摘 要：近年来电力市场面临产能过剩、负荷多变、负债过多、环保压力及需求不足等诸多挑战，对电厂生产运营管控能力提出新的更高的要求。结合方家庄项目1 000 MW超超临界燃煤机组，经广泛调研，根据智慧电厂的内涵提出方家庄项目智慧电厂的建设理念，制定智慧电厂构架，确定智慧电厂建设内容，明确建设目标与效果，形成了一套完整的智慧电厂建设规划。通过利用物联网、云计算、大数据分析、人工智能、机器人、虚拟现实、移动应用等技术集成智能传感与执行、智能控制与优化、智能管理与决策，实现机组更安全可靠、经济高效、环保灵活的运行，并能更好地适应电力市场竞争环境。
关键词：火电厂;百万机组;智慧电厂;管控中心;厂级大数据;智能应用
（来源：《中国电力》杂志 作者：韩华锋，马玉娟，黄一志，杨萌萌，郭滔，刘然，张伟，孙亚飞）
0 引言
火力发电作为电力生产的主导军，伴随新形势下的国家政策、国内外的宏观环境及信息技术的迅猛发展 [1] ，火电厂建设已从自动化、数字化、信息化逐步向智能化转变。2016 年发改委提出了智慧能源发展的指导意见 [2] ;2017 年十九大报告指出要“推动互联网、大数据、人工智能和实体经济深度融合”;2017 年自动化等多家学会、电力企业、行业专家联合组织了多次对智能电厂最新发展技术和发展方向的研讨，并制定了《智能电厂技术发展纲要》。业内人士对智慧电厂建设提出了不同的见解，文献[3-6]提出智慧电厂是数字化电厂结合智能系统后的进一步发展;
文献[7]指出智慧电厂的建设应与德国“工业 4.0”理念对接;文献[8-14]认为智慧电厂由信息化、数字化、智能化等技术支撑，具有自学习、自适应能力。相关建设实践也在积极开展，在大唐姜堰、国电大渡河、鑫光发电 [15] 等企业中主要采用三维仿真、人员定位、智能机器人等技术，提高电厂的安全、运营能力。但目前对于智慧电厂建设的整体构架和模式尚没有统一的规划标准，建设实践也没有形成总体布局、统筹推进的格局。
在以上政策的指向及实践的引领下，方家庄项目结合自身管理模式，提出智慧电厂的建设理念，制定智慧电厂构架，明确建设目标与效果，形成了一套可复制、可推广、可借鉴的完整智慧电厂建设方案。并采取同步设计、统一规划、模块推进的方式，全厂控制系统采用先进的现场总线技术和智能仪表;信息化建设采用目前先进成熟的信息、通信、自动控制技术，通过一体化信息平台，充分融合生产经营管理业务，打通业务间的关系，具备了数字化电厂 [16-18] 的条件，为智慧电厂的建设提供了最为典型的应用场景和扎实的建设基础。
基于现有的数字化、信息化建设基础，利用最新先进的信息技术、工业技术和管理手段，实现精确感知生产数据、优化生产过程、减少人工干预，最终使方家庄电厂具备“自分析、自诊断、自趋优、自管理、自恢复、自学习、自适应、自组织、自提升”的能力，实现人员可控、状态预知、少人值守、效率提高、成本降低的目标。
1 建设思路
1.1 建设基础
方家庄项目在建设智慧电厂方面具有如下优势。
(1)机组容量：目前国内最大的百万千瓦级超超临界间冷燃煤机组，提供了最有说服力的典型应用场景。
(2)全厂现场总线：利用先进的现场总线技术结合智能仪表，为智能分析高层应用提供海量数据，是实现数字化电厂的基础。
(3)机组的高度自动化：通过各种控制逻辑的组合，实现机组启停的高度自动化，大大降低人员劳动强度，标准化、规范化机组启停作业。
(4)信息系统一体化设计：通过一体化信息系统的建设，实现公司内部业务之间的横向集成与纵向贯通，构建从数据采集、数据分析、数据共享、数据应用的全过程、全方位、多层次的支撑平台，建成符合公司管理模式和管理需要的一体化平台，实现“数据同源、统一口径、融合贯通”，降低人力成本，在公司范围内达到业务流、数据流、信息流的有机统一。
(5)互联网技术的充分应用：在一体化平台的基础上，充分利用移动应用的优势，已建设了移动办公 APP、党建 APP、安全管理 APP、知识管理 APP，极大提高了信息交互的及时性和多样性。
(6)云存储：通过虚拟化技术，建立了公司的私有云平台，将服务器、桌面进行虚拟化，并将数据集中存储，为未来的云计算、大数据分析打下了坚实的基础。
标准化、自动化、数字化、信息化、智能化是智慧电厂的基础，基于以上基础，方家庄项目提出了“提高数字化，完善信息化，加强可视化，推进智能化，体现系统性和顶层设计”的智慧电厂建设理念，全方位推动智慧电厂建设。
1.2 建设架构
1.2.1 整体架构
本项目智慧电厂的整体架构如图 1 所示，包括基础数据、智能平台、智能应用、人工智能 4 个层面，图 1 中对各部分都进行了直观的描述。
1.2.2 功能架构
围绕智慧电厂标准化、自动化、数字化、信息化、智能化的功能需求，本项目建设1个中心 — 智慧管控中心，4 大功能 — 智慧生产、智慧经营、智慧管理、智慧人才。4 大功能为业务重心，贯穿 12 个模块，各个模块为业务应用。具体的功能架构如图 2 所示。
1.2.3 网络架构
本项目智慧电厂网络拓扑结构严格遵照电力二次防护的要求制定 [19-20] ，采用专网专用、横向隔离、纵向加密、信息安全区域划分的原则，将本厂数据交互分文 4 个安全区域。具体的网络拓扑如图 3 所示。
1.2.4 数据架构
本项目智慧电厂数据构架由厂级应用模块、厂级大数据中心、国电电力大数据管控中心三部分组成，融合结构化数据(关系数据、实时数据)、半结构化数据、非结构化数据。具体数据架构如图 4 所示。
厂级应用层面包括了 MIS、SIS、三维、定位、监控、设备档案等模块，各模块都与厂级大数据中心建立数据交换接口，避免了厂级应用模块两两之间建立接口的复杂性。
厂级大数据中心是集电厂所有数据的存储交换、计算分析、应用展示等功能于一体的智慧基础设施重要中心。
厂级大数据中心也将与国电电力大数据管控中心建立数据接口，不仅可将厂级生产运营情况数据实时推送上级，同时也可通过上级单位大数据中心实现不同厂之间的数据交互，对于时效性严、横向数据量广的情况可由上级大数据中心为本厂提供计算服务，弥补了本厂数据库存储的不足，最终实现远程互联。
1.3 建设原则
(1)业务驱动，问题导向。立足于方家庄电厂百万火电机组、外委与本厂员工无差异化管理模式、地处偏远、人员易流失等特点和需求，坚持问题导向，以解决限制公司效益提升、管理提升的关键原因为目标，利用先进技术，弥补指标差距，以此为抓手，强化向生产、管理要效益的能力。
(2)以点带面，逐步发展。智慧电厂建设既要勇于创新，大胆突破，也要稳扎稳打，逐步发展。选择生产过程中的关键问题、机组运行的核心设备、企业管理的重点业务为突破点，以点带线，以线带面，逐步拓展智慧电厂建设的覆盖面。
(3)统一规划，模块推进。智慧电厂建设覆盖电厂生产管理的全业务、全系统、全过程，涉及面广，任务量大，建设过程中难以做到全面铺开齐头并进，因而在方案设计中要对建设内容进行统一规划，做好各个功能模块之间的协调和配合。提前谋划布局，模块化推进的同时，预留接口，保证各功能模块间的互联互享互通。
(4)标准引领，业务量化。以“业务标准化、标准数据化”为引领，建立健全企业管理标准体系，实现业务的量化评估;统一生产运行数据规范，实现信息数据领域的标准语言。通过量化、标准化促进大数据、人工智能、深度学习在智慧电厂中的应用。
(5)人才为本，创新驱动。智慧电厂在减少重复劳动、简化操作流程、弥补人脑在记忆及数据处理方面不足的同时，对高端人才的需求更为突出，对人的判断能力和创新能力的需求也更为明显。在智慧电厂的建设和应用过程中，既懂信息又精生产还通管理的人才将发挥更加重要的作用。智慧电厂建设要突出对人才的培养，以智慧电厂助推人才成长，以人才促进智慧电厂落地。
同时要强化创新驱动，以创新提高人才的综合素质，以创新推动新技术利用。
2 建设内容
方家庄项目经广泛调研，并按照智慧电厂建设统一标准和规范 [3] ，形成了自身智慧电厂建设规划的内容：包括 1 个中心，1 个平台，4 大功能，12 个模块。
2.1 智慧管控中心建设
智慧管控中心是智慧电厂的核心，相当于智慧电厂的大脑，发挥生产运营管控、生产应急指挥、事故演练、生产运营辅助决策、信息汇集和数据处理等功能。强化大数据处理、人工智能等技术应用，集中电厂数据的收集、储存、交换、分析、展现、服务等功能，综合深度应用全厂的生产经营管理数据，形成具有“自分析、自诊断、自趋优、自管理、自恢复、自学习、自适应、自组织、自提升”特征的智慧电厂管控系统，
实现更智慧的分析决策、更高效的信息应用。
2.2 厂级大数据平台建设
该平台按照国电电力智慧大数据管控中心对厂侧大数据平台的建设要求，从系统架构、数据架构、硬件架构、网络架构等进行规划，统一应用系统开发平台，遵循集团相关标准，以及企业服务总线(ESB)及业务流程引擎(BPM)，将各类数据由 kafka 汇集到 Hadoop 平台，实现电厂所有数据的存储、共享、计算、分析、应用等功能。
2.3 智能应用模块建设
在以标准化、自动化、数字化、信息化、智能化及相关的关键技术作为智慧电厂建设的基础之上，本项目智慧电厂共规划建设 12 个应用模块，包括：智能安全、智能运行、智能设备、应急管理、智慧燃料、智慧经营、智慧营销、智慧物资、智慧党建、风险管控、一体化管理平台、智慧人才。12 个应用模块相当于整个智慧电厂建设的骨架;基于这个智慧电厂建设的骨架，形成了 4 大智慧体系，作为智慧电厂的应用界面。各
模块采用边建设、边推广示范应用的方式进行，力争在集团公司成为智慧电厂建设的标杆，提升了公司的社会责任形象。
智慧生产为电厂实时生产服务，集成安全、运行、设备、燃料 4 个电厂生产核心，建设基于机器学习的运行优化控制、基于大数据的设备可靠性管理、基于自动寻优的燃料管理、基于三维的生产可视化管理等系统，实现更高设备可靠性、更优出力与运行、更低能耗与排放、更好外部环境适应性、更高安全生产水平等目标。
智慧经营为电厂经营服务，集成经营、营销、物资等电厂经营核心功能，建设基于生产实时成本的经营决策管理、基于智能仓储的物资管理系统、基于智能预测的电力营销系统，实现生产成本更低、企业效益更好。
智慧管理为提高电厂管理服务，集成一体化管理平台、党建、应急管理、风险管控等管理业务，建设基于移动应用和微服务的智慧党建、智慧行政、智慧后勤、应急预案管理等系统，提高管理效率，降低管理成本。
智慧人才为引导、培养高素质的人才队伍提供平台。智慧电厂对高端人才的需求更为迫切，高素质的人才队伍是智慧电厂发挥作用的基础。
通过基于知识库的个性化知识管理系统、基于自主管理的绩效评价系统、创新创效管理平台、基于三维仿真的生产技能培训、智慧班组管理系统不断引导、培养人员成为具有高素质人才。通过建设创新管理论坛及 APP、创新成果展示平台、创新方法培训平台、创新工作室等模块，整合创新资源，营造创新氛围，推进创新工作，促进创新人才培养，加快创新成果孵化，以创新驱动企业发展。
3 预期效果
将智能生产与智慧决策技术相融合，使方家庄智慧电厂建设能够达到高效环保运行、灵活调节、少人值守、智能监视、智能检修、智能安保、智慧燃料、智慧经营、智慧物资、智慧党建、可视化培训、设备全生命周期管理、集团级监控与移动应用等效果，具体内容如下。
(1)实现智能运行。通过应用重要参数在线软测量、应用机炉协调预测控制优化、全厂机/电/炉/辅控控制系统、DEH 系统与 DCS 系统一体化等功能，及应用智能设备管理、机组全程自动启停控制，实现对所有运行设备的全过程监督、统计、查询、汇总、分析、深度挖掘，形成具备“自分析、自诊断、自管理、自趋优、自恢复、自学习、自适应、自组织、自提升”的运行优化系统，利用机器学习与人工智能技术，实现机组
高效环保运行、灵活调节、少人值守、智能监视。
(2)实现智能检修与维护。应用智能点/巡检管理、智能缺陷管理、智能两票管理等功能，与设备、管道状态智能监测功能模块联动，实现设备检修、缺陷处理过程的管理、统计分析及其处理方法的归纳总结，为设备预防性检修提供依据。
(3)实现智能安保。①人员、设备主动安全管控。应用基于物联网的人员定位管控功能、基于人员定位的设备在 DCS 系统操作管理、门禁管理与智能视频等功能，结合三维可视化、电子围栏等技术，与智能巡检、智能两票等功能进行联动，实现人员安全与设备操作主动安全管控。
②信息安全管控。全厂工业监控系统和管理系统布置信息安全防护产品，动态分析与监控网络及主机的运行情况，增强全厂工业监控系统和管理系统的网络健壮性，使整体系统防护能力等级达到三级，提高系统抵御病毒和非法入侵的能力。
(4)实现智慧燃料管控。通过自动化燃料采制、数字化煤场建设、实时经济配煤掺烧等功能实现智慧燃料管理，全面管控燃料管理价值链所涉及的全要素，保证燃料相关环节数据真实、实时、准确，保证安全生产，实现燃料管控智慧化。
(5)实现智慧经营。应用智慧物资、燃料成本实时分析、预算分析与管理、指标分析与管理、竞价上网辅助决策等功能，实现发电生产成本的预控与动态分析，提升电厂竞价上网分析报价能力，保证效益的最大化。最终达到实现企业全部资源和经营行为的可控、在控，有效促进资源整合，提升运营能力，为企业提供智能分析、决策支持。
(6)实现智慧营销。通过构建智慧营销系统，实现电量管控、利用小时对标、报价辅助决策、 客户关系管理等功能，实现对度电变动成本、度电固定成本、度电财务成本、度电完全成本与边际电价、资金平衡电价、盈亏平衡电价、目标利润电价等的智能 汇总分析，达到指导企业智慧营销的目的。
(7)实现智慧物资。通过构建智慧物资管理系统，采集库存信息对物资计划、采购、验收、出入库、盘点、财务成本管控、动态货位、动态库存、库存报警、联合仓储进行分析判断。实现采购流程清晰可查、采购管理规范高效，减少管理和采购成本，提高效益，实现企业高速运转。
(8)实现智能风险管理。建立风险应急预案库，实现对生产、市场、财务、运营、法律五大风险的智能在线管控。对安全生产、经营管理中的突发事故和潜在的风险进行分析和预警，逐步实现从事后管理，向事中、事前管控的转变，及时预警，提供准确的应急预案，提高决策效率，减少事故风险。
(9)实现移动化办公。以信息技术为支撑，将传统工作与互联网+理念相结合， 应用移动应用功能，在确保信息安全的前提下，可实现一部手机管理一个电厂的目标，可以移动办公、移动管理和远程监视，解决了管理过程中的难点和痛点。
(10)实现可视化培训。应用全激励仿真系统、三维可视化工艺系统和设备操作与检修仿真培训功能，对运行人员、检修人员可以进行三维可视化的、与现场实际情况完全一致的培训，增强培训效果。
(11)实现设备全生命周期管理。采用三维建模技术，通过设计图纸或对设备进行三维扫描，构建与实际电厂一致的虚拟电厂。在此基础上，应用设备全生命周期管理功能，从设备的资产价值属性、物理属性、能效利用 3 个方面，实现电厂设备全生命周期管理。
(12)集团级监控。通过区域、集团级系统的大数据分析平台，实现对电厂运行工况和污染物排放的监控、优化指导与统筹经营，提高集团整体运行与经营管理水平。
4 结语
与传统电厂相比，本项目提出的智慧电厂的建设可提高设备的可靠性、经济性，延长设备生命周期，加强生产过程的安全管理，提高维修效率，减少设备停机时间，确保清洁排放，降低企业运营成本等，逐步建设成为智慧型发电企业，能够灵活应对新的电力市场环境对发电企业的要求，同时本项目开发具有可复制性、可推广性，项目实施后也可为后续其他单位智慧电厂的建设提供可借鉴的解决方案，起到示范工程的作用。
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[19]国家能源局. 《电力监控系统安全防护总体方案》(国能安全〔2015〕36 号)[Z]. 2015.
[20]作者简介：
韩华锋 (1969—)，男，高级工程师，从事智慧电厂建设研究，E-mail: hanhuafeng1033@dingtalk.com;
马玉娟(1992—)，女，硕士，助理工程师，从事智慧电厂建设研究，E-mail:1107605297@qq.com。
