基于大数据分析应用的智能电厂概念及框架研究
摘 要：电厂是电力生产中的重要环节，自国家电网公司2009年发布智能电网发展计划以来，关于智能电厂的探索和研究层出不穷，不同的业务人员对智能电厂有着不同的理解和描述。国家能源集团国华电力公司自2013年起致力于对智能电厂的探索和研究工作，至今已有成效。现基于国华电力公司燃煤电厂生产和管理的特点，从大数据分析应用的角度对智能电厂的概念、特征、价值目标、系统结构、各功能层级主要特点等内容进行了描述，可为实现发电机组的清洁、高效、安全和稳定运行，提升电厂的价值创造能力提供决策参考。
关键词：智能电厂;大数据;生产;管理;决策
0 引言
《国务院关于积极推进“互联网+”行动的指导意见》（国发〔2015〕40号）提出了十一项重点行动，其中关于“互联网+”智慧能源部分指出要推进能源生产智能化。《国家发展改革委 国家能源局关于促进智能电网发展的指导意见》（发改运行〔2015〕1518号）提出了十项主要任务，包括“建立健全网源协调发展和运营机制，全面提升电源侧智能化水平”。我国的资源禀赋决定了煤炭的主导地位，煤电必然在很长一段时期内仍将是电能供给的重要组成，国华电力公司下属各电厂也以煤电为主。如何提升燃煤电厂的价值创造能力一直是国华电力公司的重要研究方向，因此，自2013年起，国华电力公司开启了对燃煤电厂智能发电的探索和研究工作，至今已有成效。云计算、大数据等新技术的应用，可以提升电厂在生产、管理及决策过程中的效率，有效指导生产经营活动，最终实现价值创造[1-2]。
1 智能电厂的设计思路
1.1 以大数据提升电厂价值创造能力
智能电厂应以大数据挖掘为核心要求，以提升电厂的智能化水平，实现减员增效、精细化运行、预防性检修、智能化安全管控为目标[3-4]。因此，可将智能电厂定义为基于大数据分析应用，综合智能设备、现场总线、云平台、系统化的数据挖掘及价值分析应用能力，可进一步推进实现生产高度自动化、管理高度集约化、信息互联互通的新型电厂。数据挖掘及价值分析过程如图1所示。电厂内部和外部的所有数据资源众多，包括基建、生产、经营、办公类内部数据，以及供应商、设备商、电网、社会环境等上下游外部数据，需要进行统一的数据采集，通过各种针对性的计算模型，在“数据集市”对数据进行分析与处理，最终以数据服务产品的形式满足各级人员的需求，实现生产经营管理的智能化。
1.2 以云模式共享数据资源指导业务实践
智能电厂应建立统一的企业智能化平台，实现“一平台、多站点、云服务”的部署模式，如图2所示，集约共享业务服务与管理成果。下属电厂以站点方式应用，同时具有较高的可扩展性。下属电厂各业务系统根据实时性及其重要程度在电厂本地及统一云端按需部署，优化配置;以业务为本，以数据为源，满足本部各职能部门与电厂不同层面的管理需求，提高业务效率，实现价值创造。
2 智能电厂总体框架与功能设计
2.1 总体框架
按照火力发电厂的工艺特点、信息流向及管理流程，笔者认为智能电厂总体框架应当具有三个层次，分别是数字化与过程自动化层、数据整合与业务智能层、数据建模与决策分析层，通俗地说，即智能生产、智能管理和智能决策，如图3所示，每个层级具有各自的核心特征和期望实现的价值目标。
在智能生产层，通过自动化设备、数字化采集，使得电厂的生产过程透明化，机组一键启停已成为普遍特征，最终目的是要实现所有设备与智能系统互联，管理人员可以全面感知现场的生产状况，减少监盘人员数量，降低误操作率，甚至达到无人值守的状态。
在智能管理层，通过研究台塑“三化”的管理模式，理清管理上的冗余环节，推进管理制度化、制度表单化、表单电脑化建设，在各项资源优化配置和规范的运营秩序下，对各类数据进行标准化集成，打通各个管理系统，以期实现系统的深度集成和融合应用，最终实现业务更加智能高效。
在智能决策层，通过建立数据模型对数据进行挖掘加工，得到各类有效的、直观的数据，辅助各级管理者做出即时有效的决策，以求实现对现场设备状况的预知预判，及时优化运行方式，达到价值创造的目标。
同时，需充分利用新一代信息技术，构建基于云架构的企业智能化平台，实现IT资源的高效利用;实现数据的标准化贯通，消除信息孤岛;实现应用快速部署，满足业务实际需要;实现高可靠、高可用的信息系统和网络环境，持续运维，支持“互联网+”模式下的企业发展。
2.2 功能设计
根据数据流在生产业务中的价值增值走向，从最基本的发电基础设施到各级人员的管理决策，智能电厂功能设计涵盖若干模块，每个模块是智能电厂各类业务的一个大的归类。
2.2.1 数字化与过程自动化层
基于智能化设备的数字化采集与自动化控制。通过RFID技术，利用二维码等介质对发电基础设施进行静态数据的采集;通过现场总線、电气控制、分散控制、优化控制等手段对设备进行自动化控制，同时采集设备动态运行数据。利用贯穿基建生产全过程的各类编码，实现发电基础设施与信息化基础设施的数据流传递，进而使数据进入整合与业务智能层。本层的目的是建立物理信息系统，贯通设备、自动化和信息化基础设施，实现智能生产。
2.2.2 数据整合与业务智能层
基于面向服务的体系架构，对信息系统进行标准化集成，对智能电厂从基建到生产的全寿命周期进行设计。在基建期包括智能设计管理、智能采购、智能建设过程控制，通过数字化移交，将基建期数据转入生产运营期全寿命周期资产管理;核心业务管理涵盖经营部门的人、财、物、燃料等的管理，生产运营管理涵盖生产调度、技术管理、安健环管理、班组建设等内容;营销支持模块主要是对市场营销环境的分析与营销策略规划等。本层的目的是对电厂生产运营产生的大量数据进行整理、分析，形成高价值的数据资源和标准化的业务流程。
2.2.3 数据建模与决策分析层
基于数据分析模型、决策模型、知识分析模型的智能决策与优化运行，包括厂级的竞价上网服务，客观公正的绩效管理和分散决策。主要是通过建立各类数据模型进行大数据分析，指导电厂生产运营优化，对设备状态及时进行诊断与预警。本层的目的是辅助高效决策，提高生产经营管理水平，最终实现高品质智能发电。
2.2.4 企业智能化平台
根据信息系统的重要程度、使用情况和未来需求，将电厂分散的信息系统进行分类整合集成，减少系统数量，逐渐形成集约化、一体化的信息平台。实现软件接口的标准化服务，打通跨系统流程，为业务灵活变化提供支撑;实现接口的统一管理，提高数据交换效率，提升整体软件服务性能和质量水平，并逐步构建软件开放服务能力。
在电厂业务全覆盖基础上，搭建智能电站创新设计应用。数字化（全过程）移交分阶段地持续进行，除了将基建期重要信息传递到生产期外，更助力基建期的全过程管理;以单体设备为核心，集成设计期、基建期、运行期的全寿命周期信息，集成设计图纸、采购合同、实时工况数据、缺陷检修信息等全方位信息，逐渐集成共享同类型设备信息，建立横纵贯通、分层服务的设备数据库，实现全寿命周期数据集成与管理;开放性业务支持实现与区域和各省电力交易中心、售电公司、用户互联互通，满足现货/期货交易、电量和辅助服务报价等业务需求。
提供按岗定制的个人工作云，按照岗位授权和业务需求向员工推送必要数据，减少数据垃圾;深度整合集成信息系统功能，员工可一键直达所需界面，避免重复登录系统和点击菜单，提高工作效率;员工业务数据存在云端，可避免个人设备损坏等情况造成的数据丢失，降低安全风险。
3 智能电厂建设建议
智能电厂建设应着眼于未来新的商业模式，坚持简洁高效、适度超前、效益优先、价值创造的原则，已存在的系統要融入智能电厂建设、统筹规划，要尽量采用投入少、产出多、易扩展、易维护、安全性高的成熟技术和方案开展智能化建设，有选择性地应用先进技术和成熟技术。
在建设实施层面，要新、老电厂有别，新厂要注重先进性和时代特征，老厂要逐步提高智能化水平;示范项目和产业项目有别，示范项目要充分体现先进性，产业项目要突出价值创造力。
智能电厂建设成功的前提是信息化、智能化建设要有标准、有设计，系统功能与设备基础、人员素质相匹配。因此，要在设计阶段抓好功能设计、设备选型、造价与效果比对，实现从设计、实施到运营全过程的价值创造最大化。
4 结语
尽管近几年电厂在智能化过程中取得了一定的进步，一些智能技术和产品在部分电厂已开始试点和推广应用，但建设完整的智能电厂或智能发电系统，还需要：制订相关的标准和规范;进一步开发和完善一系列在线检测技术;整合单元机组各工艺过程的控制系统及信息平台，使得平台统一、数据来源准确、信息便于交互和共享。随着智能设备、云计算、物联网、大数据等新技术的不断成熟，拥有超高科技信息技术含量的智能电厂建设将会进一步受到关注，其作为智能电网的有机组成部分，必将实现发电机组的清洁、高效、安全、稳定运行，实现电厂价值创造的目标。
[参考文献]
[1] 杨新民，陈丰，曾卫东，等.智能电站的概念及结构[J].热力发电，2015，44（11）：10-13.
[2] 王潇鹏.智慧电厂建设问题与实施构想[J].电气技术与经济，2020（6）：7-8.
[3] 杨洋，袁建丽，周勇.智能电厂管控平台建设实践[J].新型工业化，2021，11（1）：138-140.
[4] 尹峰，陈波，苏烨，等.智慧电厂与智能发电典型研究方向及关键技术综述[J].浙江电力，2017，36（10）：1-6.
收稿日期：2021-04-08
作者简介：高一康（1986—），男，天津人，助理工程师，研究方向：燃煤电厂信息化运维与管理。
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