数字化电厂实施规划
二十一世纪是数字化和信息化时代，数字化电厂建设在我国经过多年的发展和应用研究，已经有了越来越丰富和完善的概念。近年来,电力企业在电厂数字化建设上有较大的投人和应用，实现电厂生产运行数字化、管理的信息化，建设一个真正意义上的、全面的数字化电厂，已经成为发电企业的建设目标。
目前,从电厂的设计开始，到电厂的施工和投运,各个阶段都采用了相应的数字化和信息化产品，电厂设计期各大设计院采用了二维和三维设计软件进行工程的设计；在电厂施工建设期,建设方和施工方采用基建信息管理系统和P3等软件进行工程项目信息管理及进度控制管理；在电厂投人运行后，电厂运维部门采用DCS、S1S、EAM、ERP、电厂信息门户等自动控制和信息管理系统实现对电厂可靠而准确的控制和管理。本文立足从电厂设计阶段,对电厂的信息化和数字化建设进行统一规划,给出电厂建设各个阶段相应的信息化建设方案,并对各个阶段信息化产品之间如何实现数据继承和共享提出了设想。
2数字化电厂实施规划概述
为了实现建设数字化电厂的目标,需要从电厂的设计开始对各个阶段的数字化和信息化产品进行全面规划。
数字化设计包括电厂二维、三维设计及设计过程管理、电厂标识系统；数字化建设包括数字化采购、建设期信息管理和建设期进度管理；数字化移交的内容包括电厂工程相关的文件、模型和数据；数字化运行平台的建设包括现场总线技术、智能升压站、分断点APS控制技术、智能安防、运行优化等；数字化管理平台的搭建包括管控一体化值班理念和信息化管理。
3数字化设计
在电厂设计过程中采用三维数字化设计技术，为电厂的建设提供高品质的设计成品。
数字化设计中的二维设计,主要是指采用传统的Autocad、Office、专业计算软件等工具实现工程项目的二维设计，设计成品包括二维图纸、计算书、清册、和说明书等。
数字化设计中还有一个较为重要的是设计院对设计过程进行管理的信息化平台,即设计协同管理平台和数字化移交平台,它在设计院内部实现二维三维协同设计、多专业协同设计、异地协同设计,并为设计成品的数字—交提供完整的手段。
3.1三维数字化设计
采用三维可视化布置设计技术，进行多专业协同设计，可以实现大坡度管道的真实放坡、支吊架设计、电缆桥架敷设等精细化设计，通过对三维数字化模型进行碰撞检査、数据一致性检查等手段,解决在设计过程的常见病、多发病，消灭设计过程中“错、漏、碰、缺”等问题以及由此造成的设计返工，出图质量可以得到极大的提升。
通过三维数字化设计平台向客户提供完整的施工图图纸用于电厂的施工建设,所提供的管道施工图可以直接从三维设计软件中抽取，不仅标注、表达清晰,而且还可以包含热控测点、设备元件的基本信息等内容,为电厂施工调试提供了极大的方便。
运用三维数字化设计手段可以建立一个完整的三维数字化现场模型,这是一个的虚拟现实的三维立体空间模型，通过设计移交平台可以实现形象逼真、感性直观的三维数字模拟电厂的数字化移交。利用软件视图功能可以对整个主厂房或某个区域进行实时漫游,既有助于安装人员对图纸和工艺系统的理解，也方便运行和管理人员对电厂的运行维护。
3.2电厂标识系统
数字化电厂的一项重要基础工作就是标识系统的编码，在电厂工程建设中，要从设计初始阶段就同步KKS编码工作,在工程设计数字化移交中需要提供各专业设计过程完整的KKS编码。
4数字化建设
采用电厂工程建设管理信息系统（简称基建MIS）和P3工程项目进度管理软件，实现电厂基建阶段对合同、概算、设备、进度、工程等的全面信息化管理。
4.1电厂建设阶段管理信息系统建设
电厂建设阶段的管理信息系统通常称为电厂基建MIS,它是以工程项目管理的有关法规为基础，采用先进的计算机网络技术、数据库技术,建立起一个信息集成、资源共享、功能强大的工程项目管理工作平台，实现电厂基建阶段对合同、概算、设备、进度、工程等信息的全面管理。通过电厂建设阶段信息管理系统可以协调完成业主、施工单位、监理单位、设计单位业务工作，达到提高工程建设质量、节约投资和缩短工期的目的，从而获得较高的经济效益。
电厂的工程建设和施工过程中,将产生有关设备、物资、质量、施工、图纸资料、财务、厂家、人员等方面的大量数字化信息,这些信息对电厂的生产运行、设备检修维护、物资采购等是非常有用的。因此，对这些数字化信息，需要作进一步的整理归类，并zui终提交到生产运行信息系统的数据库中，完成建设阶段管理信息的数字移交。
4.2项目管理软件P3的应用
项目管理软件P3,与电厂基建MIS共享网络平台，实现电厂建设工程的进度管理。P3可以将资源、进度、资源限量和资源平衡很好地结合起来，进而在充分结合施工承包商的材料、机械、人力等资源和费用的基础上,基于要完成的实物量、工程量制定出定量的、切实可行的、科学合理的进度计划并予以动态管理，以在必要时通过协商和确定对计划作出相应的调整,从而能够在降低成本的同时确保工程的施工质量、实现有序的安全施工、并促进项目管理水平的提高。
4.3数字化采购
设计单位通过数字化移交平台为业主提供数字化采购支持。
通过数字化移交平台,在产品询价阶段,业主可以获得设计单位提供的建设电厂所需的设备和元件的技术规范书,指导业主按照设计需求向各厂家询价；在合同签订阶段，业主可以获得设计单位提供的准确的设备及零部件具体型号和数量,便于合同的签订，减少浪费。
5数字化移交
在设计、采购、建设阶段所形成的工程信息和数据，以数字化方式，借助数字化移交平台分阶段进行移交,以满足各阶段间相互的业务需求。
5.1数字化移交方式
（1）设计向采购的数字化移交:这是设计阶段为保证设备、材料采购的技术经济性、保证设备性能指标的先进性向采购环节提交充分、完备的数字化文件；
（2）设计向建设的数字化移交:这是设计单位向施工单位提交施工图、施工技术说明书等分阶段的各类文件，以保证施工技术要求和施工进度要求；
（3）采购向建设的数字化移交:这是设备、材料的采购环节向负责施工、安装、调试运行的各单位提交设备、材料及技术文件资料的細数字化文件；
（4）建设向运行的数字化移交:这是zui终数字化移交。它是标准化、规范化的移交,也是数字化的全面移交。
5.2数字化移交内容
数字化电厂移交的内容主要由工程文件、工程模型、工程数据。
5.2.1工程文件
工程文件共包括五类电子文件：
⑴设计文件
是指工程设计中各设计阶段编制的文字资料，包括各种技术报告、技术规范书、说明书和图纸。覆盖工艺及机械、仪控、电气、土建等专业
（2）设备文件
是指供应商提供的与供货内容相关的文字资料和图纸,包括计算书、数据表、材料表、规范书、图纸和操作手册及维修手册、备品备件清单、质量保证书等。可分为设备出厂资料、设备进口资料、设备台账和备品、备件资料。
（3）采购文件
采购文件包括设备请购单、设备招标书、设备投标书、设备评标文件、设备采购合同、设备运输及收货验收记录等，以及与设备采购相关的代码等信息。
⑷安装调试文件
安装调试文件记录电厂主要设备安装调试过程及相关数据，一般包括启动调试大纲,试验方案措施，启动试运行指挥部文件、命令、纪要、记录等,试运行交接班记录和运行记录,试运行阶段缺陷、故障分析记录与事故处理意见。
（5）工程竣工文件
工程唆工文件包括《火电机组达标投产考核标准》规定中列出的12项分类文件和工程竣工结算文件。
5.2.2工程模型
工程模型是使用专门的三维数字化设计软件建立的工程三维模型，主要包括：主厂房三维模型和厂区的地下管道模型，包括管道模型、烟风道模型、阀门模型、设备模型、主厂房结构模型、主厂房模型、封闭母线模型、共箱母线模型、电缆桥架模型等。
5.2.3工程数据
⑴设计数据
管道：名称、管径、材质、保温等数据；
设备:名称、KKS编码、设备规范、制造厂等数据；
重要阀门（电动门、气动门、调节阀等）：名称、KKS编码、压力等级、公称通径等数据。
（2）标识及编码数据
电厂标识系统（KKS）：工艺专业到设备和重要部件级、电气专业与热控专业到控制盘柜级、土建专业到主要建构筑物、信息设备至盘柜及主要设备级。
重点物资编码系统:全部设备物资编码，包括阀门、管道、电缆等主要设备和备品备件；含有KKS编码和物资编码的设计内容表单。
其他标准编码系统：电厂数字化运行管理所使用、符合国家相关标准的各类信息代码。
自用编码系统：生产技术、生产管理、安监与环保、财务资金等信息类代码，固定资产分类、燃料等信息类代码,劳资人事、科技档案、办公事务等类信息代码,职工、部门班组、行政后勤等类信息代码。
（3）建设管理数据
工程建设管理过程中，在该系统里积累了大量建设管理数据,是了解、掌握电厂建设全部过程的丰富数据资源。
6数字化运行平台建设
6.1现场总线技术
现场总线技术（FCS）是一种全开放、全数字、全分散的新型控制技术,它实现了现场级设备的数字化、网络化，其根本出发点是让电厂工艺流程的现场设备信息均实现数字化，特别是来自基层控制级的信息可以及时、准确地传送给生产管理系统，是真正意义上的数字化电厂的基石。大量现场级设备数字化状态信号传输至数字化控制系统,这不仅可以做到变“设备故障检修”为“设备状态维护”，更重要的是,大量的现场实时信息为管理决策提供了基础和依据。
现场总线在全厂范围内的推广应用可以促进电厂基础单元的全面智能化和数字化,大幅度提高设备状态管理水平和运行设备的安全可靠性,减少运行维护工作量、降低运行成本。有效的加快工程进度、降低工程总投资。
6.2智能保护与智能安防
6.2.1智能保护
热工控制系统的继电器接点、逻辑开关、变送器、执行器、一次元件等，由于产品质量、环境影响、运行时间、管理维护等因素,客观上就容易出现故障。通过提髙保护系统冗余度，引入冗余信号、避免单点故障引起跳机。对单点信号保护逻辑，尽可能采用信号三取二选择逻辑。对进入保护联锁系统的模拟量信号，合理设置变化速率保护、延时时间，以及缩小量程来提高坏值信号剔除作用等故障诊断功能，设置保护联锁信号坏值切除与报警逻辑，减少或消除故障引起信号突变而导致的系统故障。
在现场设备数字化基础上，完善设备状态管理功能，引人相应的故障诊断、锅炉寿命在线监测及管理、以及在汽机和大型转动辅机上采用振动分析系统（VMS）等专家系统实现智能事故预测预控，切实提高机组运行的可靠性,确保安运行。
6.2.2智能安防
采用物联网技术的智能周界安防系统和采用数字化的视频监控系统,实现电厂安全防护的智能化数字化。
电厂的安防系统包括视频监控系统、周界防范系统、巡更系统、门禁系统四个主要部分。安防系统采用数字化和智能化的前端监控检测设备，通过网络传输图像和数据，保证了监控画面的品质，提高了信号的及时性和准确性,通过网络互联,将安防信息及时传送给监控系统和生产管理系统,实现各子系统联动，为运行设备的安全运行及电厂的安全保卫提供了更好的保障。
6.3APS技术
APS系统实质上是对电厂运行规程的程序化,使机组按照规定的程序进行设备的启停操作，它的应用保证了机组主、辅机设备的启停过程严格遵守运行规程，大大简化了操作人员的工作，减少了出现误操作的可能,提高了机组运行的安全可靠性,同时也缩短了机组启动时间,提髙了机组的经济效益，为减少运行人员提供了有力技术保障。
APS系统的应用既是对主设备运行规范优化的过程，也是对控制系统优化的过程。它不但要求自动控制策略要更加完善和成熟,机组运行参数及工艺准确详实，而且对设备的管理水平也提出了更高的要求。快速准确的机组启动可以缩短机组启、停设备时间，优化的控制策略可以降低启停过程中的煤耗和油耗，提高机组运行经济效益。
6.4数字化升压站控制系统
数字化升压站控制系统以一次设备信息数字化、二次设备网络化和统一的信息平台为基础，通过采用先进的传感器、电子、信息、通信、控制、人工智能等技术,实现升压站设备的远程监控、程序化自动运行控制、设备状态检修、运行状态自适应、智能分析决策、网络故障后的自动重构以及与调度中心信息的灵活交互等功能,实现一、二次设备监控的数字化、运行管理的数字化。
数字化升压站控制系统通过站控层与其他系统通讯,实现数据共享，此外还设置有与电厂生产管理系统的通讯接口，从而使升压站控制系统与整个数字化电厂信息系统实现无缝连接，帮助电厂业主、集团公司了解和统计电厂的运行状况,更好的设定电厂的生产计划，能更好的规范电厂的生产工作,提高电厂的数字化水平。
7数字化管理平台建设
建立全厂统一的以万兆以太网为主干的电厂局域网,面向过程数据的实时数据库和面向管理数据的关系数据库，在实时数据库和关系数据库数据基础上通过数据挖掘构建面向电厂管理的数据仓库，在统一的网络和数据平台上构建全厂的数字化管理平台，实现电厂全面的数字化管理（管控一体化）。
管控一体化解决方案是从电厂的生产和经营目标出发，为电厂的管理业务和运转流程提供信息化支撑的系统集合，它综合了电厂的过程控制、厂级监控、管理信息的数据，将人、财、物有机的组织成有序互动的整体，以计划、实现、检査和调整的广义闭环思想使整个组织具有自优化的能力，为实现组织目标的zui大化服务，并提供实现值班先进理念的技术平台。
管控一体化解决方案管理全厂的过程控制级数据,厂级监控层数据和管理信息层数据。从数据的来源和特性上，可以很清晰地将三层数据分解成三个范畴，控制系统（DCS）、厂级监控信息系统、管理信息系统。DCS完成的是生产流程的实时监控,厂级监控信息系统完成的是厂级实时管理和优化,管理信息系统完成的是管理业务的信息流转和流程优化。
常规的管控一体化是将生产现场的各种实时数据与管理信息相融合，为电厂全面实现信息化奠定数据基础。但仅仅有了数据基础,并不是完全意义上的管控一体化系统，管控一体化系统不仅要求实时数据与管理信息的融合，而且要求管理优化过程与控制优化过程的融合。三层数据结构及相关的信息化产品只是构成了管控一体化系统的横向架构,为了发挥更大的作用，在横向架构的基础上，还需要数据和功能融合的纵向架构。在纵向架构中,三层数据的互连是基础功能，而以完成生产和经营目标为核心的管理流程和生产控制的优化才是管控一体化系统纵向架构的主干。
因此，针对基建投资少，生产运行效率高,故障损失少，运行、检修等管理费用低,上网电量尽可能多,上网电价尽可能高等目标的管理流程和生产控制的优化解决方案，就成了火电厂管控一体化解决方案的区别于一般信息化产品的主要特征。至于DCS、厂级监控信息系统、管理信息系统则是在解决这些问题过程中使用到的信息化模块,而计算机网络、数据安全和隔离技术、模型仿真技术、实时数据库、工作流技术、管理业务开发平台等技术在管控一体化解决方案中则是这些信息化软件产品的技术支撑。按照这样的原则,电厂管控一体化系统从纵向上分解为四个方面：生产管理、资产管理、经营管理、行政管理。
生产管理以生产运行效率髙，故障损失少,运行、检修管理费用低为目标。生产管理包括运行管理、运行优化、运行评价、安全管理、培训管理等功能,涵盖了厂级监控信息系统、管理信息系统的生产相关功能的范畴,将各个层面的数据和功能按生产管理的要求进行汇总和连接，形成的一套综合的动态管理系统。
资产管理是在资产密集型企业中，围绕资产从设计采购、安装调试、运行管理到转让报废的全生命周期，运用现代信息技术（IT）提高资产的运行可靠性与使用价值,降低维护与维修成本，提升企业管理水平与人员素养,加强资产密集型企业核心竞争力的一套系统。资产管理包括管理信息系统中的设备管理、检修管理、物资管理的功能,并与厂级监控信息系统中的设备相关实时数据相连接，在目前的装备技术条件下，能够大大提高火电厂设备的利用价值。
经营管理以综合计划管理为主线、以全面预算和成本管理为核心，提高实时成本计算速度,满足商业化运营管理需求。通过对实时生产成本的运算，使得报价更加准确和及时，以达到降低成本，提高收益的目的。经营管理包括计划管理、燃料管理、成本管理等,并与生产管理中的运行优化和资产管理中的物资管理密切相关。
行政管理主要是办公自动化层面的概念,通过有效的资源共享和信息交流、发布,达到提高个人工作效率、降低劳动强度、减少重复劳动的目的。它强调协同工作和知识共享,统一管理整个信息化过程的人机互动,为电厂经营管理目标提供支持。
这四部分功能，也不是平行并列的关系。生产管理和资产管理是电厂的两个业务主干；经营管理是电厂所有工作的主线，生产管理和资产管理的从经营管理中取得目标和要求,向经营管理提供业绩指标的参数；而行政管理为所有的信息化功能提供协同和知识平台，是所有人员与信息化系统的交互接口。
由此可见,管控一体化解决方案是基于全厂数字化管理平台的技术整合产物，在互通互连的全厂数据平台上,将各个层面的数据和功能进行重组,以满足值班和生产经营管理的需要。
8结束语
随着计算机网络技术、自动控制技术和信息技术的日益发展，数字化电厂的三维设计技术、现场总线技术（FCS）、APS控制技术、现场设备智能化技术和信息集成技术的日益成熟,设计和建设一个投资更少、运行更安全，维护成本更低的数字化电厂已成为各大发电集团追求的主要目标。
