刘吉臻院士：智能发电系统体系架构及其关键技术

  中国工程院院士华北电力大学原校长刘吉臻院士主题演讲：《智能发电系统体系架构及其关键技术》

  我给大家汇报三个方面的，一个是智能发电概念及背景，现在工业发展重要的标志是工业化与信息化的融合，我们这就称为两化的融合。以我们电力为例，当然我们讲从50年代、60年代、70年代、机械式的控制，液压式的模拟装置、数字装置一直到70年代到数字时代以后，其实就是一个加快速度进行发展的这么一个过程。所以大型的火力发电机组在过去，咱们电力领域里面没有把这个信息控制当回事，什么是主要的。电厂就是三大件，涡轮汽轮机、发电机及变压器。涡轮是个小装置，为什么小呢？他就是搞点液压表在那儿摊着，但是现在对于大型的火力发电厂，他的自动控制系统也包括他的信息系统已经…对于机组运行的经济环保起着十分关键的作用，也就是自动化系统一旦不完备，他不可能启动，也不可能运行所以当然，现在搞我们这个专业的当厂长的也慢慢变得多了，这是很高兴。

  我们说一个大机组各种控制的信号和监测点上万，也就是说运转这么一台机组，我们已人力所不可为，我们应该功能完备、性能可靠的控制管理系统来对机组的发电功率，运行参数，安全、启停等等进行数字化的控制。

  这是我们说的现状，随着自动化信息化的发展，我们现在讲进入了第四次工业革命的时代，这个概念是2013年汉德为（音）部长提出的概念，第一次工业革命是蒸汽机，第二次工业革命是电力技术，第三次计算机，第四次首先包括人工智能也包括清洁能源、机器人及量子信息虚拟信息及生物技术。所以我们现在讲现在走向智能化，这是我们现代工业发展的一个必然。

  为了应对这样一个大的趋势，我们的祖国出台了中国制造2025的计划及要促进云计算、大数据在企业产品的研制、生产制造、经营管理、销售服务，在全流程的产业链当中发挥综合性的作用。那么这个2025非常的意义深远，我们正真看到了美国和我们打贸易战，直接提出了让我们停止2025的计划，因为他预示未来下一轮竞争，当然我们也包括国务院的互联网+行动指导意见，特别是国务院发布了新一代人工智能的发展规划。

  回到我们电力行业，经过我们这些年的努力，刚才李老师他们都回顾了我们能源发展的历程，改革开放初期78年我们的祖国中基也就是5千多万，到2017年达到了17.6亿。很快就成为美国的一倍，而且在这个当中我们的安全、我们的效率、燃煤，我们燃煤电厂煤耗大概是近10年来下降了100克每度电，由400多克每度电下降到300多克每度电。

  当然，燃煤火电污染源这个我们是不愿意带这样的一个东西的，我看到在我们的电厂三低排放，也不相信这个数据，但是去了现场，他装的表，给出的数据是我们的祖国环保部下面的第三方做测试，所以他的氮已经远远低于发电厂，但是外界还是认为你的火电是巨大的污染，所以走向今天进而低碳，而且我们还灵活，整个发电也好，电网也好，特别是为实现新能源的大规模的应用，我们应该一个多元控股和协同，灵活可控的一个新的电力系统，所以我们说灵活，所有这些最终走向智能，智能既是一个目标也是一个我们的手段，通过智能化来使得我们的能源电力系统更安全、更高效、更加低碳、灵活性更好，真正的实现我们的能源转型这么一个大的目标。

  在智能发电上面我们也给出了一个新的定义，这个是我给的，所谓智能发电就是以发电过程中的自动化、信息化、标准化为基础，以管控一体化、大数据、云平台、物联网为平台，智能传感与执行，智能管理与学习，实现更安全、高效、清洁、低碳的生产目标。

  主要的包括六个方面，首先是智能感知，传感器、软测量、模拟化、信息的融合、智能决策、管控一体化与全生命周期的管理。在我们前期工作和多年积累的基础上，2016年7月4日，华北电力大学也就是在这个大楼里，我们在这里提出了。

  在十三五规划中我也有幸参与了讨论和编制，这里面第一次将智能发电技术写进了十三五规划，这个里面应该写智能发电。但是这一下不一样了，这就成了国家的意志，我们要发展智能发电技术，发展发电过程中监测、控制技术的研究，特别是智能控制管理系统装备的研发，这个后面我会讲。你没有装备，你还谈什么智能。那么要发电先进和技术示范应用，这个要安排示范工程的，国家能源局那是我们能源发展的政府主管部门。

  我想重点的内容是智能发电的体系结构，这个从何而来，1975年第一套控制器走向了时代，SCS、第一套分散控制管理系统诞生，这个我也去看过。那么这个系统就是把网络处理器以及仪表、数据库联为一体，这个大家都是比较熟悉的。

  我们应该指出，在发展这个电厂管理信息系统当中我们中国人还是有一笔可写的，就是SIS，这个概念是我们领域的老先生提出的的。我们组织的研发，第一批组织是大唐国际，是由华北电力大学完成的，同时我们也得到了2004年科学技术进步一等奖，这个系统的贡献最主要的就是当时提出SIS来了以后如何和SCS融为一体，提出三个可靠性，两个安全性的系统。后来在国电和华电公司，现在已经在180多个火电厂投用，也成为火力发电系统的国外的SIS退去中国市场。可悲的是，大家都来做SIS，都200、300万，没有赔钱的买卖，所以中国的科学技术创新之所以落后，我有一个深刻的感悟，就是中国人不会的时候是高额的利润，中国人千辛万苦做的时候就是大白菜，企业赚不了钱他怎么创新。

  SIS的应用我们也遇到了一些问题，特别是面临着实现智能化的目标，从网络安全的角度，SIS的信息不允许向DCS推送，第三个比如说能耗分析，这些的信息很难闭环实现高级控制，所以这个基础之上，我们现在推出就是将来智能电厂所需要的控制管理系统网络结构，我们说应该回归到两层结构。一层我们把它称为机组运行控制管理系统平台，也就说增加DCS功能另外一个公共服务功能，这个是现有的SIS及这个是我们给出的智能电厂的两极的结构，这个就是我们形成这么一个结构，一个我们说SIS是智能发电运行系统，简单的理解为DCS的增加版这样就可以闭环了，另外什么ERP等等在广义上形成智能发电系统的公共服务系统，另外还应该要考虑他们不同的信息安全的防护以及大数据云平台的结合，这个也是我们国家能源集团发布的指导意见里面最后确认下来的结果。

  在这个结构当中我们的SIS就是要以DCS为核心，扩展智能优化库、开发服务器等资源，实现智能监测、智能控制，状态监测与诊断预警提供较为可靠的软硬件平台，确保这个系统的安全。不包括三个功能，一个智能监测，第二是智能控制这是我们的主题，第三是我们智能运行的监控，时间关系就不多讲了。

  第二个平台要讲智能发电公共服务平台，这里主要是由大型数据库系统，大数据云平台为基础，整合支撑系统，支持数据资源，在设计、施工、调试、运维、全场的人、财、物，信息，以及智能管理、智能服务把所有的这些呈现在数据的层面上汇集到这么一个平台来。为设备的安全、精细化管理、优化决策提供一个一体化的信息平台。功能也是三个。一是安全、这个不多讲。第二是管理，第三就是服务。这个里面还有一个，虽然是封闭的，是最高安全等级，SIS是开放的，面向众多的应用的，为何需要指出这个呢？我们也感觉现在智能发电很热、同时也很乱，假如没有一个体系，没有一个架构很可能成事不足、败事有余，有的地方搞了一个门禁系统，搞了一个机器人巡检，搞了一个APP就是智能了，这太小儿科了，所以我们今天就给你一个框，你随便往里装，但是SIS你别乱动，这样的一个东西也是要电力生产安全高于一切。

  面对这样一个架构我们该去突破一些关键的技术，这里面结合我们团队正在或者是已经做的，首先我们勇于向新一带的DCS研发去竞争，我们的合作伙伴智深在国家首个百万级机组系统的应用，各种各样的性能应该是我们智深的DCS不亚于国际上任何一家的DCS，这个也不是做广告，我们也没有拿他们一分钱的广告费，但是我们有这样的产品，为什么很多集团不用，为什么还是用的其他的集团的，他也不懂，就是什么空调好就用，其实空调格力的做的最好，又安静、又调频、又省电，你为什么不用。那么在智深系统上我们现在做什么，第一增加一个智能DPU就是高级智能控制器，再就系增加一个高级服务器做这么一个统筹。

  在这个同时还得要有模块，比如说监测模块，建模，基于深度系统学习的感知模块，基于一系列的参数，不规则的，让我们学习感知，最后比如说基础的储能、热耗、气耗等等，通过这一些这些汽水量等等去计算识别出需要的东西。

  最后是控制，同样我们怎么样使得在深度学习这样建模的基础上使得我们的控制更加适应全能耗，能更精准的实现能源的平衡。实际上在控制上处理问题是投资最少，不需要大动干戈，动不动就几个亿投下去，这改造，那改造，这个用的是智慧，投资很少，就能见到成效，效率、开放性能计算等等，也是通过自己学习数据挖掘，先进的控制理论方法，专家的知识，建立优化的模型库，这是需要深入开展的工作。

  这是我们做的一些应用，说了半天这么多东西真没用，我这儿能告诉大家这么一个例子，就是这是我们清华大学乐院士主持的这个循环流化床这么一个东西，也就是用我们常规火电的控制方式，不能说不能用，但是性能肯定会很差，但是怎么办，我们在合作研究的过程中，用了一套全新的监测和控制的方法。什么样的方法？就是智能化的方法，首先我们建立了一个叫做虚构了一个控制量，叫即燃碳，建立了这么一个模型，这个模型我不敢说准确，我用这个模型预测机组的功率，然后用预测的结果来学习和修正我这个模型，这个闭合起来，何时这个模型测准了何时就完成。然后我再整个改变他控制的模式。

  这个方法最后得到了成功的应用，我就不多讲，还有我们这几年在推动灵活发电，这个灵活发电我们在这样的领域做的工作现在同样也受到了国家高度的重视，首批22电厂改造，十三五规划要改造22亿的机组是我们国家大规模风电的主要技术方法。这个我说没有火电的灵活性，你去的比这还多，辽宁去年改了7台机组，今年上半年弃风率比去年下降了10%，但是给这些火电厂点好处，你不能老压他。但是怎么实现灵活，这里面提到就是把这里面所有的储能，可利用的东西利用起来，机组本来就是个储热罐、不一定一上来再安一个储热罐，我说把热变成电，再把电变成热，这是很愚蠢的办法，但是他怎么来做，能做，需要智能化的方法。

  我们现在机组成了一个不是额定功耗，是一个变功耗、超低负荷，所以在一个点上做的好好的，所以要把脱硝系统符合的耦合关系来对它做一些深度的智能监测和优化控制来监测这个超低排放问题。

  在这个虚拟架构里面我就不多讲了，这里面第一大数据的分析，大数据没有分析应用就是大垃圾，现在不是传来一堆数据就什么都是。比如说这个诊断，这个预警，还有VR、AR这个我刚才说你各安其位，你这样的一个东西在什么位置上，起啥作业，这些参数查询这些都非常好，都是你远程指导大夫也可以用，但是这么多东西我们也不揣测。

  再就是智能机器人，这些大家需要的地方尽管用。这个都挺好的，最后有一个重要的内容必须强调，就是发电系统的信息安全体系，我们每走一步的体系，这个上面多元安全数据的搜集，实际上这里面要说安全是两大安全，一是网络安全，一是数据安全，所以这里面所有的技术方法，多元系统融合，类似的感知理解，类似的预测，及相应的措施，我这儿就是说智能发电和智能电网是能源发展稳定的重要电源。

  智能发电+智能电网一起推动能源发展的转型，这里面基础理论、关键技术、工程应用都有待提升，这就需要理论技术、体制机制、特别是产学研用的相结合来加以推动，让我们一起一起努力，谢谢大家。

  上述讲话来自：中国工程院院士华北电力大学原校长刘吉臻院士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。

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