数字化电厂概念信息汇总

1、数字化电厂概念信息汇总一、当前电力系统信息化发展趋势2013年中国能源行业信息化建设与IT应用趋势研究报告显示，2012年中国能源行业的IT投资规模为357.1亿元人民币比2011年增长11.8%，依然保持着稳步高速增长的态势。2012年尽管经济增速放缓，但能源行业大型央企的IT支出受影响相对较小。以电力行业为例，在智能电网的推动下,2012年电网侧的信息化需求依然强劲，国家电网和南方电网“十二五”期间都在进行更大规模的信息化投资，国家电网“SG-ERP”项目已完成试点工作，进入全面推广阶段;发电侧的五大发电集团在重构其信息系统以建立新的管理与运营模式，IT投资将迅猛增长。2013年能源行业的

2、信息化投资规模预计将超过400亿，信息化重点是对已有系统进行集成整合、深化应用、对数据的挖掘和利用及IT系统的效益进行提升。种种数据表明，能源行业已步入大数据时代。大数据技术强调的是从海量数据中快速获取有价值信息的能力，如何从海量数据中高效获取数据，有效地深加工并最终得到有用的数据是能源企业涉足大数据的目的。对电力行业来说，大数据是电力企业深化应用、提升应用 层次、强化集团企业管控的有力技术手段。随着电力企业各类IT系统对业务流程的基本覆盖，采集到的数据量迅速增长。电力行业面临的问题不仅仅是收集和存储数据，而是围绕数据采用相应的定量和统计信息，挖掘更加有价值的信息。利用大数据可对业务进行分析，

3、加工成有用的数据，进而全面掌控企业业务。2013年发电侧的信息化投资将提速。以国电集团的管理信息化投入为例，未来两年国电集团的基建内控的投入规模约为2亿元，燃料管控的规模约为4亿元，安全生产管控的规模约为3亿元。而数字化电厂作为信息化建设的前沿理论，也必将在今后的几年中大放异彩。就目前来讲，数字化电厂建设（ERP）是全面落实国家电网公司SG-ERP和信息化深化与提升专项工程的重要举措，对深化“两个创新”，提高“两个能力”，助力能源公司发展再上新台阶具有重大的现实意义。二、数字化电厂的基础概念1.数字化电厂的定义2000年，卢强院士给出了关于数字电力系统的定义：“它是某一实际运行的电力系统的物理

4、结构、物理特性、技术性能、经济管理、环保指标、人员状况、科技活动等数字的、形象化的、实时的描述与再现。”数字化电厂是指通过对电厂物理和工作对象的全生命周期量化、分析、控制和决策，提高电厂价值的理论和方法。因此，数字化电厂既不是一个项目，也不是一个软件或系统，而是一种理论和方法。（个人观点：这也就说明，现有的数字化项目体系不是约定俗成的，各方都在努力探索数字化的具体实现模式，我们不一定必须严格按照当下既定的体系去进行研发，遵循大的理论方向即可。）这一理论和方法研究的对象是电厂的物理对象和工作对象，其方法是从整个生命周期出发研究如何对其进行量化、分析、控制和决策。2.数字化电厂的建设目标电厂将所有

5、的信号数字化，所有管理的内容数字化，然后利用网络技术，实现可靠而准确的数字化信息交换跨平台的资源实时共享，进而利用智能专家系统提供各种优化决策支持，为机组的操作提供科学指导。其作用是可以降低发电成本，提高上网电量，减少设备故障，最终实现电厂的安全、经济运行和节能增效，即发电企业的效益最大化。落实到电厂信息系统具体的建设模式上来讲，主要包含以下三个方面：(1) 在横向上建立“机炉辅电仿”（汽机、锅炉、辅控、电气、仿真）的全厂全数字一体化控制系统；(2) 在纵向上建立分段控制系统（DCS）、实时监控信息系统（SIS）、管理信息系统（MIS）的管控一体化模式；(3) 在时间上建立发电厂的规划、设计、

6、制造、基建、运行、报废等全寿命周期的物理三维信息系统。关系示意图如下：三、数字化电厂的具体应用与实现1.数字化电厂发展可预期的三个阶段第一阶段：主要发展“主辅电仿”一体化，实现全厂集中控制。由于DCS、PLC、NCS技术都已经成熟，激励式仿真技术得到突破，当前只需要对这几项技术进行集成，再结合KKS码的全面推广使用，就可以在很短的时间内实现“主辅电仿”一体化；第二阶段：DCS与SIS的一体化，SIS功能的完善，现场总线和工业以太网技术的成熟和统一。随着实时数据库技术的进一步发展，DCS与SIS将实现一体化，成为一个系统。同时通过多作业的协作，SIS的各项应用功能将逐步完善，真正实现SIS的价值

7、。现场总线和工业以太网技术还需要一段时间的发展，一旦实现成熟与统一，则将实现控制系统的全数字化；第三阶段：全寿命周期三维电厂模型和软件的建立，MIS功能的强化。全寿命周期管理的发展还赖于需求的推动。在上述所有技术较为成熟的基础上，经过数据整合，建立起多样化的复杂数据结构体系，再采用数据挖掘等先进处理技术，MIS的功能将得到较大程度的强化。2.标准数字化电厂的功能诠释(1) 运行优化软件确保达标排放，并提高热效率；(2) 远程监控为电厂全部过程提供安全视图（3D全息）；(3) 数控阀门可探测磨损，以及可能引起的非停异常情况（监测）；(4) 监测机械健康，早期预警，以及震动和润滑问题的诊断（监测预

8、警）；(5) 与运行集成的资产管理为设备的可靠性及可用性提供智能预测；(6) 自动控制系统提供可靠、精确的全厂控制。详情参考以下具体案例：四、数字化电厂实现的技术条件1.DCS功能的扩展在生产过程方面，从横向的角度看，DCS的功能已经得到很大发展，已经在控制预算、数据处理和通信等各方面完全采用计算机完成了，并且具有了更强的计算存储能力、专业化的复杂控制算法、大规模的数据处理能力以及远程通信能力等方面。从纵向的角度看，DCS自身的技术进一步“向上”和“向下”拓展。所谓“向上”，是指对DCS收集的现场数据，利用先进的数据库技术、通讯技术，结合用户的工艺实际作进一步的深度加工，从而为用户提供更大的增

9、值作用。所谓“向下”，是指结合当前现场总线技术的发展和具有现场总线通讯功能的现场仪表不断涌现的趋势，开发出针对各种现场总线通讯协议的现场接口。2.PLC在电厂各辅控车间广泛使用的PLC（可编程控制器）也发生了深刻变化，PLC已经从孤立的控制设备发展成为可以协同控制的网络化监控系统，同时PLC已经具备了强大的连续量计算能力，可以说PLC与DSC的控制器之间的差别已经越来越小，甚至在很多情况下可以互换。3.NCS在发电厂升压站等电厂电气方面，经过多年的发展，已经形成了成熟的NCS（网络监控系统）技术，其硬件软件基础已经与DCS相去不远，DCS的计算速度已经完全可以满足电厂电气系统的需要，电厂电气所

10、需要的一些特殊数据的采集装置也已经完全数字化，因此现在的DCS只需略做改进，就可以实现电厂电气系统控制的全部功能。实际上，现在一些DCS已经具备了一定的电厂电气系统控制功能。4.基于DCS激励式仿真机基于虚拟DCS的激励式仿真技术是仿真技术与DCS技术发展到一定阶段相结合的产物。它能够复现实际机组的DCS系统，并与实际系统的逻辑结构相同，没有传统的全范围仿真中逻辑关系上的混乱与逻辑环节的缺失。5.三维信息技术（）利用三维信息技术的模型建立一个与工厂信息数据一致的虚拟工厂，这在国际上已经开始广泛推行，但在国内还处于起步阶段。通过三维模型这个直观的展示工具，将MIS等信息系统的数据和信息与三维虚拟

11、电厂有机结合起来，实现数据的立体化和直观化。这样仅仅在电脑上就可以漫游全厂，并且随时点击感兴趣的设备或管道，搜寻所关注信息。随时可以点击任何设备或者管道来查看它的相关属性信息、设备生产日期、安装日期、维修记录、厂家信息、设计图纸等等。6.KKS码为了实现上述系统的有效运行，有必要建立有效的数据交换机制，为此，需要建立统一的关键词词库。关键词词库是联系各类数据的纽带，可以保证数据的完整性、唯一性、一致性、可交换性、可互访性，该词库应该成为所有数据库的统一标准。KKS编码对各类设备的工艺（过程）相关知识、安装地点标识、位置标识等进行描述。五、数字化电厂的关键技术1.现场总线技术和工业以太网技术的进

12、一步发展该技术的进步将最终推动数字化通信网络延伸到设备就地，同时使控制有可能延伸到就地，实现更加分散的控制系统，实现设备就地的智能化，使得监控和管理的能力延伸到就地。该技术将对DCS技术的发展起到决定性的推动作用。该技术的发展还有赖于众多研究机构和自动化系统厂家的不断研究和推动，并且有赖于就地仪表 设备厂家的认同。2. DCS与NCS的一体化电厂电气的自动化其实本来就应该由DCS完成，只是传统的DCS不能满足电气控制的在I/O模件和通信速度等方面的少数特殊要求，因此才出现专门的NCS系统。现在随着DCS的计算能力大大加强，同时标准化的通信速度也大幅度提高，再结合电气控制装置的迅速发展，DCS完

13、全可能继承从厂用电控制到升压站控制的全部功能。DCS与NCS的一体化已经形成了成熟的技术，将迅速推广到所有的DCS中。3.PLC与DCS的一体化。PLC作为一种可独立布置的、以逻辑控制为主的控制装置，具有低成本、布置灵活等特点，目前随着通信协议的标准化、I/O模件的标准化，PLC已经具有了与DCS的控制器类似的作用和地位，因此在先进的DCS中，PLC可以作为一种低成本的、可自由布置的，特别适合辅助车间系统控制的控制器融合到DCS中，形成与DCS控制器高低搭配的形式。在这种结构中，甚至可以将控制器与PLC在一套系统中混合搭配使用。PLC与DCS的一体化布局使用的方式已经在个别国外先进DCS中实现

14、。4.控制系统与仿真系统的一体化。基于DCS的激励式仿真系统将改变传统的仿真系统模式，仿真系统将和DCS紧密结合在一起，仿真系统的控制逻辑、组态方式、通信协议等将与DCS完全一样，从而随时根据实际控制方式调整仿真系统。仿真系统将不仅可以培训运行人员，还可以培养检修维护人员。并且，仿真系统可以从DCS中获得实时数据和历史数据，让培训人员感受到真实的控制过程，还可以用以对运行过程进行在线分析和处理。基于DCS的激励式仿真系统技术已经提出几年了，并且正在迅速的形成产 品。5. DCS与SIS的一体化。随着实时数据库技术的发展，DCS与SIS最终将使用一个历史数据库甚至实时数据库，SIS的优化控制等功

15、能将融合进DCS的专门计算站，甚至分散在各个控制站中，最终实现高级控制功能的在线化和就地化。实时数据库技术的国产化问题已经提了几年了，目前还处于研究发展阶段，预计不久的将来，必将取得质的突破。6.SIS功能的实现与强化。SIS的功能是实现发电厂生产过程监视、机组性能及经济指标分析、机组优化运行指导、机组负荷分配优化、锅炉吹灰优化、设备故障诊断、金属寿命管理等应用功能。但是当前许多SIS都不具备或不完全具备这些功能，特别是在线优化功能，目前几乎都无法实现。这些功能需要多学科多专业的配合才能实现，其中每个功能都涉及到 某个专业领域，这些领域包括：现代控制和智能控制、热能工程、材料工程、复杂信息处理

16、技术等。这些功能的实现不仅需要丰富的实践经验，还需要大量的理论支持。因此，这些功能需要一个不断发展和完善的过程。7.发电厂三维模型算法的发展。三维模型算法已经相当成熟，但是现在还缺乏适合发电厂环境甚至一般工业环境的专门算法和软件。这里面有成本的因素，还有就是从设计到制造还缺乏强烈的需求。如果对全寿命周期数字化管理提出明确的需求，主管单位对各方进行协调，或者制定了相关的行业规范或标准，发电厂三维模型算法和软件将得到迅速发展。8.数据融合技术的发展。上述各个系统的一体化，必然涉及到大量数据整合的问题，这些数据的数据结构种类繁多，数据流量差异很大，数据的需求复杂，同时还要满足完整性、一致性、可交换性

17、、可互访性等要求，特别是三维模型数据库与其它数据库之间的连接关系比较复杂，这需要建立多样化的复杂数据结构体系，这些都对数据融合技术提出了较高的要求，同时要依赖一些先进的数据处理技术，如数据挖掘等。统一的数据编码也是非常重要的，统一编码是各种数据之间建立连接关系的纽带。六、数字化电厂建设过程中遇到的困难1.设备级数字化问题由于受部分老机组自动化程度的限制，部分设备尤其是辅助设备的数字化水平有待提高。如有些电厂各辅机的轴承振动、润滑油温、电度等数据未能进入DCS，仍然靠人工定时测量并抄录，无法满足设备实时性能计算、故障诊断及状态检修的要求。解决方法：1) 通过软件接口（如PI Manual Log

18、ger）由相关专业运行人员定时将设备数据手工送入PI数据库。但该方法虽然可以暂时解决问题，但实时性差，不符合数字化电厂实时性能计算的要求。2) 辅机系统作为一个单独的控制系统，通过标准接口，直接将实时数据送入PI数据库，避免了DCS过于复杂，又保证了小系统的简单可靠及数字化控制。2.运行优化技术的不成熟总体看，火电厂运行优化技术还不十分成熟。由于涉及设备较多，各电厂运行方式不同，优化指标不尽相同，优化目标值及修正系数的确定与个人经验有很大关系，故寻求统一的的优化算法有一定困难。另一方面，运行优化技术与厂级监控区域的建设水平相互制约，厂级监控系统的建设，可提供更为高效的在线试验手段，从而推进运行

19、优化技术的进步。3.逐步实现现场总线控制系统的应用现场总线是用于过程自动化和制造自动化最底层的现场设备或现场仪表互连的通信网络，是现场通信网络与控制系统的集成。其本质是全新的第5代自动控制系统，是开放式的控制网络。现场总线系统有3大特点：1）全数字：现场级的测控设备都有各自的处理器，输出全是串行数字码。2）全开放：以统一标准来规范系统部件的接口、外部连接和相互通信，实现即接即用；不同品牌的同类设备可互换，实现设备供应通用化。3）全分散：常规控制功能下移给智能化的现场级设备，实现彻底的分布式控制。由于目前国内许多火电机组老化且小容量机组居多，要部分或全面实现现场总线控制还需要进一步的全面论证。七

20、、真正意义上的数字化电厂要实现真正意义上数字化，除了推进FCS（一种开放的、具有互操作性的、彻底分散的分布式控制系统，即现场总线控制系统：以工厂内的测量和控制机器间的数字通讯为主的网络，也称现场网络）技术，实现现场设备级数字化和SIS及MIS系统的数字化之外，对于三维设计方面的功能也需要尽快推广。电厂设计在采用二维软件如CAD等时，已经是数字化，但这只是比较低级的数字化，而电厂三维技术产生的初衷是辅助复杂工艺过程设计，其重点在于立体空间的分配。在三维的环境界面下，工程设计人员可十分清楚和形象地了解周围的环境，犹如亲临现场一般，给设计布置方案的优化工作提供了极佳的平台。另外一个主要目的是在设计阶

21、段消除碰撞现象。及时发现空间布置问题，使管道、桥架、仪表管安装布置合理、规范、美观、方便运行操作和检修。使用三维设计手段不仅能够提高设计效率和质量，三维设计技术可在全厂全生命周期内为电厂设计、建设、安装、运行提供强有力的支持，在电厂施工、安装、调试阶段可以对复杂部件进行模拟安装，可以直观的对施工进度进行模拟；在电厂运行阶段可以与电厂数据库链接，为电厂其他管理运行系统提供必要的属性和可视化信息，可以进行可视化检修方案讨论；也可以作为培训员工的手段，提高培训水平，因此，将三维设计技术与电厂信息系统结合，能够为打造数字化和智能化的电厂创造有利条件。三维数字化电厂的建成，实际上是在计算机中建立了一座在

22、数据仓库支持下的信息化电厂，从目前的技术水平来看，除了不能模拟仿真真实的工艺过程以外，其物理和逻辑的形式与真实的电厂并无本质的区别。三维数字化技术结合先进的WEB技术。用户可用普通的网页浏览器直接访问系统的数据资料，包括方便的图形操作功能、信息查询功能、信息设计功能、逻辑查询与图形定位功能等。这样一来，电厂范围内的建筑物或电厂生命周期中每一分钟所发生的变化都可以被最快速的反映出来，并且被每一个信息终端按需查询调用。三维数字化技术使得电厂信息立体化，更加直观和形象，是电厂设计的趋势，也将推动电厂全方位信息化。综上所述，电厂全寿命周期内，即电厂规划、设计、采购、施工、运行维护、等各个过程实现数字化，电厂控制和管理系统各个层级实现数字化，才是全面的数字化电厂，单就某各方面数字化，只是狭义的数字化。数字化电厂是今后电厂发展的必由之路，数字化电厂的特征应包括电厂设计数字化；电厂对象数字化-三维模型、数字化参数；设备运行数字化-设备状态及二次原件数字化；过程控制数字化-DCS/P