【摘要】本文通過梳理國內火電廠（燃煤、燃氣發電廠）近10年在信息化、數字化、智能化領域的探索實踐，分析了火電智能化的創新方向，首次描繪了火電智能化的體系架構，并研究其典型應用。

關鍵詞：火電智能化；體系架構；虛擬業務中心；典型應用

中國國際工程咨詢有限公司（簡稱中咨公司）參加了“十四五”電力發展規劃編制，集合國內IT服務企業創新開展了火電智能化體系架構和發展目標研究。本文通過深入分析發電智能化內涵，提出智能火電廠的概念，通過理清智能化創新方向，首次描繪了火電智能化體系架構，并進行了典型應用研究，旨在助力我國火電高質量發展。

一、發電智能化是時代要求

大數據、人工智能正在全球范圍內與傳統產業深度融合，“智能工廠”“智能生產”和“智能物流”等主題不斷涌現。我國政府十分重視工業智能化轉型。從2016年5月國務院發布《國務院關于深化制造業與互聯網融合發展的指導意見》，2017年10月黨的“十九大”提出推動互聯網、大數據、人工智能和實體經濟深度融合，2017年11月國務院發布《國務院關于深化“互聯網+先進制造業”發展工業互聯網的指導意見》，到2019年3月19日習近平總書記主持召開中央全面深化改革委員會第七次會議時發表“促進人工智能和實體經濟深度融合，……構建數據驅動、人機協同、跨界融合、共創分享的智能經濟形態”重要講話，為我國傳統產業的高質量發展指明了方向。

發電行業包括水電、火電、風電、光伏等，其生產智能化較為復雜，僅火電智能化就牽涉燃料系統、三大主機、風機水泵等輔機、電氣系統、分散控制系統、化學制水系統、循環冷卻水系統、環保島、MIS和SIS等。我國火電領域在辦公信息化、生產數字化實踐基礎上，近些年開始了智能化探索，逐步認識到火電智能化不是單純在傳統火電廠內采用一些智能裝置，而是應用大數據和人工智能等現代信息技術來全面提升火電廠的發電生產方式、業務管理模式和信息服務能力，是對物質流、能量流、信息流的融合再造，但對滿足可測、可觀、可控和自愈要求的火電智能化體系架構的認識還不十分清晰。

二、發電智能化內涵和定義

國內外對智能發電（或發電智能化）尚無明確定義和統一標準，在計算機技術應用中使用了自動化、信息化、數字化、智能化等各種名稱。

從宏觀的生產力發展與生產關系變革的視角看，電廠的智能化轉型是通過生產力提升、生產關系優化、信息技術支撐三者的互聯、融合、創新，在運營模式、業務過程、生產過程、生產設備、IT支撐等五個層面實現傳統電廠向智能電廠的轉變。

從微觀視角看，通過建立清晰的支撐智能電廠所需的IT架構體系與應用模式，運用設備、控制、管理等一系列智能化手段，實現電廠可靠感知能力、真實再現能力、即時響應能力、業務協同能力、管控決策能力的全面提升。

發電智能化的關鍵技術特征體現為自學習、自尋優、自適應。具體講，就是大量應用自學習、自尋優、自適應的智能化技術，自動根據發電廠內設備、燃料、調度、市場等影響因素的變化，不斷優化生產、經營、管理，實現經濟效益和社會效益的最大化，實現生產安全、職業危害，生態環保的最優化運營。

智能發電廠定義：在現有生產管理基礎上，廣泛采用現代信息技術和通信技術，集成智能的傳感與執行、控制和管理等技術，通過數據挖掘及價值分析，形成具有一定自主性的感知、學習、協調控制、分析決策能力，能動態地適應發電生產、電力調度和用電需求的變化，與工業互聯網、社會資源和環境相互融合的新型電廠。

對于火電智能化來說，除了上述發電智能化內涵外，還需要考慮調峰和保障電力供應安全等因素。本研究主要聚焦火電廠的發電設備、控制、管理和信息支撐等生產領域。

三、火電智能化創新方向

傳統的火電廠生產運營體系邏輯上由設備層、控制層、管理層構成。設備層主要包括發電生產主輔設備，以及配套的測控設備；控制層主要包括各種控制、保護、調節系統；管理層則包括所有生產運營的業務與管理活動，涵蓋各類運維作業、各項專業管理、各種業務條線管控等所有業務管理過程，具體包括集控運行、設備運維與檢修、安全保障與監管、經營管理與運營管控等主要業務。

火電智能化發展方向體現在互聯、融合和創新三個方面。

互聯：重點是人機互聯、業務互聯、用戶互聯。人機互聯：實現人、設備、系統的互聯，通過“機”要素之間高效整合，實現“人機協調”的模式。業務互聯：打通業務藩籬，圍繞核心價值鏈，實現端到端的互聯，使核心業務圍繞價值鏈形成協同、聯動的智能有機體。用戶互聯：實現企業內部不同管理層級間的互聯，實現與用戶的互聯，實現與外部單位（政府、電網、兄弟單位、社會機構）互聯[1]。

融合：重點是多業務管理融合、信息與自動化融合、新技術融合。各業務融合：實現企業業務管理的協同融合。推動安全、生產、營銷等生產經營與人、財、物資源管理一體化融合，創新管理模式，提升核心能力，使企業業務管理協同融合、決策科學。與自動化融合：實現管理信息化與生產自動化的融合。在智能發電發展方式下，生產運行的前臺監控、信息分析與企業調度、生產、營銷等業務管理更加緊密的聯系在一起，需要通過實時信息與管理信息的交互、更大范圍跨業務的流程整合和信息自動流轉，提高大生產的駕馭能力。與新技術融合：信息技術與通信技術本身的技術邊界已經模糊，信息通信技術共同構成信息化核心技術手段。為實現更加有力的信息技術支撐，將信息化核心技術與業務管理融合，推動管理高度一體化[2]。

創新：重點是技術應用創新、管理應用創新。技術應用創新：在智能裝備、智能控制、信息技術等方面引入新技術或關鍵技術，實現運行優化、故障預警、智能巡檢、主動安全，通過技術創新應用，帶來降耗、安全、環保能力的提升。管理應用創新：支持企業資產全生命周期管理、能量全過程管理、資源集約化管理等管理理念。在企業資源方面，實現集約與共享；在業務協同方面，實現業務之間的互通、融合；在企業運營方面，實現企業級的管控和決策[3]。

四、火電智能化體系架構內容

火電智能化體系建設，由信息化支撐和貫通，通過設備層智能化、控制層智能化、管理層智能化，最終實現火力發電的生產運營由傳統體系向智能體系的轉變[4]。因此，火電智能化的體系架構，對應于傳統的三層體系架構，就是由設備層、控制層和管理層的智能化組成，由信息化支撐的智能化生產運營體系[5]。

圖1 火電生產運營傳統體系向智能化體系轉變

在從傳統體系向智能化體系的轉變中（見圖1），火電智能化是一個不斷發展進步的過程，需要不斷融合人工智能技術，構建出一整套從數據匯聚、計算建模、分析決策到最后執行的開發應用標準和不同范式，將眾多智能應用與生產控制融為體，逐步走向智能發電高級階段。

由于傳統火電廠廣泛采用的DCS系統已發展成熟，其設計思想、組態配置、功能匹配等十分完善，已滲透到火電廠控制系統的各個領域，加之現場總線技術（FCS）的應用，可以直接實現電廠“爐-機-電-輔-仿”一體化網絡控制[6]。因此，依托柔性的一體化信息支撐平臺構建系列管控一體化的智能應用，以貫通業務、共享數據、按崗所需、組合應用為目的，打造虛擬業務中心，是火電智能化架構設計的主要方向。

數據來源：國家能源集團信息技術有限公司，《智能電站總體設計方案》

虛擬業務中心是圍繞火力發電的幾個主要核心價值鏈，按照“大控制、大生產、大安全、大經營”的理念，將相關“數據-業務-系統”融合為業務運營平臺，形成“監控、生產、安全、經營”四個數字虛擬業務中心。每個虛擬業務中心彼此既相對獨立，又環環相扣，從而構成以價值創造為目標的，體系完整、協同運作的業務應用體系。

1．監控中心?；鹆Πl電的首要價值鏈就是實現一次能源向二次能源的轉換。發電企業作為以電、熱為核心產品的能源生產與供應商，貫穿了能量生產與轉化的全過程。監控中心就是圍繞能量轉化價值鏈，以“大控制”的理念，以自動化控制為基礎，運用智能化控制技術進行優化運行，以實現能量從燃料儲運、到生產轉換、至電熱（產品）傳輸等各環節的最優控制，確保實現整個能量轉化過程的靈活敏捷、節能低耗、低排環保等價值目標。

2．生產中心?；鹆Πl電的第二條價值鏈就是實現設備資產的高效運轉，最大限度的發揮出設備資產的效能與價值。發電企業作為“重資產”企業，強化生產環節的設備全壽命周期管理，深化狀態檢修，提高設備檢修效率和運行可靠性，是發揮資產價值，保障能源轉化生產的重中之重。生產中心就是圍繞設備資產價值鏈，以“大生產”的理念，統籌生產運行、設備運維等諸環節，實現運維一體化和檢修專業化，在確保實現發電生產運行的安全、高效、穩定的前提下，最大限度達到設備的可靠性、使用效率、使用壽命和全生命周期成本的動態平衡，確保實現資產價值鏈的安全、可靠、高效等價值目標，實現資產效能和運營效益的綜合最優。

3．安全中心?；鹆Πl電的第三條價值鏈就是確保發電生產與運營的過程安全。發電企業作為具有“高溫、高壓、高速、高?！钡壬a環境的企業，能否確保安全生產與運營，是決定其能否實現能量轉換與資產運維價值目標的前決條件。安全中心就是針對“為能量轉換與資產運維提供安全保障支持”這一核心任務，以“大安全”的理念，將傳統電站的以事件管理為核心的管理模式，升級為以危險源辨識、風險評估為核心、全員參與的全面管理、科學決策、預測預防和可控在控的安全生產風險一體化管理模式，確保實現火電生產運營的主動安全。

4．經營中心?；鹆Πl電的第四條價值鏈就是確保實現發電企業人力、物力、財力、信息、技術、管理等資源要素的最佳配置，獲得可持續競爭的優勢。伴隨著電力改革的深入與經營領域的拓展，發電企業將逐步進入到具有更大競爭性的市場，智能的生產經營應當在市場環境變化時能夠做出快速反應，通過提供最大的社會價值，獲取最佳的價值收益。經營中心就是圍繞企業資源要素的價值鏈，以“大經營”的理念，突破傳統業務條塊束縛，消弭核心資源相關信息壁壘，強化對企業整體運營績效的把握能力，圍繞火電企業核心資源進行集約化管理和共享化服務，實現信息共享和業務協同，打通戰略目標、預算控制、經營計劃、市場響應和績效管理之間的關聯，使企業可以集中核心資源、優化配置、降本增效、精益管理，確保實現精益、規范、敏捷、協同、增效的價值目標。

火電智能化重點環節集中在設備、控制、管理和信息支撐四個方面。設備智能化主要包括生產設備的數字化描述和表達、智能測控裝置的應用，控制智能化主要包括智能化的模擬量控制和基于機器學習的運行優化，管理智能化主要包括建立虛擬監控、生產、安全和經營中心，信息支撐主要包括智能工作臺、知識圖譜、移動應用、智能報表、云支撐等能力。

五、火電智能化典型應用舉例

國內火電廠近些年在安全監控、生產運維、優化運行、巡檢管控等方面開展了一些典型的智能化應用。

1．智能安全監控方面的汽輪機智能安全監控系統，突破傳統TDM設計思想，不再是簡單的振幅報警和時頻分析圖形作為事后“黑匣子”使用，而是將所需專業性較強或依賴于個別專家的振動信號分析與故障診斷工作，交給系統內逐步建立的專家診斷知識庫，實時自動分析并發現機組當前出現的異?，F象，自動完成故障診斷，實現設備故障部位、故障等級、故障原因、處理建議的自動生成與推送。產生的效果是可縮短啟動時間。

2．智能生產運維方面的五檢合一智能維護系統，將“巡檢/點檢/精密點檢/技術監督/智能在線診斷”集成并與設備的優化檢修進行有機融合，建立一套統一的信息、工作、考核、管理控制、決策支持與集中維護平臺。建立基于大數據與人工智能應用的專家診斷知識庫，實現對設備故障部位、故障等級、故障原因、故障解決方案及檢修成本的確定。產生的應用效果是減少設備故障、提高收益[7]。

3．智能優化運行方面的多源耦合智能吹灰系統，采用熱平衡作為模型依據，根據溫度場分布建立動態模型并與熱力系統工藝進行關聯建模，對立式區域、臥式區域根據工質溫差、壓差、煙差建立大數據模型，智能推送吹灰優化策略，判斷水平煙道、后豎井煙道煙氣走廊的形成并通過吹灰策略消除安全隱患，指導運行優化調整，輔助鍋爐燃燒控制，最終實現考核負荷下的智能吹灰。產生的應用效果是提高鍋爐效率。

4．智能巡檢與安全管控方面的可視化地下管網智能管理系統，將地下管網、閥門、彎頭及其連接設備的設計制造信息、屬性信息、安裝調試及實時工藝參數，全部掛接在對應的三維模型上，并與“專家診斷數據庫”相關聯，大幅度提高了管網的日常維護、泄漏定位和開挖規劃與演練等水平，有效預防管網泄漏引起的停機等事故，快速為事故發生后的處理方案提供支撐。產生的應用效果體現在地下管網三維實時可視，動態監督運行狀態、危險點以及工藝優化點；有效及時監督地下管網的缺陷、隱患，提高地下管網漏泄處理工作效率，為火電廠貢獻間接或直接收益。

對于上述火電智能化典型應用，其產生的效果很難量化。但可以肯定的是，它們并不能突破熱效率、發電標煤耗、啟動調整時間等指標的理論限值。應該說，智能化手段的作用是“逼近”理論值或最優值，是減少人工調整或傳統方式所帶來的時間金錢浪費和安全隱患。

六、結束語

我國發電行業通過幾十年的發展已經步入成熟期，中電聯統計數據顯示，2019年中國發電裝機總規模達到20.1億千瓦，其中火電11.9億千瓦，連續多年位居世界第一?！笆奈濉奔拔磥硪欢螘r間內，作為發電行業主力軍的火電，必須走高質量發展之路。

除了聚焦高參數、大容量、多聯產、近零排放、耦合發電等生態友好方向外，火電應從辦公自動化、生產過程數字化向智能化邁進。隨著可以提供智能化組態方案的中小IT企業不斷加入，火電智能化具有了重要的技術服務支撐，伴隨的多行業協作也逐漸萌芽。經過近些年在研究論證和工程實踐上的有益探索，依托現場總線技術（FCS）、自動啟停機控制（APS）技術、人工智能、云計算、大數據、物聯網、移動應用和虛擬現實技術等，我國在火電智能化方面已經形成了一定的技術積累。

火電智能化的大量典型應用，是新型基礎設施建設、數字經濟發展和智能經濟形態形成的巨大場景，將為傳統火電廠帶來巨大的效益提升，大幅度提高發電行業的全要素勞動生產率，助力我國電力企業躋身世界先進行列。

【參考文獻】

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3.李勁.論重慶煙草行業“雙核集整”中信息技術支撐作用的實現[J].信息系統工程,2014(03):125-126.

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6.徐明,楊平,應啟戛,彭道剛.現場總線技術在電廠中的應用[J].微計算機信息,2006(01):25-27.

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