新型燃煤电站数字化建设关键技术分析

白德龙，倪永中，司兴忠

(1.岱海发电有限责任公司，内蒙古 乌兰察布 013750；2.华北电力大学 能源动力与机械工程学院，北京 102206)

新型燃煤电站数字化建设关键技术分析

白德龙1，倪永中2，司兴忠1

(1.岱海发电有限责任公司，内蒙古 乌兰察布 013750；2.华北电力大学 能源动力与机械工程学院，北京 102206)

建设数字化电站是实现火电厂高度智能、自动化和节能增效的有效手段。在分析数字化电站当前发展状况的基础上，对数字化电站发展过程中暴露出来的信息孤岛、全生命周期管理、智能设备使用和大数据挖掘等问题进行了阐述，并给出了建设建议。指出了新型数字化电站发展的核心是通过数据融合技术达到设备的全生命周期管理，建立火电厂一体化信息管理平台，达到燃煤电站节能、减排和增效的目的。

数字化电站；全生命周期；一体化；大数据

1 建设数字化电站的意义

随着机组容量及参数的提高，现代化单元制机组的设备和系统越来越多，生产过程高度自动化，对机组的运行操作、设备管理和节能环保水平提出了更高的要求。燃煤电站是一个多数据源融合的整体，传统的系统设计以及数据通信技术的限制导致电站中形成了一个个独立的数据孤岛[1]；同时，电站设计、基建和安装信息的缺失，导致海量的历史数据只是不断地沉淀和积累，无法发挥其最大利用价值。

信息化技术的发展，推动这个传统工业向高度自动化、智能化、集约化方向发展。大数据技术和智能设备的普及应用将传统火电企业的数字化建设提升到了新的高度，有效提升了机组的整体运行水平。一个基本的数字化电站拓扑结构如图1所示,根据普华永道国际咨询管理公司的统计数据：工厂运行费用的70%与工厂生命周期的信息相关；20%～30%的时间浪费在过时信息上。根据爱默生公司的一份报告，采用数字化电站后，600～800 MW燃煤机组预期节约的费用见表1，由此可见，在燃煤电站进行数字化建设具有重要意义。

表1 采用数字化电站后预期节约的费用 %

图1 数字化电站拓扑结构

2 数字化电站发展概况

关于数字化电站研究和建设，不同实施单位的理解和定义并不完全相同，传统的数字化概念还是基于分散控制系统(DCS)的控制系统思想[2]。随着计算机技术的发展，DCS的数据容量和处理能力不断增大，使得在DCS基础上进行主辅一体化建设成为可能，如国电谏壁发电厂2×1 000 MW机组、国电荥阳电厂2×600 MW机组均实现了主辅一体化控制[3]，提升了机组控制的灵活性，节约了人员费用，如图2所示。

随着电站运行的需求和计算机技术的发展，电厂出现了种类繁多的应用系统，系统之间没有统一的数据采集接口，造成数据的重复和不一致。为解决各系统间的信息孤岛问题，多个电厂开展了管控一体化建设，实现DCS、厂级信息监控系统(SIS)和管理信息系统(MIS)的数据融合，一定程度上缓解了信息孤岛问题，如图3所示。

在实现主辅一体化和管控一体化的基础之上，近年来的新建电厂还实现了数字化移交。工厂全生命周期进程中，累积了大量设计、施工和运维不同阶段的数据和文档，这些文档来自不同的参与方和不同的应用工具，如工艺流程设计系统的数据和图纸可能来自AutoCAD P&ID，Intergraph SmartPlant P&ID等，而三维建模可能来自AVEVA PDMS或Revit等，导致信息传递效率下降。在传统的电站移交过程中，从设计、采购、施工到运行，各阶段都是独立进行的，这就造成了数据本身的割裂，产生了大量的信息截留问题。通过数字化移交，实现了设计阶段、基建阶段和运行阶段的数据融合[3-4]，如图4所示。目前，华北电力设计院等设计单位均引进了AVEVA公司的PDMS三维设计软件，对电站设备进行三维建模(如图5所示)，在工程设计的各个阶段提供满足业主需要的电厂数据信息，最终可为业主提供一个形象逼真、感性直观的三维数字模拟电厂。同时，该软件预留的数据接口遵循国际标准ISO 15926[5]，该标准规定了新建工厂(包括新建电厂)从概念设计、详细设计、建设过程，到电厂运行和电厂拆除的整个全生命周期的管理方法。

图2 主辅一体化系统结构

图3 管控一体化系统结构

图4 数字化移交管理[3]

图5 设备三维可视化管理

3 数字化电站发展问题

在数字化电站发展的过程中，由于缺乏统一的建设标准，各单位实施内容各异，无法对发展过程中呈现的共性问题进行研究。虽然电站数字化程度得到了高度的发展，但在此过程中依然存在一些问题，制约着数字化电站向更高层次发展。目前，各电力集团均很重视数字化电站建设，但都还停留在研究和摸索阶段，没有统一的数字化电站建设标准和规范，亟待提炼出数字化电站建设的思路和设计总体方案。新型数字化电站应以全生命周期管理为核心，在信息化成果的基础上进行集成和创新，建设燃煤电站一体化信息管理整合平台，最终达到节能、环保、增效的目的。

3.1 信息孤岛依然存在

通过管控一体化实现了DCS，SIS和MIS的信息融合，规范了各运行优化软件和监控软件的数据来源，一定程度上缓解了信息孤岛问题，但设计、施工、采购和运行阶段的信息隔离依然存在，严重阻碍了设备的全生命周期管理，导致后期运行过程中的设备改造信息无法与早期的移交数据库同步，移交的数字化电站与运行的实体电站的差异会随运行时间的增加而累积。业主单位花费巨额投资建设的数字化平台在运行阶段无法实现最大化利用，因此，数据交换的规范和标准的建设显得尤为必要。图6所示的数据协议转换中心可有效地建立虚拟电站和实体电站之间的设备信息交互，打通设计与运营环节的隔离，在数据融合的基础上，建立图7所示的一体化平台，实现应用的一体化。

图6 数据交换流程

图7 一体化平台

3.2 设备全生命周期管理难以实现

除了设计与运营环节的脱节导致设备信息缺失外，运行阶段设备状态变化无法长期记录是导致全生命周期管理难以实施的重要因素。ISO 15926标准在记录信息时不仅可以采用数据模型概念记录静态的流程工厂(如图8所示)，而且还可以采用4D的方法记录包括维修等过程在内的全生命周期流程工厂[5]。记录的信息包括：流程工厂的物理对象，物理对象的标志、属性、分类、装配和连接。4D方法认为，物理对象具有时间和空间维度。4D指的是空间(3D)和时间(1D)上的组成关系都以相似的方法处理，空间(3D)指的是KKS编码中的3种标志，即相关工艺标志、安装点标志和位置标志，所以4D方法可以理解为在原有KKS编码的基础上(即空间维度)增加了1个时间维度，即图9中横坐标所表示的时间轴。

图8 设备对象的抽象化[5]

图9 4D设备信息描述[5]

物理对象是“全生命周期对象”，某一物理对象可以作为另外一个物理对象全生命周期的一部分，成为“临时部分”，因此二者间存在临时组成关系。

3.3 现场总线设备率不高

数字化电站建设的核心是在过程监控系统和信息系统的各个层次采用智能化和数字化的硬件设备，并配套相应的控制和管理软件，达到提高设备安全性和可靠性的目的[6-7]。但是，由于现场总线设备费用问题，配套软件、通信标准和电站主控特殊的复杂协调等问题，导致现场总线技术在火电厂的利用率不高。在一般火电厂，现场总线设备率小于60%，辅控系统使用的现场总线设备率要高于主控系统；在新建的燃机电站，现场总线设备率可达到70%。随着数字智能化技术的发展，现场总线设备和技术在火电厂的大规模应用是必然趋势。

3.4 厂级信息监控系统的定位

自1997年提出SIS概念来，SIS逐渐成为火电厂建设的标准配置软件之一，其基本功能包括：数据采集与监视、厂级性能计算及机组性能计算、负荷经济分配、状态检修和寿命诊断[8]。但是纵观大部分电厂的建设情况，除了数据采集与监视和性能计算可以实现外，其他功能很少有电厂成功实施并良好运行[9]，其主要原因有以下几点。

(1)基于安全性考虑，SIS和DCS间的数据是单向流动(如图10所示)，SIS无法向DCS发送指令；另外，调度中心无法全面利用厂级的优化结果[9]。

图10 SIS的功能定位

(2)SIS集成厂商对设备状态检修所需信息和设备检修机制缺乏充分理解，工厂信息(PI)数据中缺乏设备状态检修所需信息且没有设备状态评价模型。

(3)缺乏基本数据的积累，例如设备寿命评估需要专业的金属材料数据库才可以进行，而国内还没有成型的可供利用的材料数据库。

3.5 缺乏应有的数据价值挖掘方法

随着传感器技术和数据存储技术的发展，火电厂大数据时代已经到来，SIS的发展已扩展到发电企业集团级和集团科技中心级，存储了大量的结构化数据。但是由于火电厂系统的复杂性，每一类设备有一套完整的状态监测、故障诊断、检修维护、寿命管理机制，很难统一使用单一模型对这些数据进行分析；需要对不同的设备，根据其设备健康指标建立特有的分析模型，工作量巨大，而且需要专业知识高度融合的复合型人才，涉及分布式计算、流处理技术以及数据仓库技术[10]。

4 数字化电站建设展望

数字化电站并不是各种信息管理系统的简单融合，也不是简单智能设备的普及使用，而是一个融合信息处理技术、控制技术、分析与优化技术等技术的系统工程。新型数字化电站应以设备全生命周期管理为核心，以单个燃煤电站为对象，在信息化成果的基础上进行集成和创新，建设燃煤电站一体化信息管理整合平台，最终达到节能、环保、增效的目的。

发展数字化电站是大势所趋，在智能设备、通信技术、大数据分析技术发展的同时，需要管理层总体筹划，做好顶层设计工作、人才储备工作，才能迎来数字化电站发展的春天。

[1]王晋亮.消除“信息孤岛”的策略[J].科技情报开发与经济，2003，13(12):50-51.

[2]黄琨.数字化电厂的概念、现状与应用展望[J].科技信息，2011(29):810-811.

[3]钱培峻.超超临界机组主辅控一体化控制的设计研究[J].华东电力，2010,38(7):998-1001.

[4]王聪生.基于维模型的电厂生命周期的信息管理[J].电力建设，2002，23(11):85-95.

[5]王聪生.电厂生命周期的数据维模型[J].中国电力，2004,37(8):71-75.

[6]工业自动化系统与集成流程工厂(包括石油和天然气生产设施)生命周期数据集成第2部分:数据模型：GB/T 18975.2—2008[S].

[7]颜渝坪,崔逸群，王春利，等.火电厂现场总线控制系统的成功应用[J].中国电力，2007，40(3):56-60.

[8]马欣欣.现场总线技术在大型火电厂的应用[J].中国仪器仪表，2012(2):25-28.

[9]阎欣军.厂级监控信息系统(SIS)功能及相关问题的探讨[C]//中国电机工程学会.全国电力行业热工自动化及信息化学术年会论文集，2005.

[10]曹文亮，高建强，王兵树，等.电厂厂级监控信息系统现状及发展前景[J].中国电力,2002,35(9):59-62.

[11]侯子良.积极推动火电厂控制方式的第二次变革[J].自动化博览,2014(z1):16-18.

(本文责编：刘芳)

2016-11-07；

2016-12-14

TM 621

A

1674-1951(2017)01-0010-04

白德龙(1976—)，男，山西五台人，高级工程师，从事火电生产管理方面的工作(E-mail:baidl@daihaipower.com)。