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关于智能化电厂建设的思考

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综述 自动化技术与应用》 2018年第37卷第2期 Survey 关于智能化电厂建设的思考  (国家电投河南电力有限公司技术信息中心,河南郑州450001) 摘要:“互联网+”行动标志着在国家层面有意识开始推动第四次工业化进程。顺应国家-8-; ̄,发电行业和发电公司提出了 “智能化电厂”的概念。由于在实践初期,缺少相关标准和规范,使得对智能化电厂的理解各不相同。本文分析了第四次 工业化的特质和智能化电厂概念,总结了智能化电厂建设基础,具体探讨了智能化电厂体系构架及各层次的主要业务 方向,并结合近期国内工程实践探索对新建工程基建期主要建设内容进行了总结。随着CPS、人工智能等新技术、新产 品的蓬勃发展,智能化电厂技术应用的前景广阔。 关键词:工业4.0;数字化;智能电厂;智能控制;现场总线 中图分类号:TP29 文献标识码:A 文章编号:1003—7241(2018)02-00001—04 Discussion Of Smar-【Power Plant Construction WANG Gang (Technology&Information Center ofSPIC Henan Electric Power Co.,Ltd.,Zhengzhou 450001 China) Abstract:”Internet+”marks the beginning of hte conscious action at the national level to promote the fourth industiral revolution. Comply wiht the national call,power industry and power generation company puts forward the concept of”smart power plant”.Because at the begining of the practice,and the lack of relevant stnadards,it makes the different understanding. Characteristics of hte fourth industrial revolution and the smart plant concept are analyzed.The concept constructional fundarnents are given.The concept architecture and main technical directions at all levels are discussed.Combines wiht the recent domestic engineering practices,the main construction contents are summarized.As the CPS,artificial intelligence and other new technologies booming,the smart power plant has a bright prospect. Key words:industry 4.0:Digitization;smart power station;intelligent control;field bus 1 引言 化电厂”、“智慧电厂”和“数字化电厂”的诸多提法, 2015年5月,对应德国工业4.0计划和美国的“工 反映出新概念的内涵、外延在其发展初期需要通过讨论、 业互联网”概念,印发((中国制造2025))和((国 实践而具化。 务院关于积极推进“互联网+”行动的指导意见》。这 本文对智能化电厂概念、智能化电厂体系构架、新 标志中国与其他国家一起开始第四次工业时代。 建电站工程基建阶段主要建设内容问题进行了探讨。 2016年3月,AlphaGo与李世石的围棋大战也点燃了人 们对人工智能技术无限的想象。 积极落实国家“互联网+”行动指导意见,探索智 2智能化电厂的概念 第四次工业要解决问题:生产力的进一步升级和 能化技术在电厂中的应用。京能高安屯燃气电厂、国华 导致生产过程、商业活动复杂性和动态性已经超越人 高安屯燃气电厂、大唐国际雷州电厂、华电土默特右旗 的分析优化能力,需要依靠智能化技术代替人进行复杂流 电厂、国家电投普安电厂等一批新建项目都有许多积极 程的管理、庞大数据的运算、决策过程的优化。第四次工 的尝试。这期间,也出现了诸如“智能电厂”、 “智能 业的核心在于智能化,最终目的是实现生产活动的高 度整合,使系统像人一样思考和协同工作 。由此推论, 收稿日期:201 7-06—27 智能化电厂要体现以下三个方面的价值或目标: 《自动化技术与应用》 2018年第37卷第2期 综述 1)电厂“全厂主辅D CS一体化”方案实施使得每 台机组有约万点信息进入D C S,信息的数字化采集已经 Survey 1)让设备原不可见的隐患得以显现,从而能够使设 备更加高效、节能、持久的运行; 2)让机器更多的代替人,让人的工作更加简单; 3)让电厂的生产经营过程更加透明、协同,管理流 程体系更加灵活、有效。 全面覆盖到设备和工艺过程的方方面面。 2)以AGC、APS为代表的机组自动化控制水平有 了长足进步,集控人员数量减少了约一半。 3)电厂已经形成以DCS+SIS+MIS/ERP为核心的 多层次网络架构。电厂通过广域网与分公司、集团级的 围绕这三个目标,智能化电厂建设离不开智能感知、 智能控制和智能管理三个维度的工作,而贯穿着三个维 度的是以工业大数据分析为核心的数据价值创造理念。 按照行业最新定义 j,智能化电厂是指在广泛采用 现代数字信息处理和通信技术基础上,集成智能的传感 与执行、控制和管理等技术,达到更安全、高效、环保 监管系统实现信息互联互通,网络化管控系统已经成为 各电力集团内各级、各部门人员必不可少的工作工具。 同时,互联网、物联网、机器人、人工智能、虚拟 现实以及大数据处理等信息技术爆炸式发展,为智能化 电厂的建设提供了澎湃的动力。 运行,与智能电网相互协调的发电厂。 “智能电厂”与“智慧电厂”概念的对比:智慧是 人独有的自然属性,智能是模仿人的智慧而发展的技术 4智能化电厂的体系构架 从智能感知、智能控制和智能管理三个大的维度出 发,智能化电厂的构架可以分为四个层次 : 现场设备与测量层。该层主要是通过现场总线技术、 流派。智慧是自然的,智能是人工的。 “智能化电厂” 与“智能电厂”概念的对比:“智能电厂”是电厂发展 内在需求和终极目标;“智能化电厂”与其相比,强调 了逐步进化和演化的建设过程。 “数字化电厂”概念定义有二:狭义的定义指电厂 物联网技术及先进测量技术的应用,将电厂设备、人员、 环境的状态和位置等信息转换为实时数字信息,提升泛 物理对象信息的数字化采集、存储、处理以及输出,使 电厂信息的占有和应用打破空间和时间的某些,并 使信息的应用效益达到最大化 。广义的定义(必应网典) 通过对电厂物理和工作对象的全生命周期量化、分析、 控制和决策,提高电厂价值的理论和方法。将电厂所有 信号数字化、所有管理的内容数字化,然后利用网络技 术,实现可靠而准确的数字化信息交换、跨平台的资源 在感知能力,为智能控制和智能管理提供依据。主要是 通过现场总线技术实现对测控设备的智能管控;通过三 维可视化、RFID、可穿戴设备等物联网技术的集成应 用实现全方位的空间感知;通过数字化煤场等相关技术 应用,为实现燃料透明化管理和实时成本等指标管控奠 定基础;通过煤质测量、炉膛温度测量、飞灰含碳量、 氨逃逸率等测量难题的突破为控制和管理提供支撑。 实时控制与优化层。该层以D CS/F CS、SIS为主 要依托,实现生产过程的数据集中处理,实时控制和在 线优化。主要是通过APS提升机组全程自动水平;通 实时共享,进而利用智能专家系统提供各种优化决策建 设,为机组的操作提供科学指导。狭义的“数字化电厂” 强调对信息数字化采集、存储、处理方式。因此,数字 化是基础,智能化是发展。广义的定义与“智能化电厂” 核心理念并无差异。 “智能化电厂”与广义“数字化电 厂”相比,前者更多的着眼未来,强调建设方向和目标; 过预测、模糊控制等先进控制技术应用提升对多输入多 输出、大迟延、时变被控对象的控制精度;通过工业大 数据分析技术应用实现诸如厂级负荷优化调度、燃烧在 线优化、冷端优化、吹灰优化、在线仿真机等各种工况 后者更多地立足现在,强调对现有新技术、新产品、新 理念的应用。 自动寻优技术,保证机组自动适应外部环境、工况等变 化,维持在安全、经济、环保的综合最优边界线上运行。 生产运营管理层。该层以SIS、ERP、MIS等作为 主要依托,汇集、融合全厂的生产与管理数据,以安全 生产、资产高效利用为目标,通过采用数据分析处理、 流程优化等技术对全厂生产和经营进行智能管理。在现 有技术条件下,主要指通过KKS码的深化应用和三维 可视技术的实践,建立设备三维综合管理系统 ;通过 3智能化电厂的建设基础 1997年,原电力规划设计总院在“2000年火电厂 自动化”报告中,首次提出进入21世纪火电厂信息化 (自动化)目标 。近20年来,随着D CS、计算机、网 络技术的应用,电厂信息化水平有了长足发展,为现阶 段智能化电厂的建设奠定了坚实基础: 综述 自动化技术与应用 2018年第37卷第2期 Survey 工业Wi—Fi、RFDI、二维码、可穿戴设备等物联网技 设备文件、采购文件、安装调试文件和工程竣工文件, 术与视频、门禁、两票等系统的集成应用,建立智能安 工程模型主要指三维模型,主要包括:主厂房三维模型 全防护系统,实现实时人员地图、工单地图和智能两票 和厂区的地下管道模型,包括管道模型、烟风道模型、 等功能,通过对SIS、MIS、EPR、协同等各信息系统 阀门模型、设备模型、主厂房结构模型、主厂房模型、 整合融合和移动终端的结合,建立基于员工岗位角色定 封闭母线模型、共箱母线模型、电缆桥架模型等。工程 制的员工一体化工作平台,消除信息孤岛,优化组织流 数据有设计数据、标识及编码数据、建设管理数据等。 程,实现管理的便捷高效;通过数据仓库技术和生产经 工程数字化移交宜采用“设备三维综合管理系统”建设 营指标的梳理,建立基于多源数据库的自动报表系统, 依托。该系统能够以设备KKS为主键,以设备三维模 减轻人员工作量,推动建设“实时成本”指标体系。 型为核心,将设备设计、建设、运行期间的各项资料、 远程监管与服务层。该层利用互联网与工业大数据 数据与设备三维模型、二维动态图纸强关联查询展示。 分析技术,打破地域界限,建立集团或区域公司的远程 该系统还可以进一步集成实时过程数据、设备缺陷记录 数据中心,发挥机组集群分析优势和专家技术力量,开 等运行数据,实现对设备全生命周期透明化管理目标。 展数据深度挖掘,实现数据价值创造。主要指开展诸如 智能安防系统。智能安防系统通过对现场三维展示 设备早期劣化预警 、旋转机械振动数据远程监测分析、 模型、设备二维码、工业WIFI、RFID、移动终端等新 机组耗差分析、机群指标对标等诊断、监督类业务;开 技术与门禁、视频监控、SIS、ERP等现有系统的集成 展诸如远程效率试验、模拟量控制品质测试试验等试验 应用,切实安全防护水平u : 类业务;开展机组远程仿真机集控操作、设备3D模型 1)实现智能两票,两票操作能够与设备状态在线联 检修演练等仿真培训类业务。 动、步序闭锁功能。 2)实现电子围栏功能。对于危险区域、工作票涵盖 5新建工程基建阶段的主要建设内容 等区域,当没有工作权限的员工接近该区域时,通过可 建立设备统一标识系统。智能化电厂的一项重要基 穿戴设备或移动终端实现即时提醒。 础工作就是标识系统的编码。在电厂工程建设中,要从 3)实现工单地图和人员地图,能够实时查看现场人 设计初始阶段就同步KKS编码工作,在工程设计数字 员和工单位置。 化移交中完成全厂全专业设备的完整KKS编码系统喁】。 4)能够根据需要即时调用三维场景周边摄像头,查 在此基础上要积极研究开展设备K K S码、物资编码和 看现场图像。并能对特定区域的特定时间段进行视频封 固定资产编码的相互映射关联,实现以设备码KKS为 闭,一旦人员或移动物体进入监控区域即时推送报警。 核心,对设备、财务、资产三方面数据的融合共享。 5)能够根据员工岗位、工作票、操作票等自动划定 三维数字化设计。三维数字化设计工作对全厂设备 活动区域,设置门禁权限。 和厂区隐蔽工程开展建模,解决了在常规设计过程的常 6)能够对消防报警进行三维定位查看,开展应急演练。 见病、多发病,消灭设计过程中“错、漏、碰、缺”等 机组自动启停控制功能(APS)。新建工程要在设备 问题,在建设期图纸信息交叉校验、碰撞检查、优化设 采购、组态设计、调试试运等各环节统筹规划,确保设 计与施工、对大宗材料和电缆精细化管理的目标。三维 备可靠性与可控性满足APS功能需求;预留足够APS 数字化设计同时建立一个完整的三维数字化现场模型。 调试时间,确保机组APS功能的同步设计、建设和投运。 这是一个精确的虚拟现实的三维立体空间模型,通过三 智能燃料管理系统。燃煤电厂项目要同步建设包括 维模型展示平台可以实现形象逼真、感性直观的三维数 入场验收、采制化、数字化煤场、配煤掺烧、自动标识 字模拟电厂驯。这将为运营期的设备三维管理、虚拟仿 识别等功能的智能燃料管理系统,提升燃料透明化管理 真培训、主动安防系统、巡检机器人等应用奠定基础。 水平,为运营决策奠定基础[13]o 工程数字化移交。发电企业需要在工程建设过程中 现场总线控制系统。新建工程宜优先考虑现场总线 和竣工时,同步得到在建设过程中产生的与电厂运行有 控制系统及现场总线仪表、执行器的应用,以为测控设 关的数据,称为“工程数字化移交”【I 。移交内容包含 备的智能管控奠定基础。 工程文件、工程模型和工程数据。工程文件有设计文件、 (下转第2l页) 控制理论与应用 Control Theory and Applications 《自动化技术与应用》 2018年第37卷第2期 本文利用模糊自适应原理在系统运行过程中发生波 动变化时,控制器可以根据实际运行情况更新控制器参 数,使得系统具有良好的适应性和鲁棒性。 HVDC系统控制器的研究[刀.电力系统保护与控制,0124,(8):115-10.2 【8】刘凯,张英敏,李兴源,蒋容,曾琦.基于振荡暂态能 量下降的VSC-HVDC双侧模糊无功阻尼控制器设计[J】.电网技 术,2016,(4):1030-1036. 【9】李爽,王志新,王国强.基于改进粒子群算法的PIDNN 控制器在VSC—HvDC中的应用叨.中国电饥工程学报,0123,(3):14- 21+120. 参考文献: [1】徐政,陈海荣.电压源换流器型直流输电技术综述[J]J. 高电压技术,2007,33(1):1-10. 【10】PAILY,S.KUMARAVEL,M.BASU AND M. 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[9】杨新民,高海东,陈丰.数字化电厂概念的解析及探 6结束语 智能化电厂建设涉及电厂的基建和运营全过程,是一 项综合性、全局性、长期性的系统工程。期建设方案应以 提升电厂可靠性、经济陛、负荷调节性能和环保运行水平 为目标,坚持实效性与前瞻性、安全陛与开放性、新技术 应用与管理创新相结合,以保证建设取得长久实效。 讨[J】.热力发电,2015,44(5):98-101. [10】杨新民,肖勇,陈丰.现场总线技术在火电厂的应 用[J】.热力发电,2014,43(9):76-78. 【l1】杨新民,肖勇,陈丰.火电厂监控系统现状及发展 展望【J】.热力发电,2014,43(11):15-18. [I2】张学孟,刘智铭.数字化电厂建设的关键技术及发 展[J].广东电力,2012,25(9):35-39. [13】刘宇穗,张振全,李军等.数字化电厂架构及现场 参考文献: [1】李杰.工业大数据(工业4.0时代的工业转型与价值 创造)【M】.机械工业出版社,2016,(7):56-60. [2】陈世和,尹峰,郭为民,杨新民.智能电厂技术发展 总线控制系统设计[J】.热力发电,2008,37(12):83-98. [14】张建玲,朱晓星,寻新等.超(超)临界机组智能控 制系统设计[J】.热力发电,2015,44(5):59-63. 【15】巨林仓,李磊,赵强.基于遗传神经网络的锅炉入 炉煤质软测量研究[J】.中国电力,2011,40(3):24-27. 纲要(征求意见稿)Is】.2016:4-6. 【3】候子良.中国电厂信息化第二次飞跃——智能化电厂 建设【J].自动化博览,2016,(1):34-36. [16】杨志.火电厂烟气污染物排放的软测量系统研究[D】. 保定:华北电力大学,2012:43-45. [4】杨新民,陈丰等.智能电站的概念及结构【J】.热力 发电,2015,44(11):10-13. [5】陈世和,张曦.基于工业4.0的智能电站控制技术[J】. 自动化博览,2015,(9):42-50. [6】井然.建设智能化电厂迎接工业4.0时代[J】.中国电 力企业管理(综合),2015,(10):67-69. 作者简介:(1977-),男,工程师,从事火电站热工自动化 研究。 

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