LDHT 新闻报道 “十三五”电力及其自动化发展展望（下）
电力是一种相当灵活、实用的能源，是现代人类生活和工作的必需品。电力在已取得相当广泛应用的情况下，仍在快速扩展其使用场所。由发电、输电、变电、配电和用电等环节组成的电力工业，是其它众多国民经济、社会产业或行业的先导，是现代社会不可缺少的基础设施。因此电力工业的增长或发展已成为衡量一个国家现代化和工业化发展程度的重要指标之一。
为了准确把握“十三五”电力及其自动化技术的发展，本文首先简要分析了电力工业的发展基础及所面临挑战，接着分析了电力发展重点，预测了自动化技术发展趋势。最后阐明了数字化、网络化、智能化对电力工业的影响。
面对新一轮能源革命的兴起、节能减排降耗要求、安全和市场竞争的压力，计算机系统已不仅仅局限于基本的监视和常规控制，其功能正向以下几方面发展。
风电、光电：因风电、光电（包括光伏和光热）等新能源电力具有强随机性、波动性和不确定性，需建立准确可靠的风电、光电功率预测模型，辅之以MPC模型预测或NNC神经网络等现代控制手段，适应环境、机组设备、电网动态扰动，解决其出力可预测性、暂态稳定性和发电功率稳定性（包括低电压穿越能力）、出力可控性问题，从而保障机组、电网的长期安全可靠运行。另外，还需优化光伏和光热的太阳辐射能跟踪控制系统，以最大程度地增加光电装置所接收到的太阳辐射量，进一步提高光电总体发电量。对各类光热发电蓄热系统进行细化研究，设计相应的最优运行监视和控制策略，有效平抑太阳辐射能的间歇性变化，增加发电设备的可利用率和有效发电量。
生物质发电、地热发电等：生物质发电和地热发电种类较多。以生物质发电为例，常见的就有农林生物质直燃发电、生物质气化发电、沼气发电、垃圾焚烧发电、垃圾填埋气发电等。因此需针对性地研究各类燃料监测、燃烧控制和污染物减排控制策略。如对垃圾焚烧发电而言，可采用基于模型的基本控制器和模糊优化控制器复合燃烧控制方式（常态时采用基于模型的控制方式，紊态时切换到模糊控制方式），以确保较高的燃料燃烬率、稳定可靠的蒸汽供应量、较低的污染物排放量。
一方面，燃煤/燃气等化石燃料电站、水电站和核电站相对而言属传统发电范畴，具有较好的确定性和可控性。除作为可靠的主力发电机组外，还需作为随机波动强的新能源发电与随机不确定性的负荷需求之间供需平衡的重要支撑，以平抑规模化新能源电力对电网的不利影响。因此，控制系统（以常规火电机组为例）需充分利用锅炉侧蓄热（如锅炉汽水工质蓄热、金属蓄热等）和汽机侧蓄热（如凝结水节流、凝汽器冷却工质节流等），综合优化机组协调控制策略，最大限度地提高机组的爬坡能力、调峰能力、调频能力，满足新形势下的快速深度变负荷运行控制需求。
另一方面，通过过程精准建模（包括机理分析、模型建立、参数辨识、模型验证等过程）、新兴检测技术（如声波、激光等测温及气体浓度检测装置，锅炉蓄热、热效率等软测量技术）和现代控制技术（如模型预测控制、状态空间控制、神经网络和模糊逻辑控制等）的应用、优化控制策略的推广（如锅炉燃烧优化、吹灰优化、汽温优化、节流优化等策略），使机组获得更高的运行灵活性、效率、可用率和更低的污染物排放量。
电力是现代化的基础和动力，电力安全事关我国现代化建设全局，安全是电力建设及营运的第一要务。一方面，随着安全相关系统系列国家标准的发布，开始在重要保护系统和关键控制系统中推广采用符合功能安全需求的安全仪表系统；另一方面，随着《电力监控系统安全防护规定》（发改委2014年第14号令）、信息安全等级保护系列国家标准、控制系统安全防护系列国家标准的逐渐发布，包括物理安全、网络安全、主机安全、应用安全、数据安全等在内的安全防护措施已开始在计算机系统中部署实施。
不久的将来，功能安全和信息安全还会融为一体，综合考虑并配置安全措施，以更好地实现安全最大化的目标。之所以如此，是考虑到两者割裂会带来不一致或冲突的现状：功能安全针对的是自控人员，其国际标准IEC 61508将功能安全分为SIL1-4级；信息安全针对的是IT人员，其国际标准IEC 62443将信息安全分为SL1-4级。由此将安全割裂为两部分，导致实际工程或系统应用中的困惑和困难。为此，IEC已启动相应的功能安全和信息安全的标准融合工作。
远程监视和故障分析诊断系统通常由知识管理、监视控制系统、远程通信等构成，通过利用专家系统、模式识别、状态检修等技术，实现电力设备和性能的远程监视和异常工况及故障的早期检测和诊断，有效提高机组设备可利用率，以适应有经验的自动化、运维和检修专家人数减少的现状，并可达到减员增效的功用。
操作员站/服务器、控制器、I/O接口、通信总线是计算机控制系统的重要组成。主要发展趋势一是虚拟化（包括服务器虚拟化、桌面虚拟化、应用虚拟化等）、瘦客户机等商用IT技术，因其具有低成本、更高的可靠性、更长的寿命、更好的安全性等特点，而开始快速在工控系统中得以应用。同时基于VR虚拟现实技术，由3D模型和生产控制及管理数据集成于一体的虚拟培训系统也在拓展其应用，该培训系统借助可穿戴电子设备，可实现控制室值班人员、现场操作员及巡检员的沉浸式培训；二是控制器结构向小型、分散（如SoC、MCU、μC及其它嵌入式）和大型、集中（如集成报警、控制、诊断、优化、数据管理等于一体的ACE自动计算引擎）两端延伸，且基于多变量模型识别及预测算法的MPC模型预测控制器、基于规则的仿人智能控制器、基于模糊逻辑的FC模糊控制器、基于神经网络技术的NNC神经网络控制器等新一代智能控制器用量大增；三是带有现场总线或无线接口的设备凭借其先进的组网和数据管理能力，得以大范围应用，特别是在分布式能源系统中；四是开始大量应用面向对象、池技术（如数据池）、优化管理技术（如报警优化管理）、大数据处理分析技术进行数据和对象的有效监控和管理，在决策过程中实现在正确时间向正确的人员提供正确的信息，从而大大节省时间，改善工作效率；五是全部由FPGA构成的、基于硬件的、无微处理器的、无软件的安全系统，因其类似常规模拟系统，具有相当高的安全等级，开始在核电等对安全级要求较高的领域推广应用；六是由WSN无线传感网、IOT物联网、基于安全技术的安全网络（如PROFIsafe、CIP Safety等）、工业以太网、现场总线等组成的泛在网开始在电力行业示范应用。
现场仪表及控制执行设备是自动化系统的眼睛、手与脚，主要发展趋势有四方面：（1）广泛采用现场总线、智能仪表及设备。究其因是该类仪表或设备带有微处理器，兼有传感检测（或驱动控制）、信号处理和通信功能，且具备自动补偿，自动采集数据及处理数据，自标定、自校正、自诊断等基础功能。甚至有的还具备自学习、自适应等高级功能。（2）逐步采用新型测量控制技术和物理转换机理的现场仪表及设备。如利用光纤、微波、声波、激光、磁谐振等新型测量技术的传感器，用于测量磁、声、力、温度、位移、旋转、加速度、液位、扭矩、应变、电流、电压、传像和某些化学成份分析的光纤传感器等。（3）数据融合：组成多变量传感器阵列，利用多传感器数据融合技术，充分发挥各个传感器的特点，利用其容错性、互补性、实时性，提高测量信息的精度和可靠性，延长系统的使用寿命。（4）安全仪表设备逐步开始应用。随着安全法规及标准的实施，SIL1-3等级的安全仪表或控制执行设备开始在重要保护系统和关键控制系统中投入使用。（5）软测量、虚拟仪表、无线传感或控制设备在试点基础上推广应用。如就软测量而言，已有CEM连续排放监测软测量、烟气含氧量软测量、飞灰含碳量软测量、磨煤机一次风量软测量、入炉煤质监视软测量等技术在少数电厂应用，且CEM软测量在美国早已获得EPA环保署的认可。
此外，随着无人机、机器人等先进技术的成熟和工业应用经验的积累，在强调可靠且较为传统的电力行业也开始得以推广应用。如采用无人机用于锅炉炉膛、烟囱、冷却塔、风力发电机群、光伏组件群、输电线路等的巡检或故障检查等。
在全球经济已步入数字时代的今天，工业领域也发生着惊人的变革，现场总线、无线网络、数据挖掘、工业云、大数据等新概念、新技术如雨后春笋般层出不穷，数字化、网络化、智能化即为其中的热点，这些热点既单独又相互交织作用于电力各个环节，已经对电力工业产生了较大影响且以后还必将产生更加深远的影响。
数字化对电力行业的最终影响结果是造就了数字电厂、数字变电站。
以电厂为例，电厂属典型的流程工厂，电厂数字化即是利用计算机信息处理技术把电厂各个生存周期阶段（如图1所示）所存在或发生或关联的、反映电厂各个过程或结果的现象、特征、本质及规律的声音、文字、数字、符号、图形和图像等模拟信息转换为数字信息。
图1 流程工厂生存周期活动模型
所谓数字工厂，国际标准IEC/TR 62794定义为：表现工厂基本组成单元、自动化资产、它们的行为和关系的工厂通用模型。德国工程师学会VDI 4499导则将其定义为：一个由数字模型、方法和工具（包括仿真和3D可视）全部交织在一起的、由连续的数据管理将其集成在一起的综合网络所形成的超常概念。
基于电厂从模拟转化而成的数字信息，或直接利用工具生成的数字信息，建立电厂各部分数字模型（包括结构、功能、性能、位置、业务等基本元素），由此再建立对实体电厂全面电子描述而形成数字电厂仓库，从而构成数字电厂。在所建立的数字电厂上，可以实施对电厂的数字管理、控制、决策、仿真，实现电厂的高度可视化、信息化。
当前国内的数字电厂、数字变电站建设主要停留在工程设计的部分数字化、运维及管理系统的数字化，从覆盖阶段和应用范围及广度上都属初级水平。预计在“十三五”，随着《中国制造2025》的发布，国家对信息化与工业化深度融合的大力推进，数字电厂、数字变电站的建设又会跃升到新的高度。
网络化通常是指利用通信技术和计算机技术，把分布在不同地点的计算机及各类仪表与控制设备或其它电子终端互联起来，按照一定的网络协议相互通信，以达到共享软件、硬件和数据资源的目的。当前在电力系统的发变、输电、变电环节，甚至供电环节，采用SCADA、DCS等计算机控制系统及智能仪表和设备，在监控层面已基本实现了网络化。
虚拟电厂最早由欧洲提出，是电力行业网络化继续向前推进的一个显著代表，是一种新型的发电模式，是分布式发电集控或群控技术的发展。所谓虚拟电厂是以交易电能或提供系统支持服务为目的，在一定地域或区域范围内通过网络通信及监控技术，聚合一定数量的、连接到配电网各节点的、使用不同技术且拥有丰富的操作模式和可用性的分布式电源。简而言之，虚拟电厂即是由多个小规模的分布式发电机组通过网络互联而构成一个大型发电池，其对外表现如同一个真实的大容量常规电厂。其网络互联主要是通过LAN、WAN、GPRS、ISDN或总线系统而实现。由此，可以在一定程度上解决分布式发电机组的强随机波动性，并可减少环境污染，降低发电总体费用，增加发电灵活性和电力系统的可靠性，实现电力的可持续发展。虚拟电厂通常由分布式发电机组及其控制系统、发电侧及电网侧的负荷预测管理系统（也称为分布式能量管理系统DEMS）、电力管理系统等组成。
伴随“ 互联网+ ” 的推进和电力体制改革的深化，“十三五”期间国内虚拟电厂预计也会逐步成形，并加以快速发展。
过程工业中“智能化”通常是指广泛采用现代信息处理和通信技术、智能仪器仪表技术，以及智能控制方法和管理决策技术，最大限度达到工业过程安全、高效、环保运行状态的过程。由此可见，“数字化”、“网络化”与“智能化”有着紧密的内在联系。“数字化”与“网络化”是构建现代信息化电力企业的重要基础，也是实现电力智能化、自治运行的重要手段。“智能化”是“数字化”和“网络化”的终极目标，即数字化、网络化的宗旨是使电力信息化、智能化，实现电力过程的现代化运行和管理，达到营运成本最低，能源消耗最小，污染物达标排放，设备可用系数高，全过程效益最大化。
“智能化”是人之所求，也是人之所向。正如德国政府于2013年所启动的“工业4.0” 战略项目，也是旨在推动传统工业领域的计算机化，使之向智能生产、智能工厂转型。我国电力工业也不例外，也在向智能电网、智能电厂的目标奋进。以智能电网为例，国家电网公司在2010年所发布的《绿色发展白皮书》中将“坚强智能电网”定义为“是以特高压电网为骨干网架，各级电网协调发展的坚强电网为基础，以通信信息平台为支撑，具有信息化、自动化、互动化特征，包含电力系统的发电、输电、变电、配电、用电和调度各个环节的坚强可靠、经济高效、清洁环保、透明开放、友好互动的现代电网”。分为规划试点、全面建设、引领提升三个建设阶段，计划到2020年基本建成坚强智能电网，实现管理、技术和装备国际领先。当前正处于2011-2015为期5年的全面建设阶段，“十三五”则处于智能电网建设成功与否的关键中盘及收官阶段。
随着科学技术和社会经济的发展，“智能化”也会不断有新概念、新技术融入。“智能化”没有最好，只有更好，智能电网或智能电厂的建设也是一个不断优化提升的过程，从“十三五”末预计建成的智能电网或电厂1.0向着智能电网或电厂2.0、智能3.0…继续跃进。
