智能發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)與工程應(yīng)用

首先，智能發(fā)電是與人工智能緊密相連的。人工智能的概念提于1956年由約翰·麥肯錫、馬文·明斯基等一批科學(xué)家在美國達(dá)特茅斯學(xué)院研討“如何用機(jī)器模擬人的智能”時(shí)提出的。機(jī)械化是用機(jī)器的動力代替了人的力量，那么人的腦功能能不能也用機(jī)器來代替呢？這就是“人工智能”最早的形成過程。目的就是將類人智能拓展到人體之外的生產(chǎn)生活各個(gè)領(lǐng)域，這就是人工智能。放在工業(yè)革命的范疇當(dāng)中，如果說第一次工業(yè)革命、第二次工業(yè)革命、第三次工業(yè)革命都是在拓展人的體能、動力，而第四次工業(yè)革命一個(gè)主要的內(nèi)涵就是人工智能，就是拓展人的智慧，具體的表現(xiàn)形式就是做出一種機(jī)器能像人一樣會看、會聽、會說，當(dāng)然也還會動、會思考、會學(xué)習(xí)。再加上超人的體力和動力，可以想象會是什么樣子。那么現(xiàn)在人工智能都在做什么呢？圖像識別、文字識別、狀態(tài)識別、語音識別、機(jī)器翻譯、語音合成、人機(jī)對話等，都已經(jīng)取得重要進(jìn)展。大概十幾年前，我在西雅圖微軟會見一位人工智能科學(xué)家，他做的就是人機(jī)對話，我說你的人機(jī)對話將來會是什么樣的？他說十年以后，當(dāng)我們和機(jī)器對話，就像公園里兩個(gè)情人聊天一樣的愉快，我還在期待。現(xiàn)在機(jī)器翻譯的準(zhǔn)確率已經(jīng)非常高，還有自動駕駛、人機(jī)對弈、醫(yī)療診斷、智能生產(chǎn)等。智能生產(chǎn)是我一會兒要講的。我覺得現(xiàn)在智能的概念在泛化，可以說智能是個(gè)筐，什么都往里裝，在一些領(lǐng)域出現(xiàn)了很多謬誤。但原本什么才叫智能？如果把傳統(tǒng)的科學(xué)技術(shù)也說成是智能，對我們的學(xué)科發(fā)展是不利的。面對人工智能的發(fā)展，國際競爭已經(jīng)進(jìn)入了白熱化，美國2016年人工智能機(jī)器學(xué)習(xí)委員會發(fā)布了戰(zhàn)略規(guī)劃；2018年5月，特朗普政府成立了AI專門委員會，歐盟委員會提交了《歐洲人工智能》報(bào)告；2018年12月，歐盟委員會及其成員國發(fā)布主題為“人工智能歐洲造”的《人工智能協(xié)調(diào)計(jì)劃》。日本2016年提出“社會5.0”戰(zhàn)略，將人工智能作為實(shí)現(xiàn)超智能社會的核心，并設(shè)立“人工智能戰(zhàn)略會議”進(jìn)行國家層面的綜合管理。美歐日本政府在行動，更主要的還是企業(yè)和學(xué)界在行動。我們在中國制造2025計(jì)劃當(dāng)中也明確提出要促進(jìn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)在企業(yè)研發(fā)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、經(jīng)營管理、銷售服務(wù)等全流程和全產(chǎn)業(yè)鏈的綜合集成應(yīng)用。大家看到，中國制造2025是針對生產(chǎn)、針對工業(yè)的，和我之前說的有不同的側(cè)重點(diǎn)。在國務(wù)院“互聯(lián)網(wǎng)+”行動指導(dǎo)意見里也鼓勵能源企業(yè)運(yùn)用大數(shù)據(jù)、智能化技術(shù)對設(shè)備狀態(tài)、電能負(fù)載等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析挖掘與預(yù)測，開展精準(zhǔn)調(diào)度、故障判斷和預(yù)測性維護(hù)。《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》提出，要加強(qiáng)智能工廠關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用示范，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化、生產(chǎn)數(shù)據(jù)可視化、生產(chǎn)過程透明化、生產(chǎn)現(xiàn)場無人化，提升工廠運(yùn)營管理智能化水平。我國政府也在強(qiáng)力的推進(jìn)。在新一代人工智領(lǐng)域要搶抓重大機(jī)遇、發(fā)揮我們國家人工智能的優(yōu)勢，或者說不至于在新一輪的競爭當(dāng)中再一次落后。我們的目標(biāo)是到2020年，達(dá)到與世界先進(jìn)水平同步，要成為新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)，改善民生的新途徑；到2025年，部分基礎(chǔ)理論實(shí)現(xiàn)重大突破，部分技術(shù)與應(yīng)用達(dá)到世界先進(jìn)水平，產(chǎn)業(yè)升級和經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型成為主要動力。中國工程院的老院長徐匡迪院士提出了一個(gè)問題：中國有多少數(shù)學(xué)家投入到了人工智能的基礎(chǔ)算法研究中？也就是徐匡迪之問。其核心思想就是我們要重視人工智能基礎(chǔ)理論的研究，要請數(shù)學(xué)家來加入到人工智能理論研究中來。今天我也大膽講一句，到2025年的時(shí)候，我們在發(fā)電廠智能化方面要達(dá)到世界領(lǐng)先水平。國家的重視，世界的競爭，人工智能在很多領(lǐng)域已經(jīng)見到了曙光，已經(jīng)看到了成效。而大家最熟知的就是AlphaGo在棋類比賽中，機(jī)器戰(zhàn)勝了人類；波士頓Dynamics的狗形機(jī)器，也已經(jīng)非常了不起了。在世界很多國家，由機(jī)器人組成的軍團(tuán)、聯(lián)隊(duì)、特種戰(zhàn)隊(duì)已不是科幻，而已經(jīng)是客觀存在了，我國在這方面也在研究。在工業(yè)應(yīng)用方面，我們已經(jīng)看到智能駕駛、智能制造，進(jìn)入到現(xiàn)代化工廠、無人工廠，大量的機(jī)械手和機(jī)器人已經(jīng)比比皆是。智能安防、智能交通、智能醫(yī)療，這些東西走進(jìn)了我們的生活。最后我們說智能電力。電力是工業(yè)生產(chǎn)的范疇，2003年美國能源部啟動“智能電網(wǎng)”建設(shè)項(xiàng)目，2009年奧巴馬總統(tǒng)將“智能電網(wǎng)”提升為美國國家戰(zhàn)略。智能電網(wǎng)至今仍然是我國智能電力的重要方面。在智能電網(wǎng)近20年的發(fā)展過程當(dāng)中，出現(xiàn)了多種多樣的描述與定義，但極少涉及到發(fā)電的內(nèi)容。智能電網(wǎng)英文名稱為SmartGrid，大家以為就是電網(wǎng)，或者是用戶端。然而我們說發(fā)電在電力當(dāng)中，應(yīng)該占有極為重要的地位。發(fā)電是什么，powergeneration，它是基于不同物理化學(xué)過程的能源轉(zhuǎn)換，也就是由一種能源轉(zhuǎn)換成電能。而這種轉(zhuǎn)換的機(jī)理不同，裝備不同，規(guī)模不同，是一個(gè)極其紛繁復(fù)雜而且在不斷進(jìn)步的科學(xué)技術(shù)工程領(lǐng)域。因此我們說應(yīng)當(dāng)予以凸顯，提出關(guān)于智能發(fā)電的概念。智能發(fā)電是以發(fā)電過程的數(shù)字化、自動化、信息化、標(biāo)準(zhǔn)化為基礎(chǔ)，以管控一體化、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)為平臺，集成智能傳感與執(zhí)行，智能控制與優(yōu)化，智能管理與決策等技術(shù)，形成一種具備自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)、自趨優(yōu)、自恢復(fù)、自組織的智能發(fā)電運(yùn)行控制管理模式，實(shí)現(xiàn)更加安全高效清潔低碳靈活的生產(chǎn)目標(biāo)。在提出這個(gè)概念之后，我們就要付諸行動。2016年7月，我們和原國電集團(tuán)，經(jīng)過認(rèn)真的籌備，正式成立了智能發(fā)電協(xié)同創(chuàng)新中心，就是要致力于智能發(fā)電基礎(chǔ)理論研究與關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)。2016年，在能源局的大力支持下，將智能發(fā)電正式寫入《電力發(fā)展十三五規(guī)劃》中：“發(fā)展智能發(fā)電技術(shù)，開展發(fā)電過程智能化檢測、控制技術(shù)研究與智能儀表控制系統(tǒng)裝備研發(fā)，攻關(guān)發(fā)電機(jī)組先進(jìn)運(yùn)行控制技術(shù)與示范應(yīng)用?！?018年成立中國能源研究會智能發(fā)電專委會，秘書處掛靠在國電新能源技術(shù)研究院。幾年來，圍繞智能發(fā)電理論技術(shù)體系建設(shè)，我和團(tuán)隊(duì)在媒體和重要刊物上發(fā)表了相關(guān)研究成果，起草發(fā)布了國家能源集團(tuán)智能發(fā)電建設(shè)指導(dǎo)意見與智能發(fā)電技術(shù)規(guī)范，推動國家能源集團(tuán)智能發(fā)電建設(shè)的全面開展。同時(shí)也得到了國家、北京市有關(guān)部門的大力支持，啟動了一批理論技術(shù)攻關(guān)和工程應(yīng)用研究課題。特別感到欣慰的是，我們有眾多的企業(yè)、研究單位、高校都投身其中，大家都做了非常有價(jià)值的工作。關(guān)于關(guān)鍵技術(shù)，我們一起回顧一下現(xiàn)在的發(fā)電廠自動化系統(tǒng)。在微處理器、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、控制技術(shù)及顯示技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上，美國Honeywell公司于1975年推出世界第一套分散控制系統(tǒng)（DCS）TDC2000，使過去基于集成電路的控制儀表控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)榛谟?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)。四十多年過去了，DCS在工業(yè)控制中發(fā)揮了巨大作用。我國DCS經(jīng)歷了全面依賴進(jìn)口、自主化研發(fā)、躋身世界先進(jìn)行列的發(fā)展歷程，并創(chuàng)新提出火電廠DCS+SIS+MIS的運(yùn)行控制管理模式。其中監(jiān)控信息系統(tǒng)（SIS）最早由我國熱工控制專家侯子良先生提出，研發(fā)成功以后獲得推廣應(yīng)用，形成了行業(yè)技術(shù)規(guī)范。我們現(xiàn)在所談的智能發(fā)電，是在這個(gè)基礎(chǔ)之上，演變?yōu)榱硗庖环N架構(gòu)，其核心是智能運(yùn)行控制系統(tǒng)（ICS）和智能公共服務(wù)系統(tǒng)（ISS）。智能運(yùn)行控制系統(tǒng)包括智能檢測、智能控制和運(yùn)行監(jiān)控；公共服務(wù)系統(tǒng)主要用于智能安全、智能管理、智能服務(wù)。兩個(gè)系統(tǒng)建立相互獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)，通過嚴(yán)密的信息安全防護(hù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)安全可靠的信息交換，并與大數(shù)據(jù)、云平臺相融合。因此我們可以理解為，智能發(fā)電的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由三大部分組成：ICS，ISS和信息安全防護(hù)。為什么要重新規(guī)劃設(shè)計(jì)這個(gè)系統(tǒng)？因?yàn)橹悄馨l(fā)電還是新生事物，有些行動已經(jīng)走在了理論的前面，一些電廠把智能安防、智能安全帽、機(jī)器人巡檢、無人機(jī)巡回都和在線實(shí)時(shí)的工業(yè)控制系統(tǒng)產(chǎn)生了一些混淆，造成邊界的模糊不清。如果不加以及時(shí)的厘清，很有可能帶來實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)、基礎(chǔ)生產(chǎn)運(yùn)行設(shè)備的安全隱患。另外我們一刻也不能忘記，工業(yè)過程不是自己家里的掃地機(jī)器人。能源電力是國家經(jīng)濟(jì)的命脈，生產(chǎn)設(shè)備系統(tǒng)運(yùn)行的安全永遠(yuǎn)是第一位的，網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)的安全設(shè)計(jì)始終是重中之重，通過主動防御、邊界防護(hù)、集中監(jiān)管提高智能控制系統(tǒng)的安全水平。另外就是構(gòu)建一個(gè)高開放度的系統(tǒng)平臺。在底層控制層面，通過高級應(yīng)用控制器擴(kuò)展智能算法，并實(shí)現(xiàn)算法容器與算法封裝；在上層控制層面，通過高級應(yīng)用服務(wù)器實(shí)現(xiàn)第三方軟件模塊的無縫集成。有了系統(tǒng)平臺以后，核心的智能是什么？簡單來講我想是這幾條。一是智能檢測。除大量常規(guī)運(yùn)行參數(shù)之外，還有涉及到機(jī)組安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保運(yùn)行的狀態(tài)參數(shù)需要及時(shí)、準(zhǔn)確的在線檢測。我們已經(jīng)做過的工作表明，軟測量技術(shù)對解決狀態(tài)參數(shù)測不到、測不準(zhǔn)問題十分有效。通過多元信息的融合，構(gòu)造了循環(huán)流化床鍋爐即燃碳、鍋爐燃燒穩(wěn)定性等信號，這些信號對運(yùn)行優(yōu)化很重要而又無法直接測量。接下來就是智能控制。智能控制的核心是建立模型，通過在線自學(xué)習(xí)、強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法以及多目標(biāo)工況自適應(yīng)控制策略，不斷提高機(jī)組運(yùn)行控制性能，實(shí)現(xiàn)多智能體在新能源場站的集群控制。再一個(gè)就是智能診斷。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障預(yù)警、大數(shù)據(jù)分析案例推理、專家系統(tǒng)報(bào)警根源分析等都是智能化方法可以延伸、可以拓展的領(lǐng)域。另外，基于運(yùn)行工況大數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析，以及集成設(shè)計(jì)、維護(hù)、運(yùn)行數(shù)據(jù)的三維可視化展示，都有利于提高機(jī)組的運(yùn)行監(jiān)控水平。做一個(gè)簡單的總結(jié)，智能發(fā)電離不開網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息技術(shù)、控制技術(shù)、數(shù)據(jù)技術(shù)，基礎(chǔ)理論方面涉及到過程檢測與建模，自動控制，人工智能，大數(shù)據(jù)分析，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等。也就說我們培養(yǎng)學(xué)生，他也首先要掌握這些基礎(chǔ)理論。我不贊同人工智能可以速成的說法，要有扎實(shí)的基礎(chǔ)理論作為支撐。關(guān)鍵技術(shù)是智能檢測，智能控制，智能診斷，智能監(jiān)控和優(yōu)化，另外就是系統(tǒng)的架構(gòu)，還有就是我們實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。下面介紹一下智能發(fā)電進(jìn)展。在國家能源團(tuán)的部署下，我們從2017年開始對國電東勝電廠兩臺33萬機(jī)組做了智能化改造。第一是建立了和原來的DCS、MIS、SIS完全不同的ICS系統(tǒng)平臺，平臺裝備由國電智深公司生產(chǎn)制造，采用的是我們倡導(dǎo)的智能運(yùn)行控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。和過去系統(tǒng)不同，一是嵌入了智能化的控制算法，包括軟測量在內(nèi)的底層智能控制，二是生產(chǎn)數(shù)據(jù)的廣泛收集與高效調(diào)用，三是大數(shù)據(jù)分析優(yōu)化并直接形成大閉環(huán)的監(jiān)控，把過去SIS的一些功能直接放到ICS當(dāng)中，突破了SIS只能看不能用的缺憾。第二是在這個(gè)系統(tǒng)中，我們設(shè)置了三個(gè)功能區(qū)：智能控制，智能檢測，運(yùn)行監(jiān)控。比如在控制方面，實(shí)現(xiàn)了機(jī)組自啟停（APS）、基于精準(zhǔn)能量平衡的協(xié)調(diào)控制、基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障預(yù)警、基于多參數(shù)推理的報(bào)警根源分析、基于數(shù)據(jù)深度挖掘的鍋爐燃燒優(yōu)化、基于鍋爐效率的氧量定值優(yōu)化等功能。系統(tǒng)投用以后已經(jīng)見到了成效，提升了機(jī)組的靈活性和變負(fù)荷的速率，2017年這兩臺機(jī)組在蒙西電網(wǎng)同等規(guī)模的機(jī)組考核當(dāng)中排名第一；通過冷端優(yōu)化和鍋爐燃燒閉環(huán)調(diào)整使機(jī)組經(jīng)濟(jì)性進(jìn)一步提升，降低供