数字化电厂的概念、现状与应用展望广东省电力设计研究院黄琨摘要：电力行业正在发生着深刻的变化：电力市场化，业务流程重组、管控一体化……新的技术也在不停地涌现，在1000MW级火电项目的设计投标过程中，不少设计院提出了效率更高、成本更低的数字化电厂概念。
本文以设计院的角度，就数字化电厂的概念进行了分析，对其现状进行了调研，并对其在未来的应用前景进行了展望。
关键词：数字化电厂；工程总承包；三维设计技术；信息化；数据整合、电厂生命周期1前言新兴的信息革命正方兴未艾，这项在上个世纪四五十年代产生，曾经被认为只会在军事和科学计算才会有所应用的高新技术，已经席卷了社会中的所有组织，对电力行业的影响也颇深——新的信息技术不断涌现并迅速应用于电力行业中各个企业，如三维设计技术、现场总线控制技术等。
新的技术让电力行业发生了深刻的变化，而在新一轮的大型工程项目建设中，电力行业中各个企业不约而同地提出全新的概念——数字化电厂。
2数字化电厂的概念由于信息革命而引发的数字化电厂研究，其定义从各个角度来看不尽相同，目前的比较多的关于数字化电厂论述继承了经典的DCS控制系统的思想，其概念是要将其它控制系统如输煤程控、化水程控、灰水程控、电气控制等纳入到DCS系统中来，最大限度的实现电厂生产的集中控制，对发电厂的生产过程进行统一调度，达到生产过程可靠稳定、运行人员少、生产能力高的目的，这种概念出现较多，可称之为传统的数字化电厂概念。
图1全新的数字化电厂结构规划图然而若以电厂从设计、采购、施工、建设、调试、运行、培训、检修与维护、改造直至拆除的全盘的角度来思考数字化电厂的概念，站在电厂的整个生命周期的高度上来论述数字化电厂，那么，数字化电厂则包含了更多的内容，其全新的概念应该是：用流程工业的计算机设计系统来设计整个电厂的体系结构，使用可视化的三维设计系统来设计全厂的布置，同时产生的数据与虚拟的三维模型能够方便服务于设计、采购、施工、建设、调试、运行、培训、检修与维护、改造直至拆除等各个阶段的需求，能够在电厂先进控制系统和安全高效的网络平台、数据库平台基础上,基于国际最新的管理理论和信息技术研究成果，整合电厂管控一体化系统，能够服务于ERP管理思想，最大限度利用信息技术对电厂的经营和生产管理系统进行全面地改造与优化，使信息技术与电力工业技术、现代管理技术有机融合,全面提升电厂的生产技术和经营管理水平,增强电力企业在竞争日益激烈的市场中的竞争力。
在这样的定义下，数字化电厂更多的是一个过程，一次管理的全面升级。
在这样的定义下，我院以自身在信息技术的应用水平上，提出了数字化电厂的基本结构，如图1。
3数字化电厂的应用现状3.1传统概念下的数字化电厂在应用运行、检修、经营管理层面上的数字化电厂，国外已经有了成功的实例——德国尼德豪森电厂，尼德豪森电厂 K 机组于2002年12月投入商业运行，是目前全球范围全面采用数字化电厂技术的装机容量最大的机组。
采用了先进的信息技术，给尼德豪森电厂的好处如下：在技术层面上，由于在DCS系统中采用现场总线PROFIBUS，PROFIBUS的屏蔽双绞线和光纤大大提高了系统信号的抗干扰能力，提高了系统整体可靠性；同时现场总线的使用，也使得从热工过程到系统的信号转换环节减少，系统整体精度提高；另外现场总线预制电缆的使用，大大减少了传统手工作业的镙钉端子数量，从而提高了系统的整体安全性。
在运行层面上，由于采用PROFIBUS现场总线系统，系统的监控范围从传统的系统端子排扩展到全厂，真正实现了全厂监控；同时由于可方便采集设备的管理、诊断及维修信息，使系统具有完善有效的设备诊断功能，真正实现现场设备的远程编程和维护，真正实现了全厂数据的集中管理，使设备的状态检修成为可能，提供更多的设备信息使操作和维护得到优化。
在投资层面上，由于采用PROFIBUS现场总线，大幅减少了控制柜的数量，大幅减少了电缆数量和电缆桥架的数量，从而大幅减少了施工和工程的费用。
同时缩短了工程调试周期并减少了维护量，因此减少了项目的综合投资。
3.2全新概念的数字化电厂目前在我们所定义的数字化电厂概念中，在国内尚无成功实施的例子，在此概念中，尚存在许多困难在于信息收集－详细设计－施工－运行这个流程中。
在信息收集阶段，大量数据都汇总于设计院。
提供电厂内使用的设备、材料的厂家多而杂，各类不同的标准并存，这样并不统一的局面导致设计院在进行全厂的三维设计时，其初始投入成本高居不下——设计院必须对各类设备及各类材料等等数据进行整理，通过建立三维模型的同时，将其相关的数据信息纳入至设计院的后台设计数据库中，否则无法建成三维数字全厂模型。
而在设计阶段，同样存在不少问题，如果设计院所设计的全厂三维模型要为运营单位的生产管理、资产管理系统服务，那么目前侧重点仅在服务于全厂布置的建模深度还是远远不够的——因为在电厂的管理中，KKS是其元件的编码规则，三维数字化电厂中的各部件、设备都必须得以设计的KKS编码进行分类与管理，而目前的全厂三维模型，组成元件并没有达到该深度：如泵设备则仅仅细分至单个泵设备。
如果设备厂家不在提供给设计院设备图纸信息的同时提供详细的设备三维模型，而设计院将其中的螺栓螺母等小元件都建立进三维数字化电厂中的话，那么设计院将无法负担将会成几何级数增加的工作量与人力成本，满足工程进度也会存在问题。
在施工阶段，施工单位与设计院并没有在数字化电厂这个层面进行合作，导致出现一个怪现象——双方都建立一套三维数字全厂模型。
施工单位不仅需要花大量时间从设计院的各个专业的图纸整理出来建模所需的资料，还需要重复一次设计院已经完成了的工作。
双方单位缺乏整体的规划导致设计院已经花费了高额成本建立起来三维数字电厂并没有能为施工单位服务。
这对工程的成本来说是一个不必要的增加。
而且到施工单位再重建模型时，往往留下的时间已经比较紧迫，且施工单位匆忙建立起来的模型也没能与基建MIS关联起来，工程实施过程中的安装资料应通过基建MIS系统录入（这些资料包括：安装日期、各阶段验收情况和验收资料、设备的实际规格型号、调试数据、试验数据、设计变更资料等）；同时通过基建MIS系统中读取P3E/C软件的过程进度资料，使整个工程的实施过程通过设计数字化电厂模型动态展示出来，并通过动态展示在安装过程中能够及时发现设计中存在的问题，目前虽然设计院与施工单位的三维软件系统均可实现此功能，但整体应用的实例仍然较少。
施工完成后从试运行至运行阶段，运营单位对设计院提供的三维模型并不重视，基本把三维模型与二维图纸一样归档起来。
运营单位在三维设计及模型的应用上并不熟悉，同时也缺少对三维模型的管理经验，没有很好地利用已经包含丰富数据信息的三维数字模型为生产管理等电厂各信息化系统服务。
总体看设计院、施工单位等各单位的发展，其在工程信息化的发展上虽然采用了大量新的技术，然而信息技术并不是更多的数据、更快的速度或更高的技术，信息技术要求的是信息的整理、信息的管理，信息的分类、信息的流通，而恰恰在这些方面上，各单位都没有给与足够的重视。
因此虽然目前电力行业中硬件水平、网络水平、软件水平都已经不落后于国际水平，但在竞争力上比国际大型公司仍然存在较大的差距，原因就在于此。
4数字化电厂的应用展望4.1数字化电厂建设的难度数字化电厂建设最大的难度在于标准化与规范化。
光是其中一个企业内的信息化系统就已经非常复杂，统一起来非常难，更别说把从施设这个源头开始，一直到拆除这么长的一个阶段了。
因此，需要有管理层的总体的筹划，需要从全局着眼，政府的主导不可缺少的，笔者曾经在考察韩国的工业时，韩国的政府已经着手建立名为：“Component Bank”的数据库，将各厂家均纳入一个统一的标准的数据库中，建立规范的行业标准，对该国工业的积极影响是巨大的。
当一个图书馆需要信息化时，往往很简单，因为只需要程序的开发，图书馆本身的系统已经非常完善，信息化不过是把管理的方式升级成为电脑而已，而在建设数字化电厂，大多涉及的是不够规范的管理工作，需要对原有的工作方式进行规范和整理，否则，不仅不能发挥应有的作用，反而由于各个系统的零乱，导致数字化电厂的建设工作难以延续下去。
这样的建设工作面对着许多计算机技术以外的困难，并且难以克服，致使三维设计技术或者MIS 系统的建设常常出现达不到预期效果的问题。
同时，数字化电厂建设的跨度和难度非常大，更需要方法论的指导与全局的规划。
数字化电厂的建设涉及了众多单位，需将众多单位协调一致，在保证工程的进度同时保证数字化电厂的建设进度，这是必须的，然而事实上很难做到。
目前的实际情况是各单位各自为战，在缺乏整体的协调下进行信息化往往带来的后果是失控，再要形成统一的系统将会更加困难。
4.2数字化电厂建设的美好前景从以上的分析可以得知，一旦电力行业的标准化与规范化能够建成，各单位都能在其所处的位置进行的相应的规划及协作，那么数字化电厂技术的应用前景是非常美好的，尤其是其在EPC项目可以有很大的发挥空间。
EPC为“Engineering, Procurement and Construction”三个单词的头字母缩写，即为工程总承包。
工程总承包作为国际通行的建设项目组织实施方式，在西方发达国家已有上百年的发展历史。
近年来，国际上工程总承包占工程承包市场的比例呈明显上升趋势。
随着我国加入WTO和经济全球化，电力行业推行工程总承包势在必行。
而从数字化电厂其本身的特点，其与EPC项目结合将会是革命性的。
其带来的好处有以下几点：(1) 数字化电厂的核心思想就是整体工程，而工程总承包一般的含义为对工程负责设计、采购设备、运输、保险、土建、安装、调试、试运行，最后机组移交业主商业运行，由此可知数字化电厂概念在技术层面与EPC组织方式高度吻合。
(2) 在EPC项目中，各单位紧密结合，合作领域将更深更广。
如果各单位统一信息化系统，共享一个标准化的、结构清晰、简单易用、丰富完整的可供电厂的生命周期中及其它项目共享及再利用的数据库，则可免去大量中间的处理环节，虽然在初期会牺牲了效率，但一旦建成，数字化电厂建设的初始投入成本将会分摊开来，工程的整体质量与效率将得到非常大的提高。
(3) 同时，数字化电厂可以在现有管理信息系统（MIS）各模块的基础上，充分利用三维模型特有的空间概念和三维实体造型，辅助电厂生产管理人员更直观、更便捷地进行设备管理、运行工况、检修模拟、辅助教学等工作；(4) 数字化电厂将信息技术贯穿于整体管理流程，可为管理者及时提供丰富的数据，把把握整个电厂生命周期，并能为企业的决策提供依据；(5) 数字化电厂还可以推动企业在知识管理、企业经营和电子商务等诸多方面的提高，提高企业的管理水平，从而提高企业的核心竞争力，推动企业的发展。
