管理;安全任務(wù)管理功能實(shí)現(xiàn)對日常安全任務(wù)問題單的閉環(huán)管理,推動(dòng)安全問題的快速解決;技術(shù)管理功能實(shí)現(xiàn)對各專業(yè)技術(shù)監(jiān)督、技術(shù)支持和技術(shù)文檔資料的管控。
1.3 生產(chǎn)運(yùn)營管理
在生產(chǎn)運(yùn)營階段,重點(diǎn)圍繞如何實(shí)現(xiàn)電站的“無人化”管理,分別建設(shè)新能源集控系統(tǒng)和智慧生產(chǎn)運(yùn)營管理平臺。新能源集控系統(tǒng)支撐生產(chǎn)業(yè)務(wù)系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)視、遠(yuǎn)程調(diào)度控制和故障告警,實(shí)現(xiàn)對場站的遠(yuǎn)程監(jiān)視、集中控制,為場站的無人化提供基礎(chǔ)條件。智慧生產(chǎn)運(yùn)營平臺業(yè)務(wù)分為運(yùn)營業(yè)務(wù)和運(yùn)維業(yè)務(wù),運(yùn)營業(yè)務(wù)以數(shù)字孿生等技術(shù)為依托,實(shí)現(xiàn)場站的三維可視化看板,基于多維數(shù)據(jù)的大數(shù)據(jù)分析平臺,實(shí)現(xiàn)對場站運(yùn)行的總體態(tài)勢監(jiān)控和關(guān)鍵對標(biāo)指標(biāo)、績效考核指標(biāo)、發(fā)電計(jì)劃指標(biāo)、發(fā)電量指標(biāo)、發(fā)電效率指標(biāo)、運(yùn)營考核指標(biāo)的分析呈現(xiàn),輔助運(yùn)營管理人員進(jìn)行管理決策;運(yùn)維業(yè)務(wù)則實(shí)現(xiàn)新能源場站的生產(chǎn)管理、智能診斷、智能裝備巡檢等核心業(yè)務(wù)功能,達(dá)到無人值班、少人值守的目標(biāo)。
1.4 業(yè)務(wù)保障
保障業(yè)務(wù)主要包括智能安防、智能消防、智能物資和安全管理等。智能安防、消防系統(tǒng)通過高清視頻監(jiān)控、AI、傳感、無人機(jī)等技術(shù),提升新能源大基地安全等級,提高安保效率,降低安保成本,保障新能源場站安全運(yùn)行。智能物資管控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對物資的統(tǒng)一編碼及區(qū)域物資的聯(lián)儲聯(lián)備。安全管理系統(tǒng)對新能源場站建設(shè)及運(yùn)營階段提供綜合人員、設(shè)備、環(huán)境等全方位的安全保障和對自然災(zāi)害的監(jiān)測預(yù)警。通過統(tǒng)一規(guī)劃,為新能源場站的安防、消防、物資倉儲和安全監(jiān)測提供全生命周期一體化業(yè)務(wù)保障。
2 架構(gòu)設(shè)計(jì)
2.1 業(yè)務(wù)架構(gòu)
按照業(yè)務(wù)規(guī)劃的總體思路,業(yè)務(wù)架構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)從項(xiàng)目前期到運(yùn)行期的全場景業(yè)務(wù)覆蓋、運(yùn)營流程作業(yè)的全過程管理、管理過程全自動(dòng)化和支撐運(yùn)營決策過程的全可視化。通過對主要發(fā)電集團(tuán)新能源公司數(shù)字化系統(tǒng)建設(shè)情況的調(diào)研和行業(yè)技術(shù)發(fā)展趨勢分析,結(jié)合公司各部門及場站新能源業(yè)務(wù)管控需求,業(yè)務(wù)架構(gòu)主要圍繞項(xiàng)目前期管理業(yè)務(wù)、工程建設(shè)業(yè)務(wù)、生產(chǎn)運(yùn)營業(yè)務(wù)、全生命周期保障業(yè)務(wù)四個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)。業(yè)務(wù)架構(gòu)如圖2所示。
2.2 應(yīng)用架構(gòu)
新能源信息化業(yè)務(wù)應(yīng)用圍繞項(xiàng)目前期管理、工程建設(shè)管理、生產(chǎn)運(yùn)營管理等四大領(lǐng)域進(jìn)行平臺應(yīng)用體系及功能建設(shè)。業(yè)務(wù)應(yīng)用功能按照縱向管控、決策支撐、橫向協(xié)同、高效運(yùn)營等目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì),保障企業(yè)的業(yè)務(wù)系統(tǒng)共建共享、智能互聯(lián)。應(yīng)用架構(gòu)如圖3所示。
新能源信息化業(yè)務(wù)應(yīng)用功能建設(shè)的任務(wù),一是面向新能源企業(yè)項(xiàng)目前期新能源場站投資造價(jià)編制和規(guī)劃設(shè)計(jì)人員,對能源市場開發(fā)項(xiàng)目綜合分析和科學(xué)規(guī)劃設(shè)計(jì),并對前期的資料進(jìn)行數(shù)字化歸集管理。二是面向工程項(xiàng)目管理相關(guān)人員,對新能源場站建設(shè)過程中的質(zhì)量、進(jìn)度、安全、物資、人員、車輛等全要素進(jìn)行高效管控。三是面向運(yùn)營期相關(guān)人員實(shí)現(xiàn)新能源場站運(yùn)行可視化監(jiān)視、調(diào)度控制、故障告警、智能診斷、智能裝備巡檢、運(yùn)營綜合指標(biāo)分析等功能,為新能源場站的安全高效運(yùn)營提供數(shù)字化手段。四是智能安防、智能消防、智能物資、安全管理等業(yè)務(wù)系統(tǒng)的建設(shè),為業(yè)務(wù)支撐提供保障。
2.3 技術(shù)架構(gòu)
按照業(yè)務(wù)及配套基礎(chǔ)設(shè)施需求,規(guī)劃建立“1+4+N”的新能源數(shù)字化業(yè)務(wù)應(yīng)用體系,“1”為1個(gè)統(tǒng)一的數(shù)字化平臺,“4”為4個(gè)業(yè)務(wù)應(yīng)用體系,“N”為各應(yīng)用體系包含的若干應(yīng)用??傮w技術(shù)架構(gòu)如圖4所示。
通過一體化的數(shù)據(jù)底座和集約化的平臺架構(gòu),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、業(yè)務(wù)聯(lián)動(dòng)和統(tǒng)籌管理。平臺提供統(tǒng)一、開放的標(biāo)準(zhǔn)接口,以支持多系統(tǒng)接入和擴(kuò)展新的應(yīng)用。數(shù)字平臺主要包括以下功能組件:
(1)物聯(lián)網(wǎng)平臺。負(fù)責(zé)各子系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)、告警收集及相關(guān)控制指令下發(fā),支撐對末端設(shè)備的可視化運(yùn)營,實(shí)時(shí)掌控設(shè)備狀態(tài)。
(2)視頻監(jiān)控平臺。通過視頻云平臺視圖資源共享及智能圖像處理技術(shù),提供豐富的智能算法,提升視頻圖像處理效率及業(yè)務(wù)協(xié)同能力。
(3)大數(shù)據(jù)平臺。通過對新能源場站相關(guān)數(shù)據(jù)的整合,向下提供全部子系統(tǒng)和其他平臺的數(shù)據(jù)集成接口,向上提供數(shù)據(jù)服務(wù)、計(jì)算能力接口給應(yīng)用系統(tǒng)。
(4)三維可視化平臺。對新能源場站空間中的有關(guān)地理分布數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、儲存、管理、運(yùn)算、分析、顯示和描述。
(5)人工智能平臺。對生產(chǎn)區(qū)場站監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)以及管理區(qū)智能巡檢設(shè)備(如無人機(jī)、巡檢機(jī)器人、清掃機(jī)器人、攝像機(jī)、智能穿戴設(shè)備等)采集視頻圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析,識別設(shè)備缺陷,有助于設(shè)備預(yù)測性維護(hù)。
2.4 數(shù)據(jù)架構(gòu)
數(shù)據(jù)架構(gòu)主要對場站業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)分層管理方案進(jìn)行規(guī)劃,目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)公司數(shù)據(jù)的規(guī)范性、一致性、準(zhǔn)確性和完整性,同時(shí)解決信息集成共享和資源的重復(fù)利用問題,并在此基礎(chǔ)上,充分挖掘數(shù)據(jù)的價(jià)值,有效支持業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)管理和經(jīng)營決策分析。總體數(shù)據(jù)架構(gòu)如圖5所示。
數(shù)據(jù)架構(gòu)包含數(shù)據(jù)源、采集交換層、存儲處理層、計(jì)算分析層、訪問使用層。數(shù)據(jù)來源于公司內(nèi)外部,從空間維度看,主要產(chǎn)生于新能源場站、區(qū)域集控、總部管理部門;從時(shí)間維度看,主要產(chǎn)生于項(xiàng)目的工程建設(shè)期和生產(chǎn)運(yùn)維期。根據(jù)不同的業(yè)務(wù)需求,采用實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)兩種采集策略,在采集手段上分為拉取、推送和虛擬連接三種方式。
通過數(shù)據(jù)的采集進(jìn)入數(shù)據(jù)倉庫,或通過數(shù)據(jù)交換實(shí)現(xiàn)信息系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交互、數(shù)據(jù)共享需求。對結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)及非結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)類型,使用不同的數(shù)據(jù)存儲和處理策略形成混合式架構(gòu),使用可擴(kuò)展的分布式存儲方式進(jìn)行實(shí)時(shí)在線、批量數(shù)據(jù)處理計(jì)算與轉(zhuǎn)換,同時(shí)提供多種類型的數(shù)據(jù)服務(wù),供業(yè)務(wù)人員開展嘗試性數(shù)據(jù)分析挖掘。
采用多種分析工具和手段構(gòu)建統(tǒng)一的分析服務(wù)能力,實(shí)現(xiàn)查詢、分析、挖掘、預(yù)測等數(shù)據(jù)分析應(yīng)用,并可以形成特定的數(shù)據(jù)產(chǎn)品服務(wù)用于智能決策、趨勢分析等應(yīng)用場景。所有數(shù)據(jù)分析應(yīng)用的結(jié)果,在統(tǒng)一架構(gòu)下為公司內(nèi)外部各個(gè)層級、各種類別的用戶提供多種業(yè)務(wù)支撐。
建設(shè)期中會(huì)產(chǎn)生設(shè)備資產(chǎn)數(shù)據(jù)、BIM數(shù)字化模型數(shù)據(jù)、圖紙數(shù)據(jù)、基建檔案數(shù)據(jù)、合同管理數(shù)據(jù)等,需要通過對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行治理,規(guī)范數(shù)據(jù)管理標(biāo)準(zhǔn),從公司層面統(tǒng)一設(shè)備和物資編碼體系,實(shí)現(xiàn)從建設(shè)期到運(yùn)維期的數(shù)據(jù)遷移和數(shù)據(jù)全生命周期管理。加強(qiáng)建設(shè)期與運(yùn)維期的數(shù)據(jù)集成關(guān)聯(lián),為運(yùn)維期的設(shè)備維護(hù)檢修提供數(shù)據(jù)分析與決策支撐。
2.5 集成架構(gòu)
按照“少人無人化運(yùn)營管理”的建設(shè)理念,在區(qū)域側(cè)建設(shè)區(qū)域集控一體化管理平臺,實(shí)現(xiàn)對各個(gè)新能源場站的統(tǒng)一運(yùn)營管理,將場站側(cè)各獨(dú)立的設(shè)備和業(yè)務(wù)子系統(tǒng)集成至區(qū)域側(cè),通過一體化平臺拉通數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)接口標(biāo)準(zhǔn)化,各系統(tǒng)間信息共享和業(yè)務(wù)協(xié)同。集成架構(gòu)如圖6所示。
新能源區(qū)域集控一體化管理平臺實(shí)現(xiàn)三個(gè)層級的集成。一是場站側(cè)生產(chǎn)區(qū)和管理區(qū)的集成,如實(shí)現(xiàn)基于管理區(qū)氣象系統(tǒng)的功率預(yù)測。二是區(qū)域側(cè)新能源集控中心和管理區(qū)智慧生產(chǎn)運(yùn)營管理平臺的集成,實(shí)現(xiàn)區(qū)域側(cè)整體運(yùn)營數(shù)據(jù)的打通。三是區(qū)域側(cè)和場站側(cè)的跨區(qū)域集成,實(shí)現(xiàn)在區(qū)域集控中心對新能源場站的運(yùn)行監(jiān)控和集控集維。
2.6 網(wǎng)絡(luò)安全架構(gòu)
網(wǎng)絡(luò)安全架構(gòu)設(shè)計(jì)以“安全第一、預(yù)防為主、管理與技術(shù)并重、綜合防范”為方針,以“安全分區(qū)、網(wǎng)絡(luò)專用、橫向隔離、縱向加密”為原則,滿足電力行業(yè)網(wǎng)絡(luò)安全等級保護(hù)體系(等保2.0)的“縱深防御、集中管控”要求,構(gòu)建集識別、防護(hù)、檢測、響應(yīng)于一體的防護(hù)能力。網(wǎng)絡(luò)安全架構(gòu)如圖7所示。
區(qū)域集控側(cè)與新能源場站安全一區(qū)之間的數(shù)據(jù)通信線路為電力專線。安全二區(qū)之間為電力專線或運(yùn)營商專線,配置縱向加密及防火墻設(shè)備保護(hù)數(shù)據(jù)傳輸安全。區(qū)域集控側(cè)與新能源場站管理信息大區(qū)(安全三區(qū))之間的數(shù)據(jù)通信線路為運(yùn)營商專線/互聯(lián)網(wǎng)專線,采用防火墻、VPN專線等方式保證邊界與數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?/p>
3 結(jié)束語
通過產(chǎn)業(yè)政策洞察、行業(yè)調(diào)研剖析及業(yè)務(wù)需求分析,對新能源發(fā)電企業(yè)全生命周期數(shù)字化系統(tǒng)建設(shè)進(jìn)行了深入研究,提出了可涵蓋新能源場站—區(qū)域集控—公司總部的數(shù)字化系統(tǒng)建設(shè)藍(lán)圖和業(yè)務(wù)架構(gòu)、應(yīng)用架構(gòu)、技術(shù)架構(gòu)、數(shù)據(jù)架構(gòu)、集成架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)安全架構(gòu)。規(guī)劃的項(xiàng)目前期管理、工程建設(shè)期管理、生產(chǎn)運(yùn)營期管理和業(yè)務(wù)支撐保障等四大業(yè)務(wù)體系及功能應(yīng)用等建設(shè)方案,對國內(nèi)新能源企業(yè)數(shù)字化建設(shè)具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義,有助于提高企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)營管理水平和場站運(yùn)維效率、降低運(yùn)營成本和安全管理風(fēng)險(xiǎn),促進(jìn)企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型和高質(zhì)量發(fā)展。
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A New Energy Digital System and Its Functional Application Planning Based on the Whole Life Cycle
JI Fangxu 1,HE Yaoxi 1,LI Xuesong2,ZENG Xuyun1,YANG Yifan1
(1. China Yangtze Power Co.,Ltd.,Wuhan 430010,China;2. Southwest Electric Power Design Institute Co.,Ltd.,China Power Engineering Consulting Group,Chengdu 610056,China)
Abstract:To meet the operational needs throughout the entire life cycle of large-scale clean energy bases,we propose a comprehensive digital system blueprint and architecture encompassing new energy stations,regional centralized control,and corporate headquarters by employing advanced technologies such as IOT sensing,big data analysis,AI diagnosis,three-dimensional visualization,and intelligent image recognition. Functional applications are developed across four major domains:planning pre-production management,engineering construction management,production and operation management,and business support. Together with the construction of the digital platform infrastructure,these research findings provide digital solutions for new energy power generation enterprises.
Key words:new energy generation;the whole life cycle;digital planning
基金項(xiàng)目:長電新能有限責(zé)任公司項(xiàng)目(4223020049)
作者簡介:紀(jì)方旭,男,工程師,博士,主要研究方向?yàn)樾履茉礃I(yè)務(wù)數(shù)字化運(yùn)營管理體系。E-mail:ji_fangxu@ctg.com.cn