智能電廠數(shù)據(jù)平臺建設探索

郭廷錦

（福建福能股份有限公司 福建福州 350001）

0 引言

在節(jié)能減碳“3060”目標指引下，我國著力構(gòu)建新型能源體系。根據(jù)中國電力企業(yè)聯(lián)合會發(fā)布的《2023 年1—3 月份電力工業(yè)運行簡況》［1］，截至2023 年3 月底，全國發(fā)電裝機容量26.2 億kW，其中非化石能源發(fā)電裝機容量13.3 億kW，同比增長15.9%，占總裝機容量的50.5%。水電、火電、風電、太陽能發(fā)電分別為4.2 億、13.4 億、3.8 億、4.3 億kW，其中燃煤發(fā)電11.3 億kW，同比增長僅1.8%，風電同比增長11.7%，太陽能發(fā)電同比增長33.7%，可見燃煤發(fā)電在未來能源結(jié)構(gòu)的占比將越來越低。如何提高煤電的運營管理精細化水平、提高煤電的盈利能力將是煤電企業(yè)的重要課題。

2015 年，《中國制造2025》［2］明確提出要“以信息化與工業(yè)化深度融合為主線”，提出了中國制造強國建設“三步走”戰(zhàn)略，是中國制造向智能化轉(zhuǎn)型的行動綱領，實現(xiàn)從相互促進、相互帶動到深度融合的發(fā)展，核心是通過信息化支撐，促進企業(yè)做大做強。2016 年，我國正式發(fā)布了《關于推進互聯(lián)網(wǎng)+智慧能源發(fā)展的指導意見》［3］，促進能源和信息深度融合，實現(xiàn)智能發(fā)電是發(fā)電企業(yè)提升管理水平、培育市場競爭優(yōu)勢的創(chuàng)新舉措和有效途徑。

智能電廠是發(fā)電企業(yè)的未來發(fā)展方向，也是發(fā)電企業(yè)信息化應用的高級階段，更是多學科、多領域之間相互交叉、相互滲透、相互支持，實現(xiàn)信息化與工業(yè)化深度融合的必由之路。本文針對智能電廠總體框架中數(shù)據(jù)平臺部分，從提高大容量熱電聯(lián)產(chǎn)電廠的運營管理效率、提高安全性和可靠性的工程需求出發(fā)，結(jié)合當前的工程實踐和技術成熟度2 個維度，對智能電廠的工程數(shù)據(jù)平臺進行探索研究，提出了智能電廠工程數(shù)據(jù)平臺總體方案及實施路徑。

1 智能電廠總體架構(gòu)

2016 年，中國自動化學會發(fā)電自動化專業(yè)委員會提出《智能電廠技術發(fā)展綱要》［4］，對于智能電廠的定義為：智能電廠（Smart Power Plant）是以現(xiàn)代數(shù)字信息技術、通信技術以及智能傳感、執(zhí)行、控制、決策技術等為基礎的智能發(fā)電模式，可使電廠更高效、更安全、更環(huán)保。智能電廠包含4 層體系架構(gòu)，即智能設備層、智能控制層、智能生產(chǎn)監(jiān)管層和智能管理層。

智能電廠以人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)等現(xiàn)代信息技術為支撐，圍繞電廠的“安全、運行、檢修、管理”，構(gòu)建全廠統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺，由“智能運行”“智能檢修”“智能基建”“智能經(jīng)營”“智能安防”“智能園區(qū)”體系，建設具有自我及環(huán)境感知、主動預測預警、輔助診斷決策、統(tǒng)一集約指揮的“智能電廠”，實現(xiàn)電廠運行、維護和管理的信息化、自動化、智能化，實現(xiàn)全面的人員和設備安全管控［5］。

智能電廠的本質(zhì)是進行信息化和智能化的深度融合，其建設基礎是數(shù)字化解決方案和一體化的數(shù)據(jù)中心。人工智能的基礎是大數(shù)據(jù)，智能電廠的成熟和部署，取決于電廠大數(shù)據(jù)的開發(fā)和人工智能應用方案的進展。

智能電廠總體框架將依據(jù)企業(yè)私有云實現(xiàn)，通過廠級云平臺形成計算、存儲、網(wǎng)絡的統(tǒng)一資源池，結(jié)合智能應用的開發(fā)、成熟、部署而逐漸完善平臺功能。智能電廠網(wǎng)絡架構(gòu)見圖1。

圖1 智能電廠網(wǎng)絡架構(gòu)

2 智能電廠數(shù)據(jù)平臺架構(gòu)

2.1 智能電廠數(shù)據(jù)平臺概述

智能電廠數(shù)據(jù)平臺是實現(xiàn)信息傳輸、數(shù)據(jù)存儲、業(yè)務融合、信息展現(xiàn)的基礎平臺，為智能電廠提供可靠的技術支撐，促進業(yè)務融合，消除信息孤島，實現(xiàn)各業(yè)務管理子系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)貫通。

平臺中數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)分析和挖掘，轉(zhuǎn)變?yōu)樾畔?、知識，并對外提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)訪問接口，作為公司的數(shù)據(jù)中臺，為智能化應用提供支持［7］。這也是數(shù)據(jù)中臺（DAAS）的實現(xiàn)方式。

2.2 智能電廠數(shù)據(jù)平臺架構(gòu)

電廠數(shù)據(jù)平臺提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)分析以及應用資源管理與運維監(jiān)控等功能，具備應用彈性伸縮、高可用集群、負載均衡、持續(xù)開發(fā)與集成的能力，見圖2。

圖2 智能電廠數(shù)據(jù)平臺架構(gòu)

3 智能電廠數(shù)據(jù)平臺建設探索

3.1 總體建設原則

傳統(tǒng)火力發(fā)電廠控制和管理系統(tǒng)可分為3 個層次：廠（管理）級SIS/MIS；機組（車間）級DCS/PLC；現(xiàn)場設備級。目前，機組（車間）級DCS/PLC 已經(jīng)實現(xiàn)了數(shù)字化，廠（管理）級SIS/MIS也普遍建立了數(shù)據(jù)庫及各種監(jiān)控和管理軟件，數(shù)字化基本實現(xiàn)?，F(xiàn)場設備級目前主要通過現(xiàn)場總線技術，在工程規(guī)劃建設和后期運營期間，通過不斷擴展現(xiàn)場總線接口，可實現(xiàn)完全的數(shù)字化。由于機組（車間）級已經(jīng)實現(xiàn)了數(shù)字化，只需要給下層的現(xiàn)場設備級預留充分的接口，數(shù)據(jù)平臺的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集傳輸模塊可以完全貫通。此外，基于數(shù)據(jù)平臺的數(shù)據(jù)存儲挖掘以及后續(xù)的數(shù)據(jù)應用，只需在數(shù)據(jù)平臺預留數(shù)據(jù)接口即可。

因此，智能電廠數(shù)據(jù)平臺的建設，應遵循一次總體規(guī)劃、分模塊分階段逐步實施的原則。對于工程建設過程中的設計、采購、建造、竣工等工程信息應全部采用數(shù)字化移交；對數(shù)據(jù)平臺的數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲和數(shù)據(jù)挖掘等模塊，應統(tǒng)一規(guī)劃，預留接口，逐步完善，分步實施。

3.2 數(shù)字化設計

三維數(shù)字化電廠建模，是整個智能電廠的模型和數(shù)據(jù)的基礎性工作，是對專業(yè)性要求很強的工作。需做到模型與實物的一致性，保證模型外觀、層級、位置、編碼、屬性的一致，以滿足三維數(shù)字化電廠展示與查詢、圖紙關聯(lián)查詢、設備編碼，滿足后期ERP、SIS、MIS 等系統(tǒng)的應用要求。

以設計院、制造廠提供的三維模型為基礎，通過對主、輔機設備進行三維建模，形成高精度、等比例的三維模型，構(gòu)建與電廠一致的虛擬電廠，將現(xiàn)實電廠的工業(yè)廠房及設備在計算機中三維虛擬展示出來，利用數(shù)據(jù)庫技術、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制技術，將電廠的工業(yè)廠區(qū)和生產(chǎn)設備的運行狀態(tài)參數(shù)與運行及監(jiān)控系統(tǒng)同步連接，實時展示在虛擬電廠系統(tǒng)中。在三維虛擬場景中可實現(xiàn)對工業(yè)廠區(qū)的瀏覽和設備的查詢管理。

3.3 數(shù)字化移交

數(shù)字化移交工作是智能電廠的基礎，也是智能電廠的重要組成部分。數(shù)字化移交工作應以工程編碼為基礎，構(gòu)建好數(shù)字化移交的文件結(jié)構(gòu)，以數(shù)字化項目管理為手段，將工程建設中與電廠物理對象相關的信息收集好、管理好，并最終形成1 個完整的電廠信息產(chǎn)品，給用戶提供合格有效的原始基礎數(shù)字化內(nèi)容以支撐實體電廠的數(shù)字化管理、數(shù)字化控制等信息系統(tǒng)。

電廠數(shù)字化移交工作需要多方面的協(xié)調(diào)配合，因此需要對移交過程、移交策略、移交計劃、移交內(nèi)容和移交的形式進行規(guī)定，以指導、規(guī)范整個工程數(shù)據(jù)移交的工作，約束和統(tǒng)一參與工程各方提供的數(shù)據(jù)。項目應建立或支持滿足一定要求的信息化環(huán)境，以相容的方式產(chǎn)生、管理、使用、交換、獲取所有與設計、采購、建造、竣工等工程相關的信息，并將其作為工程成果交付。

3.4 數(shù)字工程平臺

智能電廠數(shù)字工程平臺是建設集成三維數(shù)據(jù)的電廠全生命周期數(shù)據(jù)融合平臺，實現(xiàn)三維數(shù)據(jù)與設備信息、運維業(yè)務信息、ERP 數(shù)據(jù)等的整合與融合，并通過電廠全息三維數(shù)字化模型實現(xiàn)物理世界與虛擬世界的聯(lián)接，為全價值鏈數(shù)字化電廠的建設打下基礎。

智能電廠數(shù)字工程平臺能夠同時實現(xiàn)數(shù)據(jù)聚合和管理提維。數(shù)據(jù)聚合的重點是實現(xiàn)數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通，在電廠各獨立運行的信息系統(tǒng)之上建立數(shù)據(jù)總線，統(tǒng)一追蹤、存儲、分析數(shù)據(jù)，為電廠生產(chǎn)的運維決策提供數(shù)據(jù)支撐；基于數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通，并依托電廠三維模型的可視化，能夠?qū)崿F(xiàn)電廠管理提維，即將管理操作系統(tǒng)由現(xiàn)有二維管理體系提升到三維管理體系，在實現(xiàn)管理操作界面直觀可視化的同時，獲取信息更快捷、更高效，從而建立起1 套更高效、更安全、更友好的管理體系。依托智能電廠數(shù)字工程平臺中的VR 組件，可以進行員工培訓、安全教育等富有沉浸感知功能的體驗，豐富培訓形式。

3.5 信息安全平臺

近年來，國家在電力監(jiān)控系統(tǒng)安全防護方面出臺了許多政策，例如《電力監(jiān)控系統(tǒng)安全防護規(guī)定》（國家發(fā)展和改革委員會2014 年第14 號令）、國家能源局《關于印發(fā)電力監(jiān)控系統(tǒng)安全防護總體方案等安全防護方案和評估規(guī)范的通知》以及網(wǎng)絡安全等級保護制度2.0 標準等正式發(fā)布，電廠也應嚴格按照電力監(jiān)控系統(tǒng)安全防護的要求開展工作。比如成立組織機構(gòu)、完善制度、“安全分區(qū)、網(wǎng)絡專用、橫向隔離、縱向認證”、安全加固、風險評估等工作；按照《網(wǎng)絡安全等級保護基本要求》（GB/T 22239—2019）組建安全通用要求框架結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 安全通用要求框架結(jié)構(gòu)

4 結(jié)語

隨著我國新型能源體系的構(gòu)建，智能電廠對于技術相對復雜的傳統(tǒng)火電企業(yè)的降本增效安全穩(wěn)定運行具有重要意義，而智能電廠建設基礎是數(shù)字化解決方案和一體化的數(shù)據(jù)中心。對于工程建設過程中的設計、采購、建造、竣工等工程信息應全部采用數(shù)字化移交；對數(shù)據(jù)平臺的數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲和數(shù)據(jù)挖掘等模塊，應統(tǒng)一規(guī)劃，預留接口，逐步完善，分步實施；通過上述措施，智能電廠數(shù)據(jù)平臺的建設不僅可以匹配智能電廠的實際運行需求，也能不斷提升智能電廠的數(shù)字化、智能化水平。