智慧电厂建设与智能发电技术应用探讨

薄玉龙

（中国联合工程有限公司，浙江 杭州 310052）

0 引言

社会生产与生活的电力需求量提升，新能源、清洁能源不断发展，电气企业需要转变现有管理模式，通过创新驱动实现发展。同时注重创新管理体制，带动技术进步发展，全面提升生产运营效率，使企业生产成本降低，加强市场竞争实力。在现代背景下，大量建设智慧型电厂可以满足电力企业发展需求，同时注重管理模式创新。

1 智慧电厂总体规划

火电智慧电厂是在现代数字处理技术、通信技术基础上，将传感、自动控制、自动执行等技术结合，实现安全高效的运行，与智慧电网互相协调，让电力生产和社会资源相协调，能提高发电厂生产的标准化和自动化水平。借助于物联网、大数据及一体化控制平台，实现智能传输、智能控制、智能管理及智能配置，实现自动化生产和管理，充分利用智能技术支持感知决策，提高管控一体化水平。智慧电厂面向生产设备全生命周期展开生产和运营管理，尤其是设备控制层面，通过网络、传感器及自动化控制技术的应用，提高设备自主控制能力，减少人为操作，预防人为差错的发生。通过智能系统的应用提高设备运行可靠性，降低生产故障率，有利于生产效益的保障。火电智慧电厂的架构体系主要分为智能控制层、一体化智能平台及智能检测层，智能结构分工明确。智能检测层主要对现场进行检测，收集设备信息和数据，将信息、数据与智能控制层共享，及时响应智能控制层指令。火电智慧电厂通过嵌入式系统将电厂生产过程和全寿命周期相关信号、参数转化为数据，在数据库中保存，为后续大数据技术的分析做好准备，智能检测层主要利用传感器、信息技术实现智能化检测和感知。智能控制层主要利用设备层的数据信息进行智能运行和诊断，监控设备数据，让智慧电厂高效稳定运行。随着大数据技术的应用，智能算法得到演化，新技术不断发展，被不断应用在生产过程中。经过大数据技术优化，智能系统对设备性能指标进行实时计算，掌握机组运行状态，对技术人员进行指导，大幅提高生产环节的安全性，更有利于安全生产[1]。当生产设备发生故障时，能根据数据分析提供故障诊断意见，规避人为主观因素的影响，给维修人员提供技术支持。一体化智能平台用于统计指标和监测信息，通过大数据技术进行生产数据的收集，专项分析数据，实现设备状态、监督及故障诊断，实现在线监管，优化生产负荷。一体化管理平台也涵盖人力资源管理、财务管理及生产管理等功能，将火电厂管理工作整合，实现一体化管理，有利于深度挖掘管理数据，将生产和管理结合起来，更有利于火电厂的长远发展。

2 智慧电厂建设及智能发电技术的应用

2.1 遥视系统

遥视系统可全方位监控电厂，应用范围应用十分范围，具有局限性。电厂中遥视系统可通过摄像头，实现监视、录像，并能与其他设备配合实现安全、门禁等功能。人工智能技术的出现，能够准确提取、科学分析监控视频的详细信息，以探索设备故障有关事件，并给予针对性处理。当前很多人工智能在遥视系统中的应用备受行内专业人士的关注，取得了显著的效果。电厂遥视系统的功能需求较碎片化，设备监控方面为其重点研究方向，功能的实现主要通过图像处理。传统机器学习方法的应用还没有得到广泛推广。深度学习可以学习图像中的特征，为遥测系统的信息分析带来了许多新的方法。然而，这种方法仍处于初级阶段，应加强技术的优化。

2.2 建立智能化独立子系统

现阶段，某电厂建立独立子系统，涉及综合管控系统、燃料智能化管理系统。对于燃料智能化管理系统，必须全方位管理燃料，基于电厂燃料管理需求，做好总体规划设计，同时融合信息化、智能化理念，将条码技术、网络技术、计算机技术融入燃料管理中，以此提升电厂燃料管理新高度，以智能化方式管理燃料全过程[2]。电厂智能管控系统，需要通过智慧小区、智慧城市理念，充分发挥信息技术、计算机技术支持，利用协议转化、信息集成、数据接口方式，将火灾消防报警系统、门禁管理系统、视频监控系统与数据平台连接在一起，以此实现不同子系统设备联动、信息共享，确保电厂管理的便利性、高效性、安全性。针对用户异常行为，可以及时诊断用能异常，分析费用联动。通过用能全域数据模型，监控能源消费，同时分析能源损耗。

2.3 专家诊断系统

根据生产、运维数据，建立云端数据库，并通过数据分析建立专家诊断系统，能及时诊断故障和事故，积极预测风险，提高生产安全性。尤其是对火电智慧电厂中汽轮机组、风机、磨煤制粉设备等核心机械设备的关键部件，展开全程温度检测，预估运行状态。例如：滚动轴承温度阈值为95℃，滑动轴承温度阈值为80℃，引风机电机定子、轴承的温度阈值分别为130℃、110℃，当工业设备出现温度异常后，需立即发出报警信息，避免温度过高停机后才察觉。因此需要对重要部件设定报警值，充分利用温度传感器对重要部件全程监控，当温度升高至报警阈值后，立即发出警报信息。通过对核心设备部件温度状态实时识别，可以保证设备稳定运行。除温度外，部分部件经长时间运行已达部件寿命，状态劣化，需要及时更换。如泵轴承、风机轴承等部件，其维修周期约为1×105h，以5×104h 为1 个周期，利用数据模型模拟核心部件，预估部件服役状态，根据模型预测结果判断设备能否正常运转，决策是否进行维修或更换[3]。专家诊断系统能对生产设备展开状态评估，利用数据模型分析设备寿命和故障，制订检修决策。同时能对设备进行在线诊断，提供检修意见，大幅提高人工检修工作的效率。

2.4 智能设备

（1）精益设备检修业务的管理，固化了设备检修的业务流程，实现了一个有效管理的复制，避免了某些重复性的工作。按照a、b、c 各级的每一个年度进行检修，根据每一个年度的机组检修工艺设计方案，实现”一键启动”的所有检修工作项目，机组的所有检修工作项目都启动，根据需要套用的检修模板，自动向相应的检修标项列表，精益检修管理，在线了解各种设备检修的工作区域、进度、质量、成本等方面的变化。

（2）预知性维护，分别为各个专业人员所统计的预防性维护指标，其中包括实施率、及时度、合格率等，并对其进行跟踪挖掘。由被动维修，到预防性维修，再发展为可以预测的维修。通过连续测量和分析，预测性的保养系统是一种准确的保养指标，包括与设备零部件残留寿命、机械零部件的剩余寿命等密切相关的保养指标。关键运行参数资料可以被广泛地用来判断机器的工作辅助和决策，判断机器工作的运行情况、优化设备进行维护的工作时间和位置，从而真正实现了对机器运行的可控、在管。这样我们就已经做到了在进行维护和检修之前心里有数，在进行维护的过程中得心应手。

2.5 智能诊断处理及报警功能

为了提高火电机组报警的可靠性、智能性、易用性，针对当前报警功能存在的不足，采用智能诊断处理及报警系统，主要包括四个模块：滋扰报警抑制模块、智能预警模块、报警根源分析模块、报警增强展现模块。

2.5.1 滋扰报警抑制

滋扰报警通常不代表出现故障，振荡报警和重复报警是其主要形式。其危害是对运行人员正常操作造成干扰。滋扰报警抑制功能通过多变量联合判断、统计分析、滤波延迟等技术手段抑制、减少滋扰报警。

2.5.2 智能预警

主要功能是检测设备参数是否处于正常范围之内，当发现设备参数偏离正常范围时，向有关人员发出预警信号。可实现大量需要监视的重要参数劣化分析的自动监测和提前预警，从而防止事故的进一步扩大，可快速定位存在异常的部位和参数，提供实时和历史相结合的分析手段，可以帮助运行相关人员分析过程存在的问题。

2.5.3 智能报警根源分析

故障根源回溯的依据是将高级值班员的专业知识和丰富经验、运行规程、设备设计资料等表达和固化为代码形式的逻辑故障知识库。系统依靠逻辑故障知识库、推理机及高性能历史站的数据进行故障树专家推理分析[4]。

2.6 根据需求痛点，设计智慧电厂业务能力点

基于电力生产中的业务实际痛点需求，将枕头坝电厂智慧业务能力划分为五层，从基础往上依次为：设备智能层、系统智能层、作业智能层、生产智能层、电厂管理层。设备智能层对应智慧业务能力的“泛在感知”场景，主要包含实现设备状态感知和自主运行的能力。系统智能层对应智慧业务能力的“数字孪生”和“多系统联动”场景，通过各种数字化手段实现控制单元的智能化升级，实现多系统之间联动控制，构建基于设备机理的数字孪生云端电厂。作业智能层对应智慧业务能力的“无人巡检”“智能操作”“智能作业辅助”三大场景，实现电厂运行监盘、巡检、操作、定期轮换/试验、消缺、检修、事故处理及作业现场智能化管理等作业行为的智能化。生产智能层对应智慧业务能力的“安全风险管理”和“智能生产管理”场景，对设备管理、检修管理、缺陷管理、安全风险管理、备品备件及工器具管理等生产管理活动提供智能化支持。电厂管理层对应智慧业务能力的“电厂驾驶舱”场景，基于领导层的视野，实现智慧电厂的宏观态势整体管控能力，其核心包括生产态势管理、所有安全生产风险的集中管控，以及应急指挥的一体化管控能力。

2.7 建立数据集成平台

智慧型电厂运营期间，注重建立数据管理平台，对电厂设计、调试、采购与运维进行整合，尤其是各环节资料、文件、数据等，属于企业工程数据管理库，可以整合、共享、存储工程信息，属于重要载体。一般来说，数据集成平台涉及工程信息检索、数据管理、电子档案维修、流程管理、资产可视化、生产可视化等。在数据集成平台上，数字化移交属于重要内容，能够为数据平台建设奠定基础。不同单位应做好协同工作。数据平台通过统一标识编码格式，将不同数据连接在一起，以三维数字模型、CAD 图纸、Office 文档方式提交，但是却无法通过电子文件方式提交，必须提交纸质版文件，通过数据集成管理平台，实现统一化录入和集成，发送至生产信息管控平台[5]。所以，数据管理平台将数据作为核心可以准确抓取对象，在建立关系图示的同时做好导航。

2.8 交流和直流一体化电源系统中的直流充电模块

组成直流充电模块的主要元素有交流配电单元、单元充电模块、单元直流馈电、单元集中监控、绝缘监测和蓄电池组等。因为相关开关器件的质量有所不同，它们的性能同样不同。受这方面因素影响，往往每个开关电源模块的最大输出功率能达到几千瓦。但在智慧电厂建设的实践中，依靠直流系统，仅仅需要几百千瓦的供电电能。因此，这就需要遴选并且并联相对多个高频开关电源模块，用来保证充电机能够完成一定大功率电能的输出。针对隔离变压器而言，因为它具有相应的高频化特点，需要具有相对较小的体积和质量，才能体现它的有利性。另外，如果选择运用一定的软开关技术，还可在一定程度上大幅度减少对开关的相关损耗，并能相应提高它们的变换效率。在智慧电厂的直流供电系统中，绝缘监测技术同样必不可少，因为这项技术可以实施对正负母线的接地绝缘，并能对正母线接地可能出现的失误操作、对负母线接地出现的单点接地等问题实施必要的实时监测，以防出现断路器的拒动问题。

2.9 开关设备智能化

电厂部分开关设备主要采用开关本体+传感器+智能元件的方式实现进一步智能化。传感器主要包括FS6气体密度、微水、开关本体放电、电流波形开关的分合、蓄能发动机的打压时间和工作状态，智能元件包括智能终端设备、连接合并单元、保护、测量和控制装置等。智能元件的监测信息按照DL/T860 标准连接到综合信息平台，将分析结果上传到主站或状态监测装置。进一步实现了智能化在线检测功能，如开关测量数字化、控制网络、状态可视化、功能集成和信息交互。另外，开关采用隔离断路器，电子式电流、电压互感器套管安装在开关座上，取代了卧式隔离开关的静态侧绝缘子，节省了隔离开关、电厂和设备的集成和共享。每个隔离开关配备有1 个状态检测装置，并放置在间隔智能元件柜中。

3 结语

随着我国社会经济和信息科学的进步，智慧电厂已经越来越多地受到了电力企业的关注，其发展亦是必然的结果，智慧电厂所具有的预期性和效果也是显著的。智慧电厂建设作为电力的主要动力来源，必将得到进一步深入发展。