作者：中国能源建设集团有限公司工程研究院  许继刚

          中国电力工程顾问集团有限公司  郑慧莉

1　前言

作为当前我国能源的主要供给方式，火力发电厂的发展趋势是提高化石能源的高效节能、清洁利用与转化，包括超（超）临界机组技术、二次再热技术、燃煤与生物质混烧技术、空冷发电技术、大型循环流化床技术、烟气脱硫脱硝技术等。坚持节能高效、环境友好、多元化发展是我国电力发展的基本方针。加快发电企业的技术进步，提升发电企业的自主创新能力和系统集成能力，提高发电厂自动化水平和竞争能力，是目前我国电力工业发展的切实需求。

作为电厂的大脑和神经系统，电厂控制系统具有举足轻重的地位。电厂控制技术的发展直接关乎到整个电厂的运行效率和管理水平，控制水平的高低是一个电厂竞争能力强弱的直接体现。从最早提及的电厂自动化，到上世纪末期大力推广的电厂信息化，到本世纪初提倡的电厂数字化，直到目前学术界广泛讨论和研究的电厂智能化，甚至有人提出电厂智慧化，电厂控制技术经历了日新月异的快速发展。

本文将针对电厂自动化发展现状和当前各类先进控制技术、信息技术、智能技术的应用前景，对电厂未来的发展趋势和发展方向进行讨论，重点讨论电厂的控制方式与控制水平、控制系统的关键技术以及智能技术在电厂的应用等方面。

2　控制方式

2.1　采用多机一控的控制方式是电厂设计主流

传统的火电厂一般采用单元机组一机一控或两机一控方式，随着国华宁海电厂4×600MW机组和华能玉环4×1000MW机组采用四机一控的成功运行，多机一控已逐渐成为新建工程设计的主流。《大中型火力发电厂设计规范》GB50660-2011（以下简称大火规）明确：单元机组应采用炉、机、电集中控制方式，实现炉机电全能值班运行模式。根据机组的建设规模、自动化水平和电厂实际运行管理模式，宜采用多机一控方式。大火规为火电厂多机一控的发展奠定了基础，并促进了电厂机组控制方式的高度集中。

2.2　辅助车间系统的集中化控制愈来愈成熟

除了机组以外，传统的辅助车间系统一般采用分散独立的控制方式，一个辅助车间系统设置一个独立的控制室。随着2000年示范电厂的推动以及湖南益阳电厂辅助车间集中控制网络的实施，辅助车间开始相对集中到煤、灰、水三个集中控制点。之后大火规明确：辅助车间系统宜按照物理位置相邻或系统性质相近的原则合并控制系统及控制点，辅助车间就地控制点不宜超过水、煤、灰三个。其余辅助车间就地仅需设置供系统调试、启动运行初期、故障和巡检时使用的终端。

随着网络技术的快速发展，辅助车间系统逐步由三个网络向一个网络集中，并形成全厂一个集中控制点。大火规明确：根据电厂预期的自动化水平和管理要求，全厂辅助车间系统可采用集中控制方式，只设置一个集中控制点，实现辅助车间系统全能值班运行模式。辅助车间系统集中控制点可并入机组集中控制室，也可独立设置。该规定明确辅助车间系统与单元机组可以合设一个集中控制室，这意味着电厂的集中控制室已经可以覆盖全厂的所有系统。

2.3　厂级集中监控已经成功应用

通过上述的全厂集中控制室，已经可以实现电厂从燃料进场、机组发电以及灰渣处理的全过程控制。但是，当前的绝大多数集中控制室只是解决了物理层面的集中控制，还未能实现全厂的真正统一监控。虽然同处一个集中控制室，但值班运行人员是相互分离的，即使实现了炉机电全能值班运行模式，一组全能值班员也只能管理一套单元机组。如果是四机一控加上全厂辅助车间集中控制，就意味着集中控制室里仍然有五组全能值班人员，即四套机组的全能值班人员和一套辅助车间系统全能值班人员。

随着计算机技术、网络技术、信息技术和通讯技术的快速发展，未来电厂还有进一步提高控制集中度的发展空间。第一个发展空间：在机组控制网络和全厂辅助车间控制网络上面形成全厂集中控制网络，实现全厂多机组以及全部辅助车间的统一监控，即通过全厂的厂级自动化网络，真正实现全厂所有机组和辅助车间系统的统一监控。

目前绝大多数电厂都设置了厂级监控信息系统（SIS），SIS的功能主要包括厂级实时数据采集与监视，厂级性能计算与分析。在电网明确有非直调方式且应用软件成熟的前提下，可以设置负荷调度分配功能。设备故障诊断功能、寿命管理功能、系统优化功能等其它功能应根据火力发电厂上级主管单位要求，并结合发电厂实际情况后再研究确定。

SIS是一个厂级信息监控系统，目前国内应用唯一的控制功能就是负荷调度分配功能。为了保证机组分散控制系统（DCS）的安全可靠性，SIS与DCS之间设有防火墙，DCS数据可以向上传输至SIS，但SIS的数据不能直接下传到DCS，负荷调度指令一般是通过硬接线方式与DCS联结。

西南电力设计院在神华重庆万州2×1000MW机组的设计中，尝试设计了厂级DCS，厂级DCS是建立在机组DCS以及辅助车间系统网络之上的厂级自动化系统，该自动化系统网络设置了三台全功能操作员站和两台工程师站，值班员可以通过操作员站对两台机组和辅助车间系统进行集中控制。做到了炉机电+辅助车间的全能监控。系统还预留了扩建2×1000MW机组的接口，为真正实现多台机组以及辅助车间系统的统一监控奠定了基础。

设计厂级自动化系统以后，将重新划分厂级控制系统、SIS和MIS的网络关系，传统意义上的SIS将转型升级为厂级控制系统，当前SIS中与实时控制有关的功能将转移到厂级控制系统，与管理相关的功能将转移到MIS。当然，设计厂级自动化系统的前提是电网调度必须调厂而不是直接调机组。

2.4　多厂远程集控将是未来发展方向

随着机组自动化水平和管理水平的不断提高，随着厂级自动化系统的逐渐推广与成熟，尤其是随着智能电网与智慧城市的建设，今后电厂的集中控制将更上一层楼。未来我国在陕西、新疆、山西、内蒙等地区将建设大型煤电基地，同一区域或同一发电集团多个电厂的统一集中控制将是未来发展的方向。为了区域电网的平衡以及节能减排的需要，火电、水电、核电与新能源发电的多能互补是国家未来发电建设的重点，多个不同类型发电厂的集中控制也是未来研究的重要课题。

3　控制系统

3.1　基于现场总线的DCS已规模化应用

我国的电厂机组控制系统一般采用DCS。当技术经济论证合理时，也可采用基于现场总线的DCS，在现场仪表和设备层采用现场总线技术。目前较大范围应用现场总线技术并取得成功经验的电厂主要有：华能金陵电厂二期2×1000MW机组工程，华能九台电厂2×600MW机组工程，华能秦岭电厂1×600MW机组工程，国电肇庆热电公司2×350MW机组工程等。

以华能金陵二期2×1000MW机组工程为例，该工程通过招标确定DCS选用西门子SPPA-T3000系统，选用的总线协议标准为Profibus-DP及Profibus-PA。该工程在电厂主工艺系统中大范围采用了现场总线技术，但从机组安全、回路响应速度和技术经济各方面综合分析，以下系统仍采用成熟的常规控制方式：

（1）对机组安全运行至关重要且回路处理速度要求高的锅炉炉膛安全监控系统（FSSS）中涉及锅炉本体保护的部分、汽机数字电液控制系统（DEH）中涉及转速、应力和负荷控制部分、汽机危机遮断系统（ETS）、给水泵汽机电液调节系统（MEH）、给水泵汽机紧急跳闸系统（METS）以及旁路控制系统（BPC）。

（2）机组事故顺序记录（SOE）要求有1ms的分辨率，为保证SOE的分辨率，仍采用专用SOE卡。

（3）锅炉吹灰控制、循泵房、燃油泵房控制采用常规的DCS远程I/O站。

（4）现场相对集中的温度测点如炉膛壁温、汽机和发电机本体温度等测点，采用国产智能前端设备接入DCS。

现场总线技术在华能金陵电厂等多个项目的成功应用，证明基于现场总线的DCS是可靠的，检测控制回路的响应速度能满足系统运行的要求。因此，在电厂中除重要的保护调节回路外大范围应用现场总线控制技术是可行的。应用现场总线技术，在项目建设期能加快施工及调试进度，工程造价也与采用常规技术基本相当，项目采用现场总线技术的范围和规模越大，其经济效益越明显。在电厂整个生命周期中，利用现场总线的技术优势，运行、维护等管理费用可进一步降低。对于老厂改造，尤其是需要更换电缆及现场仪表的老厂改造工程，更具备减少施工安装费用及减少施工安装时间的优势。

3.2　机组自启停愈来愈受到关注

目前机组顺序控制是按照驱动级、子功能组级、功能组级三级水平进行设计的，600MW级以上容量的机组可根据实际需要设置带断点的机组级顺序控制功能。随着国产机组可控性的不断提高，600MW级以上容量的新建机组大部分都设计了机组级顺序控制功能，即机组自启停系统（APS）。如上海外高桥2×900MW机组、华能玉环电厂4×1000MW机组、国电泰州电厂2×1000MW机组、国电双鸭山电厂2×600MW机组、阳城二期工程2×600MW机组、华能鹤岗三期2×900MW机组、浙江国华宁海2×1000MW机组、国华台山2×600MW机组、国华黄骅2×600MW机组、华润常熟3×600M机组、山东黄岛2×600MW、华能海门电厂2×1000MW机组等。

华能海门电厂2×1000MW机组是国产百万超超临界机组实现APS成功运行的典型案例，该机组设计了6个启动断点，分别是：机组启动准备断点、冷态冲洗断点、锅炉点火及升温断点、汽机冲转断点、并网及初始负荷断点、升负荷断点。该机组同时设计了3个停机断点，分别是：降负荷断点、机组解列断点、燃烧器停运断点。

国电泰州电厂二期工程2×1000MW机组是国内首次采用二次再热的机组，该机组设计的APS为后续的大量工程树立了样板。该机组设计了8个启动断点，分别是：启动准备、上水准备、上水清洗、点火升温、汽机冲转、自动并网、升负荷1、升负荷2 。该机组同时设计了3个停机断点，分别是：降负荷断点A、降负荷断点B、机组解列。

应用APS功能可以提高电厂自动化水平，大大减轻运行人员工作强度，规范机组启停操作标准程序，减少误操作，减少人为因素造成的损失，提高机组运行的安全可靠性。同时也可以缩短机组启停时间，达到电网对大机组深度调峰的要求，提高机组的运行效率。因此，机组APS可以给电厂带来不可估量的经济效益和社会效益。

3.3　优化控制系统是节能减排的有效手段

进入21世纪以来，西门子、艾默生、ABB等不少著名的国际控制公司相继在中国推广其具有特色的机组优化控制系统，国华内蒙古准格尔电厂、华能扬州二电厂、国华定州电厂、国华台山电厂、天津杨柳青电厂、山东德州电厂、河北黄骅电厂、外高桥电厂三期等工程对凝结水节流、锅炉燃烧优化、主蒸汽温度优化等优化控制模块都有不同程度的应用。以国华宁海电厂4×600MW机组工程为例，该工程选用了西门子优化控制软件PROFI中的机组协调控制和温度控制优化模块。通过PROFI中的精确模型控制和自适应算法，使得机组能够以高达4％的速度进行升降负荷，解决了机组协调时负荷升降速度较慢的问题。另外，机组在稳态和变负荷时，水、煤、风运行平滑，控制偏差小，汽温超温现象也大大减少。同时可以保持压力设定点最优，减少了机组的节流。

虽然进口的优化控制系统可以大大提高机组的节能减排效果，但由于价格昂贵，一直未能大范围推广。近几年，国内的高校与科研院所纷纷自主开发了具有自主知识产权的优化控制系统，系统采用先进的优化模型和高级算法，针对不同的工艺系统进行优化，取得了良好的节能减排效果。比较成功的有：浙江电力科学研究院研发的电站热工优化控制平台（TOP），华北电力科学研究院研发的提高机组调峰性能热控整体优化方案，云南电力科学研究院研发的厂网协调优化系统，神华国华研究院研发的电网两个细则实施条件下的控制回路优化，华中科技大学开发的混煤全程优化控制系统，华北电力大学开发的优化控制平台等等。以上系统均在一些电厂取得成功应用，并通过了政府部门和有关专业学会的成果鉴定或技术评审。

优化控制系统既可以针对特定的工艺系统如燃烧系统、给水系统、汽温系统等进行优化，也可以针对机炉协调等进行整体优化，不仅能够提高调节品质、改善控制精度，还可以提高机组的运行效率、减少机组的排放，是电厂节能减排的有效手段。

3.4　安全相关系统逐步得到规范

大火规明确：火力发电厂锅炉和汽轮机的跳闸保护系统可采用电子逻辑系统或继电器硬逻辑系统，系统宜采用经认证的、SIL3级及以上的安全相关系统。安全相关系统应符合现行国家标准《电气/电子/可编程电子安全相关系统的功能安全》GB/T20438和《过程工业领域安全仪表系统的功能安全》GB/T21109的有关规定。随着大火规的实施，我国一些电厂开始在锅炉FSSS和汽机ETS中应用，大力促进了我国电厂安全仪表的应用，提高了我国机组的安全水平。

以河北沙河2×600MW机组为例，该项目在ETS中采用了符合SIL3级的安全系统，从就地仪表、输入卡件、控制器、输出卡件到执行设备全部按照三取二的要求进行设计。虽然系统设计复杂，但却大大提高了保护的安全性。众所周知，一旦危及电厂安全的事故发生，安全仪表可以实施自动报警，使各运转系统及时停止，保护设备免受损失，保护人员免受伤害，从而也把电厂损失减少到最小限度。　

4　智能技术

4.1　大数据已在发电集团公司发力

大数据和云平台技术的发展为电厂的集团化管理创造了条件，也为电厂运行管理水平的持续提高奠定了良好基础。将云平台作为服务端，充分利用已经建成电厂的运行数据，建成大规模的数据库，通过对同类型数据的分析、比对，对不同类型数据之间的关系分解，及时发现问题并找到解决问题的手段，无疑是一种非常有效的管理提升手段。

目前神华国华电力公司、广东粤电公司等正在开发火电机组运行维护的大数据平台。国电集团公司也于近期科研立项，组织相关单位着手研发火电机组运行维护的大数据平台，范围包括国电集团所属的全部火电厂。

神华国华电力公司正在建设的“一横一纵三层次”设备管理信息库已经初具规模，发挥了良好的效益。该公司将所属电厂中75 类重要设备的全部相关信息集中采集和处理。“一横”是指集成某一单体设备数据，实现同类型设备信息及知识经验的电厂间横向交流共享，实现信息系统集成，打通信息孤岛。“一纵”是指集成某类设备数据，实现公司、国华电力研究院和电厂上下贯通的设备数据库。“三层次”是：一层为设备数据库入口导航，二层是针对公司同类设备的集合比较，三层则围绕设备精细化管理，做实设备基础数据，在不同层面支持设备现场分析和专家分析，提升设备管理的科学性。

将大数据与云平台技术应用到发电集团公司，为电厂的提质增效、节能减排提供技术支撑，有着无比广阔的发展前景。

4.2　VR技术开始融入电厂仿真

虚拟现实（VR）技术综合了计算机图形技术、计算机仿真技术、传感器技术、显示技术等多种科学技术，它在多维信息空间上创建一个虚拟信息环境，能使用户具有身临其境的沉浸感，具有完善的与环境交互作用的能力，并有助于启发构思。将VR技术应用到电厂的仿真系统，配合可视化穿戴设备，可以为电厂运行人员提供如临其境的培训。

VR技术虽然还未进入燃煤电厂，但已经在燃机电厂得到成功应用。京能高安屯燃气电厂是成功应用VR技术的典型项目。该项目为一套845MW “二拖一”燃气－蒸汽联合循环热电联产机组，利用VR技术开发了一套三维仿真培训系统，该系统模拟燃气-蒸汽联合循环机组发电的三维空间，仿真电厂各个系统的运行机理和运行流程，为电厂运行人员培训提供了良好的手段。

VR技术除了用于仿真培训外，还可以结合三维模拟系统开发出更多的功能。今后与DCS进行联网，不仅可以实现在线仿真，还可以进行故障诊断、事故判断，甚至可以进行在线预测。

4.3　视频监控向智能化发展

从最早的炉膛火焰电视、汽包水位电视到后来出现的视频监控系统，集中控制室的视频监视屏幕越来越多，发挥的作用也越来越大。未来的视频监控会怎样发展呢？一方面，从应用范围上来说，视频监控将向全景化发展；另一方面，从视频监控的应用深度来说，将向智能化发展。

视频监控系统在厂区的周边和厂区内的重要部位安装了摄像头，但仍然存在以下两个方面的主要问题：一是摄像头布置在重要区域，没有覆盖全厂；二是摄像发现的问题要靠值班人员发现才能处理。如果摄像头能够覆盖全厂，并且通过智能化处理能够自动发现问题并报警，则将发挥更重要的作用。

另外，对于一些关键设备来说，通过透视其内部运行状况，可以及时发现问题并避免事故。比如锅炉炉膛，目前正在开发可以在线监控燃烧状况的可视系统，将炉膛内部的运行情况变得一清二楚，将设备变得透明化是将来研发的焦点。

4.4　机器人已登上电厂舞台

随着机器人技术的日益成熟，电厂一些场所开始应用机器人开展运行维护工作。平常需要人工操作的地方由机器人代替，尤其是那些人工操作困难和条件恶劣的地方。目前电厂已开始使用机器人的场所主要有升压站、电缆沟和凝汽器胶球清洗系统。

升压站的巡检机器人配有专门研发的传感设备，机器人按照特定的程序在站区穿行，将采集到的设备信息传送到运行维护中心进行处理，或自身就完成数据处理，遇到问题进行报警。对于遍布全厂的电缆隧道、电缆桥架和电缆沟而言，采用巡检机器人无疑是解放人工的好途径。另外，特别开发用于火电厂凝汽器胶球清洗的机器人按照设定程序在凝汽器内完成清洗工作，取得了明显的经济效益。

目前机器人在电厂中的应用还仅限于一些简单重复性的劳动，随着机器人智能化程度的不断提高，一些可以胜任更复杂更重要任务的机器人会不断面世，将更多的人力解放出来。

4.5　智能电厂是未来发展目标

当前社会上有关数字化电厂、智能化电厂、智慧化电厂的讨论不绝于耳，但其定义与内涵却没有统一的标准。在此背景下，中国自动化学会发电自动化专业委员会、中国电机工程学会热工自动化专委会、电力行业热工自动化技术委员会联合组织有关单位和行业专家进行了调研，并多次组织对智能电厂最新发展技术和发展方向进行研讨，制定了《智能电厂技术发展纲要》，给出了智能电厂的定义：是指在广泛采用现代数字信息处理和通信技术基础上，集成智能传感与执行、智能控制和管理决策等技术，达到安全、高效、环保运行并与智能电网相互协调的发电厂。

智能电厂体系架构主要包括四个层级，由低到高分别是智能设备层、智能控制层、智能实时生产监管层和智能管理（非实时生产管理和经营管理）层。四层架构各有分工、高度融合，在满足安全的前提下合理组织信息流和指令流。智能电厂的建设过程应包括设计、制造、基建、运行、退役全生命周期。智能电厂的建设目标首先是实现机组安全可靠、经济及环保运行，并能更好地满足电网运行和电力用户需求，另外就是要提高效率、增加灵活性、提高智能化水平。

5　结束语

本文针对电厂自动化的现状与未来进行了讨论，针对电厂的控制方式，主要讨论了机组的控制方式、辅助车间系统的控制方式、厂级自动化和多厂远程集中控制方式。针对电厂的控制系统，主要讨论了基于现场总线的DCS、机组自启停系统、优化控制系统和安全相关系统。针对智能技术在电厂的应用，主要讨论了大数据技术、VR技术、视频监控技术、机器人技术和智能电厂的建设。

除此之外，还有一些新的技术正在电厂得到应用，如无线控制技术已在电厂燃油系统、循环水泵房等区域得到应用。另外还有一些智能技术未来也可能会进入电厂，如利用无人机、无人驾驶汽车进行巡检等。总之，电厂自动化的未来发展目标是将电厂建设成为智能电厂，建设智能电厂的道路任重而道远。

参考文献：

[1] 大中型火力发电厂设计规范GB50660 - 2011 [S]. 北京: 中国计划出版社,2011.

作者简介

许继刚（1964-），男，山东人，博士，新世纪百千万人才工程国家级人选，国务院政府特殊津贴专家。现任中国能源建设集团有限公司工程研究院副院长，兼任电力行业热工自动化与信息标准化委员会副主任、电力行业热工自动化技术委员会副主任、中国自动化学会发电自动化专委会副主任、中国电机工程学会热工自动化专委会副主任、中国仪器仪表学会产品信息工作委员会副主任、中国仪器仪表学会自控工程设计委员会主任。

摘自《自动化博览》2016年9月刊