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電力是一種相當(dāng)靈活、實(shí)用的能源，是現(xiàn)代人類(lèi)生活和工作的必需品。電力在已取得相當(dāng)廣泛應(yīng)用的情況下，仍在快速擴(kuò)展其使用場(chǎng)所。由發(fā)電、輸電、變電、配電和用電等環(huán)節(jié)組成的電力工業(yè)，是其它眾多國(guó)民經(jīng)濟(jì)、社會(huì)產(chǎn)業(yè)或行業(yè)的先導(dǎo)，是現(xiàn)代社會(huì)不可缺少的基礎(chǔ)設(shè)施。因此電力工業(yè)的增長(zhǎng)或發(fā)展已成為衡量一個(gè)國(guó)家現(xiàn)代化和工業(yè)化發(fā)展程度的重要指標(biāo)之一。

為了準(zhǔn)確把握“十三五”電力及其自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，本文首先簡(jiǎn)要分析了電力工業(yè)的發(fā)展基礎(chǔ)及所面臨挑戰(zhàn)，接著分析了電力發(fā)展重點(diǎn)，預(yù)測(cè)了自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。最后闡明了數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化對(duì)電力工業(yè)的影響。

1　發(fā)展基礎(chǔ)及面臨挑戰(zhàn)

經(jīng)過(guò)改革開(kāi)放后三十多年的快速發(fā)展，我國(guó)電力工業(yè)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。特別是進(jìn)入21世紀(jì)后，電力供應(yīng)能力穩(wěn)步增長(zhǎng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化，清潔能源比重逐步增加，技術(shù)裝備水平快速提升，節(jié)能環(huán)保取得成效，建成了世界最大的電力供應(yīng)體系，有效保障了經(jīng)濟(jì)社會(huì)的持續(xù)發(fā)展。以電源側(cè)為例，我國(guó)發(fā)電裝機(jī)容量和發(fā)電量分別從2000年的3.19億kW、1.37萬(wàn)億kW?h躍升到2014年的13.6億kW、5.65萬(wàn)億kW?h。截至2014年底，國(guó)內(nèi)火電裝機(jī)容量91569萬(wàn)kW，水電裝機(jī)容量30183萬(wàn)kW，核電裝機(jī)容量1988萬(wàn)kW，并網(wǎng)風(fēng)電裝機(jī)容量9581萬(wàn)kW，并網(wǎng)太陽(yáng)能發(fā)電裝機(jī)容量2652萬(wàn)kW。在大型循環(huán)流化床發(fā)電技術(shù)、百萬(wàn)千瓦級(jí)壓水堆核電站、特高壓等先進(jìn)發(fā)、輸、變電技術(shù)研發(fā)應(yīng)用方面已居世界領(lǐng)先水平。

“十三五”時(shí)期，我國(guó)既面臨由能源大國(guó)向能源強(qiáng)國(guó)轉(zhuǎn)變的難得歷史機(jī)遇，又面臨諸多問(wèn)題和挑戰(zhàn)。發(fā)展的長(zhǎng)期矛盾和短期問(wèn)題相互交織，資源和環(huán)境約束進(jìn)一步加劇，節(jié)能減排形勢(shì)嚴(yán)峻，能源資源對(duì)外依存度快速攀升，能源控總量、調(diào)結(jié)構(gòu)、保安全面臨全新的挑戰(zhàn)。因此，在看到成績(jī)的同時(shí)，也應(yīng)清醒地認(rèn)識(shí)到存在的問(wèn)題。譬如在“十二五”期間，我國(guó)發(fā)電裝機(jī)規(guī)模和電網(wǎng)規(guī)模已雙雙躍居世界第一位，但也成為CO2排放量最大的國(guó)家。簡(jiǎn)而言之，“十三五”電力工業(yè)所面臨的挑戰(zhàn)主要是在確保能源可利用性和滿(mǎn)足經(jīng)濟(jì)和人口增長(zhǎng)需求的同時(shí)，還需保護(hù)人類(lèi)賴(lài)以生存的脆弱生態(tài)環(huán)境。

2　電力工業(yè)發(fā)展重點(diǎn)

在國(guó)務(wù)院2014年發(fā)布的《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動(dòng)計(jì)劃（2014-2020年）》中明確提出，要堅(jiān)持“節(jié)約、清潔、安全”的戰(zhàn)略方針，重點(diǎn)實(shí)施“節(jié)約優(yōu)先、立足國(guó)內(nèi)、綠色低碳、創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)”四大戰(zhàn)略，加快構(gòu)建清潔、高效、安全、可持續(xù)的現(xiàn)代能源體系。

電能作為高效、優(yōu)質(zhì)、綠色的能源，在社會(huì)生活的方方面面起著越來(lái)越重要的作用。利用電能替代煤、油、氣等化石能源，可以提高燃料的使用效率、減少污染物排放。另外，風(fēng)能、太陽(yáng)能、地?zé)崮?、海洋能、生物質(zhì)能等這些可再生能源的開(kāi)發(fā)、利用，主要也是依靠轉(zhuǎn)換為電能來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，積極推動(dòng)電能替代戰(zhàn)略，對(duì)于構(gòu)建以安全發(fā)展、高效發(fā)展、清潔發(fā)展為目標(biāo)的現(xiàn)代能源保障體系至關(guān)重要。

當(dāng)前，我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的主要特征是工業(yè)化、信息化、城鎮(zhèn)化、市場(chǎng)化、國(guó)際化，能源結(jié)構(gòu)清潔低碳化大勢(shì)所趨。這些重大社會(huì)需求決定電能綠色、低碳、智能的生產(chǎn)、輸送、分配和使用技術(shù)，已成為電力技術(shù)發(fā)展的主導(dǎo)方向。

在“十三五”期間，電力工業(yè)的發(fā)展重點(diǎn)預(yù)計(jì)主要有以下六個(gè)方面。

第一方面是發(fā)展更高容量、更高參數(shù)、更高效潔凈的常規(guī)發(fā)電機(jī)組，新建燃煤發(fā)電機(jī)組供電煤耗須低于300g(標(biāo)準(zhǔn)煤)/kW?h，污染物排放應(yīng)接近燃?xì)鈾C(jī)組排放水平。當(dāng)前國(guó)際上發(fā)達(dá)國(guó)家的發(fā)電機(jī)組正在向更高容量和更高參數(shù)方向發(fā)展，以實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步節(jié)能、降耗、綠色環(huán)保的發(fā)展目標(biāo)。概括其發(fā)展趨勢(shì)為四點(diǎn)。

其一是開(kāi)發(fā)更高參數(shù)的超（超）臨界常規(guī)發(fā)電機(jī)組，如歐盟的“AD700計(jì)劃”，擬將汽輪機(jī)主汽溫度由目前的600/620℃提高到700/720℃，發(fā)電效率由目前的45%～47%提高到52%；美國(guó)的“Vision 21”計(jì)劃，擬研發(fā)主汽參數(shù)為35MPa、760℃，發(fā)電效率高于55%的超超臨界發(fā)電機(jī)組。我國(guó)也正在進(jìn)行700℃超超臨界機(jī)組計(jì)劃。其二是常壓循環(huán)流化床（CFB）機(jī)組的進(jìn)一步大型化和超臨界化。其三是燃?xì)廨啓C(jī)（CT）的大型化和高參數(shù)化，如日本MHI三菱重工已研發(fā)出透平入口溫度可高達(dá)1600℃、單機(jī)ISO容量可達(dá)470MW的J系列CT發(fā)電機(jī)組。其四是開(kāi)發(fā)新一代的高效潔凈IGCC（整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)）發(fā)電技術(shù)。如美國(guó)的“清潔煤技術(shù)計(jì)劃”、日本的“新日光”計(jì)劃等，與之類(lèi)似，我國(guó)也在發(fā)展以煤氣化為龍頭，以IGCC為核心，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力與化工生產(chǎn)過(guò)程的耦合，高效、潔凈、經(jīng)濟(jì)、靈活的多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，從而使發(fā)電效率達(dá)到45%~50%，設(shè)備可用率達(dá)到85%以上，實(shí)現(xiàn)污染物的近零排放以及煤炭的清潔高效利用。

第二方面是大力發(fā)展分布式能源，科學(xué)發(fā)展熱電聯(lián)產(chǎn)，鼓勵(lì)有條件的地區(qū)發(fā)展熱/電/冷多聯(lián)供，發(fā)展風(fēng)能、太陽(yáng)能、生物質(zhì)能、地?zé)崮堋⒑Ｑ竽艿认冗M(jìn)可再生能源發(fā)電技術(shù)。到2020年，非化石能源占一次能源消費(fèi)比重達(dá)到15%，力爭(zhēng)常規(guī)水電裝機(jī)達(dá)到3.5億kW，風(fēng)電裝機(jī)達(dá)到2億kW，光伏裝機(jī)達(dá)到1億kW左右，地?zé)崮芾靡?guī)模達(dá)到5000萬(wàn)t標(biāo)準(zhǔn)煤。與之相對(duì)應(yīng)的是還需進(jìn)行大容量?jī)?chǔ)能技術(shù)的創(chuàng)新研究，并實(shí)施儲(chǔ)能配套部署，以切實(shí)解決電網(wǎng)的棄風(fēng)、棄水、棄光問(wèn)題，提高可再生能源利用水平。

第三方面是安全發(fā)展核電，以顯著降低減排壓力。在采用國(guó)際最高安全標(biāo)準(zhǔn)、確保安全的前提下，適時(shí)啟動(dòng)沿海地區(qū)新的核電項(xiàng)目建設(shè)，研究論證內(nèi)陸核電建設(shè)。重點(diǎn)推進(jìn)AP1000、CAP1400、高溫氣冷堆、快堆及后處理技術(shù)攻關(guān)。加快國(guó)內(nèi)自主技術(shù)工程驗(yàn)證，重點(diǎn)建設(shè)大型先進(jìn)壓水堆、高溫氣冷堆重大專(zhuān)項(xiàng)示范工程。到2020年，核電裝機(jī)容量達(dá)到5800萬(wàn)kW，在建容量達(dá)到3000萬(wàn)kW以上。

第四方面開(kāi)發(fā)利用先進(jìn)的綜合節(jié)能、節(jié)水技術(shù)。以節(jié)水為例，常規(guī)發(fā)電需要大量的循環(huán)冷卻水、工業(yè)冷卻水和化學(xué)補(bǔ)給水，目前火電機(jī)組平均發(fā)電水耗約為0.58m3/(s?GW)。為了進(jìn)一步節(jié)約用水，加強(qiáng)水的重復(fù)利用，首先是深化發(fā)展大型空冷技術(shù)；其次是利用高效的水質(zhì)穩(wěn)定處理藥劑、補(bǔ)充水的深度軟化處理等技術(shù)手段，加大循環(huán)冷卻水濃縮倍率，以提高水的重復(fù)利用率，以有效節(jié)約循環(huán)冷卻水；再次是開(kāi)展干式除渣技術(shù)、輔機(jī)空冷技術(shù)、活性焦干法煙氣脫硫技術(shù)、廢水/污水多效深度處理技術(shù)等的研發(fā)，使我國(guó)發(fā)電機(jī)組的水耗大幅度降低。

第五方面提升和完善煙氣處理技術(shù)。面對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展需求和日趨強(qiáng)化的資源環(huán)境約束之間的矛盾，低碳綠色發(fā)展和節(jié)能減排，增強(qiáng)可持續(xù)發(fā)展能力，提高生態(tài)文明水平，建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)的理念正漸漸成為全社會(huì)的共識(shí)。因而，火力發(fā)電面臨的減排壓力更大，迫切需要大幅度地提高煙氣處理技術(shù)水平?！笆濉逼陂g，除塵技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)仍以高效電除塵方式為主，布袋除塵或電/袋混合除塵快速擴(kuò)充，陶瓷式等其它高性能阻擋式先進(jìn)除塵方式不斷完善，除PM2.5排放技術(shù)的強(qiáng)化等；煙氣脫硫技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)近期仍以石灰石—石膏濕法脫硫法為主，煙氣CFB半干法脫硫工藝、旋轉(zhuǎn)噴霧半干法脫硫工藝向600MW容量以上發(fā)展，活性焦煙氣脫硫工藝將取得一定的市場(chǎng)份額，采用物理法、化學(xué)法或微生物法等的洗煤和煤氣化等燃燒前脫硫技術(shù)也會(huì)獲得相應(yīng)發(fā)展；煙氣脫硝技術(shù)仍將以選擇性催化還原法（SCR）和選擇性非催化還原法（SNCR）為主，但基于濃淡分離、熱煙氣回流、再燃燒等技術(shù)的低NOx燃燒技術(shù)也會(huì)有著廣泛的應(yīng)用。此外，脫汞、CCS（CO2的捕集處理）等高效煙氣處理技術(shù)也會(huì)相應(yīng)發(fā)展。

第六方面是智能電廠、智能電網(wǎng)的進(jìn)一步推進(jìn)。究其因：一方面是隨著數(shù)字經(jīng)濟(jì)和信息時(shí)代的到來(lái)，電力消費(fèi)者對(duì)于供電可靠性、電能質(zhì)量以及多元化服務(wù)的要求越來(lái)越高；另一方面則是電力工業(yè)面臨減員增效和節(jié)能減排的雙重壓力，因而電力的數(shù)字化、信息化、智能化將成為我國(guó)電力發(fā)展的一個(gè)重點(diǎn)。

3　自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

3.1　自動(dòng)化水平

近年來(lái)，我國(guó)電力行業(yè)新建或擴(kuò)建的大型電廠，基本上都采用了智能儀器儀表（如帶Hart協(xié)議的智能變送器、Profibus或FF現(xiàn)場(chǎng)總線儀表等）和計(jì)算機(jī)監(jiān)視控制系統(tǒng)（如DCS分散控制系統(tǒng)、FCS現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)、PLC可編程序控制器等）。自動(dòng)化水平可以達(dá)到：?jiǎn)卧獧C(jī)組和各輔助車(chē)間能在就地人員的巡回檢查和少量操作的配合下，在集中控制室或輔助車(chē)間控制室內(nèi)實(shí)現(xiàn)機(jī)組或輔助車(chē)間工藝系統(tǒng)的啟停、運(yùn)行工況監(jiān)視和調(diào)整、事故處理等。少部分電廠還設(shè)置了機(jī)組自啟停控制系統(tǒng)（UAS或APS），應(yīng)用先進(jìn)過(guò)程控制技術(shù)（如多變量模型預(yù)測(cè)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制NNC等），可以實(shí)現(xiàn)帶少量人工確認(rèn)斷點(diǎn)的發(fā)電機(jī)組自動(dòng)啟動(dòng)和停止控制，發(fā)電過(guò)程的多目標(biāo)優(yōu)化控制等?？傮w來(lái)講，電廠自動(dòng)化系統(tǒng)在確保我國(guó)電力安全生產(chǎn)、節(jié)能降耗、經(jīng)濟(jì)環(huán)保運(yùn)行方面發(fā)揮了重大作用。

從縱向來(lái)看，自改革開(kāi)放以來(lái)我國(guó)電力行業(yè)的自動(dòng)化系統(tǒng)發(fā)展速度很快，進(jìn)步不小。當(dāng)前國(guó)內(nèi)電力行業(yè)的自動(dòng)化發(fā)展水平符合國(guó)家產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃要求，滿(mǎn)足現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)規(guī)定。但從橫向來(lái)看，我國(guó)與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家先進(jìn)電力自動(dòng)化水平相比，還有不小差距。例如，國(guó)外先進(jìn)電站自動(dòng)化水平從高到低可分為四級(jí)：第一級(jí)為無(wú)人值守；第二級(jí)為非全天值守，多機(jī)組監(jiān)督；第三級(jí)為增強(qiáng)安全，降低操作員可用性要求；第四級(jí)為單機(jī)組全能值守。國(guó)內(nèi)目前自動(dòng)化水平基本上只能達(dá)到第四級(jí)。又以報(bào)警優(yōu)化管理為例，歐洲EEMUA （工程設(shè)備及材料用戶(hù)協(xié)會(huì)）191標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：操作人員可接受報(bào)警量為150個(gè)/d（即1個(gè)/10min），可管理報(bào)警量為300個(gè)/d（即1個(gè)/5min）；美國(guó)ISA（國(guó)際自動(dòng)化學(xué)會(huì)） 18.2標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：操作人員可接受平均報(bào)警量限值為1個(gè)/10min，在大擾動(dòng)后允許為10個(gè)/10min；澳大利亞電力公司規(guī)定雙機(jī)組單操作人員報(bào)警量限值為1個(gè)/20min/機(jī)組。迄今為止，國(guó)內(nèi)電力行業(yè)尚未見(jiàn)到滿(mǎn)足EEMUA和ISA標(biāo)準(zhǔn)要求的電廠，更不用說(shuō)達(dá)到澳大利亞電力公司的嚴(yán)格指標(biāo)了。

在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)壓力下，減員增效是一個(gè)趨勢(shì)，所以自動(dòng)化水平亟需進(jìn)一步提高。 “十三五”期間，在對(duì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)優(yōu)化基礎(chǔ)上，輔以視頻遠(yuǎn)程監(jiān)控和無(wú)線遠(yuǎn)程報(bào)警等手段，單循環(huán)燃機(jī)電廠和普通電廠的大部分輔助車(chē)間有條件實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守；燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)電廠、分步式發(fā)電站或能源站、常規(guī)電廠較為復(fù)雜的輔助車(chē)間均可以實(shí)現(xiàn)非全天值守；其它電廠則可全部降低對(duì)操作員的可用性要求，利用廠級(jí)自動(dòng)化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多機(jī)組的集中少人監(jiān)控。

3.2　計(jì)算機(jī)控制及管理系統(tǒng)

3.2.1　控制及管理功能

面對(duì)新一輪能源革命的興起、節(jié)能減排降耗要求、安全和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的壓力，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)已不僅僅局限于基本的監(jiān)視和常規(guī)控制，其功能正向以下幾方面發(fā)展。

（1）新能源發(fā)電方面

風(fēng)電、光電：因風(fēng)電、光電（包括光伏和光熱）等新能源電力具有強(qiáng)隨機(jī)性、波動(dòng)性和不確定性，需建立準(zhǔn)確可靠的風(fēng)電、光電功率預(yù)測(cè)模型，輔之以MPC模型預(yù)測(cè)或NNC神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等現(xiàn)代控制手段，適應(yīng)環(huán)境、機(jī)組設(shè)備、電網(wǎng)動(dòng)態(tài)擾動(dòng)，解決其出力可預(yù)測(cè)性、暫態(tài)穩(wěn)定性和發(fā)電功率穩(wěn)定性（包括低電壓穿越能力）、出力可控性問(wèn)題，從而保障機(jī)組、電網(wǎng)的長(zhǎng)期安全可靠運(yùn)行。另外，還需優(yōu)化光伏和光熱的太陽(yáng)輻射能跟蹤控制系統(tǒng)，以最大程度地增加光電裝置所接收到的太陽(yáng)輻射量，進(jìn)一步提高光電總體發(fā)電量。對(duì)各類(lèi)光熱發(fā)電蓄熱系統(tǒng)進(jìn)行細(xì)化研究，設(shè)計(jì)相應(yīng)的最優(yōu)運(yùn)行監(jiān)視和控制策略，有效平抑太陽(yáng)輻射能的間歇性變化，增加發(fā)電設(shè)備的可利用率和有效發(fā)電量。

生物質(zhì)發(fā)電、地?zé)岚l(fā)電等：生物質(zhì)發(fā)電和地?zé)岚l(fā)電種類(lèi)較多。以生物質(zhì)發(fā)電為例，常見(jiàn)的就有農(nóng)林生物質(zhì)直燃發(fā)電、生物質(zhì)氣化發(fā)電、沼氣發(fā)電、垃圾焚燒發(fā)電、垃圾填埋氣發(fā)電等。因此需針對(duì)性地研究各類(lèi)燃料監(jiān)測(cè)、燃燒控制和污染物減排控制策略。如對(duì)垃圾焚燒發(fā)電而言，可采用基于模型的基本控制器和模糊優(yōu)化控制器復(fù)合燃燒控制方式（常態(tài)時(shí)采用基于模型的控制方式，紊態(tài)時(shí)切換到模糊控制方式），以確保較高的燃料燃燼率、穩(wěn)定可靠的蒸汽供應(yīng)量、較低的污染物排放量。

（2）傳統(tǒng)發(fā)電方面

一方面，燃煤/燃?xì)獾然剂想娬尽⑺娬竞秃穗娬鞠鄬?duì)而言屬傳統(tǒng)發(fā)電范疇，具有較好的確定性和可控性。除作為可靠的主力發(fā)電機(jī)組外，還需作為隨機(jī)波動(dòng)強(qiáng)的新能源發(fā)電與隨機(jī)不確定性的負(fù)荷需求之間供需平衡的重要支撐，以平抑規(guī)模化新能源電力對(duì)電網(wǎng)的不利影響。因此，控制系統(tǒng)（以常規(guī)火電機(jī)組為例）需充分利用鍋爐側(cè)蓄熱（如鍋爐汽水工質(zhì)蓄熱、金屬蓄熱等）和汽機(jī)側(cè)蓄熱（如凝結(jié)水節(jié)流、凝汽器冷卻工質(zhì)節(jié)流等），綜合優(yōu)化機(jī)組協(xié)調(diào)控制策略，最大限度地提高機(jī)組的爬坡能力、調(diào)峰能力、調(diào)頻能力，滿(mǎn)足新形勢(shì)下的快速深度變負(fù)荷運(yùn)行控制需求。

另一方面，通過(guò)過(guò)程精準(zhǔn)建模（包括機(jī)理分析、模型建立、參數(shù)辨識(shí)、模型驗(yàn)證等過(guò)程）、新興檢測(cè)技術(shù)（如聲波、激光等測(cè)溫及氣體濃度檢測(cè)裝置，鍋爐蓄熱、熱效率等軟測(cè)量技術(shù)）和現(xiàn)代控制技術(shù)（如模型預(yù)測(cè)控制、狀態(tài)空間控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊邏輯控制等）的應(yīng)用、優(yōu)化控制策略的推廣（如鍋爐燃燒優(yōu)化、吹灰優(yōu)化、汽溫優(yōu)化、節(jié)流優(yōu)化等策略），使機(jī)組獲得更高的運(yùn)行靈活性、效率、可用率和更低的污染物排放量。

（3）功能安全和信息安全的推廣應(yīng)用及融合

電力是現(xiàn)代化的基礎(chǔ)和動(dòng)力，電力安全事關(guān)我國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)全局，安全是電力建設(shè)及營(yíng)運(yùn)的第一要?jiǎng)?wù)。一方面，隨著安全相關(guān)系統(tǒng)系列國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布，開(kāi)始在重要保護(hù)系統(tǒng)和關(guān)鍵控制系統(tǒng)中推廣采用符合功能安全需求的安全儀表系統(tǒng)；另一方面，隨著《電力監(jiān)控系統(tǒng)安全防護(hù)規(guī)定》（發(fā)改委2014年第14號(hào)令）、信息安全等級(jí)保護(hù)系列國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、控制系統(tǒng)安全防護(hù)系列國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的逐漸發(fā)布，包括物理安全、網(wǎng)絡(luò)安全、主機(jī)安全、應(yīng)用安全、數(shù)據(jù)安全等在內(nèi)的安全防護(hù)措施已開(kāi)始在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中部署實(shí)施。

不久的將來(lái)，功能安全和信息安全還會(huì)融為一體，綜合考慮并配置安全措施，以更好地實(shí)現(xiàn)安全最大化的目標(biāo)。之所以如此，是考慮到兩者割裂會(huì)帶來(lái)不一致或沖突的現(xiàn)狀：功能安全針對(duì)的是自控人員，其國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC 61508將功能安全分為SIL1-4級(jí)；信息安全針對(duì)的是IT人員，其國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC 62443將信息安全分為SL1-4級(jí)。由此將安全割裂為兩部分，導(dǎo)致實(shí)際工程或系統(tǒng)應(yīng)用中的困惑和困難。為此，IEC已啟動(dòng)相應(yīng)的功能安全和信息安全的標(biāo)準(zhǔn)融合工作。

（4）遠(yuǎn)程監(jiān)視和故障分析診斷應(yīng)用繼續(xù)快速增長(zhǎng)

遠(yuǎn)程監(jiān)視和故障分析診斷系統(tǒng)通常由知識(shí)管理、監(jiān)視控制系統(tǒng)、遠(yuǎn)程通信等構(gòu)成，通過(guò)利用專(zhuān)家系統(tǒng)、模式識(shí)別、狀態(tài)檢修等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電力設(shè)備和性能的遠(yuǎn)程監(jiān)視和異常工況及故障的早期檢測(cè)和診斷，有效提高機(jī)組設(shè)備可利用率，以適應(yīng)有經(jīng)驗(yàn)的自動(dòng)化、運(yùn)維和檢修專(zhuān)家人數(shù)減少的現(xiàn)狀，并可達(dá)到減員增效的功用。

3.2.2　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及組成

操作員站/服務(wù)器、控制器、I/O接口、通信總線是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的重要組成。主要發(fā)展趨勢(shì)一是虛擬化（包括服務(wù)器虛擬化、桌面虛擬化、應(yīng)用虛擬化等）、瘦客戶(hù)機(jī)等商用IT技術(shù)，因其具有低成本、更高的可靠性、更長(zhǎng)的壽命、更好的安全性等特點(diǎn)，而開(kāi)始快速在工控系統(tǒng)中得以應(yīng)用。同時(shí)基于VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，由3D模型和生產(chǎn)控制及管理數(shù)據(jù)集成于一體的虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)也在拓展其應(yīng)用，該培訓(xùn)系統(tǒng)借助可穿戴電子設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)控制室值班人員、現(xiàn)場(chǎng)操作員及巡檢員的沉浸式培訓(xùn)；二是控制器結(jié)構(gòu)向小型、分散（如SoC、MCU、μC及其它嵌入式）和大型、集中（如集成報(bào)警、控制、診斷、優(yōu)化、數(shù)據(jù)管理等于一體的ACE自動(dòng)計(jì)算引擎）兩端延伸，且基于多變量模型識(shí)別及預(yù)測(cè)算法的MPC模型預(yù)測(cè)控制器、基于規(guī)則的仿人智能控制器、基于模糊邏輯的FC模糊控制器、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的NNC神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器等新一代智能控制器用量大增；三是帶有現(xiàn)場(chǎng)總線或無(wú)線接口的設(shè)備憑借其先進(jìn)的組網(wǎng)和數(shù)據(jù)管理能力，得以大范圍應(yīng)用，特別是在分布式能源系統(tǒng)中；四是開(kāi)始大量應(yīng)用面向?qū)ο?、池技術(shù)（如數(shù)據(jù)池）、優(yōu)化管理技術(shù)（如報(bào)警優(yōu)化管理）、大數(shù)據(jù)處理分析技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)和對(duì)象的有效監(jiān)控和管理，在決策過(guò)程中實(shí)現(xiàn)在正確時(shí)間向正確的人員提供正確的信息，從而大大節(jié)省時(shí)間，改善工作效率；五是全部由FPGA構(gòu)成的、基于硬件的、無(wú)微處理器的、無(wú)軟件的安全系統(tǒng)，因其類(lèi)似常規(guī)模擬系統(tǒng)，具有相當(dāng)高的安全等級(jí)，開(kāi)始在核電等對(duì)安全級(jí)要求較高的領(lǐng)域推廣應(yīng)用；六是由WSN無(wú)線傳感網(wǎng)、IOT物聯(lián)網(wǎng)、基于安全技術(shù)的安全網(wǎng)絡(luò)（如PROFIsafe、CIP Safety等）、工業(yè)以太網(wǎng)、現(xiàn)場(chǎng)總線等組成的泛在網(wǎng)開(kāi)始在電力行業(yè)示范應(yīng)用。

3.3　現(xiàn)場(chǎng)儀表及控制執(zhí)行設(shè)備

現(xiàn)場(chǎng)儀表及控制執(zhí)行設(shè)備是自動(dòng)化系統(tǒng)的眼睛、手與腳，主要發(fā)展趨勢(shì)有四方面：（1）廣泛采用現(xiàn)場(chǎng)總線、智能儀表及設(shè)備。究其因是該類(lèi)儀表或設(shè)備帶有微處理器，兼有傳感檢測(cè)（或驅(qū)動(dòng)控制）、信號(hào)處理和通信功能，且具備自動(dòng)補(bǔ)償，自動(dòng)采集數(shù)據(jù)及處理數(shù)據(jù)，自標(biāo)定、自校正、自診斷等基礎(chǔ)功能。甚至有的還具備自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)等高級(jí)功能。（2）逐步采用新型測(cè)量控制技術(shù)和物理轉(zhuǎn)換機(jī)理的現(xiàn)場(chǎng)儀表及設(shè)備。如利用光纖、微波、聲波、激光、磁諧振等新型測(cè)量技術(shù)的傳感器，用于測(cè)量磁、聲、力、溫度、位移、旋轉(zhuǎn)、加速度、液位、扭矩、應(yīng)變、電流、電壓、傳像和某些化學(xué)成份分析的光纖傳感器等。（3）數(shù)據(jù)融合：組成多變量傳感器陣列，利用多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)，充分發(fā)揮各個(gè)傳感器的特點(diǎn)，利用其容錯(cuò)性、互補(bǔ)性、實(shí)時(shí)性，提高測(cè)量信息的精度和可靠性，延長(zhǎng)系統(tǒng)的使用壽命。（4）安全儀表設(shè)備逐步開(kāi)始應(yīng)用。隨著安全法規(guī)及標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，SIL1-3等級(jí)的安全儀表或控制執(zhí)行設(shè)備開(kāi)始在重要保護(hù)系統(tǒng)和關(guān)鍵控制系統(tǒng)中投入使用。（5）軟測(cè)量、虛擬儀表、無(wú)線傳感或控制設(shè)備在試點(diǎn)基礎(chǔ)上推廣應(yīng)用。如就軟測(cè)量而言，已有CEM連續(xù)排放監(jiān)測(cè)軟測(cè)量、煙氣含氧量軟測(cè)量、飛灰含碳量軟測(cè)量、磨煤機(jī)一次風(fēng)量軟測(cè)量、入爐煤質(zhì)監(jiān)視軟測(cè)量等技術(shù)在少數(shù)電廠應(yīng)用，且CEM軟測(cè)量在美國(guó)早已獲得EPA環(huán)保署的認(rèn)可。

此外，隨著無(wú)人機(jī)、機(jī)器人等先進(jìn)技術(shù)的成熟和工業(yè)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的積累，在強(qiáng)調(diào)可靠且較為傳統(tǒng)的電力行業(yè)也開(kāi)始得以推廣應(yīng)用。如采用無(wú)人機(jī)用于鍋爐爐膛、煙囪、冷卻塔、風(fēng)力發(fā)電機(jī)群、光伏組件群、輸電線路等的巡檢或故障檢查等。

4　數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化對(duì)電力工業(yè)的影響

在全球經(jīng)濟(jì)已步入數(shù)字時(shí)代的今天，工業(yè)領(lǐng)域也發(fā)生著驚人的變革，現(xiàn)場(chǎng)總線、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)挖掘、工業(yè)云、大數(shù)據(jù)等新概念、新技術(shù)如雨后春筍般層出不窮，數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化即為其中的熱點(diǎn)，這些熱點(diǎn)既單獨(dú)又相互交織作用于電力各個(gè)環(huán)節(jié)，已經(jīng)對(duì)電力工業(yè)產(chǎn)生了較大影響且以后還必將產(chǎn)生更加深遠(yuǎn)的影響。

4.1　數(shù)字化及數(shù)字電廠、數(shù)字變電站

數(shù)字化對(duì)電力行業(yè)的最終影響結(jié)果是造就了數(shù)字電廠、數(shù)字變電站。

以電廠為例，電廠屬典型的流程工廠，電廠數(shù)字化即是利用計(jì)算機(jī)信息處理技術(shù)把電廠各個(gè)生存周期階段（如圖1所示）所存在或發(fā)生或關(guān)聯(lián)的、反映電廠各個(gè)過(guò)程或結(jié)果的現(xiàn)象、特征、本質(zhì)及規(guī)律的聲音、文字、數(shù)字、符號(hào)、圖形和圖像等模擬信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息。

圖1 流程工廠生存周期活動(dòng)模型

所謂數(shù)字工廠，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC/TR 62794定義為：表現(xiàn)工廠基本組成單元、自動(dòng)化資產(chǎn)、它們的行為和關(guān)系的工廠通用模型。德國(guó)工程師學(xué)會(huì)VDI 4499導(dǎo)則將其定義為：一個(gè)由數(shù)字模型、方法和工具（包括仿真和3D可視）全部交織在一起的、由連續(xù)的數(shù)據(jù)管理將其集成在一起的綜合網(wǎng)絡(luò)所形成的超常概念。

基于電廠從模擬轉(zhuǎn)化而成的數(shù)字信息，或直接利用工具生成的數(shù)字信息，建立電廠各部分?jǐn)?shù)字模型（包括結(jié)構(gòu)、功能、性能、位置、業(yè)務(wù)等基本元素），由此再建立對(duì)實(shí)體電廠全面電子描述而形成數(shù)字電廠倉(cāng)庫(kù)，從而構(gòu)成數(shù)字電廠。在所建立的數(shù)字電廠上，可以實(shí)施對(duì)電廠的數(shù)字管理、控制、決策、仿真，實(shí)現(xiàn)電廠的高度可視化、信息化。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)的數(shù)字電廠、數(shù)字變電站建設(shè)主要停留在工程設(shè)計(jì)的部分?jǐn)?shù)字化、運(yùn)維及管理系統(tǒng)的數(shù)字化，從覆蓋階段和應(yīng)用范圍及廣度上都屬初級(jí)水平。預(yù)計(jì)在“十三五”，隨著《中國(guó)制造2025》的發(fā)布，國(guó)家對(duì)信息化與工業(yè)化深度融合的大力推進(jìn)，數(shù)字電廠、數(shù)字變電站的建設(shè)又會(huì)躍升到新的高度。

4.2　網(wǎng)絡(luò)化與虛擬電廠

網(wǎng)絡(luò)化通常是指利用通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，把分布在不同地點(diǎn)的計(jì)算機(jī)及各類(lèi)儀表與控制設(shè)備或其它電子終端互聯(lián)起來(lái)，按照一定的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議相互通信，以達(dá)到共享軟件、硬件和數(shù)據(jù)資源的目的。當(dāng)前在電力系統(tǒng)的發(fā)變、輸電、變電環(huán)節(jié)，甚至供電環(huán)節(jié)，采用SCADA、DCS等計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)及智能儀表和設(shè)備，在監(jiān)控層面已基本實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化。

虛擬電廠最早由歐洲提出，是電力行業(yè)網(wǎng)絡(luò)化繼續(xù)向前推進(jìn)的一個(gè)顯著代表，是一種新型的發(fā)電模式，是分布式發(fā)電集控或群控技術(shù)的發(fā)展。所謂虛擬電廠是以交易電能或提供系統(tǒng)支持服務(wù)為目的，在一定地域或區(qū)域范圍內(nèi)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信及監(jiān)控技術(shù)，聚合一定數(shù)量的、連接到配電網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)的、使用不同技術(shù)且擁有豐富的操作模式和可用性的分布式電源。簡(jiǎn)而言之，虛擬電廠即是由多個(gè)小規(guī)模的分布式發(fā)電機(jī)組通過(guò)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)而構(gòu)成一個(gè)大型發(fā)電池，其對(duì)外表現(xiàn)如同一個(gè)真實(shí)的大容量常規(guī)電廠。其網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)主要是通過(guò)LAN、WAN、GPRS、ISDN或總線系統(tǒng)而實(shí)現(xiàn)。由此，可以在一定程度上解決分布式發(fā)電機(jī)組的強(qiáng)隨機(jī)波動(dòng)性，并可減少環(huán)境污染，降低發(fā)電總體費(fèi)用，增加發(fā)電靈活性和電力系統(tǒng)的可靠性，實(shí)現(xiàn)電力的可持續(xù)發(fā)展。虛擬電廠通常由分布式發(fā)電機(jī)組及其控制系統(tǒng)、發(fā)電側(cè)及電網(wǎng)側(cè)的負(fù)荷預(yù)測(cè)管理系統(tǒng)（也稱(chēng)為分布式能量管理系統(tǒng)DEMS）、電力管理系統(tǒng)等組成。

伴隨“ 互聯(lián)網(wǎng)+ ” 的推進(jìn)和電力體制改革的深化，“十三五”期間國(guó)內(nèi)虛擬電廠預(yù)計(jì)也會(huì)逐步成形，并加以快速發(fā)展。

4.3　智能化與智能電網(wǎng)、智能電廠

過(guò)程工業(yè)中“智能化”通常是指廣泛采用現(xiàn)代信息處理和通信技術(shù)、智能儀器儀表技術(shù)，以及智能控制方法和管理決策技術(shù)，最大限度達(dá)到工業(yè)過(guò)程安全、高效、環(huán)保運(yùn)行狀態(tài)的過(guò)程。由此可見(jiàn)，“數(shù)字化”、“網(wǎng)絡(luò)化”與“智能化”有著緊密的內(nèi)在聯(lián)系?！皵?shù)字化”與“網(wǎng)絡(luò)化”是構(gòu)建現(xiàn)代信息化電力企業(yè)的重要基礎(chǔ)，也是實(shí)現(xiàn)電力智能化、自治運(yùn)行的重要手段?！爸悄芑笔恰皵?shù)字化”和“網(wǎng)絡(luò)化”的終極目標(biāo)，即數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的宗旨是使電力信息化、智能化，實(shí)現(xiàn)電力過(guò)程的現(xiàn)代化運(yùn)行和管理，達(dá)到營(yíng)運(yùn)成本最低，能源消耗最小，污染物達(dá)標(biāo)排放，設(shè)備可用系數(shù)高，全過(guò)程效益最大化。

“智能化”是人之所求，也是人之所向。正如德國(guó)政府于2013年所啟動(dòng)的“工業(yè)4.0” 戰(zhàn)略項(xiàng)目，也是旨在推動(dòng)傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)化，使之向智能生產(chǎn)、智能工廠轉(zhuǎn)型。我國(guó)電力工業(yè)也不例外，也在向智能電網(wǎng)、智能電廠的目標(biāo)奮進(jìn)。以智能電網(wǎng)為例，國(guó)家電網(wǎng)公司在2010年所發(fā)布的《綠色發(fā)展白皮書(shū)》中將“堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)”定義為“是以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架，各級(jí)電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展的堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)為基礎(chǔ)，以通信信息平臺(tái)為支撐，具有信息化、自動(dòng)化、互動(dòng)化特征，包含電力系統(tǒng)的發(fā)電、輸電、變電、配電、用電和調(diào)度各個(gè)環(huán)節(jié)的堅(jiān)強(qiáng)可靠、經(jīng)濟(jì)高效、清潔環(huán)保、透明開(kāi)放、友好互動(dòng)的現(xiàn)代電網(wǎng)”。分為規(guī)劃試點(diǎn)、全面建設(shè)、引領(lǐng)提升三個(gè)建設(shè)階段，計(jì)劃到2020年基本建成堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)管理、技術(shù)和裝備國(guó)際領(lǐng)先。當(dāng)前正處于2011-2015為期5年的全面建設(shè)階段，“十三五”則處于智能電網(wǎng)建設(shè)成功與否的關(guān)鍵中盤(pán)及收官階段。

隨著科學(xué)技術(shù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，“智能化”也會(huì)不斷有新概念、新技術(shù)融入?！爸悄芑睕](méi)有最好，只有更好，智能電網(wǎng)或智能電廠的建設(shè)也是一個(gè)不斷優(yōu)化提升的過(guò)程，從“十三五”末預(yù)計(jì)建成的智能電網(wǎng)或電廠1.0向著智能電網(wǎng)或電廠2.0、智能3.0…繼續(xù)躍進(jìn)。

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作者簡(jiǎn)介

張晉賓（1967-），男，漢族，中共黨員，教授級(jí)高級(jí)工程師?，F(xiàn)就職于西南電力設(shè)計(jì)院，任設(shè)計(jì)總工程師，長(zhǎng)期從事電力設(shè)計(jì)、咨詢(xún)、研究及管理，智能設(shè)計(jì)軟件的研發(fā)及應(yīng)用管理工作等。

摘自《自動(dòng)化博覽》2015年9月刊