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【摘要】本文通過梳理國內火電廠（燃煤、燃氣發(fā)電廠）近10年在信息化、數字化、智能化領域的探索實踐，分析了火電智能化的創(chuàng)新方向，首次描繪了火電智能化的體系架構，并研究其典型應用。

關鍵詞：火電智能化；體系架構；虛擬業(yè)務中心；典型應用

中國國際工程咨詢有限公司（簡稱中咨公司）參加了“十四五”電力發(fā)展規(guī)劃編制，集合國內IT服務企業(yè)創(chuàng)新開展了火電智能化體系架構和發(fā)展目標研究。本文通過深入分析發(fā)電智能化內涵，提出智能火電廠的概念，通過理清智能化創(chuàng)新方向，首次描繪了火電智能化體系架構，并進行了典型應用研究，旨在助力我國火電高質量發(fā)展。

一、發(fā)電智能化是時代要求

大數據、人工智能正在全球范圍內與傳統(tǒng)產業(yè)深度融合，“智能工廠”“智能生產”和“智能物流”等主題不斷涌現。我國政府十分重視工業(yè)智能化轉型。從2016年5月國務院發(fā)布《國務院關于深化制造業(yè)與互聯網融合發(fā)展的指導意見》，2017年10月黨的“十九大”提出推動互聯網、大數據、人工智能和實體經濟深度融合，2017年11月國務院發(fā)布《國務院關于深化“互聯網+先進制造業(yè)”發(fā)展工業(yè)互聯網的指導意見》，到2019年3月19日習近平總書記主持召開中央全面深化改革委員會第七次會議時發(fā)表“促進人工智能和實體經濟深度融合，……構建數據驅動、人機協同、跨界融合、共創(chuàng)分享的智能經濟形態(tài)”重要講話，為我國傳統(tǒng)產業(yè)的高質量發(fā)展指明了方向。

發(fā)電行業(yè)包括水電、火電、風電、光伏等，其生產智能化較為復雜，僅火電智能化就牽涉燃料系統(tǒng)、三大主機、風機水泵等輔機、電氣系統(tǒng)、分散控制系統(tǒng)、化學制水系統(tǒng)、循環(huán)冷卻水系統(tǒng)、環(huán)保島、MIS和SIS等。我國火電領域在辦公信息化、生產數字化實踐基礎上，近些年開始了智能化探索，逐步認識到火電智能化不是單純在傳統(tǒng)火電廠內采用一些智能裝置，而是應用大數據和人工智能等現代信息技術來全面提升火電廠的發(fā)電生產方式、業(yè)務管理模式和信息服務能力，是對物質流、能量流、信息流的融合再造，但對滿足可測、可觀、可控和自愈要求的火電智能化體系架構的認識還不十分清晰。

二、發(fā)電智能化內涵和定義

國內外對智能發(fā)電（或發(fā)電智能化）尚無明確定義和統(tǒng)一標準，在計算機技術應用中使用了自動化、信息化、數字化、智能化等各種名稱。

從宏觀的生產力發(fā)展與生產關系變革的視角看，電廠的智能化轉型是通過生產力提升、生產關系優(yōu)化、信息技術支撐三者的互聯、融合、創(chuàng)新，在運營模式、業(yè)務過程、生產過程、生產設備、IT支撐等五個層面實現傳統(tǒng)電廠向智能電廠的轉變。

從微觀視角看，通過建立清晰的支撐智能電廠所需的IT架構體系與應用模式，運用設備、控制、管理等一系列智能化手段，實現電廠可靠感知能力、真實再現能力、即時響應能力、業(yè)務協同能力、管控決策能力的全面提升。

發(fā)電智能化的關鍵技術特征體現為自學習、自尋優(yōu)、自適應。具體講，就是大量應用自學習、自尋優(yōu)、自適應的智能化技術，自動根據發(fā)電廠內設備、燃料、調度、市場等影響因素的變化，不斷優(yōu)化生產、經營、管理，實現經濟效益和社會效益的最大化，實現生產安全、職業(yè)危害，生態(tài)環(huán)保的最優(yōu)化運營。

智能發(fā)電廠定義：在現有生產管理基礎上，廣泛采用現代信息技術和通信技術，集成智能的傳感與執(zhí)行、控制和管理等技術，通過數據挖掘及價值分析，形成具有一定自主性的感知、學習、協調控制、分析決策能力，能動態(tài)地適應發(fā)電生產、電力調度和用電需求的變化，與工業(yè)互聯網、社會資源和環(huán)境相互融合的新型電廠。

對于火電智能化來說，除了上述發(fā)電智能化內涵外，還需要考慮調峰和保障電力供應安全等因素。本研究主要聚焦火電廠的發(fā)電設備、控制、管理和信息支撐等生產領域。

三、火電智能化創(chuàng)新方向

傳統(tǒng)的火電廠生產運營體系邏輯上由設備層、控制層、管理層構成。設備層主要包括發(fā)電生產主輔設備，以及配套的測控設備；控制層主要包括各種控制、保護、調節(jié)系統(tǒng)；管理層則包括所有生產運營的業(yè)務與管理活動，涵蓋各類運維作業(yè)、各項專業(yè)管理、各種業(yè)務條線管控等所有業(yè)務管理過程，具體包括集控運行、設備運維與檢修、安全保障與監(jiān)管、經營管理與運營管控等主要業(yè)務。

火電智能化發(fā)展方向體現在互聯、融合和創(chuàng)新三個方面。

互聯：重點是人機互聯、業(yè)務互聯、用戶互聯。人機互聯：實現人、設備、系統(tǒng)的互聯，通過“機”要素之間高效整合，實現“人機協調”的模式。業(yè)務互聯：打通業(yè)務藩籬，圍繞核心價值鏈，實現端到端的互聯，使核心業(yè)務圍繞價值鏈形成協同、聯動的智能有機體。用戶互聯：實現企業(yè)內部不同管理層級間的互聯，實現與用戶的互聯，實現與外部單位（政府、電網、兄弟單位、社會機構）互聯[1]。

融合：重點是多業(yè)務管理融合、信息與自動化融合、新技術融合。各業(yè)務融合：實現企業(yè)業(yè)務管理的協同融合。推動安全、生產、營銷等生產經營與人、財、物資源管理一體化融合，創(chuàng)新管理模式，提升核心能力，使企業(yè)業(yè)務管理協同融合、決策科學。與自動化融合：實現管理信息化與生產自動化的融合。在智能發(fā)電發(fā)展方式下，生產運行的前臺監(jiān)控、信息分析與企業(yè)調度、生產、營銷等業(yè)務管理更加緊密的聯系在一起，需要通過實時信息與管理信息的交互、更大范圍跨業(yè)務的流程整合和信息自動流轉，提高大生產的駕馭能力。與新技術融合：信息技術與通信技術本身的技術邊界已經模糊，信息通信技術共同構成信息化核心技術手段。為實現更加有力的信息技術支撐，將信息化核心技術與業(yè)務管理融合，推動管理高度一體化[2]。

創(chuàng)新：重點是技術應用創(chuàng)新、管理應用創(chuàng)新。技術應用創(chuàng)新：在智能裝備、智能控制、信息技術等方面引入新技術或關鍵技術，實現運行優(yōu)化、故障預警、智能巡檢、主動安全，通過技術創(chuàng)新應用，帶來降耗、安全、環(huán)保能力的提升。管理應用創(chuàng)新：支持企業(yè)資產全生命周期管理、能量全過程管理、資源集約化管理等管理理念。在企業(yè)資源方面，實現集約與共享；在業(yè)務協同方面，實現業(yè)務之間的互通、融合；在企業(yè)運營方面，實現企業(yè)級的管控和決策[3]。

四、火電智能化體系架構內容

火電智能化體系建設，由信息化支撐和貫通，通過設備層智能化、控制層智能化、管理層智能化，最終實現火力發(fā)電的生產運營由傳統(tǒng)體系向智能體系的轉變[4]。因此，火電智能化的體系架構，對應于傳統(tǒng)的三層體系架構，就是由設備層、控制層和管理層的智能化組成，由信息化支撐的智能化生產運營體系[5]。

圖1 火電生產運營傳統(tǒng)體系向智能化體系轉變

在從傳統(tǒng)體系向智能化體系的轉變中（見圖1），火電智能化是一個不斷發(fā)展進步的過程，需要不斷融合人工智能技術，構建出一整套從數據匯聚、計算建模、分析決策到最后執(zhí)行的開發(fā)應用標準和不同范式，將眾多智能應用與生產控制融為體，逐步走向智能發(fā)電高級階段。

由于傳統(tǒng)火電廠廣泛采用的DCS系統(tǒng)已發(fā)展成熟，其設計思想、組態(tài)配置、功能匹配等十分完善，已滲透到火電廠控制系統(tǒng)的各個領域，加之現場總線技術（FCS）的應用，可以直接實現電廠“爐-機-電-輔-仿”一體化網絡控制[6]。因此，依托柔性的一體化信息支撐平臺構建系列管控一體化的智能應用，以貫通業(yè)務、共享數據、按崗所需、組合應用為目的，打造虛擬業(yè)務中心，是火電智能化架構設計的主要方向。

數據來源：國家能源集團信息技術有限公司，《智能電站總體設計方案》

虛擬業(yè)務中心是圍繞火力發(fā)電的幾個主要核心價值鏈，按照“大控制、大生產、大安全、大經營”的理念，將相關“數據-業(yè)務-系統(tǒng)”融合為業(yè)務運營平臺，形成“監(jiān)控、生產、安全、經營”四個數字虛擬業(yè)務中心。每個虛擬業(yè)務中心彼此既相對獨立，又環(huán)環(huán)相扣，從而構成以價值創(chuàng)造為目標的，體系完整、協同運作的業(yè)務應用體系。

1．監(jiān)控中心?；鹆Πl(fā)電的首要價值鏈就是實現一次能源向二次能源的轉換。發(fā)電企業(yè)作為以電、熱為核心產品的能源生產與供應商，貫穿了能量生產與轉化的全過程。監(jiān)控中心就是圍繞能量轉化價值鏈，以“大控制”的理念，以自動化控制為基礎，運用智能化控制技術進行優(yōu)化運行，以實現能量從燃料儲運、到生產轉換、至電熱（產品）傳輸等各環(huán)節(jié)的最優(yōu)控制，確保實現整個能量轉化過程的靈活敏捷、節(jié)能低耗、低排環(huán)保等價值目標。

2．生產中心?；鹆Πl(fā)電的第二條價值鏈就是實現設備資產的高效運轉，最大限度的發(fā)揮出設備資產的效能與價值。發(fā)電企業(yè)作為“重資產”企業(yè)，強化生產環(huán)節(jié)的設備全壽命周期管理，深化狀態(tài)檢修，提高設備檢修效率和運行可靠性，是發(fā)揮資產價值，保障能源轉化生產的重中之重。生產中心就是圍繞設備資產價值鏈，以“大生產”的理念，統(tǒng)籌生產運行、設備運維等諸環(huán)節(jié)，實現運維一體化和檢修專業(yè)化，在確保實現發(fā)電生產運行的安全、高效、穩(wěn)定的前提下，最大限度達到設備的可靠性、使用效率、使用壽命和全生命周期成本的動態(tài)平衡，確保實現資產價值鏈的安全、可靠、高效等價值目標，實現資產效能和運營效益的綜合最優(yōu)。

3．安全中心。火力發(fā)電的第三條價值鏈就是確保發(fā)電生產與運營的過程安全。發(fā)電企業(yè)作為具有“高溫、高壓、高速、高危”等生產環(huán)境的企業(yè)，能否確保安全生產與運營，是決定其能否實現能量轉換與資產運維價值目標的前決條件。安全中心就是針對“為能量轉換與資產運維提供安全保障支持”這一核心任務，以“大安全”的理念，將傳統(tǒng)電站的以事件管理為核心的管理模式，升級為以危險源辨識、風險評估為核心、全員參與的全面管理、科學決策、預測預防和可控在控的安全生產風險一體化管理模式，確保實現火電生產運營的主動安全。

4．經營中心。火力發(fā)電的第四條價值鏈就是確保實現發(fā)電企業(yè)人力、物力、財力、信息、技術、管理等資源要素的最佳配置，獲得可持續(xù)競爭的優(yōu)勢。伴隨著電力改革的深入與經營領域的拓展，發(fā)電企業(yè)將逐步進入到具有更大競爭性的市場，智能的生產經營應當在市場環(huán)境變化時能夠做出快速反應，通過提供最大的社會價值，獲取最佳的價值收益。經營中心就是圍繞企業(yè)資源要素的價值鏈，以“大經營”的理念，突破傳統(tǒng)業(yè)務條塊束縛，消弭核心資源相關信息壁壘，強化對企業(yè)整體運營績效的把握能力，圍繞火電企業(yè)核心資源進行集約化管理和共享化服務，實現信息共享和業(yè)務協同，打通戰(zhàn)略目標、預算控制、經營計劃、市場響應和績效管理之間的關聯，使企業(yè)可以集中核心資源、優(yōu)化配置、降本增效、精益管理，確保實現精益、規(guī)范、敏捷、協同、增效的價值目標。

火電智能化重點環(huán)節(jié)集中在設備、控制、管理和信息支撐四個方面。設備智能化主要包括生產設備的數字化描述和表達、智能測控裝置的應用，控制智能化主要包括智能化的模擬量控制和基于機器學習的運行優(yōu)化，管理智能化主要包括建立虛擬監(jiān)控、生產、安全和經營中心，信息支撐主要包括智能工作臺、知識圖譜、移動應用、智能報表、云支撐等能力。

五、火電智能化典型應用舉例

國內火電廠近些年在安全監(jiān)控、生產運維、優(yōu)化運行、巡檢管控等方面開展了一些典型的智能化應用。

1．智能安全監(jiān)控方面的汽輪機智能安全監(jiān)控系統(tǒng)，突破傳統(tǒng)TDM設計思想，不再是簡單的振幅報警和時頻分析圖形作為事后“黑匣子”使用，而是將所需專業(yè)性較強或依賴于個別專家的振動信號分析與故障診斷工作，交給系統(tǒng)內逐步建立的專家診斷知識庫，實時自動分析并發(fā)現機組當前出現的異常現象，自動完成故障診斷，實現設備故障部位、故障等級、故障原因、處理建議的自動生成與推送。產生的效果是可縮短啟動時間。

2．智能生產運維方面的五檢合一智能維護系統(tǒng)，將“巡檢/點檢/精密點檢/技術監(jiān)督/智能在線診斷”集成并與設備的優(yōu)化檢修進行有機融合，建立一套統(tǒng)一的信息、工作、考核、管理控制、決策支持與集中維護平臺。建立基于大數據與人工智能應用的專家診斷知識庫，實現對設備故障部位、故障等級、故障原因、故障解決方案及檢修成本的確定。產生的應用效果是減少設備故障、提高收益[7]。

3．智能優(yōu)化運行方面的多源耦合智能吹灰系統(tǒng)，采用熱平衡作為模型依據，根據溫度場分布建立動態(tài)模型并與熱力系統(tǒng)工藝進行關聯建模，對立式區(qū)域、臥式區(qū)域根據工質溫差、壓差、煙差建立大數據模型，智能推送吹灰優(yōu)化策略，判斷水平煙道、后豎井煙道煙氣走廊的形成并通過吹灰策略消除安全隱患，指導運行優(yōu)化調整，輔助鍋爐燃燒控制，最終實現考核負荷下的智能吹灰。產生的應用效果是提高鍋爐效率。

4．智能巡檢與安全管控方面的可視化地下管網智能管理系統(tǒng)，將地下管網、閥門、彎頭及其連接設備的設計制造信息、屬性信息、安裝調試及實時工藝參數，全部掛接在對應的三維模型上，并與“專家診斷數據庫”相關聯，大幅度提高了管網的日常維護、泄漏定位和開挖規(guī)劃與演練等水平，有效預防管網泄漏引起的停機等事故，快速為事故發(fā)生后的處理方案提供支撐。產生的應用效果體現在地下管網三維實時可視，動態(tài)監(jiān)督運行狀態(tài)、危險點以及工藝優(yōu)化點；有效及時監(jiān)督地下管網的缺陷、隱患，提高地下管網漏泄處理工作效率，為火電廠貢獻間接或直接收益。

對于上述火電智能化典型應用，其產生的效果很難量化。但可以肯定的是，它們并不能突破熱效率、發(fā)電標煤耗、啟動調整時間等指標的理論限值。應該說，智能化手段的作用是“逼近”理論值或最優(yōu)值，是減少人工調整或傳統(tǒng)方式所帶來的時間金錢浪費和安全隱患。

六、結束語

我國發(fā)電行業(yè)通過幾十年的發(fā)展已經步入成熟期，中電聯統(tǒng)計數據顯示，2019年中國發(fā)電裝機總規(guī)模達到20.1億千瓦，其中火電11.9億千瓦，連續(xù)多年位居世界第一?！笆奈濉奔拔磥硪欢螘r間內，作為發(fā)電行業(yè)主力軍的火電，必須走高質量發(fā)展之路。

除了聚焦高參數、大容量、多聯產、近零排放、耦合發(fā)電等生態(tài)友好方向外，火電應從辦公自動化、生產過程數字化向智能化邁進。隨著可以提供智能化組態(tài)方案的中小IT企業(yè)不斷加入，火電智能化具有了重要的技術服務支撐，伴隨的多行業(yè)協作也逐漸萌芽。經過近些年在研究論證和工程實踐上的有益探索，依托現場總線技術（FCS）、自動啟停機控制（APS）技術、人工智能、云計算、大數據、物聯網、移動應用和虛擬現實技術等，我國在火電智能化方面已經形成了一定的技術積累。

火電智能化的大量典型應用，是新型基礎設施建設、數字經濟發(fā)展和智能經濟形態(tài)形成的巨大場景，將為傳統(tǒng)火電廠帶來巨大的效益提升，大幅度提高發(fā)電行業(yè)的全要素勞動生產率，助力我國電力企業(yè)躋身世界先進行列。

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5.郭為民，張廣濤，李炳楠，梁正玉，朱峰，唐耀華.火電廠智能化建設規(guī)劃與技術路線[J].中國電力,2018(10).

6.徐明,楊平,應啟戛,彭道剛.現場總線技術在電廠中的應用[J].微計算機信息,2006(01):25-27.

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