基于數(shù)據(jù)湖的智慧電廠IMS平臺(tái)建設(shè)及應(yīng)用

馬振濤 李奇穎 陳潔 趙陽(yáng) 朱濤

電力是推動(dòng)社會(huì)發(fā)展必不可少的因素，是智慧城市的重要基礎(chǔ)和核心，也是智慧城市建設(shè)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。2016年2月國(guó)家發(fā)展改革委、能源局、工信部印發(fā)了《關(guān)于推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源發(fā)展的指導(dǎo)意見》，提出推動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、信息技術(shù)與能源行業(yè)深度融合，促進(jìn)智慧能源的發(fā)展，走出綠色、環(huán)保、可持續(xù)的能源發(fā)展之路。我國(guó)電力發(fā)展步入新常態(tài)，電力市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，電力企業(yè)面臨的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)環(huán)境復(fù)雜嚴(yán)峻，電力企業(yè)處于關(guān)鍵的轉(zhuǎn)型變革時(shí)期，運(yùn)用大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、5G和區(qū)塊鏈等新一代信息技術(shù)與發(fā)電運(yùn)營(yíng)管理深度融合，實(shí)現(xiàn)基建數(shù)字化、發(fā)電智能化、管理精細(xì)化、決策智慧化，解決電力企業(yè)面臨的分析和診斷結(jié)果與發(fā)電生產(chǎn)管理脫節(jié)、環(huán)保、安全等問題，建設(shè)智慧電廠勢(shì)在必行。

智慧管理（IMS）平臺(tái)由邊緣層、IaaS層、數(shù)據(jù)層、平臺(tái)層、應(yīng)用層、交互層以及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系和信息安全體系組成，其技術(shù)架構(gòu)如圖1所示。

（一）邊緣層

邊緣層實(shí)現(xiàn)智能視頻、門禁、智能穿戴設(shè)備、無人機(jī)、機(jī)器人等智能工器工具以及發(fā)電設(shè)備、人員、控制系統(tǒng)、ERP系統(tǒng)等的平臺(tái)接入、協(xié)議轉(zhuǎn)換與邊緣數(shù)據(jù)處理。

（二）IaaS層

IaaS層提供虛擬化的計(jì)算資源、網(wǎng)絡(luò)資源、存儲(chǔ)資源，是智慧電廠IMS平臺(tái)運(yùn)行的基礎(chǔ)。

關(guān)于網(wǎng)絡(luò)資源，通過生產(chǎn)控制網(wǎng)、管理信息網(wǎng)和工業(yè)無線網(wǎng)提供安全可靠和高性能的網(wǎng)絡(luò)傳輸。其中采用工信部無[2015]65號(hào)政策鼓勵(lì)規(guī)模推廣使用的1.8GHz電力業(yè)務(wù)專網(wǎng)頻率，提供較高質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)覆蓋，將為智慧電廠建設(shè)提供強(qiáng)有力的寬帶無線通信保障。

（三）數(shù)據(jù)層

基于綠色、節(jié)能、環(huán)保、高效、安全的光磁融合一體化存儲(chǔ)技術(shù)，建立融合生產(chǎn)數(shù)據(jù)、經(jīng)營(yíng)數(shù)據(jù)、文檔圖片、音視頻等數(shù)據(jù)的智慧電廠數(shù)據(jù)湖，并提供所有應(yīng)用的統(tǒng)一數(shù)據(jù)訪問接口。

（四）平臺(tái)層

平臺(tái)層作為智能電廠信息化系統(tǒng)的中間件平臺(tái)，由大數(shù)據(jù)平臺(tái)、機(jī)器學(xué)習(xí)算法平臺(tái)、應(yīng)用開發(fā)平臺(tái)、統(tǒng)一報(bào)表平臺(tái)構(gòu)成。

大數(shù)據(jù)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接入、數(shù)據(jù)治理、數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)分析、共享服務(wù)等功能。機(jī)器學(xué)習(xí)算法平臺(tái)提供基于大數(shù)據(jù)的科學(xué)計(jì)算、數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)建模、機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)的綜合型算法工具，滿足大數(shù)據(jù)應(yīng)用及各類業(yè)務(wù)應(yīng)用的需要。應(yīng)用開發(fā)平臺(tái)具備業(yè)界通用的微服務(wù)開發(fā)、運(yùn)維一體化的支撐能力，提供相應(yīng)可視化開發(fā)工具和公共組件以及基于中間件、容器、平臺(tái)等多種運(yùn)行環(huán)境，能夠兼容單體架構(gòu)和微服務(wù)架構(gòu)的開發(fā)、兼容多種瀏覽器及版本，具備快速開發(fā)能力、組件豐富、兼容性高、云開發(fā)能力等特色化業(yè)務(wù)。統(tǒng)一報(bào)表平臺(tái)配置可視化分析與報(bào)表系列產(chǎn)品，支持多數(shù)據(jù)源，并提供多樣化的圖形及表格展示方式，同時(shí)具備數(shù)據(jù)的過濾、鉆取、刷取、關(guān)聯(lián)、變換、旋轉(zhuǎn)、切片等智能化機(jī)制。

（五）應(yīng)用層

以智慧管控平臺(tái)為支撐，依托高效管理、安全管控、設(shè)備健康、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、智慧售電五大業(yè)務(wù)主線，實(shí)現(xiàn)“8+3”智慧工程以及智能安全、智能營(yíng)銷、智能設(shè)備等11個(gè)智慧管理等應(yīng)用。

（六）交互層

交互層實(shí)現(xiàn)用戶管理以及用戶訪問，并支持移動(dòng)客戶端應(yīng)用。

（七）信息安全體系

IMS具有統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)信息安全保護(hù)體系，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)空間立體協(xié)同防護(hù)，網(wǎng)絡(luò)信息安全業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)模塊按需要部署，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信息安全統(tǒng)一監(jiān)測(cè)指揮、各安全業(yè)務(wù)模塊化具體負(fù)責(zé)安全事件處置的統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)安全保護(hù)機(jī)制。

（八）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系對(duì)IMS平臺(tái)相關(guān)的架構(gòu)、接口、建模等技術(shù)進(jìn)行規(guī)范，保障平臺(tái)研發(fā)、建設(shè)、運(yùn)行和服務(wù)。

智慧管理IMS平臺(tái)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)工程實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)以及電廠設(shè)備、燃料、運(yùn)行、經(jīng)營(yíng)等方面的智慧管控。

（一）智慧工程

智慧工程應(yīng)用基于EPC模式以及基于N類智能支撐設(shè)備，打造“8+3”智慧應(yīng)用模塊，構(gòu)建集團(tuán)公司、實(shí)施電廠、EPC總包方、監(jiān)理單位、分包商、供應(yīng)商等7類角色關(guān)系網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)人員、物資、成本、進(jìn)度、質(zhì)量、環(huán)境等6大要素管控。

（二）智能安全

采用三維建模、人員定位、電子圍欄、生物識(shí)別、視頻分析、門禁動(dòng)態(tài)授權(quán)、移動(dòng)智能終端、大數(shù)據(jù)分析等先進(jìn)的技術(shù)手段，對(duì)“物防、人防、技防”全面智能化升級(jí)改造，實(shí)現(xiàn)事故鏈條物理閉鎖、現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)智能風(fēng)險(xiǎn)管控、風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)、實(shí)時(shí)違章告警等功能，規(guī)范運(yùn)行和檢修作業(yè)過程，強(qiáng)化管理人員上崗到位，實(shí)現(xiàn)人員安全、設(shè)備安全、環(huán)境安全、管理安全管控，保障安全生產(chǎn)。

（三）智能運(yùn)行

基于大數(shù)據(jù)平臺(tái)、算法平臺(tái)、人員定位、智能機(jī)器人等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)所有運(yùn)行設(shè)備的全過程監(jiān)督、統(tǒng)計(jì)、查詢、匯總、分析、深度挖掘，利用機(jī)器學(xué)習(xí)與人工智能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行管理規(guī)范化、智能化，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的智能監(jiān)視、智能分析、智能對(duì)標(biāo)與考核評(píng)價(jià)，保證機(jī)組高效環(huán)保運(yùn)行。

（四）智能設(shè)備

采用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)模型規(guī)范，建立核心編碼規(guī)范，實(shí)現(xiàn)KKS位置碼、設(shè)備編碼、物資編碼、資產(chǎn)編碼聯(lián)動(dòng)；基于三維建模技術(shù)，構(gòu)建與實(shí)際電廠一致的虛擬電廠，實(shí)現(xiàn)三維展示與設(shè)備智能監(jiān)控，基于大數(shù)據(jù)平臺(tái)（海量歷史數(shù)據(jù)）建立設(shè)備健康狀態(tài)預(yù)測(cè)模型，提高設(shè)備可靠性與設(shè)備檢修科學(xué)性，有效防止設(shè)備欠修或過修，節(jié)省檢修成本；在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)設(shè)備從選型、采購(gòu)、安裝、調(diào)試、運(yùn)行、檢修、改造、退役的全生命周期管理。

（五）應(yīng)急管理

基于大數(shù)據(jù)平臺(tái)、VR、AR、三維技術(shù)，通過集成指揮調(diào)度、分級(jí)管理、快速反應(yīng)等功能，建設(shè)業(yè)務(wù)上全面覆蓋、數(shù)據(jù)上互通共享、流程上相互銜接、管理上協(xié)調(diào)一致的應(yīng)急指揮管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)急事件事前、事中、事后（保護(hù)、預(yù)防、反應(yīng)、恢復(fù)）全生命周期的智能化處置。

（六）智慧經(jīng)營(yíng)

通過利潤(rùn)、電價(jià)、電量實(shí)時(shí)分析以及指標(biāo)管理、預(yù)算分析與管理、指標(biāo)分析與管理、輔助決策等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)精確的“實(shí)時(shí)成本”分析與“日利潤(rùn)”預(yù)測(cè)，在一定的期間范圍內(nèi)反映企業(yè)的經(jīng)營(yíng)成果；發(fā)揮各管理技術(shù)之間的協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)發(fā)電生產(chǎn)成本的預(yù)控與動(dòng)態(tài)分析，提升電廠競(jìng)價(jià)上網(wǎng)分析報(bào)價(jià)能力，保證效益的最大化。

（七）智慧營(yíng)銷

智慧營(yíng)銷采用大數(shù)據(jù)分析、人工智能等先進(jìn)的信息化手段，結(jié)合季度變差法、灰色預(yù)測(cè)法、馬爾可夫預(yù)測(cè)法、GDP彈性系數(shù)法等算法模型，對(duì)電力交易海量數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗與分析，為市場(chǎng)主體提供負(fù)荷預(yù)測(cè)、價(jià)格預(yù)測(cè)和收益預(yù)測(cè)等輔助決策信息，并通過人工智能方法實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)結(jié)果修正和算法模型優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)管控、執(zhí)行預(yù)警、計(jì)劃考核、報(bào)價(jià)輔助等，實(shí)現(xiàn)成本管理（度電變動(dòng)成本、度電固定成本、度電財(cái)務(wù)成本、度電完全成本）和電價(jià)管理（邊際電價(jià)、資金平衡電價(jià)、盈虧平衡電價(jià)、目標(biāo)利潤(rùn)電價(jià)）。

（八）智慧燃料

基于大數(shù)據(jù)平臺(tái)、算法模型、智能設(shè)備實(shí)現(xiàn)燃料計(jì)劃預(yù)測(cè)、采購(gòu)、驗(yàn)收監(jiān)管、數(shù)字化煤場(chǎng)、采制化一體、燃料價(jià)值鏈管理等功能，實(shí)現(xiàn)燃煤的收、耗、存對(duì)應(yīng)量、質(zhì)、價(jià)信息的精準(zhǔn)化管理與全過程閉環(huán)管控。

（九）智慧物資

利用二維碼實(shí)現(xiàn)物資的到貨驗(yàn)收、出入庫(kù)、領(lǐng)料、退庫(kù)、退貨、盤點(diǎn)的自動(dòng)化，實(shí)現(xiàn)倉(cāng)儲(chǔ)的智慧化管理，提高工作效率，減輕人員負(fù)擔(dān)，確保盤點(diǎn)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。結(jié)合物資計(jì)劃申報(bào)制度和平衡利庫(kù)技術(shù)，全面降低庫(kù)存成本，并借助人工智能、數(shù)據(jù)挖掘、業(yè)務(wù)管理模型及方法等手段推進(jìn)物資管理的規(guī)范化、精細(xì)化、智能化、柔性化庫(kù)存管理。

（十）風(fēng)險(xiǎn)管控

圍繞公司整體戰(zhàn)略規(guī)劃和經(jīng)營(yíng)目標(biāo)，建設(shè)智能風(fēng)險(xiǎn)管控體系，通過采集與集成公司相關(guān)業(yè)務(wù)智能系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，對(duì)企業(yè)戰(zhàn)略、市場(chǎng)、財(cái)務(wù)、運(yùn)營(yíng)、法律五大風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和核心指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)控、對(duì)比、分析，實(shí)現(xiàn)在線風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別、評(píng)估、監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)重點(diǎn)單位、主要業(yè)務(wù)及關(guān)鍵環(huán)節(jié)存在風(fēng)險(xiǎn)的超前預(yù)警，促進(jìn)企業(yè)風(fēng)險(xiǎn)的可控、在控、預(yù)控。

（十一）智慧黨建

通過整合各方資源，更有效地加強(qiáng)組織管理，提高服務(wù)群眾水平，打造新平臺(tái)、新模式、新型態(tài)，全面提升黨建工作科學(xué)化、智能化管理水平。

（十二）一體化管理

利用智慧企業(yè)生態(tài)系統(tǒng)與大數(shù)據(jù)架構(gòu)，結(jié)合企業(yè)管理相關(guān)制度、標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)際情況，建設(shè)涵蓋智慧企業(yè)建設(shè)所需的行政辦公、人力資源、智慧班組、智慧法務(wù)、智能工作臺(tái)等管理相關(guān)內(nèi)容，構(gòu)建一體化管理平臺(tái)。

本文提出了一種基于數(shù)據(jù)湖的智慧電廠IMS平臺(tái)解決方案，并介紹了其在安全、運(yùn)行、經(jīng)營(yíng)、營(yíng)銷等方面的應(yīng)用。該IMS平臺(tái)圍繞人員、區(qū)域安全管控，利用定位、視頻識(shí)別等技術(shù)，融合業(yè)務(wù)管控流程，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)安全管控；圍繞重要系統(tǒng)和設(shè)備的健康狀況，利用視頻分析、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備故障預(yù)警；圍繞機(jī)組和設(shè)備的經(jīng)濟(jì)、環(huán)保運(yùn)行，利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，提升機(jī)組和設(shè)備的運(yùn)行水平；融合經(jīng)營(yíng)與外部數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)成本、電價(jià)、負(fù)荷實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)售電輔助決策，提升市場(chǎng)的適應(yīng)性；整合廠內(nèi)數(shù)據(jù)、優(yōu)化業(yè)務(wù)流程、減少崗位設(shè)置，實(shí)現(xiàn)高效一體化管理。智慧管理IMS平臺(tái)助力打造安全一流、技術(shù)一流、質(zhì)量一流、效益一流的智慧電廠。

作者單位：馬振濤 國(guó)家工業(yè)信息安全發(fā)展研究中心

李奇穎、趙陽(yáng)、朱濤 北京易華錄信息技術(shù)股份有限公司

李奇穎 北京科技大學(xué)

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