1引言
能源是人類社會生存和發(fā)展的重要物質基礎，人口多、經濟發(fā)展速度快，因此我國的能源消費總量連續(xù)多年處于世界領先地位。我國的能源結構是多煤、少氣、貧油，而且風、光、水資源、消費分布不平衡，相應的發(fā)電能源也以煤為主，2017年煤炭電裝裝機總量為10.2億千瓦，占裝機總量的58%，發(fā)電量占比67%。但是為了實施《巴黎協(xié)定》，在全球“放棄煤炭”的大勢下，中國也積極行動，推進能源供應方改革，提高能源轉換效率，減輕環(huán)境污染。2016年國家發(fā)展改革委員會、國家能源局、工業(yè)信息化部共同發(fā)表《關于推進“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源發(fā)展的指導意見》，促進能源和信息的深度融合，清潔高效地推進煤炭電力生產，智能發(fā)電站的概念也是通過國家能源轉換提出的能源互聯(lián)網(wǎng)產生的。
近年來，隨著云端運算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動互連、3D可視化等技術的發(fā)展，在節(jié)能、降耗、減排政策要求和集約化、高效管理需求驅動下，我國一些發(fā)電企業(yè)在智能發(fā)電站領域進行了相關探索和嘗試，但從目前國內智能發(fā)電站的建設和應用情況來看，其應用更側重于智能信息集成展示，對提高節(jié)約能源、提高效率的作用不強，偏離了智能生產的初衷。同時，許多項目計劃和實施往往是局部信息化系統(tǒng)、自動化系統(tǒng)的簡單積累，缺乏系統(tǒng)之間的緊密聯(lián)系。因此，本文將從智能發(fā)電站的內涵出發(fā)，利用數(shù)字孿生理念，提出智能發(fā)電站的總體框架，結合智能發(fā)電站的應用實際和信息技術特點，重點論述智能發(fā)電站的系統(tǒng)布局模型。
2智能發(fā)電站的概念和發(fā)展
智能發(fā)電站的概念在提出時沒有具體的項目支持，只是對未來發(fā)展前景的憧憬和要求。近年來，很多學者進行了深入的研究，很多發(fā)電企業(yè)進行了具體的實踐探索，雖然還不是真正智力發(fā)電站的具體著陸，但逐步完善了智能發(fā)電站的內涵，產業(yè)共識智能電站建設目標初步形成。
2.1智能電站的研究與探索
目前，業(yè)界對智能發(fā)電站的解釋并不統(tǒng)一，我國相關權威機構也沒有嚴格定義和制定發(fā)展智能發(fā)電站的統(tǒng)一標準，但在新一輪“第三工業(yè)革命”的刺激下，世界各國在國家“網(wǎng)絡”工作的地圖下，對智能發(fā)電站的概念和結構進行了深入的研究。中國自動化學會發(fā)展自動化專業(yè)委員會發(fā)表的《智能電廠技術發(fā)展綱要》提出了以現(xiàn)代信息技術、通信技術、智能檢測、執(zhí)行、控制、決策技術等為基礎的智能發(fā)展模式智能發(fā)電站的定義。使發(fā)電廠更加高效、安全、環(huán)保。該文件還提出了智能發(fā)電站的四層體系結構：智能設備層、智能控制層、智能生產監(jiān)管層和智能管理層。我認為智能發(fā)電站是具有自身最優(yōu)化、自適應、自我恢復、自我學習、自組織等特點的智能發(fā)電運行控制和管理模式，改進和優(yōu)化《智能電廠技術發(fā)展綱要》提議的4層架構。根據(jù)智能設備層、智能控制層和集成管理決策層劃分體系結構。參考產業(yè)4.0參考體系結構模型(RAMI4.0)和美國產業(yè)網(wǎng)絡聯(lián)盟(IIC)參考體系結構，從生命周期、系統(tǒng)級別和智能功能的三維角度提出智能發(fā)電站系統(tǒng)參考體系結構建議。
在相關學者研究中，智能發(fā)電廠隨著先進信息技術的發(fā)展，進一步擴大了發(fā)電廠的生產運行管理，提高了發(fā)電廠的自動化、數(shù)字化、智能化水平，其中智能發(fā)電廠的核心技術和體系結構是研究的重點。
2.2智能發(fā)電站實踐
專家學者推進理論研究，各發(fā)電企業(yè)也緊跟工業(yè)化、信息化融合潮流，大力推進智能發(fā)電廠建設，部分信息工程公司也以智能發(fā)電廠的需求為中心開展了資訊系統(tǒng)平臺研究和示范工作，推進了智能發(fā)電廠建設。
以每臺發(fā)電機3D可視化故障診斷系統(tǒng)、3D數(shù)字檔案等5個功能模塊為中心推進。計劃了8個功能模塊：三維數(shù)字檔案和可視化立體設備模型、鍋爐CT、智能管理中心。主要采用三維模擬、人員市場定位、在線診斷等技術，提高電廠的安全運行能力。根據(jù)生產過程控制系統(tǒng)、工廠級監(jiān)控資訊系統(tǒng)、管理信息系統(tǒng)和決策支持系統(tǒng)四層結構，制定數(shù)字電站計劃。
從部分實施和已經投入運行的發(fā)電站的實際情況來看，目前正在推進的智能發(fā)電站更側重于信息集成展示和智能管理等，尤其關注三維展示、人員市場定位等多種技術。依靠三維模型、市場定位技術提高信息化水平，提高現(xiàn)場控制水平。在生產過程中智能化的應用很少。特別是利用智能發(fā)電站建設推進管理模式變化的情況很少，實際上沒有提高質量，提高效率。(威廉莎士比亞，哈姆雷特)
2.3智能發(fā)電站的內涵
從目前對智能發(fā)電廠的研究和推進情況來看，研究人員對于智能發(fā)電廠的定義描述不同，體系結構上也有一些不同的理論觀點，實現(xiàn)方式上更有差異，但對智能發(fā)電廠的核心要求已經有了初步的共識。也就是說，通過智能化、數(shù)字化、信息化，綜合應用網(wǎng)絡、大數(shù)據(jù)資源。充分發(fā)揮智能系統(tǒng)強大的分析處理能力，標準化生產管理流程，提高生產管理水平，掌握生產管理趨勢，形成一系列智能生產管理模式，提高能源利用效率。智能發(fā)電站完全符合電廠自動化的發(fā)展趨勢。從近幾十年發(fā)電廠自動化技術的發(fā)展歷史角度來看，發(fā)電廠自動化從現(xiàn)有儀表控制、分布式控制系統(tǒng)控制、工廠級監(jiān)控資訊系統(tǒng)應用到電腦技術的持續(xù)發(fā)展，現(xiàn)場控制發(fā)電廠、自動化發(fā)電廠、數(shù)字發(fā)電廠、發(fā)電廠的生產率水平逐步提高。進入數(shù)字時代后，“網(wǎng)絡”、“大數(shù)據(jù)”、“人工智能”等新的信息技術等將進一步提高發(fā)電廠的自動化水平，使發(fā)電廠智能化發(fā)展，實現(xiàn)“本質安全、高效清潔、人機合作、智能決策”的發(fā)電廠價值目標。如此智能的發(fā)電站是一個全面、整體、多維的生產經營管理系統(tǒng)。與管理學理論一起，智能發(fā)電站可以分為智能設備層、智能控制層、智能管理層和智能決策層四個層面。智能設備層和智能控制層側重于具有全面意識和協(xié)作最優(yōu)化功能的執(zhí)行。智能監(jiān)管層和智能決策層側重于具有預測警報和科學決策功能的管理，如下圖所示。
總的來說，智能發(fā)電站是以數(shù)字發(fā)電站為基礎，利用下一代信息技術、人工智能技術、測試和控制技術，加強信息化與智能化的融合，明確生產經營過程，科學制定生產經營計劃，提高生產經營過程的可控性，減少人工干預的智能新型發(fā)電站。
3數(shù)字孿生的研究與應用
近年來，隨著智能化進程的加快，為了實現(xiàn)物理世界和信息世界的相互作用和融合，出現(xiàn)了“數(shù)字孿生”的概念，不斷地快速發(fā)展，對許多行業(yè)起到了巨大的推動作用。數(shù)字孿生目前在電力行業(yè)的應用較少，但在航空航天、汽車制造、石油天然氣管道等行業(yè)的應用將有助于促進智能發(fā)電站的建設和發(fā)展。
3.1數(shù)字孿生研究進展
數(shù)字孿生的概念于2003年首次出現(xiàn)，GRIEVES在美國密歇根大學產品全生命周期管理課程(product lifecycle management)提出了這一概念。將數(shù)字孿生定義為實時同步、忠實的映射特性，定義為物理世界與信息世界交互和融合的技術手段。2017年以前，對數(shù)字孿生的研究較少，主要集中在概念討論上，但2017年以后，研究數(shù)量大幅增加，研究者除了繼續(xù)討論概念外，還提出了驗證數(shù)字孿生的使用案例，并提出了新的應用框架和方法。自2017年以來，全球權威IT研究和顧問咨詢公司Gartner連續(xù)兩年將數(shù)字孿生列為當年十大戰(zhàn)略技術發(fā)展趨勢之一。在數(shù)字孿生概念不斷改進和發(fā)展的過程中，研究者們主要以數(shù)字孿生建模、物理信息融合和服務應用等為對象，重點分析數(shù)字孿生和相關產業(yè)關系、構建虛擬模型、孿生數(shù)據(jù)融合分析、服務應用指導等。數(shù)字孿生的意義是構建數(shù)字孿生體。最終表達是對物理實體的完整準確的數(shù)字描述，可以用于模擬、監(jiān)控、診斷、預測和控制物理實體。隨著人工智能應用技術的深入發(fā)展，在孿生體深化應用領域結合并行控制理論，形成了伴隨現(xiàn)實系統(tǒng)的并行建模、并行預測、并行執(zhí)行數(shù)字四胞胎并行演化架構。將能源發(fā)電擴展到社會能源的并行系統(tǒng)。
3.2數(shù)字孿生應用實踐
在研究人員以數(shù)字孿生為中心進行深入研究的過程中，數(shù)字孿生理念逐漸被美國通用電氣公司、德國西門子等企業(yè)接受，并應用于技術開發(fā)和生產，形成了Predix、Simcenter 3D等數(shù)字孿生開發(fā)軟件工具，引起了學術界、工業(yè)界、新聞媒體等廣泛的關注。
同時，很多行業(yè)進行了數(shù)字孿生的應用實踐。在BMW丁格芬智能工廠，手動監(jiān)控已被基于數(shù)字孿生的智能資料分析系統(tǒng)取代。美國空軍提出使用數(shù)字孿生概念預測飛機的結構壽命。中國石油天然氣集團有限公司利用數(shù)字孿生推進智能管網(wǎng)建設。也有文獻提出了基于數(shù)字孿生概念的發(fā)電廠發(fā)電機智能健康管理。
3.3智能發(fā)電站數(shù)字孿生應用
企業(yè)為了模擬仿真和警報構建數(shù)字孿生，可以減少非故障的停車時間，同時持續(xù)降低員工的工作強度。智能發(fā)電站也可以應用數(shù)字孿生體，提高發(fā)電站的智能化水平，達到降低效率、節(jié)約能源的目的。發(fā)電站是技術密集型、高度自動化的現(xiàn)代生產企業(yè)，具有應用數(shù)字孿生的良好基礎，從數(shù)字孿生的內涵和DCS的體系結構來看，部分生產過程可以視為通過DCS實現(xiàn)的低級數(shù)字孿生。DCS通過I/O輸入模塊從物理現(xiàn)場收集信號，在DCS中對生產流程建模，根據(jù)物理模型的控制要求對收集到的信號進行適當?shù)目刂茀?shù)，最后通過I/O輸出模塊進行現(xiàn)場執(zhí)行控制。生產工藝數(shù)字孿生如下圖所示。
對于整個智能發(fā)電站，隨著信息技術的發(fā)展，現(xiàn)場的模型不再局限于生產過程的控制內容，還包括更多管理最優(yōu)化內容，因此數(shù)字孿生將進一步擴大通過數(shù)據(jù)橋連接虛擬發(fā)電站和物理發(fā)電站。物理發(fā)電站的內容包括設備、環(huán)境和其他資源，以及人的行為和相應的業(yè)務標準等。因此，在數(shù)據(jù)虛擬發(fā)電站環(huán)境中，設備的監(jiān)控、警報、診斷、實驗、運行狀態(tài)最優(yōu)化、虛擬環(huán)境中的人、機器、事物、方法、環(huán)整體多維分析、設備智能發(fā)電站數(shù)字孿生如下圖所示。
4智能電站體系結構和系統(tǒng)部署
綜合參考了智能發(fā)電站的內涵及其在智能發(fā)電站的數(shù)字孿生應用，從智能發(fā)電站的核心能力要求出發(fā)，結合具體的資訊系統(tǒng)層次和國內電站組織結構劃分，基于數(shù)字孿生理論，利用電廠生產運行數(shù)據(jù)構建和應用相關模型。智能設備層、智能控制層、智能監(jiān)管層和智能決策層4體系結構進一步完善了智能發(fā)電廠的體系結構模型，并可以根據(jù)發(fā)電廠的具體智能要求部署相應的業(yè)務。
4.1智能發(fā)電站核心能力
智能發(fā)電站的核心能力是智能化。智能化有兩種意義。一方面是利用“人工智能”的理論、方法和技術處理信息和問題，另一方面具有“擬人智能”的特性或功能。自主性、主動性、敏感性、機動性——無處不在的認識、自我診斷、智能發(fā)電站的核心能力如下圖所示。
1）智能設備層可以突破現(xiàn)有的儀器和控制裝置，全面收集現(xiàn)場信息，診斷收集到的信息。
2）智能控制層突破了現(xiàn)有的DCS，具有多種復雜計算和修正誤差的數(shù)據(jù)處理功能。
3）智能監(jiān)管層突破了現(xiàn)有的安全儀表系統(tǒng)，具有設備運行狀態(tài)的多維分析功能，可以靈活地改變和擴展功能。
4）智能決策層具有學習能力和適應能力。也就是通過與環(huán)境的互動不斷地學習和積累知識，使自己適應環(huán)境變化。
4.2智能發(fā)電站體系結構
要實現(xiàn)智能發(fā)電站的核心能力，必須充分利用當前的云端運算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動應用程序等高級信息技術、發(fā)電站控制系統(tǒng)、工廠級監(jiān)控系統(tǒng)、管理信息系統(tǒng)、輔助監(jiān)控系統(tǒng)等，支持產業(yè)數(shù)據(jù)庫平臺、管理云平臺和發(fā)電站SIS網(wǎng)絡，并在智能設備層、智能控制層、智能監(jiān)管層和智能決策層構建滿足智能發(fā)電站要求的模型，從而形成智能發(fā)電站生產和管理系統(tǒng)，實現(xiàn)發(fā)電過程的全面感知、協(xié)同優(yōu)化、預測預警和科學決策。智能發(fā)電站體系架構如下圖所示。
(1)智能設備層
智能設備層與發(fā)電廠生產經營要素緊密融合，是與物理世界進行虛擬世界交互與合作的關鍵，也是數(shù)字孿生的關鍵，為了實現(xiàn)全面認識，主要通過先進的測量技術，將發(fā)電廠所有設備狀態(tài)、工藝參數(shù)、管理過程和環(huán)境條件轉換為數(shù)字信息，并根據(jù)自我診斷要求進行適當?shù)奶幚砗透咝У膫鬏敗４送猓谥悄芸刂茖印⒅悄鼙O(jiān)管層、智能決策層的指示下，可以準確分析和傳達有關相應電站生產和運營要素的指示，以實現(xiàn)最小干預的閉環(huán)控制要求。
(2)智能控制層
智能控制層為了實現(xiàn)對發(fā)電廠各工藝過程的智能控制，必須通過物理實體的行為模型和規(guī)則模型、生產工藝數(shù)字孿生、主要是DCS本身的相關高級算法程序、邊緣計算等高級信息技術等，形成工藝特性的自適應控制、預測控制、模糊控制、神經網(wǎng)絡控制等具體程序，對生產工藝建模。綜合智能設備層收集的信息和智能監(jiān)督層的指示，形成滿足發(fā)電站安全、經濟、環(huán)境要求的控制指南，在各種燃料和環(huán)境條件下最大限度地提高發(fā)電站的安全性、經濟性、環(huán)境性。
(3)智能監(jiān)管層
智能監(jiān)督層的重點是實現(xiàn)電站設備資產的智能化管理。基于生產工藝、工廠級監(jiān)控資訊系統(tǒng)、整個工廠生產過程和管理數(shù)據(jù)和信息收集、集成、工廠級能效基準和評估、運營管理、智能巡檢員、設備健康管理、設備遠程診斷等預測報警功能、在發(fā)電廠級實現(xiàn)發(fā)電廠閉環(huán)時，建模的重點是設備的物理模型和運行維護的規(guī)則模型。對應于虛擬模型的物理實體包括設備資產本身和維護服務行為。智能管理層接收的輸入信息包括控制層的生產實時數(shù)據(jù)、智能設備層的現(xiàn)場實時信息、智能決策層的執(zhí)行策略和最優(yōu)化模型信息。
（4）智能決策層
智能決策層借助生產制造、運營管理操作系統(tǒng)出示的海量信息展開大數(shù)據(jù)分析應用及有關功能模塊的開發(fā)設計，推動管理數(shù)據(jù)信息與生產制造數(shù)據(jù)信息之間的互相整合，實現(xiàn)了輔助決策、倉儲成本分析、智能供應鏈支持、績效評估等戰(zhàn)略決策，從而增強整個集團公司的精益化管理水平。智能決策層的核心是工業(yè)生產信息化大數(shù)據(jù)平臺和管理云平臺，智能決策層再加智能監(jiān)管層基本上將發(fā)電站現(xiàn)場的所有生產運營要素都進行了數(shù)字化，是真正意義上的數(shù)字孿生。在這個等級，生產制造、運行、經營管理的管理行為等都生成了數(shù)字孿生體，甚至涉及智能監(jiān)管層的實體模型創(chuàng)建行為。
4.3智能發(fā)電站操作系統(tǒng)部署
智能發(fā)電站基于現(xiàn)代化先進網(wǎng)絡技術發(fā)展而成，其核心是依托于云計算技術、大數(shù)據(jù)技術、物聯(lián)網(wǎng)技術等技術應用演變而生成的信息系統(tǒng)和設施，智能發(fā)電站的體系構架落地最終還是落實到含有工業(yè)生產信息化大數(shù)據(jù)平臺在內的信息系統(tǒng)上。借助相對應的現(xiàn)場設備維修和信息系統(tǒng)開發(fā)設計，才能真正實現(xiàn)智能發(fā)電站的基本建設，借助數(shù)字孿生生成智能發(fā)電站生產運營實體模型，最終達到本質安全、高效清潔、人機協(xié)同、智慧決策的目的。智能發(fā)電站的操作系統(tǒng)部署以集團公司級大數(shù)據(jù)中心（工業(yè)生產信息化大數(shù)據(jù)平臺、管理云平臺）和廠級大數(shù)據(jù)中心（SIS數(shù)據(jù)庫）為核心，按照智能設備層、智能控制層、智能監(jiān)管層以及智能決策層4個等級，根據(jù)發(fā)電站具體情況進行優(yōu)化調整。智能發(fā)電站操作系統(tǒng)部署如下圖所示。
1）智能設備方面主要部署先進的監(jiān)測設備，如涉及入爐煤質、鍋爐入爐煤粉流量、煙氣含氧量等發(fā)電機組關鍵技術參數(shù)的高精度的軟測量系統(tǒng)、火焰圖像頻譜分析操作系統(tǒng)；工業(yè)無線和全廠Wi-Fi，可增強各等級的數(shù)據(jù)信息交互和整合能力；應用智能機器人實現(xiàn)一些高勞動強度的重復操作和高風險的操作等。
2）智能控制方面重點考慮發(fā)電站安全、經濟、環(huán)保多目標優(yōu)化控制需求，主要部署燃燒優(yōu)化、環(huán)保優(yōu)化、鍋爐吹灰優(yōu)化、制粉系統(tǒng)優(yōu)化等環(huán)保節(jié)能優(yōu)化控制算法和操作系統(tǒng)；在燃料區(qū)域結合智能設備更新改造，實現(xiàn)了燃料部分工藝流程無人化；對于部分設施借助智能監(jiān)盤操作系統(tǒng)部署實現(xiàn)了無人化；借助進階生產規(guī)劃及排程操作系統(tǒng)實現(xiàn)了發(fā)電機組級自啟停。
3）智能監(jiān)管方面重點關注生產流程和設施健康監(jiān)管，可以智能化地實現(xiàn)預測預警，智能兩票、智能安全準入操作系統(tǒng)可以加強現(xiàn)場維修保養(yǎng)作業(yè)的安全管理；智能巡點檢可以進一步補充完善現(xiàn)場設施的健康技術參數(shù)；智能視頻監(jiān)控可以及時傳送現(xiàn)場的異常情況。
5結語
智能發(fā)電站的重點在于生產運營流程的智能化，本文利用數(shù)字孿生方式 將生產運營要素和流程全息投影到由工業(yè)生產信息化大數(shù)據(jù)平臺、管理云平臺結合的集團級大數(shù)據(jù)中心，按照決策、監(jiān)管、控制和設備4個層次部署相對應的智能化系統(tǒng)，覆蓋設施、運行、燃料、物資等生產運營層面，從而實現(xiàn)了智能發(fā)電站全面感知、協(xié)同優(yōu)化、預測預警和科學決策的目的，更好的實現(xiàn)了發(fā)電站的節(jié)能降耗、減人增效、靈活調節(jié)和安全管控。