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智能发电关键技术与工程应用

来源:能源研究通讯

日前,中国能源研究会智能发电专业委员会主任委员刘吉臻院士在“智能发电技术论坛上”做了《智能发电关键技术与工程应用》专题报告。

智能发电是与人工智能紧密相连的。人工智能的概念提于1956年由约翰·麦肯锡、马文·明斯基等一批科学家在美国达特茅斯学院研讨“如何用机器模拟人的智能”时提出的。机械化是用机器的动力代替了人的力量,那么人的脑功能能不能也用机器来代替呢?这就是“人工智能”最早的形成过程。目的就是将类人智能拓展到人体之外的生产生活各个领域,这就是人工智能。放在工业革命的范畴当中,如果说第一次工业革命、第二次工业革命、第三次工业革命都是在拓展人的体能、动力,而第四次工业革命一个主要的内涵就是人工智能,就是拓展人的智慧,具体的表现形式就是做出一种机器能像人一样会看、会听、会说,当然也还会动、会思考、会学习。再加上超人的体力和动力,可以想象会是什么样子。

那么现在人工智能都在做什么呢?图像识别、文字识别、状态识别、语音识别、机器翻译、语音合成、人机对话等,都已经取得重要进展。大概十几年前,我在西雅图微软会见一位人工智能科学家,他做的就是人机对话,我说你的人机对话将来会是什么样的?他说十年以后,当我们和机器对话,就像公园里两个情人聊天一样的愉快,我还在期待。现在机器翻译的准确率已经非常高,还有自动驾驶、人机对弈、医疗诊断、智能生产等。智能生产是我一会儿要讲的。我觉得现在智能的概念在泛化,可以说智能是个筐,什么都往里装,在一些领域出现了很多谬误。但原本什么才叫智能?如果把传统的科学技术也说成是智能,对我们的学科发展是不利的。

面对人工智能的发展,国际竞争已经进入了白热化,美国2016年人工智能机器学习委员会发布了战略规划;2018年5月,特朗普政府成立了AI专门委员会,欧盟委员会提交了《欧洲人工智能》报告;2018年12月,欧盟委员会及其成员国发布主题为“人工智能欧洲造”的《人工智能协调计划》。日本2016年提出“社会5.0”战略,将人工智能作为实现超智能社会的核心,并设立“人工智能战略会议”进行国家层面的综合管理。美欧日本政府在行动,更主要的还是企业和学界在行动。我们在中国制造2025计划当中也明确提出要促进工业互联网、云计算、大数据在企业研发设计、生产制造、经营管理、销售服务等全流程和全产业链的综合集成应用。

大家看到,中国制造2025是针对生产、针对工业的,和我之前说的有不同的侧重点。在国务院“互联网+”行动指导意见里也鼓励能源企业运用大数据、智能化技术对设备状态、电能负载等数据进行分析挖掘与预测,开展精准调度、故障判断和预测性维护。《新一代人工智能发展规划》提出,要加强智能工厂关键技术的应用示范,实现生产设备网络化、生产数据可视化、生产过程透明化、生产现场无人化,提升工厂运营管理智能化水平。

我国政府也在强力的推进。在新一代人工智领域要抢抓重大机遇、发挥我们国家人工智能的优势,或者说不至于在新一轮的竞争当中再一次落后。我们的目标是到2020年,达到与世界先进水平同步,要成为新的经济增长点,改善民生的新途径;到2025年,部分基础理论实现重大突破,部分技术与应用达到世界先进水平,产业升级和经济转型成为主要动力。

中国工程院的老院长徐匡迪院士提出了一个问题:中国有多少数学家投入到了人工智能的基础算法研究中?也就是徐匡迪之问。其核心思想就是我们要重视人工智能基础理论的研究,要请数学家来加入到人工智能理论研究中来。今天我也大胆讲一句,到2025年的时候,我们在发电厂智能化方面要达到世界领先水平。国家的重视,世界的竞争,人工智能在很多领域已经见到了曙光,已经看到了成效。而大家最熟知的就是AlphaGo在棋类比赛中,机器战胜了人类;波士顿Dynamics的狗形机器,也已经非常了不起了。

在世界很多国家,由机器人组成的军团、联队、特种战队已不是科幻,而已经是客观存在了,我国在这方面也在研究。在工业应用方面,我们已经看到智能驾驶、智能制造,进入到现代化工厂、无人工厂,大量的机械手和机器人已经比比皆是。智能安防、智能交通、智能医疗,这些东西走进了我们的生活。最后我们说智能电力。

电力是工业生产的范畴,2003年美国能源部启动“智能电网”建设项目,2009年奥巴马总统将“智能电网”提升为美国国家战略。智能电网至今仍然是我国智能电力的重要方面。在智能电网近20年的发展过程当中,出现了多种多样的描述与定义,但极少涉及到发电的内容。智能电网英文名称为Smart Grid,大家以为就是电网,或者是用户端。然而我们说发电在电力当中,应该占有极为重要的地位。发电是什么,power generation,它是基于不同物理化学过程的能源转换,也就是由一种能源转换成电能。而这种转换的机理不同,装备不同,规模不同,是一个极其纷繁复杂而且在不断进步的科学技术工程领域。

因此我们说应当予以凸显,提出关于智能发电的概念。智能发电是以发电过程的数字化、自动化、信息化、标准化为基础,以管控一体化、大数据、云计算、物联网为平台,集成智能传感与执行,智能控制与优化,智能管理与决策等技术,形成一种具备自学习、自适应、自趋优、自恢复、自组织的智能发电运行控制管理模式,实现更加安全高效清洁低碳灵活的生产目标。

在提出这个概念之后,我们就要付诸行动。2016年7月,我们和原国电集团,经过认真的筹备,正式成立了智能发电协同创新中心,就是要致力于智能发电基础理论研究与关键技术开发。

2016年,在能源局的大力支持下,将智能发电正式写入《电力发展十三五规划》中:“发展智能发电技术,开展发电过程智能化检测、控制技术研究与智能仪表控制系统装备研发,攻关发电机组先进运行控制技术与示范应用。”

2018年成立中国能源研究会智能发电专委会,秘书处挂靠在国电新能源技术研究院。几年来,围绕智能发电理论技术体系建设,我和团队在媒体和重要刊物上发表了相关研究成果,起草发布了国家能源集团智能发电建设指导意见与智能发电技术规范,推动国家能源集团智能发电建设的全面开展。同时也得到了国家、北京市有关部门的大力支持,启动了一批理论技术攻关和工程应用研究课题。特别感到欣慰的是,我们有众多的企业、研究单位、高校都投身其中,大家都做了非常有价值的工作。

关于关键技术,我们一起回顾一下现在的发电厂自动化系统。在微处理器、计算机网络、控制技术及显示技术发展的基础上,美国Honeywell公司于1975年推出世界第一套分散控制系统(DCS)TDC2000,使过去基于集成电路的控制仪表控制系统转变为基于计算机网络的控制系统。四十多年过去了,DCS在工业控制中发挥了巨大作用。我国DCS经历了全面依赖进口、自主化研发、跻身世界先进行列的发展历程,并创新提出火电厂DCS+SIS+MIS的运行控制管理模式。其中监控信息系统(SIS)最早由我国热工控制专家侯子良先生提出,研发成功以后获得推广应用,形成了行业技术规范。我们现在所谈的智能发电,是在这个基础之上,演变为另外一种架构,其核心是智能运行控制系统(ICS)和智能公共服务系统(ISS)。智能运行控制系统包括智能检测、智能控制和运行监控;公共服务系统主要用于智能安全、智能管理、智能服务。

两个系统建立相互独立的网络,通过严密的信息安全防护系统实现安全可靠的信息交换,并与大数据、云平台相融合。因此我们可以理解为,智能发电的系统结构由三大部分组成:ICS,ISS和信息安全防护。

为什么要重新规划设计这个系统?因为智能发电还是新生事物,有些行动已经走在了理论的前面,一些电厂把智能安防、智能安全帽、机器人巡检、无人机巡回都和在线实时的工业控制系统产生了一些混淆,造成边界的模糊不清。如果不加以及时的厘清,很有可能带来实时控制系统、基础生产运行设备的安全隐患。另外我们一刻也不能忘记,工业过程不是自己家里的扫地机器人。能源电力是国家经济的命脉,生产设备系统运行的安全永远是第一位的,网络信息系统的安全设计始终是重中之重,通过主动防御、边界防护、集中监管提高智能控制系统的安全水平。另外就是构建一个高开放度的系统平台。

在底层控制层面,通过高级应用控制器扩展智能算法,并实现算法容器与算法封装;在上层控制层面,通过高级应用服务器实现第三方软件模块的无缝集成。有了系统平台以后,核心的智能是什么?简单来讲我想是这几条。

一是智能检测。除大量常规运行参数之外,还有涉及到机组安全、经济、环保运行的状态参数需要及时、准确的在线检测。我们已经做过的工作表明,软测量技术对解决状态参数测不到、测不准问题十分有效。通过多元信息的融合,构造了循环流化床锅炉即燃碳、锅炉燃烧稳定性等信号,这些信号对运行优化很重要而又无法直接测量。

接下来就是智能控制。智能控制的核心是建立模型,通过在线自学习、强化学习算法以及多目标工况自适应控制策略,不断提高机组运行控制性能,实现多智能体在新能源场站的集群控制。

再一个就是智能诊断。神经网络故障预警、大数据分析案例推理、专家系统报警根源分析等都是智能化方法可以延伸、可以拓展的领域。另外,基于运行工况大数据的相关性分析,以及集成设计、维护、运行数据的三维可视化展示,都有利于提高机组的运行监控水平。

做一个简单的总结,智能发电离不开网络技术、信息技术、控制技术、数据技术,基础理论方面涉及到过程检测与建模,自动控制,人工智能,大数据分析,计算机网络等。也就说我们培养学生,他也首先要掌握这些基础理论。我不赞同人工智能可以速成的说法,要有扎实的基础理论作为支撑。关键技术是智能检测,智能控制,智能诊断,智能监控和优化,另外就是系统的架构,还有就是我们实现的目标。

在国家能源团的部署下,我们从2017年开始对国电东胜电厂两台33万机组做了智能化改造。第一是建立了和原来的DCS、MIS 、SIS完全不同的ICS系统平台,平台装备由国电智深公司生产制造,采用的是我们倡导的智能运行控制系统网络结构。

和过去系统不同,一是嵌入了智能化的控制算法,包括软测量在内的底层智能控制,二是生产数据的广泛收集与高效调用,三是大数据分析优化并直接形成大闭环的监控,把过去SIS的一些功能直接放到ICS当中,突破了SIS只能看不能用的缺憾。第二是在这个系统中,我们设置了三个功能区:智能控制,智能检测,运行监控。比如在控制方面,实现了机组自启停(APS)、基于精准能量平衡的协调控制、基于深度神经网络的故障预警、基于多参数推理的报警根源分析、基于数据深度挖掘的锅炉燃烧优化、基于锅炉效率的氧量定值优化等功能。系统投用以后已经见到了成效。提升了机组的灵活性和变负荷的速率,2017年这两台机组在蒙西电网同等规模的机组考核当中排名第一;通过冷端优化和锅炉燃烧闭环调整使机组经济性进一步提升,降低供电煤耗0.6g/kWh。

 

最后做一个简要的总结,我们必须反复的思考,为什么要实施智能发电,智能发电是什么样子。我想了三句话大家一起讨论。智能发电实现全工况下的智能优化控制,全生命周期的设备检测与管理,驾驶舱式的少人值守运行控制,进而进一步提升发电过程的安全经济性和发电企业的竞争力。当然智能发电必然经历从初级到高级的形态,局部应用到系统的历程,也需要在基础理论工程应用方面取得突破,也需要实现理论技术体制机制的创新,更离不开我们产学研的合作,和大家协力的推进,谢谢各位。