基于數(shù)字孿生技術(shù)的火電智能應(yīng)用平臺研究

柴 政，朱凌君，姚勝平，卞韶帥，蔣歡春

（1.上海優(yōu)也信息科技有限公司，上海 201702；2.上海上電漕涇發(fā)電有限公司，上海 201507；3.上海明華電力科技有限公司，上海 200090）

隨著人工智能、大數(shù)據(jù)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的高速發(fā)展，以及“30·60 目標”的提出，工業(yè)企業(yè)實現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型、智能制造、“碳達峰、碳中和”，已成為當前中國工業(yè)體系系統(tǒng)性變革的重要戰(zhàn)略。隨著碳排放的限制，未來工業(yè)企業(yè)的能源成本將進一步增加，因此能源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)性調(diào)整與生產(chǎn)運行、經(jīng)營管理的協(xié)同優(yōu)化，對于能源集中型企業(yè)，尤其是典型的火力發(fā)電企業(yè)意義重大。在傳統(tǒng)的經(jīng)營決策與生產(chǎn)運行方式下，全局性的協(xié)同提升困難重重，數(shù)字化轉(zhuǎn)型成為各國工業(yè)企業(yè)發(fā)展的共同選擇，而數(shù)字孿生技術(shù)作為推動企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型、實現(xiàn)物理信息深度融合及智能制造的一個重要方式，已在眾多行業(yè)被實踐[1]。

1 火力發(fā)電行業(yè)軟件應(yīng)用現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)

近2 年來，隨著發(fā)電行業(yè)納入碳排放配額分配體系，電力市場化與競爭進一步加深，特別是火電企業(yè)，上游電煤資源爭奪激烈，煤價增高煤質(zhì)多變；而下游電網(wǎng)側(cè)用電量增速放緩與新能源比例激增，火電利用小時數(shù)不斷下降，同時深度調(diào)峰及AGC（Autоmаtiс Gеnеrаtiоn Cоntrоl(xiāng)）響應(yīng)要求更高，盈利水平進一步下滑；另外，嚴格的環(huán)保指標控制也使得企業(yè)的環(huán)保成本與部分設(shè)備的連續(xù)高效運行受到限制。火電企業(yè)對于通過軟件系統(tǒng)解決燃煤發(fā)電全過程的成本監(jiān)控與動態(tài)經(jīng)濟性調(diào)整的需求愈發(fā)強烈。

很多火電企業(yè)通過引入各類管理系統(tǒng)、MIS（Mаnаgеmеnt Infоrmаtiоn Systеm）系統(tǒng)、SIS（Sаfеly Instrumеntеd Systеm）系統(tǒng)來嘗試解決上述問題，各大發(fā)電集團也都同步開始了智慧電廠的建設(shè)，并在水電、燃機發(fā)電及新能源電廠等場景中完成了部分示范落地。然而對于燃煤電廠，多數(shù)關(guān)注重點集中在區(qū)域數(shù)據(jù)共享與可視化輔助運維技術(shù)的應(yīng)用方面[2]，包括3D系統(tǒng)，MIS、SIS、DCS（Distributеd Cоntrоl(xiāng) Systеm）系統(tǒng)、資產(chǎn)管理系統(tǒng)、安防視頻系統(tǒng)等系統(tǒng)的集成顯示，各類圖紙資料檔案文檔的關(guān)聯(lián)管理。而對于電力領(lǐng)域復(fù)雜程度較高的燃煤發(fā)電全過程運行管理優(yōu)化，還是依賴于SIS 系統(tǒng)應(yīng)用來實現(xiàn)，從信息利用的廣度與深度來說，還不具備高度智能化的條件和特征[3]。

火力發(fā)電過程涉及到各種復(fù)雜的化學反應(yīng)和物理現(xiàn)象，過程影響變量多（涉及工藝條件、設(shè)備狀態(tài)、燃料變化、電價煤價等多種因素），狀態(tài)變量的時變性強、研究對象多、建模復(fù)雜、深度優(yōu)化計算工作量大，因此，依靠單一的服務(wù)企業(yè)建立一套完整的模型應(yīng)用無論從交付時間、成本與模型的準確或完備程度方面都存在較大挑戰(zhàn)?，F(xiàn)有的火電算法模型往往是面向單設(shè)備或簡化系統(tǒng)，針對多臺設(shè)備、多個子系統(tǒng)協(xié)同的復(fù)雜系統(tǒng)優(yōu)化的算法模型不多或不完善，難以滿足多目標優(yōu)化的需求。同時一般SIS 應(yīng)用的過程數(shù)據(jù)相互隔絕，底層模型準確性難以得到現(xiàn)場運行人員或?qū)I(yè)技術(shù)人員驗證，從而難以迭代優(yōu)化改進。

另外，對于電力集團而言，如何將集團內(nèi)部先進電廠技術(shù)、經(jīng)驗及時推廣；如何加強集團對于不同電廠的統(tǒng)一化管理整合，實現(xiàn)集團級技術(shù)框架和管理操作的一致性也成為一個普遍問題。

總結(jié)來看，當前對于火電應(yīng)用而言，如何有效地解耦傳統(tǒng)的模型應(yīng)用結(jié)構(gòu)、提高模型間交互性與可驗證性、降低技術(shù)經(jīng)驗共享門檻、提升標準化管理水平、實現(xiàn)邊云協(xié)同，最終通過軟件應(yīng)用有效提升企業(yè)盈利能力是核心的挑戰(zhàn)。

2 火電智能應(yīng)用平臺需求研究

有學者總結(jié)了智能制造的4 個基本要點，即依托于ICT（Infоrmаtiоn аnd Cоmmuniсаtiоns Tесhnоl(xiāng)оgy）技術(shù)的深入應(yīng)用，快速響應(yīng)變化，通過協(xié)同、共享和重用，實現(xiàn)價值創(chuàng)造的目的[4]。有學者從數(shù)據(jù)應(yīng)用的角度闡明了智能發(fā)電的5 大數(shù)據(jù)化特征，即泛在感知（數(shù)據(jù)獲取）、信息融合（數(shù)據(jù)交互）、智能算法（數(shù)據(jù)監(jiān)控）、智能管控（數(shù)據(jù)決策）、全生命周期管理（數(shù)據(jù)歸檔），并提出了包括智能發(fā)電運行控制系統(tǒng)和智能發(fā)電公共服務(wù)系統(tǒng)的智能發(fā)電系統(tǒng)數(shù)據(jù)應(yīng)用架構(gòu)[5]。

學者也對智慧電廠的建設(shè)提出了3 條參考原則：根據(jù)電廠自身數(shù)字化水平、生產(chǎn)經(jīng)營需求而有所側(cè)重；符合電力市場政策，分階段有序推進；在試點電廠實施的基礎(chǔ)上，總結(jié)建設(shè)經(jīng)驗，不斷完善體系架構(gòu)，提升智慧電廠的建設(shè)水平和管理水平[6]。

綜上可見，為了踏實推進智能化建設(shè)，未來火電企業(yè)智能化建設(shè)重點要以符合自身數(shù)字化水平、滿足自身價值創(chuàng)造需求（優(yōu)化生產(chǎn)、運營、管理）為前提，以智能算法、智能管控應(yīng)用為核心，提高信息協(xié)同、知識共享與重用的能力及快速響應(yīng)能力，有序推進智能化建設(shè)。

結(jié)合火電軟件應(yīng)用的挑戰(zhàn)來看，火電企業(yè)尤其是大型電力集團需要建設(shè)一套通用性的底層應(yīng)用平臺，重點實現(xiàn)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)獲取與反饋、生產(chǎn)管理決策信息融合共享、知識經(jīng)驗快速沉淀、支持模型的分解驗證與復(fù)用分享、實時計算交互與動態(tài)響應(yīng)、云邊端高效協(xié)同與標準化應(yīng)用移植推廣。

3 基于數(shù)字孿生技術(shù)的火電智能應(yīng)用平臺設(shè)計

數(shù)字孿生就是將現(xiàn)實中的物理實體（如設(shè)備、產(chǎn)品）或者邏輯概念（如業(yè)務(wù)流程、組織架構(gòu)、環(huán)境條件）通過數(shù)字化的方式進行動態(tài)復(fù)刻，實現(xiàn)對所描述的對象狀態(tài)、行為高精度的表征、模擬驗證和預(yù)測。借由數(shù)字孿生，可進一步實現(xiàn)對物理或邏輯空間對象更為深入的認知分析、正確的推理預(yù)測、精準的決策或運行優(yōu)化。換言之，數(shù)字孿生就是通過模型算法將物理實體及其業(yè)務(wù)過程逐步抽象至數(shù)字空間，從而幫助把事情做成、做好一套技術(shù)體系，其建設(shè)是一個漸進提升的過程。

數(shù)字孿生體（以下簡稱“數(shù)孿體”）主要由數(shù)據(jù)、模型、服務(wù)接口（API）3 大要素構(gòu)成，如圖1 所示。圖中，“數(shù)字孿生體”部分主要指數(shù)孿體的框架與服務(wù)接口，通過組織管理描述對象的各類數(shù)據(jù)與算法模型，對描述對象進行高精度的表征，最終通過應(yīng)用的形式將生產(chǎn)、運營、管理所需的信息進行動態(tài)反饋；“數(shù)據(jù)”部分表現(xiàn)了數(shù)孿體通過對生產(chǎn)現(xiàn)場、管理機構(gòu)等不同對象各類數(shù)據(jù)的實時動態(tài)收集、分類整合，有效實現(xiàn)數(shù)據(jù)的標準化組織與動態(tài)管理；“模型”部分主要針對自身數(shù)孿體所匯集的數(shù)據(jù)或其他數(shù)孿模型的數(shù)據(jù)進行實時計算和分析，以實現(xiàn)對設(shè)備和生產(chǎn)過程的深度洞察，及獲得相應(yīng)的分析、評價、預(yù)測、優(yōu)化等結(jié)果。

圖1 數(shù)字孿生體的3 大要素與聯(lián)系

3.1 數(shù)字孿生平臺架構(gòu)設(shè)計

圖2 為基于數(shù)字孿生技術(shù)的智能應(yīng)用平臺的3 層架構(gòu)，其中應(yīng)用層更為偏重業(yè)務(wù)邏輯的實現(xiàn)與信息的交互呈現(xiàn)，數(shù)孿層更為偏重基于算法模型與標準數(shù)據(jù)的數(shù)孿對象系統(tǒng)性表征，物聯(lián)層則偏重多源異構(gòu)的數(shù)據(jù)連接與處理存儲。通過這種分層方式可以將應(yīng)用開發(fā)高效地分工解耦，從而沉淀不同人員知識，實現(xiàn)工業(yè)知識至工業(yè)應(yīng)用的高效轉(zhuǎn)化。

圖2 基于數(shù)字孿生技術(shù)的智能應(yīng)用平臺架構(gòu)

業(yè)務(wù)需求層：聚集應(yīng)用需求的提煉匯總，由業(yè)務(wù)需求人員完成，具體為梳理業(yè)務(wù)場景的管理決策、生產(chǎn)運行、維護等需求；以及確定功能、組織系統(tǒng)、相關(guān)數(shù)據(jù)和面向用戶等需求。

應(yīng)用展現(xiàn)層：聚焦于應(yīng)用交互界面實現(xiàn)，由IT 開發(fā)人員完成，具體為模型結(jié)果輸出、非記錄性的信息處理；以及前端交互界面設(shè)計與展現(xiàn)，數(shù)據(jù)的展示、錄入。

數(shù)孿架構(gòu)層：聚焦于數(shù)據(jù)模型梳理建立，由電力技術(shù)人員完成，具體為搭建數(shù)孿結(jié)構(gòu)，構(gòu)建標準字典，建立數(shù)孿體；并且分解功能所需的基礎(chǔ)算法模型，確認數(shù)據(jù)支撐條件。

算法模型層：聚焦于算法開發(fā)，由電力算法研發(fā)人員完成，具體為動靜態(tài)模型、數(shù)據(jù)、服務(wù)分解，算法開發(fā)固化、迭代優(yōu)化；以及數(shù)理、機理、業(yè)務(wù)邏輯 和專業(yè)經(jīng)驗的算法轉(zhuǎn)化。

3.2 火電智能應(yīng)用平臺設(shè)計

結(jié)合火電智慧電廠建設(shè)要求及上述數(shù)字孿生平臺特點，基于數(shù)字孿生技術(shù)的火電智能應(yīng)用平臺建設(shè)的總體思路如下：①以業(yè)務(wù)目標為導(dǎo)向，業(yè)務(wù)流程與系統(tǒng)構(gòu)架深度耦合、整體設(shè)計、分模塊實施建設(shè)。②采用數(shù)孿體技術(shù)框架。以燃燒及傳熱計算、熱力循環(huán)計算等理論方法結(jié)合大數(shù)據(jù)分析方法建立火電機組數(shù)孿體，并建立參數(shù)預(yù)測及優(yōu)化模型。采用圖形化建模方式對電廠主、輔機系統(tǒng)進行靈活建模；通過數(shù)孿體框架提高上述模型的可復(fù)用性，使得未來可以持續(xù)為各系統(tǒng)功能升級改造與新應(yīng)用開發(fā)提供支撐。③打通與集成基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。跨系統(tǒng)、跨設(shè)備間的數(shù)據(jù)集成，擴大數(shù)據(jù)集成的時空維度，提高數(shù)據(jù)精細度，避免數(shù)據(jù)孤島的出現(xiàn)，有效打通電力企業(yè)現(xiàn)有的DCS、SIS 等系統(tǒng)數(shù)據(jù)，擴展數(shù)據(jù)應(yīng)用范圍；同時靈活對生產(chǎn)現(xiàn)場的具體設(shè)備及實際特性進行配置，實現(xiàn)一次建模，多處復(fù)用，并能充分反映設(shè)備實際狀態(tài)。④實現(xiàn)多樣化的模型與應(yīng)用集成。在應(yīng)用平臺上，實現(xiàn)設(shè)備建模、模型管理、數(shù)據(jù)連接、數(shù)據(jù)監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析、狀態(tài)預(yù)警、優(yōu)化提醒、決策建議等多項功能；同時有效連接并利用電力企業(yè)現(xiàn)有應(yīng)用數(shù)據(jù)，進一步發(fā)掘各系統(tǒng)的原有價值；系統(tǒng)性地促進電廠知識和人工經(jīng)驗的模型化沉淀、傳承、復(fù)用和提升。⑤實現(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)、運行和維護環(huán)境的統(tǒng)一。全廠設(shè)備的應(yīng)用開發(fā)和現(xiàn)場運行基于同一個應(yīng)用平臺，便于今后系統(tǒng)具有迭代升級的能力；對于不同項目，可以標準化地進行模型、應(yīng)用數(shù)據(jù)的聯(lián)通與互相支撐；同時通過規(guī)范化的API 接口，簡化應(yīng)用開發(fā)復(fù)雜度，并為電廠其他系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐。

未來通過平臺化的方式可進一步實現(xiàn)火電企業(yè)或集團，即云邊端多源系統(tǒng)數(shù)據(jù)按需融合、底層模型的共用分享及實時動態(tài)的模型應(yīng)用響應(yīng)、智能應(yīng)用開發(fā)與分發(fā)運行的統(tǒng)一管理、標準化橫向無障礙擴展。

3.3 火電場景的數(shù)字孿生重點設(shè)計

針對火電實際場景，重點設(shè)計對應(yīng)的應(yīng)用層、數(shù)孿架構(gòu)層、算法模型層和數(shù)據(jù)層，各層核心內(nèi)容如下：①應(yīng)用層面。重點實現(xiàn)難以動態(tài)測量的核心參數(shù)，如飛灰含碳、入爐煤質(zhì)的軟測量；對核心設(shè)備如鍋爐、汽機、風機、泵效率/熱耗分析與劣化趨勢進行分析；從配煤、鍋爐燃燒至汽機冷端、環(huán)?？刂频念A(yù)測優(yōu)化。②數(shù)孿框架層面。重點實現(xiàn)對現(xiàn)場不同的鍋爐、汽輪機、發(fā)電機、脫硝裝置、脫硫裝置、除塵器、磨煤機、8 大風機、給水泵凝結(jié)水泵循環(huán)水泵、加熱器、除氧器、凝汽器等重點設(shè)備或系統(tǒng)的測量數(shù)據(jù)進行梳理分類與特性數(shù)據(jù)設(shè)計。③算法模型層面。重點實現(xiàn)對現(xiàn)場系統(tǒng)機理、數(shù)據(jù)、生產(chǎn)規(guī)則的算法描述，具體為基礎(chǔ)性質(zhì)類，如蒸汽物性、燃料特性計算模型；傳熱相關(guān)類，如對流與輻射傳熱、熱平衡及燃料消耗模型；效率類，如重點設(shè)備效率（熱耗）計算模型；燃燒相關(guān)類，如燃料燃燒及煙溫、污染物排放預(yù)測模型；機理與數(shù)據(jù)分析類，如重點參數(shù)軟測量、設(shè)備劣化狀態(tài)分析模型；尋優(yōu)類，如鍋爐燃燒、磨煤機運行、汽機冷端運行、污染物控制優(yōu)化模型。④現(xiàn)場數(shù)據(jù)層面。重點實現(xiàn)前述不同層面所需的數(shù)據(jù)采集歸并，具體為數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，如不同的控制系統(tǒng)、管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫；現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)，如PLC、傳感器、儀表；人工數(shù)據(jù)，必要的上傳表格、直接錄入的規(guī)則、邏輯參數(shù)。

在針對性的數(shù)孿重點設(shè)計框架下，基于平臺解耦的優(yōu)勢不同，火電企業(yè)可根據(jù)實際的需求，匯集歸并所需的現(xiàn)場不同設(shè)備（系統(tǒng)）數(shù)據(jù)，選擇合適的工業(yè)智能應(yīng)用與對應(yīng)的數(shù)孿體、算法模型；或根據(jù)自身的業(yè)務(wù)場景需求與經(jīng)驗知識進一步沉淀、開發(fā)所需的部分內(nèi)容，供本企業(yè)或上級集團的下屬企業(yè)使用，如圖3所示。

圖3 數(shù)字孿生平臺各層在不同項目中的使用示意圖

4 火電智能應(yīng)用平臺實踐落地

上述基于數(shù)字孿生技術(shù)的火電智能應(yīng)用平臺已在上海某電廠作為科研項目初步實踐落地，以機理模型優(yōu)先、充分融合數(shù)據(jù)挖掘模型與機理模型等方法，建立火電數(shù)孿模型30 余類，算法模型20 余類，涵蓋鍋爐、汽機、發(fā)電、化學分析4 個系統(tǒng)130 多個現(xiàn)場設(shè)備單元。

項目中建立了3 大類系統(tǒng)應(yīng)用模塊，具體如下：①基礎(chǔ)計量與綜合管理。該部分通過完善計量及運行管理基礎(chǔ)條件，實現(xiàn)重點指標數(shù)據(jù)可視化與管理效率提升，主要包含分層綜合管理概覽（經(jīng)營決策、生產(chǎn)管理、運行操作）、入爐煤煤質(zhì)軟測量、鍋爐飛灰含碳量軟測量、廠用電率跟蹤、歷史參數(shù)查詢。②鍋爐與重點輔機監(jiān)測。該部分基于基礎(chǔ)計量模塊與設(shè)備歷史信息，實現(xiàn)運行效率、狀態(tài)的實時跟蹤監(jiān)測[7]，主要包含鍋爐效率監(jiān)測、風機效率與偏差狀態(tài)監(jiān)測、汽輪機冷端運行監(jiān)測、機組運行報警配置。③運行預(yù)測與優(yōu)化指導(dǎo)。該部分基于設(shè)備歷史信息與工藝機理，實現(xiàn)對主要設(shè)備數(shù)據(jù)的預(yù)測與運行優(yōu)化指導(dǎo)[8-10]，主要包含機組最大出力預(yù)測、污染物排放水平推算、變工況參數(shù)預(yù)測、磨煤機運行優(yōu)化、汽輪機冷端優(yōu)化、鍋爐運行優(yōu)化。

借助基于數(shù)字孿生的火電智能應(yīng)用平臺，有效將底層設(shè)備、系統(tǒng)的數(shù)據(jù)與算法模型進行了解耦，通過應(yīng)用側(cè)的靈活組合聚焦解決了部分企業(yè)核心業(yè)務(wù)重點關(guān)注的生產(chǎn)管理痛點，為火電機組更安全、更環(huán)保、更經(jīng)濟地運行保駕護航。

5 結(jié)束語

火電智能應(yīng)用系統(tǒng)的打造是一項復(fù)雜且長期的工作，而基于數(shù)字孿生技術(shù)的智能應(yīng)用平臺具備靈活的結(jié)構(gòu)拓展、數(shù)據(jù)拓展、應(yīng)用拓展能力和跨系統(tǒng)連通能力，便于火電智能應(yīng)用系統(tǒng)的持續(xù)建設(shè)與改進。需要注意的是在系統(tǒng)建設(shè)過程中，數(shù)字孿生技術(shù)是關(guān)鍵技術(shù)，先進算法模型是核心支撐，而最終解決企業(yè)當前生產(chǎn)經(jīng)營中核心的重點、難點問題才是終極動力。因此，只有針對性地進行應(yīng)用模型開發(fā)與實施，才能通過企業(yè)實際效益的增加帶動進一步的數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級，實現(xiàn)由點帶面與可持續(xù)轉(zhuǎn)型。