马钢北湖电厂发电智慧运营应用及探索

晏 超，张 鹏，王 琴，张剑秋，束 军

（马钢股份公司能环部 安徽马鞍山 243000）

前言

在节能减排政策的要求和发电集约化、高效管理需求的驱动下，建设智慧电厂已成为行业共识的目标，十四五期间我国电力发展将加快电网基础设施智能化改造，推动能源企业安全清洁、高效发展。中国宝武科技创新部发布的《中国宝武智慧制造行动方案》中明确提出智慧制造工作进入全面提升阶段，加快建设智能产线和智慧工厂，要深化推进智慧制造，加速建设智慧生态圈。同期马钢能环部北湖电厂全面对接智慧发电发展，项目建立的智慧营运中心提供开放的接口，通过智慧平台实现在线监测、远程维护、事故预警、优化运行，以达到减员增效、降低排放和减少非停的目的，力争形成采用智慧运营创新亮点，模块化智慧应用在同行业的推广将推动智慧电厂的快速发展。

1 智慧运营的关键问题

综合分析当前电力生产形势和未来发展趋势，北湖电厂建设团队认为发电智慧运营应基于可灵活开发、实时拓展的核心平台，着力解决连续生产过程的要素管控，针对电厂生产周期过程管理中的重点区块和部位，利用自动工况优化、在线实时监测和要素侦测等先进技术，强调运行过程的人机协作，利用先进智能化分析手段，构建智能分析决策系统，最终利用远程操控的集成控制手段，实现全厂高效清洁运营，整体智慧系统着力解决以下几点问题。

(1)解决传统电厂基础集成程度不足问题。智慧化燃气电厂是利用数字化和信息化技术，在物理电厂中高度集成传感量测、自动控制、分析决策和信息通信等现代技术，构筑智慧运营的基础[1]。

(2)解决传统电厂数据挖掘、利用程度不足问题。大数据和人工智能叠加应用，使非人工智慧运营成为可能，通过对主要工艺和设备工况数据的采集和判定，能给出产线系统故障的早期预警，帮助运营团队早发现、预处理，契合电力生产连续性的刚性需求，减少非计划停机。

(3)解决传统电厂生产、经营、管理等信息系统碎片化严重等问题。智慧电厂将实现信息一体化的建设，致力于将跨区域的信息统一规划、构造跨区域数据中心，使得不同区域、不同系统各业务之间信息传输更畅通，为实现大集控及能源智慧云的构建奠定基础。

(4)解决智慧营运应用与生产运行的融合问题。在虚拟现实及仿真应用、大数据平台与人工智能、安全生产管理、生产要素勘测集成等方面实际应用注重在生产运行系统中的“嵌入”，从现场视角考虑智慧应用的落地，如在特定环境实现“机器替代人”，无人化房所应用等。

2 北湖电厂智慧运营顶部思路

结合国内各企业智慧电厂发展经验和CCPP 项目的自身特点，北湖电厂智慧运营构建出国内首个5G+私有数据云模块化智慧电厂模型，实现燃机电厂设备（感知）层、中间层和系统层智能贯通，系统网络架构见图1。

图1 智慧电厂平台网络示意图

智慧电厂平台广泛采用现代信息处理和通信技术、智能测量和控制技术，以及基于多接入边缘计算(MEC)应用的数据处理技术，最大限度地实现电厂的安全、经济、高效、环保、智能运行。具体实现思路如下。

(1)打造虚拟电厂是对发电生产全要素合集的认知梳理，从现场视角出发选择要素优化是发挥智慧电厂效力的前提。

(2)依托大数据分析、诊断与优化，建立以发电提质为核心的运营体系，实现生产效率提升。

(3)建立5G 通信网络，5G 基站拓展性好，且其最低空口时延可达1 ms，故摒弃传统的资源堆叠式扩容“刚性网络”体系，建立可重构、可改进的“柔性网络”架构以满足工业化智慧电厂的需求。

(4)建立以私有云数据中心，实现信息系统集成，打通信息孤岛；集成设备数据，实现跨域贯通的综合数据库，为大数据下集中控制和工艺优化提供基础支撑。

(5)构造智慧电厂软件平台，应用电厂智能技术，融合马钢电力生产经验，通过持续学习历史数据和实时数据，产生具有价值的洞察。在设备预警、设备诊断、能耗分析、负荷优化、技术监控和以可靠性为中心的巡检等方面全面感知、全面互联、重点智控。

(6)采用模块化智能组件，在底层设计上实现自我闭环，在数据应用上充分共享，在架构布局上开放灵活，强调组件对机组运营和设备状态的支撑。

3 北湖电厂智慧运营应用

北湖电厂智慧应用目标是基于大数据分析，强化发电生产要素整合处理，优化多约束条件下全工况特性，实现跨生产分区绿色智慧运营。在功能应用上充分体现数字化、模块化、可视化、信息化、智能化、可操作性等特点，其中典型应用如下。

(1)建立上下贯通、实时管控、数据完备的数据运营中心，实现电力生产全过程数字化信息管理，全方位、立体化描绘电厂生产全景，实现生产全过程管理数字化、标准化。智慧管控中心借助硬件支撑系统、实时数据库系统、三维引擎支撑平台、核心防护系统、一体化信息平台、智慧决策系统及与第三方集成接口，实现技术手段与生产经营管理的无缝融合。生产管理方面，建设涵盖运行管理、安全管理、检修管理、物资管理、项目管理、预算管理的生产信息化体系。经营管理方面，实现经营指标实时监控、计划进度实时跟踪，同时引入财务系统数据，开展指标深度分析，使生产建立在灵活的经营基础之上。

(2)基于电厂物理设备布局（包括燃机岛、锅炉房及结构、设备、管道、桥架等）搭建全系统三维场景,真实展示发电主体系统的设备物理分布。通过对实物关系的全景如实映射，帮助运营人员理解和把握工艺要点。可视化三维实景展示系统可实现对生产信息采集、工艺分析、设备预警、实时工况的集合展示，在复杂的电厂三维工艺模型导入不同的运行维护数据，并通过图形、色彩等可视化功能再现生产实景，结合三维状态与专业文档，最终形成三维可视化的电力生产管理。

(3)以UWB 技术为核心，通过定位基站对人、设备、车辆等不同定位标签的物理空间高精度定位，实现在安全可视化领域的广泛应用。电厂危险源点多面广，高温、高压、煤气等区域工作专业要求极高，形成的“两票三制”等做法虽较为完备，但人员执行情况差异明显，通过空间定位技术可有效约束工作区域和专业人员的相互关系，对不同设备、不同工作进行区域性的虚拟权限控制，对违规进入及时报警，解决了人员流动性大、控制难的老问题。该人员定位系统具备定位、轨迹回放、动态预警、区域监测等可视化功能[2]，与其他系统配套构建出诸如安全管理、门禁管理等高级应用。见图2。

图2 人员定位及轨迹回放应用

(4)基于大数据分析技术、人工智能技术、在线建模技术和专家系统构建智能预警服务。以电力生产线检修周期的工况积累作为大数据分析源，挖掘有效数据，给出发电机组系统在不同负荷条件下的正常运行参数范围，设置动态报警运行参数阈值，并相应地提出超限后果预判分析。按系统、设备、参数不同索引方式，进行重要性分类，集成工艺要求形成精准报警，避免误报误判[3]。系统还可提供具体告警信息,如超限预警、诊断故障主因、劣化趋势、误操作信息等,以使运行方获得更多的故障诊断处理时间,提高单位机组可靠性。

(5)基于大数据分析的运行优化系统包括机组计算模型的建立和机组离线性能测试系统。通过基于大数据分析(分类、聚类、关联分析等)的技术手段，从实时数据库、关系数据库等多个数据源收集、转换、挖掘和分析海量历史数据，并确定机组的多重约束条件下的全工况特性，为优化运行提供更准确的基础数据。工况分析模块根据历史数据建立各种工况下的模型，并采用最佳的迭代方法来指导运行:判断机组当前工况，一般依据负荷状态，同时考虑煤气平衡条件和环境条件、产线状态等，计算当前工况指标。在相同的工作条件下，将当前指数与历史最佳指数进行比较。如果优于后者，保持当前运行状态，将当前可控运行值替换为历史最优值，并存储在数据库中;建议将各项可控参数调整到历史最佳水平，并自动建立最优作业计划和典型工况的经济评价。根据优化方案，评估和指导当前流程，通过数据积累实现全工况经济、可靠高效运行。

(6)智能巡检由智能机器人巡检组件、电缆管廊集中监控组件、嵌入式在线诊断组件构成，以全自主模式代替或辅助人工进行马钢CCPP 发电工程项目巡检，覆盖CCPP主厂房、余热锅炉、220kV升压站等生产主要产线设备，达到数据分析专业、检测方式多样、巡检反馈智能、巡检工作标准等目标。巡检全过程自动管理、专业信息实时上传，实现煤气管路泄露巡视、机械设备油、水管道渗漏、余热锅炉在线温度检测、易燃气有毒气体探测、发电机及其辅助设备声音检测等要素监控功能。采用智能联合巡检的方式可以减少运维人员或者代替运维人员进行巡检，大大降低了危险系数，保障人身、设备安全。见图3。

图3 智巡机器人应用

(7)无人化房所实现真正意义无人化运营，由动力设备电动组件、环境控制组件、状态视频组件、照明智控组件集成，可实现远程操控、房所状态自动调节、故障感知主动上报的全场景无人化支持。设备要素数据实时传输后台，并形成生产运营和设备状态数据报表，为发电厂“无人值守、关门运行”打下基础，在一定程度上代替人工完成设备的操巡工作，减少值班人员配置，减轻值班人员的工作强度，降低人员成本。见图4。

图4 无人化房所应用

(8)跨区运营系统实现不同机组运行参数和运行曲线优化积累。根据能损分析的结果，得出机组能损耗差排序；在不同运行工况下给出实际运行参数与标准参数的对比关系，得出对比优化曲线；然后给出当前运行状况下的优化操作指导建议，使不同区域机组共享最优工况模型，逐步实现三个生产分区的信息互通和集中管控、工况协同优化。

4 结语

在中国宝武智慧制造发展过程中，智能制造技术将会产生更为重要的价值和作用。项目团队在发电智慧运营顶层思路、智慧应用层面深入思考，在综合评估智慧手段应用的基础上，将智能技术、检测方法和数据分析手段综合立体运用于生产中，提供出可行的应用工程实例，也为国内发电行业的智慧产业升级积累了宝贵的经验。北湖电厂所建智慧体系极具参考价值，它的推广应用将促进发电智造的体系化发展，是通过技术升级实现生产方式换代的一个缩影，为最终实现少人值守、无人智造探索出一条全新的技术路线，在宝武系统的智能制造发展乃至国内同类型企业中起到了良好的示范效果。随着电力生产智慧生态圈的构建和智造手段的进一步发展，北湖电厂所探索的发电智慧运营必将迎来新的跨越。