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中国电力工程顾问集团张晋宾:全面解读智慧电厂整体架构体系建设

北极星电力网新闻中心  来源:电力头条APP    2018/5/8 16:13:10  我要投稿  

北极星火力发电网讯:“现在科技发展表明,我们已经进入了以人工智能和机器人为代表的智能技术和智慧社会,智能电厂的推进实际上是一个逐渐的过程。”中国电力工程顾问集团西南电力设计院数字化设计总工程师张晋宾在中国能源研究会节能减排中心与华北电力大学国家大学科技园联合举办“2018年智慧电厂论坛(第一期)”上发表演讲时表示。北极星电力网全程对会议进行直播,如需了解更多的会议直播,请联系微信号:13693626116

中国电力工程顾问集团西南电力设计院数字化设计总工程师张晋宾《智慧电厂整体架构体系建设》   

各位专家、领导,下午好!我今天介绍分为四个部分:概念、定义、架构、案例。

第一部分,概念。因为我们日常生活中碰到很多智能的东西,包括智能手环、智能手机,在工业中也碰到过很多,比如说像智能变速器、智能摄像机、智能定位器,还有一些智能工业水泵等等相关的,像奥迪公司推出一些智能工厂,也包括我们像GE或者西门子推出的一些智能的发电厂或者数字电厂,也像IEC和ISO推出的智慧城市,还有IBM几年建前推出的智慧地球,大家看一下,现在科技发展已经表明我们进入了是一个以人工智能和机器人为代表的智能技术和智慧社会,但是我们要问一下,究竟什么是智慧、什么是智能、什么是Smart呢?我们看一下一个案例。

一个是李开复先生,他有一本书,在大陆叫《人工智能》,在港台叫《人工智慧》,大家看到还是有一些区别的。还有一个,像IEC和ISO讲的Smart City和Smart Grid,一个叫智慧城市、一个叫智能电网。给大家带来一个困惑,我找了这个字典Longmant Language Activator,对这几个解释是很全面和透彻的。国内的概念智慧和智能,智慧在我们字典中的监视是辨析、判断、发明创造的能力,智能是制造的能力。我们现在看一下,在我们的《易经》讲过一句话,形而上者谓之道,形而下者谓之器,我们造一个东西,用智能好一些,不能用智慧。

对于智慧,学术界叫Litelligent,包括认知、推理、学习、交流,自我意识相关的方面。人的智能或者智慧是我们所有这些智能的顶峰。从AI来讲,大陆叫“人工智能”,在港台还是叫“人工智慧”。AI的概念大家都很清楚,大家不用管AI怎么样的,工业界是拿机器来实现必须借助人类智慧才能完成的东西的,这就是AI这方面的体现。AI主流学派国内有三类,一个是符号、第二连接、第三行为,我们搞控制的人一般是行为,比如前面讲的一般是感知、决策、执行,这是讲的控制,只是AI主流学派的一种。

从特点来讲,从工程来讲就是感知、思维、执行、决策这些方面的能力。分类,国内有强的人工智能和弱的人工智能,强的人工智能就是模拟人的人工智能,弱的人工智能是人的表现。

从层级上来讲,一般学术界形成一个共识,就是说如果一个设备带有计算能力、带有通信,这些方面就可以赋予这个设备叫智能,这是一个层级。第二就是感知的层级,包括比如说机器人就有感知、视觉、触觉的能力。第三个是认知智能,认知智能是比较困难的,现在没有完全攻克,在围棋方面大家已经知道Alpha Go报和去年的Alpha Zero已经做了很多工作,包括Alpha Go的Alpha Zero是从0开始学习,他是无监督的学习,不需要建立任何的前面的一些规则,他自己来学习。

人工智能的发展是三期,现在在深度学习,在21世纪深度学习取得重大突破以后来了一个新的高峰,这个高峰下我们国家的政府也十分重视,在政府的“十三五”规划,包括像去年国务院考虑到人工智能,会深刻的改变人类社会,提出了去年7月份国务院发布了新一代的人工智能发展规划,这个规划中提到了重点推广应用智能工厂。然后再能源“十三五”和电力“十三五”,已经从国家层级提出了很多要求。

第二部分,智能电厂的定义。先看一下别的行业对智能怎么定义的,第一,我们有一个国标,对智能运输系统提出了智能交通系统是怎么样的,这个可以看一下,给大家的资料里都有,这个地方快速过一下。这个里面对智能建筑业有定义,在两个专委会,技术委员会,中国自动化协会发电专委会等等,这里面智能电厂规划纲要中也有智能电厂的定义。包括在国标对智能变电站的定义,在行标中对智能水电站的定义,大家都可以看得到,实际上这些定义,因为他有历史的局限性,有些东西把信息放进去,或者讲到了一些行为、决策方面的智能。但是我的感觉,不是很全面,这是2016年工信部和财政部有一个智能制造发展规划,这个里面讲到的智能制造,讲的基于新一代信息通信技术与新的制造技术深度融合,贯穿全流程、全环节,具有自感应、自学习、自适应等新的生产方式。对于SmartGrid,我们国内讲的智能电网的定义,这里大家看一下。

参照ISO15926,因为电厂是典型的流程工厂,我们顾问团尝试给出一个定义,我们去年做的项目中给出智能电厂是面向电厂全生命周期,利用新一代的信息通信技术、人工智能技术,包括检测、控制各种技术,不是一定要全环节,可以在关键环节过程形成具有一定自主性的感知、学习、分析、决策、通信、行销控制能力。智能电厂可以认为是我们的ICT我们的信息和通信技术,OT运维技术,ET工程技术、管理技术,包括AI人工智能的结合。

从电厂的核心技术来讲,从ISO那边考虑,Smart City可以借鉴一下,第一,一定是测量,第二,测量上来的数据一定要做到数据和通信的互操作。前面各位专家已经讲的比较多,就是建模和仿真也要注意。数据分析和智能控制及自动化,包括决策支持,因为智能肯定决策支持是其中重要的一环。另外,这些智能都上来的话,安全体系十分关键。

从智能电厂的建设来讲,一定是一个全局的优化目标是这样,当然某一个电厂可以以某一个目标做一个全局、部分可以。

智能电厂除了常规的这些目标以外,实际这个地方是一个选号,以前是很难分析的,现在性能的上升、下降和选号都可以做,包括灵活性,和没有攻克的状态检修,现在状态检修的叫法,ISO预知维修,现在应用这些可以逐步来实现。

第三部分,智能电厂的架构。从架构来讲,工业4.0大家都很清楚,但是从21世纪开始以后,推出的工业4.0实际上是基于一个CPS的结构,大家都知道,通过CPS带来一个价值革命。这个是工业4.0的参考架构,这个是三个维度,其中一个维度,这个是功能层级,那是另一个层级,这个水平轴是生命周期和价值连的一个轴,这是“中国制造2025”的参考价值2.0。

这个是工业互联网最初推出的时候美国的工业互联网的参考架构,这个要注意,这个里面实际上还是拿工业互联网的思维分成,比如说也可以叫边缘计算、云计算等等这些方面,参加软件定义的结构,互操作性、管理可信、安全,从网络来讲、通信来讲,安全一定就是要基于可信网是最好的,包括互措施性。基于这个我们提出了智能电厂的参考架构。其中一个就是生命周期的维度,生命周期维度就参考国际标准15926,包括设计、制造、安装、运维、退役一系列相互联系的价值链的集合。第二个,系统层级,系统层级基本上参照普渡模型,实际上随着CPS的推进下普渡模型实际上下一级会瓦解,因为我的物理层和上面一层有时候融合在一起,但是目前来讲这方面还没有完全做到,所以这个方面我们从系统层级提出来,只是说最后一个层级是物理世界层级,这个是参照工业4.0的架构。

智能特征,第一个,肯定是基础,资源要素层,这个主要是考虑材料、设备、工艺、电源、气源方面,也要考虑相关的数字模型,人员也要包括在里面,很多以前是没有把人员作为资源的一个重要的组成部分考虑。第二个,互联互通。现在我们没有一个电站可以说完全做到了互联互通,因为互联互通实际上多少年前,国外美国的工业互联网在做TSN那个网的测试,我们国内当时很多都不清楚,实际上后来华为参与了,这个方面就是要解决在工业物联网情况下怎么把管理和控制这些数据在同一个网上来跑,其实这个方面互联互通是很重要的一个环节。第三个,融合共享层,这就是说在互联互通的基础上,数据提取上来,利用数据分析和人工智能来对数据进行相应的一些处理。第四个,系统集成,集成就是从小到大,智能设备到智能单元、到智能车间、到整个电厂、整个发电集团这个方面的集成。新兴业态,在这些基础上推出我们新兴的一些价值链的整合,包括比如说我整个集团的远程运维或者远程诊断,因为远程运维大家觉得可能不可思议,实际上像风电这些方面已经在做,包括像国外他一些燃机循环已经在建立这个方面的中心,特别是美国这方面重视是比较多的。

这个是从结构上来讲,大家屏幕上看到的架构比较多一些,我们从智能电厂来讲,第一个,要尽可能采用一些智能检测和智能机器这些智能设备,在中间层,与常规最大的差别就是一定要做到预知、预测分析和诊断。还有一点,一定要给操作员和决策,就是检修要提出决策支持,如果这几点没有的话,很难说你是完全智能,因为你通过智能手段是可以实现这些方面的。

从我们电厂来讲,要考虑到我们一个是横向的集成,另外一个是纵向的集成,另外当然设备同等级端到端的集成。我觉得利用美国工业互联网的理念,包括前面华能郭处介绍的工业互联网,实际上工业互联网的生命力比工业4.0的生命力我感觉大一点,我们要对这些方面就是电厂边缘区的考虑、集团或者区域中心云层的考虑,这方面可以做更多的文章。比如说像我们同一个,比如说某一个厂可能锅炉只用了某一个厂的,他没有比对性,如果在一个集团的话,他就有比对性,根据那些数据来进行分析,就更有依据,所以这方面工业互联网有更强的生命力。从CPS来讲是由3C构成的,就是通讯、控制和计算。从CPS来理解我们智能电厂的话,也是有这五个层来构成,这是从不同维度进行解读。感知层来讲,就是我们要把材料放进来,但是以前没有放材料进来,包括像过程、像人这方面要采集进来。信息挖掘层,要做这方面的分析和多维数据的关联,要做衰退期性能的预测。网络化内容管理层,Digitaltwin欧洲和美国都有这样的方法,这是标准的,不是哪一家,是以前很多专家都在提出,不是说某一家提出,只是说某一家的影响力可能大一些,就要做特征值的提取等这方面的优化测试。认知层,就要做仿真和远程可视。配置层,实现刘院士讲的几“自”。

功能逻辑来讲,地域的划分,我们电厂物理系统,包括控制域、运维域、信息域、应用域。

第四部分,给大家分享一下实施方面。我个人认为,智能电厂成功的关紧要素,首先是文化,为什么我这里要提出来呢?如果一个企业对于这种新生事物是一个抵触的话,他不可能做成这些东西的,再好的东西,就像我们一个智能手机一样的,如果交给一个老年人来用,他对手机排斥,不可能用下去,所以再好的东西,他只能认为这个东西是不行的或者有很多障碍,首先智能电厂成功的关键要素,第一,就是企业文化,他对新生事物的接受度怎么样、适应能力怎么样。第二,要做好企业的战略规划布局,比如去年以前有一些集团提出来要做智能电厂,讲到了大数据的分析,而且叫电厂来做,我们当时明确讲说电厂做肯定不具备这个条件,实际上这个应该至少区域级来做,因为电厂来做人力、物力、维护根本做不到,还有一个,他数据量也不到,比如他同类型的那些比对根本就做不到。第三,项目组织和管理。最后,才是技术。当然不是说技术不重要,相比来讲前面这些也十分关键。

实施方面来讲,因为我们在设计院很多业主就问我该怎么搞呢?我说智能电厂要实施的时候不是全部都上,先找你的痛点,先找一个团队来分析,假设这个改造是我最主要的一个问题,现在可能是这个是限制我最低负荷的一个瓶颈,就选这个作为突破口来做,这个方面建立我们相应的一些基准或者KPI和一些考虑未来的应用,再来编制这个实施大纲并考虑一些成本效率的分析。因为上午包括冯总也讲过,如果效益、收益不行肯定不上,所以成本效益分析是十分关键的,这些做完以后再来制定一些实施方案,再来进行相应的实施。

从智能电厂实施定制方案来讲,这个地方要强调一个大家提到很少的机器安全、功能安全和信息安全,这个上来如果智能电厂安全是十分关键的,一定要注意,这方面国际标准对这个已经是引起高度的重视,在考虑这几个安全融合的问题。

下面看一些简单的案例,比如这个是智能水泵,我以前从来没听过有水泵厂提出过,前年美国的XYLEM公司提出这个水泵,它的水泵是根据流体的特性智能感知来调整它的水泵达到最佳的运行工况、最低的损耗和最高的效率。

无人机的应用,这是国外好多年前,记得5年以前就在用了。

很多专家认为我们好像技术已经完全超越国外,我个人感觉,从我和老外的接触来讲,远远不是那么一回事,就是说很多东西还是一定要谨慎一点好一些。

这个是生压站的自动巡检机器人,包括线路巡检机器人,VR和AR沉浸式的培训,包括AR现场的运维监视和指导。

前段时间刚刚看到美国一个管理局,管理全程式的地下管网是有55平方英里,有442英里长的管线,他和加拿大一家公司地理信息平台,再用微软的智能头盔,然后把它的数据放进去。这个就是他一个混合现实的案例,就是说我戴上眼镜,因为在现场不可能用虚拟现实的,因为虚拟现实人的安全性不行,他根本看不到,他看到的是虚拟的东西。这个混合现实,是在现实的东西上加了他一些计算机可视化的东西。包括大家看到中间这个盖,盖下面管线的铺设情况,他看的是一目了然。在这个基础上他现在再做一些工作就很方便,包括他一看就知道地下埋的这个距离接线盒多远、它的标高是多高。这个是视觉分析,我觉得国内这方面做的不多,主要是人脸识别方面做的多,工业方面案例不多,这方面应该多做一些工作。

从数据分析来讲,我们可以把数据进行一些相应的比如基于模型的控制和基于设备管理和故障诊断、安全和运维这方面。

这个方面的案例前面已经有公司在做尝试,包括鲍博士介绍的比较多。这个是国外的案例,这个公司对于风力发电机,因为风力发电机有很多的问题,特别是过了5年以后,很多故障不可预测,建立了机器学习和深度学习引擎,来自动选择他的优化算法,再选择他的参数,然后不需要任何人工的干预。这方面已经取得了很好的成效,这方面来做预知性的维护。

这是国外这方面做对于燃气轮机,燃气轮机通过监测燃气轮机出口排气的温度,可以根据它的KPI或者它的基准值来预测这个燃气轮机排气温度性能下降了多少,来预测他剩下多少使用寿命,这是我们国内汽轮机场最大的硬商,包括汽轮机应力模型几十年还没有功课。智能电厂来讲,欧美讲数字电厂,目前西门子、GE都基于CPS理念。

这个是GE的机组的软件模块,刚才鲍博士和这个一样。这是国外的几个应用案例,他采用这些手段,机组可靠性提高,一年节省了200万美金。

这是德国的Essen公司,随着新能源的渗透,和面临深度调峰的需求,从原来的4千小时降到1千小时,他后来就来研发相关的一些智能模块,他的启停时间可以把别人快40%,他在启停过程中这个损耗可以降低50%,相关电网这方面给他的调度这方面增加了60%。这是另外一个OMU公司做的这方面,他已经尝到了这个甜头,他计划利用数据分析工具做更大的工作。这是德国莱茵电力,他原来是和西门子做虚拟电厂,来考虑建立智能发电室,今年二季度准备和GE合作,进行他们智能化的改造。中东也在做工作,这个是阿联酋迪拜电力和水务管理公司,2月份就启动了他的智能电网计划,这个主要还是基于信息方面的,他做的时候后面想做一些引擎、人工智能方面的一些分析。施工案例来讲我们可以做很多工作,比如可以解决施工安全,比如人员的自动冲击,人员活动区域的限制,人员非法行为的取证。还有物料的一些管控,比如这个识别加上检测手段,如果氧气瓶和氢气瓶都装这个,如果这两个距离超出现实就会超出报警,如果氧气瓶丢了也会发出报警,如果有这个东西天津港的大爆炸就不会发生这些情况。施工利用虚拟现实这些仿真平台的一些施工安全的培训,包括像我定位跟踪和AR可以做一些施工安全的指导,包括利用计算机的精准性做一些管控,还有相关不同等级信息的推送,实现正确的时间、正确的地点、正确的信息推送给正确的人员。

这个智能电厂的推进实际上是一个逐渐的过程,在这儿希望大家在智能电厂进程中能取得更大的突破。我就汇报到这里。谢谢大家!

(发言为电力头条App根据速记整理,未经本人审核)   

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