互联网+电能生产的智慧发电研究

韩英杰　岳　乔　苏跃进

（国家电投集团河南电力有限公司，河南　郑州　450016）

互联网+电能生产的智慧发电研究

韩英杰岳乔苏跃进

（国家电投集团河南电力有限公司，河南郑州450016）

风电、太阳能发电等新能源的迅速发展以及居民用电和商业用电比重的不断增加，导致用电负荷峰谷差激增。为此按基本负荷设计的火电机组时常参与调峰且处于宽负荷运行。同时发电与信息技术相互融合，立足于互联网+，使智慧发电成为可能。智慧发电使机组得以宽负荷运行和状态检修，可以实现智能化设备状态趋势分析、经济性能评估，从而降低运维成本、增加高峰电量收益。

高效；宽负荷；互联网+；信息技术；智慧发电

1　互联网+等创新活动在发达国家及我国的开展

近年来，美国为了保持其全球竞争优势，不断调整经济发展战略，提出工业互联网概念来调整提升传统工业结构、将机器设备与网络相融合、发展高科技新兴产业，回归到实体经济中的在工业化战略。依托不断更新的信息、新能源等新一代技术，以及先进传感器、测试设备、计算机网络技术，融合生产设备与IT网络，将人、设备和数据连接起来，通过高性能设备、低成本传感器、互联网、大数据收集及分析技术等的组合，提高现有产业的效率并创造新的增长点。GE认为［1］，即使工业互联网只能让效率提高1%，效益也将是最大的（15年达到660亿美元）。作为工业化强国，日本老龄化问题非常严重。日本对信息采集、数据互联、能源节约等领域进行研发补助、官学研互动，针对性地重点培育。出台产业技术规划及鼓励政策，加强对信息物理融合系统、建立大数据利用平台的资助和研究。通过优惠税制、优惠贷款、减税等政策对发展人工智能技术的企业给予扶持，使得机器人技术能够在日本发展壮大，以解决劳动力断层并支持未来的工业智能化，应用于工业化生产线。

在欧洲，由德国、法国和英国发起的主题为“未来的工厂”的尤里卡项目，将解决敏捷智能制造方面的研究与开发作为重点。德国西门子、瑞士ABB、法国施耐德电气等公司已将部分人工智能技术应用到工业控制设备与系统中。由欧盟IMS2020计划计划囊括了美、德、日、意、韩等多个先进国家与西门子、IBM、SAP、宝马、麻省理工、剑桥大学等多家企业与高校。针对制造、节能、关键技术、标准化、创新培训五个关键领域开展公关与示范。2013年4月德国产业、政府和学术界首次发布《实施“工业4.0”战略建议书》［2］，提出通过ICT（信息通信技术）的深度应用，总体洞悉从需求、消费、流通到生产的全过程，从而实现高效成本管理，并在很短的时间内得到了来自政府、企业、协会、院所的广泛认同，并取得一致共识。

我国正在推动“信息化与工业化融合”的政策，提出“以信息化带动工业化，工业化促进信息化”来融合技术、业务、产品和产业，以期推动生产装备智能化与生产过程自动化、信息化创新提升产业自主创新能力、企业集成管理与绿色发展。可以说，两化融合即传统工业通过引进、消化、吸收信息技术，与企业原有的工艺、技术相结合，提高自动化水平、全面掌握生产与物资信息、加快资金周转率，形成信息支撑的智能化决策生产力要素，提升工业效率与效益的再创新过程。

徐冠华、陈至立［3］等都有相似的看法，认为传统产业先行引进技术、设备、人才等，借助于知识来理解关键技术和技术的本源，然后对工艺流程、产品结构、部件搭配进行再度应用和创新，提高企业的技术和绩效水平。引进的信息技术与原有技术之间的结合，使得企业的生产方式得以改进。企业员工通过“Learning By Doing（干中学）”掌握该技术的原来和诀窍（Know-How），提高熟练程度和技术能力，在提高产品质量、降低生产成本的过程中不断向技术、研发、设计、生产和管理等部门进行信息反馈、积累知识。企业并将这些信息作为改进工艺流程、产品质量的重要依据，提高技术研发、设计、生产等部门的运行效率。

2　高效宽负荷智慧发电与互联网紧密相关

由于资源禀赋条件差异，世界各国电源结构不尽相同。美国掌握石油与天然气命脉，煤炭储量也很高，装机以气、煤电为主。法国煤、油、气等资源都匮乏，核电发展突出。与世界发电比重［4］不同，我国能源资源的特点是富煤、贫油、少气，中国煤电发电量的比例最高，其次为水电、核电。近年来，中国发电量中煤电所占比例一直呈缓慢上升趋势，大大高于美国的38%［5］，这是造成中国电力工业污染物排放量高的重要原因。根据中电联数据［6］2013年底全国发电装机容量首次超越美国位居世界第一、达到12.5亿千瓦。同时，受资源、环境保护和电力企业效益最大化等诸多方面的约束，煤炭资源将逐渐成为稀缺性资源，可再生能源比重不断上升，德国则宣布在2020年可再生能源将达到全国能源供应总量的2/3以上［7］。

近年，我国的风电、太阳能发电等清洁能源装机容量发展迅速，在电网中的比例逐年增加。但这些能源的出力都受天气影响而具有随机性和间歇性特点。随着人民生活水平的提高及第三产业的发展，居民用电和商业用电等具有时段波峰负荷性质的比重逐年增加，这些均导致用电负荷峰谷差不断加大。在电网中，并网机组出力的频率都是50Hz，上网电价由政府制定，发电产品具有同质性、单一性、无形性。电能不能长时期大规模存储要求电力的生产、传输与消费必须同步完成，这种平衡使得以用定产和以产定需并存。

为了满足人们日益增长的生活文化需求，同时减少弃风弃光，作为并网电量主体的火电机组不得不参与调峰，处于宽负荷区间运行。而这些机组原先是按照基本负荷设计的，宽负荷状态下机组没有在设计工况下运行，效率较低、调节灵活性差，造成不必要的经济损失。开展高效宽负荷率的火电机组源-网-荷协同调整的灵活性研究，提高机组宽负荷下锅炉及汽机的效率，满足电网对机组快速启停、机组处理爬坡速率的要求，将热电联产机组的热与电进行解耦。在互联网+背景下，广泛融合信息网络，用“互联网+”改造传统电力系统，减少“双侧随机性”对电网安全稳定运行的不利影响［8］，实现清洁能源的高效使用，智能发电越来越受到关注。

3　互联网+高效宽负荷智慧发电的实施

发电企业作为过程型生产制造单位，物流和能流都是连续的，生产过程各工序间衔接紧凑、严密，工艺流程相对稳定，没有缓冲单元。由于其过程机理复杂，变量间相关性强，对自动化的依赖性比较强。作为技术密集型产业，发电企业已进入到高参数、大容量机组的新时代，单机最大容量已达到百万千瓦。

发电企业生产过程中煤炭、水、蒸汽、电、热等物质在能量的驱动和作用下，伴随着熵、焓、㶲等信息指标，实现价值的过程轨迹、流动网络结构及流动过程特性，存在着物质流、能量流、信息流、价值流等四种层次网络结构。随着计算机技术和网络技术的迅速发展，以及工业4.0概念的提出与应用，态势感知等新技术、管理理念的发展，在物质流、能量流、信息流、价值流相关性的基础上给出系统的定量描述，获得在某一特性时间、空间、功能和目标下的特定有序结构，建立JIT（Just in time）管理约束关系，将结果应用于智能发电，建立适应“+互联网”背景下最新的电力市场运作模式。

发电企业在生产、输配、存储、消费等行为达到高度的网络化、自动化和智能交互，将使分布式能源大量并网，形成分散的能源节点，与集中式的能源站共同支撑起整个能源网，能源节点既是生产者也是消费者，能源流动呈现自发、双向和网络化的特征，在全网范围内实现负载自动平衡。因此，智慧发电需要在广泛采用物联网、云计算、大数据平台等现代数字信息处理和通信技术基础上，集成智能传感与执行、智能控制和管理决策等技术，科学、全面整合电厂设计阶段的设计数据、建设阶段的基建数据、运行阶段的维护和实时数据，建立电站全寿期信息库，运用计算机技术、三维数字化技术和流媒体技术实现电厂现代化、数字化的建设、运营和管理，最终建成安全、高效、环保运行并与智能电网相互协调的智慧发电。实现设备的全生命周期（设计、制造、建设、运行、退役）智能管理。将三维模型和图纸、调试文档、资产管理及实时数据在同一平台上集成应用，利用三维可视化与定位实现设备安装、运行巡检期间的三维仿真和实时互动。全面考虑信息和工控系统的融合，实时调整生产计划和任务，安排生产与控制策略，提高企业运营的经济性。

电力数据特征是容量大、种类多和速度高。智慧发电以能够提高生产效率、增强安全可靠性等为目标，充分融合各种存储数据，发掘和整合各类数据流、控制指令流、业务流等等数据的价值。利用物联网技术实现设备间（M2M）的信息交互、数据存储，经过分析、整合、分类后方便智能化数据提取，利用数据分析和数据挖掘工具等大数据技术实现增值数据内容分析，将电力生产、消费数据与智能设备、用户信息、运营等数据整合，通过海量数据挖掘负荷特征，提高电力需求预报的准确性。在电力改革的背景下，整合能源供给、消费、运行参数等各类数据，将数据、通讯与生产设备结合，通对数据进行挖掘分析，为消费者提供价廉、节能、舒适的能源相关生活方式。实现本质安全的智能发电，按照“横向分区、纵向防御”的安全策略，建立信息安全策略，实现智能装置和传输协议的安全、工控系统和网络的安全、内部专网以及其他基于互联网的信息安全。

采用互联网+电能生产，利用多电站的集中监控诊断的优势，通过智能数据分析对分布于不同地域的目标电站数据点进行在线采集，通过网络把数据传到智能数据中心，集稀缺的优秀专家借助专业背景和信息技术，对海量数据进行筛选、清洗、分类、判断，实现智能化设备劣化趋势评估、态势感知、经济性能评价，从而帮助电厂做好运行参数调优和检修时段的策划，以期使机组的运行和维修更加富有灵活性，降低运维成本、减少设备故障、增加高峰电量收益，实现经济运行和节能增效。

随着智能电网、主动配电网、柔性输电、需求侧响应技术、大数据、云计算技术的逐步应用，实施资源综合规划模式，实施“源-网-荷-储”协调运行的机制政策，将跨地域的多种电源进行灵活、高效的组合，实现 “发输配售”4部分之间的协调互补，“横向源源互补，纵向源网荷储协调”以实体电厂为基础，将智能控制技术、网络控制技术、现代测量传感技术、信息技术优化加以集成，综合分析电站的运行工况信息、设备趋势信息、天气环境信息等，具有信息化、智能化、一体化、经济、节能、环保、高效等特征的新型电站。

［1］GE：Industrial Internet：Pushing the Boundaries of Minds and Machines［OL］.信息技术，2013-5-30.

［2］Recommendations for implementing the strategic initia⁃tive industry 4.0［OL］.2014-12-31.

［3］徐冠华.增强自主创新能力走中国特色的科技创新道路［J］.中国科技产业，2005（4）.

［4］Technology Roadmap Guide to Development and Imple⁃mentation［OL］.http://www.iea.org/roadmaps/,2014.

［5］Customer Choice and the Power Industry of the Future，September 22，2014，Congressional Research Service，https://fas.org/sgp/crs/misc/R43742.pdf,2014.

［6］德国联邦经济和技术部.德国的能源转型［C］.德国联邦经济和技术部，2012.

［7］许金莹，苏跃进，钱军，等.基于分布式发电的灾变应对分析中国电机工程学会第十三届青年学术会议论文集［C］.重庆：重庆大学，2014.

［8］中国电机工程学会信息化专委会.中国电力大数据发展白皮书（2013）［M］.北京：中国电力出版社，2013.

［9］苏跃进，韩英杰.基于分布式电站群的智能数据分析［J］.中国电信，2013（11）.

Research on Intelligent Power Generation of Internet PlusElectric Energy

Han Yingjie YueQiao SuYuejin
(SPIC Henan electric power Co.Ltd.,Zhengzhou Henan 450016)

The rapid development of new energy such as wind power,solar power developed rapidly,and the increased residential and commercial electricity consumption proportion have led to an increased difference of electric load in peak and valley.The thermal power unit designed according to the basic load has to often ad⁃just output load and keep in abroad load operation.At the same time,power and information technology should integrate with each other,based on the Internet plus,and make the wisdom of power become possible.Intelligent power generation unit is more flexible for broad load operation and condition maintenance.It can achieve intelli⁃gent equipment status trend analysis,economic performance assessment,thereby,can reduce operation and maintenance costs,and increase peak power gain.

highly efficient;broad load;internet plus;information technology;intelligent power generation

TP182

A

1671-0037（2016）10-78-3

2016-8-12

国家科技支撑计划项目（2015BAA03B01）。

韩英杰(1975-)，男，硕士，高级工程师，研究方向：电气、控制、两化融合。