基于工业互联网的电力安全生产探讨

刘三军，刘中华，方 草，崔 希

（1.国家电投集团江西电力有限公司，江西 南昌 330096；2.国家电投集团江西电力有限公司分宜发电厂，江西 分宜 336600；3.国家电投集团上海发电设备成套设计研究院，上海 200240）

0 引言

随着社会的不断发展以及互联网与人工智能的技术进步，技术迭代导致的国内外安全生产事故频发，特别是电厂特殊的复杂生产环境给安全管理工作提出了更高的要求。继黎巴嫩贝鲁特港口大爆炸发生后，北京南四环一储能电站又发生锂电池爆炸事故，针对国内外安全事故频发的现状，党的十九届五中全会提出要加快发展现代产业体系，推进能源革命，加快数字化发展，推动互联网、大数据、人工智能等同各产业深度融合，建设智慧能源系统，优化电力生产和输送通道布局。深入到企业集团层面，则要筑牢能源发展新跑道，打开企业发展的关键点，其中最为关键的一点就是新技术领域能力，数字化智能化技术是一个非常重要的切入点。而推动数字化智能化技术的发展和应用是每一家发电企业向多元化发展，能源基础技术向高层次发展的重要途径。

国家电投集团江西电力有限公司分宜发电厂紧密结合当下社会互联网技术发展形势，以智能电厂大项目中的智能安全功能为基础，利用图像智能识别分析、智能两票、智能门禁、自主DCS、状态检修、数字孪生体和智能巡点检等工业互联网技术，将工业互联网与安全生产相关内容发展成为四个部分，即工业互联网与人员安全、设备安全、运行安全和网络信息安全，从本质上保障了火力发电厂电力生产环节的安全可靠[1]。

1 工业互联网与人的安全

工业互联网与人的安全主要体现在网络软硬件结合对厂区人员的安全基础管理流程方面，从项目启动到项目结束，管理功能贯穿始终，事前有安全管理手段进行权限审查，事中有监控系统跟踪报警保护，事后则有智能统计分析系统整合复盘。在整个项目人员管理的全流程中，对历来传统模式感到棘手困难的问题，以智能化手段辅助，最终实现工业互联网对人员的智能安全管控。

1.1 生产区域安全实时感知

智能安防系统在整个厂区大范围布置了智能摄像头（见图1），其中重要生产区域和生产道路区域尤为密集，布置在重点区域的摄像头均具有人脸识别功能和安全帽佩戴识别功能，并对抓拍到的人员自动检索上报，配合一体化平台软件体系，在全生产区域实现了人脸识别和人员轨迹查询功能[2]。

图1 生产区域智能摄像头布局

1.2 生产区域安全事前预防

整个生产区的重要关口均配备智能门禁系统（见图2），相关工作人员在进入生产区域之前，经由一体化平台智能两票模块自动配置目的地关口权限，工作人员仅能进入被授予权限的区域，且智能门禁将会判定工作人员安全帽佩戴情况，使得人员可识别、有授权，在未正确佩戴安全帽的场合也会被禁止进入相关区域。如此以来，通过工业互联网实现了事前权限配置，避免误入、错入生产重地的情况发生[3-4]。

图2 生产区域智能门禁布局

1.3 联动一体化平台的安防设备全厂普及

结合一体化平台软件管理，做到安全管理贯穿项目执行的全过程，涉及项目执行的各方面，实现人员安全的智能分析和统计。信息录入能够做到当场在线学习、便捷采集以及一键上传，提供便捷的、一站式的入厂人员信息初始化和过程管理[5]。

人脸库在采集标准化、规范化之后，做到一份人脸资料全厂通用，一份人脸档案同步于人员信息、门禁信息以及视频对比数据库中，作为安防系统自动判断是否满足人脸库的依据。

一体化平台通过过程管理的智能联动，可以查看、检索、导出项目和人员的全部相关信息，同时实现项目到期提醒、资质到期提醒等功能。

智能安防设备均配置陌生人报警功能，同时组态违章逻辑，实现违章抓拍，能抓拍现场违章照片，并通过人脸识别功能识别出人员信息，一键转违章处理，违章自动考核，严重违章3次者自动归入黑名单，自动收回入厂门禁权限，并提醒HSE管理人员。

1.4 区域三分离管理

智能安防系统部署道闸、高旋门、访客一体机对进入办公区、生产区的人员、车辆进行管理，统一纳入全厂智能门禁体系：访客、外包工通过访客一体机认证后自动授权进入办公区；正式员工、认证合格的外包工自动授权进入生产区，项目到期自动收回外包工权限。

对进入生产区域的人员，门禁系统自动进行佩戴安全帽检测，进入后发送安全短信提醒。

1.5 安全信息大屏通报

将各方面安全生产相关数据汇集统计，经由计算法形成各个模块，将数据展示于大屏，便于事后对人员分布进行统计和行为模式分析，具体如图3所示。

图3 智能安全大屏展示

安全大屏所展示的内容以电厂现场数据为基础，以智能电厂设备网络为架构，进行了算法方面的设计。例如图中所示施工单位“日工作小时”，其计算方式如下

式中：T为该单位日均工作小时（昨日）；tn为该单位昨日每位员工进厂时间片段；N为该单位昨日进厂人数累计值。

以上述公式为例，发电企业可以自由定制算法并计划监管外包单位的出工情况，做到有效有力的管控，以工业互联网的形式实现对人员的安全管理。

面对长期以来困扰发电企业的外包单位人员管理困难的问题，智能安防系统以权限控制为预警，以人脸抓拍和轨迹跟踪为监督，以信息统计和行为分析为数据基础，通过对管理流程贯穿始终的跟踪控制，有效解决了因外包项目环境复杂、外包人员人数众多流动性大导致的管理困难问题。

2 工业互联网与设备的安全

工业互联网与设备的安全主要体现在对设备的维护检修、对重要生产部件的预见性诊断和报警、建立数字孪生体系对检测困难的设备实时监控等方面。该信息系统对于设备的定义涵盖全厂所有主机及重要辅机，使用的工业互联网技术涉及机器深度学习、大数据和数字孪生体等领域，通过数据中心、模型中心、时间中心完成状态量的计算、监测与事件触发等功能，内置预设的规则库、故障库与现场实际检修情况相结合，得出状态评价基础信息、评价方法、关键参数、维护策略、效果与收益评估、持续改进策略等优化结论，在一体化平台、专业设备视图等功能模块的辅助下，以联动虚拟电厂、智能巡点检、SIS、ERP系统，实现实时数据、设备报警信息、设备缺陷信息的三维展示[6]。

2.1 设备运维的范围和思路

发电企业经过长年积累的技术改造，新增和升级的设备复杂且繁多，处于优化和成本考虑，设备的运维系统专门针对主机和重要辅机设备的欠修、过修进行，优化设备的检修成本，提升设备的安全性能，其范围涵盖如表1所示。

表1 设备运维范围

设备运维信息系统经过组态化建模平台的逻辑搭建之后，可以根据状态监测量判断故障特征，进而分析出故障原因类型，根据不同的故障类型，将报警推送至智能预警平台。

总体来说，对设备运维的思路主要体现在利用互联网信息平台的先手优势，在设备运行阶段，通过大数据规则库智能分析，判断出设备在不可视、难以测量的层面的状态，以丰富的经验库预知设备可能出现的问题并告知用户，将故障和隐患消灭在萌芽阶段，深度保证了设备的安全。

2.2 以数字孪生体保障重要设备部件的安全

锅炉受热面作为电厂锅炉专业的重要部件，因其面积广、传感器安装困难、建立测量体系所需测点繁多等种种原因，长期以来难以保证对其的精确测量和监控，一定程度上限制了锅炉的可靠性、安全性。

江西分宜电厂的锅炉受热面数字孪生系统作为率先开发的国内第一台660 MW超超临界塔式锅炉数字孪生体，通过工业互联网搭建的一体化平台信息交互共享系统，综合考虑了锅炉煤质、炉膛热负荷、水动力、热偏差、机组调峰等特征，结合长周期运行过程中管材外壁沾污结焦、内壁氧化、腐蚀、结垢等导致的传热性能劣化数据，结合管材磨损、腐蚀、胀粗等导致的强度性能下降数据，结合管材材质老化数据、受热面离线检测数据（壁厚、胀粗、金相等），进行以过热器/再热器出口汽温为目标的燃烧调整优化，实现设备监管一体的基于锅炉受热面数字孪生系统的锅炉运行优化，保障了锅炉本体这一重要设备的安全[7]，见图4。

图4 锅炉受热面数字孪生体系统

综上所述，随着科技进步发展，现代化智能电厂的设备只会越来越多，而发电企业的检修人员却不可能无限扩容，启用基于工业互联网的对设备运维系统，既可以满足设备增长对维护检修的需求，又能减轻电厂检修人员的工作压力，降低发电企业用人成本，智能运维提升了检修维护的安全性，为解决电厂人少设备多的难题提供了一个实际可行的方案。

3 工业互联网与运行的安全

现阶段的主流发电厂在运行领域基本采用DCS控制系统结合智能化组态的方式以达到运行的安全指标要求。DCS控制系统为运行安全提供了稳定可靠的基础平台，然而国内电厂以及其他高端工业控制行业领域较多数还在使用国外DCS产品并形成了一定程度上的依赖性，国电投集团针对这一情况自主研发了NuCON工业控制系统平台，该套纯国产DCS系统成功应用于“国和一号”示范工程，并且在江西分宜电厂首次投用于大容量火电机组。国产化的NuCON系统以不逊于国外DCS的性能全方位涵盖单元机组、公用系统和辅网系统，形成全厂控制系统一体化，广泛兼容现场总线技术，全厂使用现场总线通讯的设备达到2938台，设备数量占比达到72%，形成高度集中的控制模式[8]。

对于普通DCS系统难以检测控制其运行的设备，同样以锅炉受热面为例，工业互联网平台则利用数字孪生系统，对锅炉受热面进行精确计算优化，以NuCON系统为基础平台，联合智能燃烧与吹灰，最少降低/提高受热面主、再蒸汽管材超温/欠温10℃，最少提高锅炉效率0.6%，大幅保障了锅炉运行的平稳安全，在发电端口配合智能AGC，可以带来巨大的经济和安全效益。

3.1 安全可靠的DCS系统

NuCON工业控制软件平台作为国产DCS控制系统（详见图5），不仅为智能燃烧吹灰和AGC提供了安全可靠的基础平台，其作为DCS系统固有的冗余配置、网络拓扑结构为保障运行安全奠定了重要基础，上文提及的江西分宜发电厂1号机组使用NuCON系统从2020年5月29日投运开始计算，连续运行一年未曾停机检修，该国产DCS系统对运行的安全保障性能可见一斑。

图5 NuCON工业控制软件平台网络拓扑

3.2 智能燃烧与智能吹灰

智能燃烧系统最初的建模由非对称神经网络模型完成，在投入试运行阶段以后，系统筛选得出并储存数据样本，非对称神经网络模型根据这些样本进行自动学习更新。通过系统输入的反馈数据，智能燃烧系统以网络模型优化算法并得到最优的控制目标输出理论优化指令，经过燃烧优化专家提供的经验限幅将优化指令转换为最终控制目标并输出至DCS系统，辅助数字孪生体完成对运行的安全控制[9]，见图6。

图6 智能燃烧逻辑架构

基于锅炉受热面的灰污生成特性和机理，智能吹灰系统采集其相关参数，经过计算模块得到的有效清洁因子，排除了锅炉运行工况的干扰，单纯反应受热面污染程度。智能吹灰系统又通过检测该有效清洁因子以深入探知炉内灰污情况，实施监测评估锅炉积灰结渣程度和趋势，建立灰污增长模型，设置规则库，对积灰结焦的情况实施监测报警，后台制定吹灰计划，融入运行管理之中，实现通过工业互联网提高运行安全的目标，见图7。

图7 智能吹灰控制界面

3.3 智能AGC

智能AGC作为一个国内较为成熟的技术项目，其主要目的是满足电网调度的要求，通过在汽机主控、锅炉主控、燃料主控、主汽温和再热汽温控制回路分别应用动态自回归预测、免疫调节控制、模糊调节运算、状态观测网络、粒子群寻优算法等技术，实现AGC调节的智能化，智能化的同时也稳定了供电网络的调度运行[10-11]，见图8。

图8 智能AGC逻辑结构

无论是DCS平台，还是智能燃烧/吹灰/AGC，还是针对燃烧运行的数字孪生体，它们所反映的都是工业互联网在发电企业日益增长的运行安全需求下的缩影，现代化智能电厂往往面临运行人少但工况繁多且复杂的情况，工业互联网的出现在很大程度上可以缓解这一问题，在工业互联网与运行安全相结合的前提下，甚至以往某些不可精准控制的单元也可以形成成熟的控制环节，保证其运行可控即是最大的安全。

4 工业互联网与网络信息的安全

工业互联网对网络信息的安全表现为网络战略性防御和局域网络自主化的特性。随着发电企业不断进行的技术革新和改造，远程运维、大数据通讯、APP信息共享等互联网信息平台的出现，将电厂的网络信息系统从内部封闭逐渐向对外开放转变，从而促使原本纯粹的企业内部网络向着外部万维网开放，这种变化在利好自动化智能化的同时，也会带来黑客和网络攻击等新的问题[11]。

4.1 网络战略性防御系统

智能电厂一体化平台网络系统由优化的网络、硬件资源设计，其全部应用服务按系统部署在专有云平台上，由云平台对存储进行统一管理，藉此提升IT设备管理效率与信息安全。智能电厂云平台通过自动化云部署、弹性伸缩、资源监控等智能化创新应用，提升了IT设备管理效率；基于S3存储，实现了数据安全；基于SDN，实现了网络安全；基于OAUTH与Spring Security，实现了应用系统安全[12]。

这一网络防御体系基于一体化平台统一的网络安全防护策略与DCS、SIS系统，通过集成安全防护产品，保护DCS系统和SIS系统免受黑客、病毒、恶意代码等的侵袭，降低电力监控系统的安全事件或导致电力一次系统事故的发生概率，保障电站安全稳定运行，同时提高电厂网络安全态势感知、预警与应急处置能力。

4.2 局域网络自主化

国内自主研制的NuCON工业控制软件平台，提供了安全物理环境、安全通信网络、安全区域边界、DCS系统环境、安全管理中心、数据摆渡及外设监控、工业控制系统安全扩展等全方位的防护措施，从机柜、卡件、控制器、服务器等硬件，到信息平台、网络架构、冗余配置等各方面都充分国产化、自主化，其生产企业也是本土企业，从出产到安装到调试到投运，整条产业链全部都在国内进行，保证了控制系统的安全性、稳定性和可靠性。

近年来国际形势风起云涌，境外势力屡屡抬头，或是通过国外进口贸易卡死国内企业发展，或是通过收买国内私营资本挖掘信息库，发电企业作为掌握国家经济命脉的关系到国计民生的重要单位，对网络防御和自主化的需求迫在眉睫，将工业互联网信息技术应用在网络信息领域，是每一个现代化智能电厂的必经之路。

5 结语

现代社会信息爆炸，科学突飞猛进，技术日新月异，发电企业想要适应现代化社会，就必须时刻跟上社会进步的速度，在奋力追赶的同时，与工业互联网紧密结合，解决设备技术越来越深奥、指标要求越来越严格、工况越来越复杂、用人成本越来越高昂等问题。这些由互联网时代带来的问题自然而然地激发了对安全生产定义的重新思考，导致安全生产的定义越来越广。面对新的安全生产问题，发电企业需要跟进工业互联网信息平台，加速自动化、智能化，实现智慧化无人值守，充分保障工业互联网对人、对设备、对运行和对网络信息的安全，进而保证整个工业生产的安全，最终在激烈的竞争中处于不败之地，成为中国社会乃至整个世界电力行业的标杆企业。