上海成套院方超：智慧电站和虚拟电厂技术实践与进展

针对集团200多台火电机组，不同类型，有新建，有老的机组，提出五大技术原则：1）重点推进高性价比数智化应用，有些考虑经济性，有些应用代价比较高，重点推进性价比比较高的应用。2）全面覆盖保障性基础功能。3）技改项目必须同步考虑数字化。4）分布推进高价值机组数智化建设。5）对于新建机组建议建设一体化的智能电站，实现数智化的全覆盖。

——上海发电设备成套设计研究院有限责任公司智慧电站技术研究所所长助理 方超 作《智慧电站和虚拟电厂技术实践与进展》的主题发言

方超：大家好。

我是来自上海发电设备成套设计研究院智慧电站技术研究所的方超，很荣幸今天能够跟大家就智慧电站和虚拟电厂，这两个这几年研究比较多的方向跟大家做一个交流和汇报。

上海成套院1959年，前身是一技部的汽轮机锅炉研究所是全国发电设备一类的研究所，经过不断的转型现在属于国家电力投资集团二级单位。我的分享主要包括五个方面：

1、介绍背景。

习总书记多次在国际国内重要场合就“碳达峰”和“碳中和”发展重要讲话，其中新型电力系统的建设实现“双碳”目标的一个必然选择。新型电力系统将面临不断增加的电网不平衡的风险挑战，一方面电源侧结构发生重大变化，包括新能源比例大幅度增加，煤电占比的逐渐降低导致我们一次能源供应不稳定。另一方面负荷侧，用户侧这边也发生的一个重大变化，包括大功率充电设施的增加，用电方式的多元化，导致用电负荷峰谷差不断的扩大，因此电网急需通过新技术提高电网的灵活调节能力，降低全社会的安全经济运行风险，因此智慧电站和虚拟电厂的建设它的需求日益显著。

接下来汇报一下上海成套院这些年在这两方面做的研究和实现。首先是智慧电站顶层设计方面，上海成套院为我们国家电投集团提出涵盖五大模块，15个系统，75个功能的一个智能智慧电站技术路线，并且依据技术成熟度分为研发、示范、推广三类，为智慧电站的建设提供决策模型和技术基础。

（图示）左边这个图是国家电投集团内部首次提出智慧电站技术路线，全面覆盖了数据安全生产经营综合管理的应用场景，在集团内外进行多次宣讲。另外提出智慧电站技术功能矩阵，从技术应用范围和信息，加工深度两个维度对智慧电厂技术进行全面分析。做了一个智慧电站系统的架构设计，包括需求架构，作为深入解析发电企业的生产、运营、管理工程，从执行、管理决策不同层面指导智慧电站的产品设计。其次功能架构，融合发电领域不同方面的最新技术，指导不同类型的电厂开展智慧电站的功能设计，技术架构设计完整智慧电站技术架构，为系统开发提供基础的技术框架指导，最后是网络架构，融入虚拟化、云计算、一体化数据等先进技术，指导智慧电站的建设施工，为智慧电站的产品设计、功能设计、系统开发建设实施提供了一个技术路线的支撑。

接下来深度融合与技术与生产管理的需求分析，从传统的功能出发设计不同，采用从需求出发的设计，改变设计思路。从智慧电站的角度对发电企业管理，决策层业务需求进行重塑，根据不同层级用户不同需求，设计不同交互内容的方式，最后实现采用一体化平台设计，打通不同平台之间系统孤岛，这样的设计思想已经应用在国家电投分宜智慧电站的设计和实施当中，一会儿我可能会有大概五六分钟的视频介绍一下分宜智慧电站。我们为我们集团提供科学智慧电站科学实施规划，针对集团200多台火电机组，不同类型，有新建，有老的机组，提出五大技术原则：

1）重点推进高性价比数智化应用，有些考虑经济性，有些应用代价比较高，重点推进性价比比较高的应用。

2）全面覆盖保障性基础功能。

3）技改项目必须同步考虑数字化。

4）分布推进高价值机组数智化建设。

5）对于新建机组建议建设一体化的智能电站，实现数智化的全覆盖。

智慧电站我们做了关键技术研究，因为时间关系我主要介绍五项关键技术，关键技术之一是状态检修跟数字孪生技术，我们上海成套院基于几十年在设备可靠性的技术积累，率先在国内建立涵盖机炉电，三大辅机和重要辅机状态检修标准体系，根据这个标准体系我们开发了智能化状态检修系统，采用一体化平台实现六大功能应用，包括多元数据融合的智能监测，大数据人工智能动预警和智能分析，多状态耦合的智能诊断，以及数字孪生去实现三维实时感知以及检修智能策划和深度业务融合，目前行业最佳实践，去年参加第三届中国工业互联网大赛，在几百家能源行业领域里面，包括电网很多单位里我们拿了能源行业的第一名。我们在国家电投已经实现了四家电厂八台机组的业绩，为了提升设备状态监测跟分析诊断的效果做了一下关键技术的应用，包括建立国家电投集团级的故障知识库，另外基于自然语言处理的发电机运维数据的分析，我们实现了毫秒级数据，秒级数据，在线、离线数据多元数据融合。另外把人工智能和对设备非常了解的机理分析做了一个融合，做了多状态耦合诊断。

锅炉和汽轮机做了数字孪生，我们做了整个锅炉受热面的数字孪生，把疲劳、氧化、腐蚀所有的东西通过三维可视化的方式进行呈现。

另外做了基于人工智能的汽轮机部件状态精细化监控。基本上1：1，建模汽轮机数字孪生体，把有限源做成在线分析去把应力场、温度场实时展现到整个汽轮机在线监控当中，经权威院士鉴定，这两项成果达到国际领先，整个状态检修的技术达到国际先进水平。

四个电厂总体应用效果，四家电厂每年通过减少非停，优化检修项目，节约检修费用、材料费和人员的支出，增加发电时间，我们产生了直接经济效益大约四家电厂一共一年产生1600多万元，最终实现从智能监测，智能分析，智能诊断，智能检修，作业反馈全方位的智能化检修体系闭环，起到数字化推进发电企业检修业务高质量转型的总体效果，提升技术可靠性，为新型电力系统提供一个保障。

除了火电领域以外，还在别的行业有了一些应用，包括风电领域，实现包括三维可视化的运行总揽，关键部件的寿命预测，我们做了在线的寿命评估，智能预警，故障统计和健康度评估，为风机整体健康评价和它的延寿提供参考价值。

国家电投最近新兴综合智慧能源领域，实现运行总揽，设备状态监测，三维监控和设备性能分析等方面。

技术二：全过程智能燃料技术，通过技术减员增效双提升。

率先从燃料入场到燃料协调控制全过程智能化体系，攻克动态配煤知识库，煤种溯源及煤仓动态分层监测，从数据源、数字孪生煤厂，输煤全流程控制、斗轮机无人值守，机器人自动巡检等技术，开发整个全过程的智能燃料系统。

简单说一下应用情况，在国家电投的沁阳电厂、分宜电厂、黔西电厂、五彩湾电厂完全相关的应用，以沁阳电厂单个电厂为例，实现以下应用效果。一号机组平均负荷率61.89%，每年的增加收益达到800万元。而且提供每月分时间段最优的配煤方案，助力精细化配煤。其次有助于运行人员及时判断燃煤仓的煤种变化，指导精细化掺烧。而且帮助配煤掺烧管理人员减轻每日配煤工作量大约30%。

技术三：结焦监测预警及智慧燃料优化系统，提升机组运行安全性、经济性。

结合新疆五彩湾电厂做介绍，新疆准东煤，碱金属含量非常高，目前现有的锅炉没有办法完全实现一个全准东煤的燃烧，一般只能维持50—70%的掺烧比例，部分先进机组能达到80%比例，一旦超过某一个临界值，水冷壁、分隔屏、过热器、再热器增受热面会发生严重沾污、结渣、积灰，会导致受热面壁温超温，甚至爆管，烟道堵塞、掉焦点问题频发。这样严重限制准东煤的开发利用。

上海成套院构建一套基于人工智能技术的燃煤锅炉结焦监测预警及智能燃烧优化系统，结合一些光学、声学原理，原先DCS的大数据，做了一些计算，能够得到受热面的沾污系数CF。通过沾污系数实现数字化、可视化的展示，对它进行安全监控。

通过MODBUS485双向通讯协议实现与DCS数据之间的交互，基于人工智能技术，对机组运行数据进行前期处理、查找。推理不同工矿下的最优运行模式，通过修正DCS氧量给定、二次风挡板开度等，做了一些运行优化，做到自寻优之后，对于五彩湾电厂实现准东煤百分之百的燃烧利用，不需要任何掺配，核算一下，每年节省燃料成本单个电厂大概5千万到8千万元，提高设备运行可靠性，延长检修周期，每年节省检修成本大约400万。

技术四：灵活性控制与智能运行技术扩展机组盈利边界。

率先在控制一区实现故障的主动防御，主动处理，智能优化。运用AI算法、大数据、多目标寻优等，提高智能和领航运行能力，扩展盈利边界，降低机组整体的能耗。

为了提升灵活性运行能力，主要实现以下几个关键技术应用：包括参数预警，安全运行边界、故障诊断及自动处理。兼顾经济性和灵活调节能力的机组智能协调机制。包括适应升调运行工矿机组灵活APS技术，多目标动态降维，多优化引擎智能匹配的运行优化。

通过AGC和APS有机结合，实现风烟、给水系统全程自动控制。率先设计智能选磨程序，实现磨煤机根据指令灵活启停，整体提升机组的灵活性运行能力，深度调峰符合范围内机组自动投入率达到百分之百，满足两个细则考核的要求，机组调节速率大约2—3%，整体应用这项技术之后，可以在同功耗下对比，整体煤耗降低1到2克，同时减少运行人员的监盘强度。

技术五：智能巡检与智能机器人技术打造巡检无人化。

攻克了巡检机器人工业表计识别，密闭环境机器人状态感知、机器人特种检测等关键技术，孵化的典型产品有锅炉水冷壁检测爬壁机器人，锅炉巡检无人机，灰库清理机器人等特种作业智能机器人，以及火电智能巡检机器人系统。

开发基于计算机视觉技术的锅炉水冷壁巡检无人机，实现磁密闭空间高速，大范围巡检。率先研制锅炉水冷壁爬壁机器人，可以实现最优路径作业、分区域开展精细化细化检测。这两个非爬一体化，非爬一体化联合方案成功接棒工信部2021年智能产业创新任务，在100多支队伍中是工信部第二名。是国家电投集团给一个项目做支撑。接棒任务大概以下六点：

除了机器人无人机之外，一个智能巡检系统，以田集电厂举例，他们在记录侧巡检，每年三班两个人，每人24人次。采用系统之后每天的巡检大约7到20次，覆盖203个表计和223个跑冒滴漏的测点，每次45分钟之内完成全部的检测，综合准确率统计下来达到95%以上，人工巡检改为每天三人次，节约工作量87.5%，智能巡检与智能积极人技术将带动上游算法，软硬件技术开发、产品装配、下游现场服务、备品备件、检测设备运维等产业形态，加速整个行业的创新。

虚拟电厂，虚拟电厂之前播一个虚拟电厂的介绍视频。

虚拟电厂这个概念这两年比较热门，但是上海成套院两三年前开始布局这个产业，整个国内外的情况，相对来说欧美电力市场比较成熟，虚拟电厂以聚合分布式能源和用户侧储能为主，通过参与现货市场和辅助服务市场获利。国内目前虚拟电厂主要聚合用户侧可调负荷，参与需求响应市场获利，各地逐渐开始探索辅助服务市场。

上海成套院作为国家电投集团在虚拟电厂的技术总成单位，我们是率先在国家电投开展虚拟电厂的相关研究和建设。主要用的一些关键技术，多类型符合智慧计量、通讯技术，虚拟电厂去需求响应业务开展的一个基础，通过联网监测用户侧能量采用一个状态，支撑虚拟电厂的同时，去同声用户侧能量精细化的管理水平。

另外有多类型符合资源和闭环智能控制技术，是APP参与辅助服务质控业务开展的技术。多目标优化调度技术，提升虚拟平台和用户的市场竞争力及盈利水平。

用户侧高精度负荷预测，是用户参与需求响应，辅助服务和现货市场一个重要参考。多场景电力交易辅助决策技术，根据市场情况开展需求响应辅助服务，参与现货等。根据实际虚拟电厂服务，交易场景和规则，抽取电力交易参与主体信息技术局，依据用户负荷预测、短期价格预测等进行多场景的交易计算，并对交易结果进行统计、整理、展示、对比、分析和评估。可自定义的决策优化目标，单位成本利润等。根据交易结算数据训练、智能算法模型持续优化跟踪，虚拟电厂资源的规模和市场规模评估根据国网公司给出的数据，到2025年国网25个区域内将有6494万千瓦的可调负荷响应能力需求，假设1/3负荷由虚拟电厂承担，按照12.5%ROI估算，虚拟电厂领域“十四五”末期将产生一个巨大的市场。

商业模式总结大概三种盈利模式：一个调度用户参与需求响应；二是调度用户参与辅助服务；包括削峰、填谷、调频。三是调度用户去参与电力现货交易，盈利主要来源于电力现货的市场。除了需求响应辅助服务的商业模式以外，还有商业模式的大用户综合用能，我们的用户可能是钢铁厂、水泥厂、大型工业企业用能大客户，给大用户做一个综合用能服务，不断赚电网的钱，深入用户的工艺流程，优化用能成本，帮助节能做一个盈利。

上海成套院其实在国内率先开展两项虚拟电厂业务模式的探索，相关的新闻，证券公司的研报都有报道过，一个完成用户侧的储能，参与VAGC调频全连乘测试，跟国家电投广东公司率先实现虚拟电厂参与现货交易盈利，以精准的短时现货价格预测，把电量从0点转移到40，实现平均度电收益达到0.274元，是国内虚拟电厂参与现货交易第一个案例。

目前国家电投三个区域做了一个虚拟电厂，已经实际在应用，国家电投集团在全域推广虚拟电厂技术，目前在江苏、广东、山东去做，一共聚合用户侧的负荷达到1千兆瓦，可调负荷达到273兆瓦，也就是说虚拟电厂已经达到270兆瓦的等级，在7月份，在广东虚拟电厂参与需求响应，今年广东天气比较凉快，需求响应的次数不太多，7月一共参与6次市场化的需求响应，广东政策公开投标，我们6次都中标，总共中了318兆瓦。收益大约106万元。广东深圳前不久成立全国首个虚拟电厂管理平台，国家电投广东公司作为首批15家参与首批试点单位之一。

关于即将发展虚拟电厂应用场景主要还是两个方面，一个跟储能相结合，两个场景应用，一个新能源场景，最大化的消纳新能源。

播放智慧电厂视频案例跟大家分享一下。

（视频……）感谢大家观看。

最后基于前面讲的智慧电厂跟虚拟电厂，基于我们的思考，对这两个方向未来的一个展望。

未来智慧电厂的发展趋势，现在很多智慧电站的系统主要还是一个信息平台，随着后面的发展，将逐步跟电厂的控制系统打通，实现真正的智慧运行，另外保证设备可靠运行前提下，检测手段会往少人化、无人化的方向发展。

智慧电站建设，还会跟新型电力系统做深度的融合，满足构建新型电力系统的需要。对于用户侧、符合侧来说，未来虚拟电厂的发展趋势，随着政策导向，关键技术的突破真正发挥虚拟电厂在电网调峰调频的作用。虚拟电厂未来尽可能消纳新能源，实现绿色低碳的建设，虚拟电厂跟大的用电用户，现在提倡叫做智能工厂，把智能工厂跟虚拟电厂做一个深度融合。

汇报到这里，谢谢大家！

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