面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的智慧電廠仿生體系架構(gòu)及信息物理系統(tǒng)

面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的智慧電廠仿生體湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院、湖南大學(xué)能源互聯(lián)網(wǎng)智能信息分析與綜合優(yōu)化湖南省重唐先一科技有限公司研究人員肖祥武、王豐、王隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)4.0等新一輪工業(yè)革命的興起，智慧電廠已成為我國發(fā)電企業(yè)轉(zhuǎn)型升級，應(yīng)對能源變革的新舉措，其體系架構(gòu)和智能系統(tǒng)建設(shè)成為當(dāng)前亟待解決的問題。現(xiàn)階段，火力發(fā)電廠系統(tǒng)建設(shè)一般遵循控制層、監(jiān)控層、信息管理層三層體系架構(gòu)部署，在其上分別建設(shè)了分散控制系統(tǒng)（DistributedControlSystem,DCS）、廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)（SupervisoryInformationSystem,SIS）、管理信息系統(tǒng)（ManagementInformationSystem,MIS）等系統(tǒng)，各層及系統(tǒng)之間缺乏數(shù)據(jù)交互性和統(tǒng)一性，使之形成各個數(shù)據(jù)孤島，導(dǎo)致業(yè)務(wù)流程效率低，數(shù)據(jù)難以挖掘利用，智能系統(tǒng)難以搭建。隨著發(fā)電企業(yè)多類型市場競爭和能源個性化需求的加大，以及越來越多的智能設(shè)備和智能技術(shù)在發(fā)電廠得到應(yīng)用，發(fā)電廠的傳統(tǒng)體系架構(gòu)難以適應(yīng)智慧電廠的建設(shè)要求。近年，我國對智慧電廠的研究和建設(shè)開展了許多有益探索，有學(xué)者從不同角度對智能發(fā)電、智慧電廠提出了不同的定義和體系架構(gòu)，但其與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系融合較少，智慧電廠作為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)理念在發(fā)電側(cè)的集中體現(xiàn)，有必要將工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)理念引入智慧電廠研究和建設(shè)中，增強各系統(tǒng)之間的協(xié)同性和擴展性，提高發(fā)電企業(yè)內(nèi)外信息系統(tǒng)與物理系統(tǒng)的融合程度。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)4.0作為高度互聯(lián)的智能化工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，核心是利用信息物理融合系統(tǒng)（Cyber-PhysicalSystems,CPS）優(yōu)化企業(yè)的智能生產(chǎn)管理，促進產(chǎn)業(yè)的集成發(fā)展與合作。CPS是以網(wǎng)絡(luò)化為基礎(chǔ)，通過計算、通信及控制技術(shù)（Computing、Communication、Control,3C）深度融合，構(gòu)建一個計算、網(wǎng)絡(luò)和物理實體有機融合的復(fù)雜系統(tǒng)。通過CPS技術(shù)可以實現(xiàn)工業(yè)系統(tǒng)實時狀態(tài)感知、動態(tài)仿真控制和信息服務(wù)，使該系統(tǒng)更加高效、可靠與協(xié)同運行。2013年4月，德國政府在漢諾威工業(yè)博覽會上正式明確提出了以信息物理融合系統(tǒng)為支撐的工業(yè)4.0戰(zhàn)略。之后歐美等國家對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)及CPS開展了大量研究和建設(shè)工作，在通過資源集聚、市場驗證和應(yīng)用創(chuàng)新后，歐美的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺日漸成熟。而目前我國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)處于探索階段。2017年，工業(yè)和信息化部、國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會聯(lián)合發(fā)布《信息物理系統(tǒng)白皮書（2017）》，明確了信息物理系統(tǒng)的定義和CPS工程建設(shè)路徑。隨著云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)和人工智能的發(fā)展，對系統(tǒng)多時空尺度異源信息的處理能力，以及開放性和共享性的要求加大,人類的知識經(jīng)驗和社會特性逐漸滲透進CPS，使CPS向著廣義互聯(lián)的人類群體以及社會化發(fā)展。因此，國內(nèi)外學(xué)者開始進一步拓展CPS內(nèi)涵，周濟等認為在傳統(tǒng)的人和物理系統(tǒng)之間增加信息系統(tǒng)，使傳統(tǒng)的工業(yè)系統(tǒng)具有學(xué)習(xí)和產(chǎn)生知識的能力，提出了以人-信息-物理系統(tǒng)（Human-Cyber-PhysicaSystems,HCPS）為基礎(chǔ)，深度融合人工智能技術(shù)的中國新一代智能制造的發(fā)展體系。還有學(xué)者認為通過構(gòu)建信息物理社會系統(tǒng)（Cyber-Physical-SocialSystems,CPSS）延伸CPS，可以較好地實現(xiàn)信息空間、物理空間和社會空間的無縫結(jié)合。如王飛躍等以復(fù)雜系統(tǒng)理論和默頓定律為基礎(chǔ)，將人及人類納入系統(tǒng)之中，構(gòu)建虛實互動、閉環(huán)反饋和自治的平行系統(tǒng)，提出了工業(yè)5.0信息-物理-社會融合平行體系。在電力領(lǐng)域，相關(guān)學(xué)者結(jié)合電力特征和CPS技術(shù)提出了電力信息物理系統(tǒng)（Cyber-PhysicalEnergySystems,CPES），為電力智能化建設(shè)提供了新的理論和方法。目前，在CPES體系架構(gòu)、系統(tǒng)建模仿真、安全可靠性、系統(tǒng)規(guī)劃與運行調(diào)度等方面進行了初步探究，仍有許多問題和關(guān)鍵技術(shù)亟待解決。針對CPES體系架構(gòu)研究，有學(xué)者設(shè)計了應(yīng)用層、認知層、網(wǎng)絡(luò)層、控制感知層和物理層五層的能源互聯(lián)網(wǎng)CPS框架。薛禹勝等提出了智能電網(wǎng)的CPS技術(shù)體系框架，解決電力基礎(chǔ)設(shè)施與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的高效交互和無縫集成問題。隨著越來越具有開放和競爭特性的智慧能源和能源互聯(lián)網(wǎng)的提出，以及“云大物移智”等先進技術(shù)的發(fā)展，使能源的生產(chǎn)和使用越來越具有人類–社會屬性，基于此，有學(xué)者進一步考慮社會元素和能源系統(tǒng)間交互的影響，提出了智能電網(wǎng)和電力物聯(lián)網(wǎng)融合的電力CPSS，以助于更好地解決電力經(jīng)濟、市場管制、博弈及攻擊行為、需求側(cè)等對系統(tǒng)發(fā)展、可靠性和優(yōu)化運行的不確定及復(fù)雜度的影響。程樂峰等基于群體及其知識自動化的理論方法構(gòu)建了下一代能源電力系統(tǒng)的CPSS理想和工程試驗框架體系，將人類調(diào)度員與能源市場的人類社會行為與信息物理系統(tǒng)融合為一個“大”閉環(huán)復(fù)雜系統(tǒng)。綜上所述，具有高度靈活、協(xié)調(diào)和控制能力的CPS/HCPS/CPSS非常適合智慧電廠建設(shè)，其研究和發(fā)展為我國智慧電廠的研究和建設(shè)提供了重要理論基礎(chǔ)和借鑒意義?，F(xiàn)有文獻主要從發(fā)輸配用等綜合能源和能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的信息物理系統(tǒng)進行體系架構(gòu)分析，而目前針對發(fā)電側(cè)CPS的研究和實踐較少。發(fā)電廠作為能源互聯(lián)網(wǎng)供給側(cè)重要的組成部分，智慧電廠建設(shè)應(yīng)該納入整個智慧能源和能源互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)體系中，而現(xiàn)有火電廠的物理系統(tǒng)和信息系統(tǒng)中，人類和社會對發(fā)電系統(tǒng)的感知、經(jīng)驗和決策不會直接反饋或難以作用于電力生產(chǎn)管理而形成閉環(huán)，從而無法較好地解決發(fā)電廠泛在感知與全面互聯(lián)、全生命周期生產(chǎn)管理、基于數(shù)字孿生的性能優(yōu)化與診斷控制、面向不同交易市場/環(huán)境/能源的運行優(yōu)化和經(jīng)營決策等問題。近年來，形態(tài)仿生、功能仿生、結(jié)構(gòu)仿生、信息與控制仿生等仿生學(xué)方法，在諸多領(lǐng)域具有顯著的創(chuàng)新應(yīng)用。仿生學(xué)通過研究生物的結(jié)構(gòu)和功能原理等方法，模仿構(gòu)建生物模型映射的數(shù)學(xué)模型，進而建造解決問題的智能實體模型。基于此，本文利用仿生學(xué)將工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)CPS內(nèi)涵引入智慧電廠進行研究分析，充分考慮人、社會行為與發(fā)電廠生產(chǎn)、管理、經(jīng)營等各環(huán)節(jié)的耦合關(guān)系和相互影響，構(gòu)建具有系統(tǒng)性、規(guī)范性和通用性的智慧電廠體系架構(gòu)和智能模型，以便兼容和適應(yīng)發(fā)電廠上、下游企業(yè)和集團工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)體系。1智慧電廠仿生體系通過借鑒工業(yè)4.0參考架構(gòu)（RAMI4.0）、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)參考架構(gòu)（AII）以及中國智能制造系統(tǒng)架構(gòu)，對發(fā)電廠工藝流程、能源屬性、社會特點等分析，考慮人的行為及社會與智慧電廠信息物理系統(tǒng)耦合關(guān)系，本文提出了智慧電廠工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)參考架構(gòu)模型，如圖1所示。智慧電廠參考架構(gòu)分為全生命周期、系統(tǒng)層級和業(yè)務(wù)特征三個維度。其中世界互聯(lián)主要指能源/環(huán)境/經(jīng)濟/政策的融合，業(yè)務(wù)特征是根據(jù)系統(tǒng)融合難度和遞進關(guān)系，從數(shù)據(jù)集成逐步實現(xiàn)源網(wǎng)荷儲協(xié)同/多市場交易/輔助服務(wù)/綜合能源服務(wù)等多元成熟新業(yè)態(tài)。智慧電廠被認為是一個具有自我感知、自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力，更加安全、環(huán)保、高效和經(jīng)濟的發(fā)電廠。智慧電廠內(nèi)涵與仿人類生物學(xué)特征和功能具有高度的相似性。利用仿生學(xué)的擬態(tài)和演化等方法對智慧電廠體系架構(gòu)展開仿生特性分析，從體系結(jié)構(gòu)仿生、功能仿生等角度構(gòu)建具有一定意識形態(tài)的智慧電廠智能體。智慧電廠（IntelligentPowerPlant,IPP）仿生體系模型為式中，SA為體系架構(gòu)，智慧電廠仿人體細胞結(jié)構(gòu)以及五官、手臂、大腦等組織和器官；HC為仿人類能力，智慧電廠仿人的工作、學(xué)習(xí)及思考等能力；HA為仿人類屬性，智慧電廠仿人的社會性和人類對生活環(huán)境適應(yīng)性等屬性；HF為仿人類特征，智慧電廠仿人類的一些行為特征、生活特征等；HB為仿人類行為，智慧電廠仿人類對外界刺激做出的條件反射、非條件反射等行為調(diào)節(jié)方式。2智慧電廠仿生概念模型及演化過程目前，我國火力發(fā)電的智慧電廠研究處于探索期，尚未形成統(tǒng)一和標(biāo)準(zhǔn)的定義，通過仿生基因進化原理和工業(yè)全面質(zhì)量管理理念對智慧電廠建設(shè)內(nèi)涵展開更深層次的分析。從技術(shù)方式與業(yè)務(wù)屬性維度對智慧電廠概念進行建模分析，智慧電廠可被理解為發(fā)電技術(shù)、管理技術(shù)與智能技術(shù)螺旋配對生長，動態(tài)進化的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，如圖2所示。基于式（1）建立統(tǒng)一仿生體系，智慧電廠的仿生概念模型（BionicConceptualModelofIntelligentPowerPlant,BCMIPP）可表示為Equ）、燃料（Fuel,Fue）、物資（MaterialOff）七種組成，智能技術(shù)基（SmartTechnology,ST）主要由這些業(yè)務(wù)基相適應(yīng)的技術(shù)基配對而成。技術(shù)基主要包含智能感知、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、移動互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、智能控制等相互融合的技術(shù)。業(yè)務(wù)基和技術(shù)基分別對應(yīng)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的DNA分子鏈，通過業(yè)務(wù)基和技術(shù)基相互配對，實現(xiàn)智能技術(shù)在發(fā)電廠生產(chǎn)和管理過程中的高度滲透，從而提高兩者的有機融合程度。隨著發(fā)電和企業(yè)管理技術(shù)以及相應(yīng)的智能技術(shù)相互迭代發(fā)展，該模型螺旋向上生長，重組DNA，從現(xiàn)階段的CPS向電廠內(nèi)外拓展逐步演化為以人行為、情感及知識為主的HCPS，在此基礎(chǔ)上進一步向企業(yè)內(nèi)外世界交融進化成CPSS。根據(jù)智慧電廠DNA概念模型及發(fā)電企業(yè)系統(tǒng)發(fā)展規(guī)律，智慧電廠大體將經(jīng)歷數(shù)字化電廠→智能化電廠→智慧化電廠三個階段的演化過程，其區(qū)別、關(guān)系、系統(tǒng)表征和交互模式見1）數(shù)字化電廠（DigitalPowerPlant,DPP）主要是對電廠物理對象（如人、機器、燃料及物資、系統(tǒng)機理、環(huán)境等）和工作對象（規(guī)劃設(shè)計、基建、運行維護等）的數(shù)字化采集、存儲、處理、定量分析和決策，使電廠信息的占有和應(yīng)用打破空間和時間的某些限制,使信息的應(yīng)用效益達到最大化。此階段主要將電廠生產(chǎn)控制的PLC嵌入式系統(tǒng)和信息系統(tǒng)融合為CPS。2）智能化電廠（SmartPowerPlant,SPP）是隨著新一代網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和“云大物移智”的發(fā)展，以硬件為支撐的嵌入式CPS系統(tǒng)逐漸向網(wǎng)絡(luò)嵌入式轉(zhuǎn)變，使得人類行為、情感、知識等更容易融入CPS中HCPS，使人在系統(tǒng)場景的構(gòu)建之中，具有自治性、反應(yīng)性、主動性、進化性等智能體特征。目前我國大部分電廠處于DPP向SPP建設(shè)進程中。3）智慧化電廠（IntelligentPowerPlant,IPP），隨著SPP建設(shè)中HCSP智能體的成熟，物理、信息和社會的實時化平行互動需求將加劇，催生出了CPSS多智能體（Multi-AgentSystem,MAS）建設(shè)需求，通過多智能體使各智能體互相通信，彼此規(guī)劃、協(xié)調(diào)組織和決策。有效提高電廠優(yōu)化預(yù)測決策等問題的魯棒性和適應(yīng)性能力，實現(xiàn)物理、人和社會等資源的一體化協(xié)調(diào)與融合。3智慧電廠CPS/HCPS/CPSS系統(tǒng)的構(gòu)建3.1智慧電廠仿生CPS神經(jīng)系統(tǒng)框架CPS內(nèi)涵高度符合智慧電廠的建設(shè)目標(biāo)和要求，為智慧電廠體系架構(gòu)、建模分析與控制、智慧管理等建設(shè)提供了方法和工具。利用信息通信控制技術(shù)模擬生物體感覺器官、神經(jīng)元、效應(yīng)器以及中樞神經(jīng)系統(tǒng)在智能活動中的信息采集、處理和控制過程，構(gòu)建仿生CPS神經(jīng)系統(tǒng)框架，如圖3所示。CPS仿生神經(jīng)系統(tǒng)由單個CPS系統(tǒng)（神經(jīng)元）組成，通過采用統(tǒng)一的通信和接口標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)各個CPS子系統(tǒng)信息共享和協(xié)作。CPS仿生神經(jīng)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程是根據(jù)需求使用不同的一次能源輸入，利用量測裝置（感受器）采集數(shù)據(jù)，所采集的數(shù)據(jù)信息通過有線、無線通信網(wǎng)絡(luò)（傳入神經(jīng)）傳輸至信息數(shù)據(jù)平臺（中樞神經(jīng)系統(tǒng)然后信息數(shù)據(jù)平臺對這些數(shù)據(jù)進行分析計算后，將生成的決策及指令通過有線、無線通信網(wǎng)絡(luò)（傳出神經(jīng)）傳輸至執(zhí)行機構(gòu)（效應(yīng)器）。根據(jù)用戶個性化需求調(diào)整電、熱、冷等多種能源生產(chǎn)的特定參數(shù)。電廠借助這一套“仿生神經(jīng)系統(tǒng)”實現(xiàn)自我感知、自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)、行為決策能力。3.2智慧電廠仿生HCPS/CPSS的構(gòu)成考慮發(fā)電廠個人行為及社會群體決策的影響，利用仿生神經(jīng)學(xué)方法對電廠CPS系統(tǒng)向內(nèi)外部擴展延伸至HCPS/CPSS。構(gòu)建一個人/社會世界-物理世界-信息世界互聯(lián)互通的智慧電廠生態(tài)體系。HCPS/CPSS可認為是CPS2.0/3.0，與CPS具有相似的特征和體系架構(gòu)，但信息獲取的廣度和深度不同，下文以智慧電廠HCPS為例分析其構(gòu)成。智慧電廠HCPS系統(tǒng)根據(jù)不同業(yè)務(wù)及生產(chǎn)工藝流程可劃分為若干特定的人-信息-物理子系統(tǒng)（Human-Cyber-PhysicalSub-System,HCPS-S）。對單個HCPS-S系統(tǒng)內(nèi)部進行人、物理及信息建模分析，根據(jù)模型物理量、信息量的輸入與輸出參數(shù)一一映射原則，對分裂的人-物理系統(tǒng)（Human-PhysicalSystem,HPS）、CPS系統(tǒng)以及人-信息系統(tǒng)（Hu模型進行完善，實現(xiàn)各子系統(tǒng)的優(yōu)化。隨著智慧電廠DNA概念模型的不斷進化，通過對人行為模型、信息模型和物理模型相的構(gòu)成如圖4所示。通過對發(fā)電生產(chǎn)工藝和經(jīng)營管理分析，本文利用上述智慧電廠仿生體系，建立發(fā)電廠仿生HCPS/CPSS的構(gòu)成描述方程為：CPS橫向可分解為部件級（Components）、設(shè)備級（Equipment）、系統(tǒng)級（System）、系統(tǒng)之系統(tǒng)（SystemsofSystems,SoS）、機組級（Unit）、廠級（Plant）六個層級，后者依次為前者的累加，相互交叉，最終構(gòu)成一個自由靈活配置并高度協(xié)同的多層級智慧電廠。對CPS縱向分析，智慧電廠是CPS、HCPS、CPSS的并集，三種系統(tǒng)同時存在，相互交融。通過人-信息子系統(tǒng)（Human-CyberSub-System,HCS-S）將發(fā)電廠生產(chǎn)和管理人員的感知、機理分析與控制功能向信息系統(tǒng)映射復(fù)制遷移，使HCPS系統(tǒng)具有神經(jīng)系統(tǒng)“認知、學(xué)習(xí)、分析、決策”能力；物理系統(tǒng)通過增加各種智能傳感、檢測和網(wǎng)絡(luò)等物聯(lián)網(wǎng)設(shè)施，形成電廠數(shù)字化物聯(lián)網(wǎng)感知體系。同時，信息物理子系統(tǒng)（Cyber-PhysicalSub-System,CPS-S）將物理子系統(tǒng)和信息子系統(tǒng)在感知、分析、決策、控制及管理等方面深度融合，代替電廠人員大部分的體力和腦力活動，并且充分考慮社會影響，通過網(wǎng)絡(luò)和平臺將各子系統(tǒng)集成為更大的HPS、CPS以及HCS系統(tǒng)，進而進化至HCPS/CPSS。3.3智慧電廠CPS/HCPS/CPSS物理結(jié)構(gòu)為了實現(xiàn)智能電廠或智慧電廠CPS/HCPS/CPSS實時監(jiān)控、混合建模分析、動態(tài)仿真和智能控制，構(gòu)建了智慧電廠的物理結(jié)構(gòu)如圖5所示。將傳統(tǒng)生產(chǎn)控制Ⅰ區(qū)和生產(chǎn)監(jiān)控Ⅱ區(qū)合并為智能控制安全Ⅰ區(qū)。電廠物理系統(tǒng)的數(shù)字信號通過傳感器和專用通信網(wǎng)絡(luò)傳輸至智能控制根據(jù)《電力二次系統(tǒng)安全防護規(guī)定》的要求，通過防火墻隔離將DCS存儲服務(wù)器數(shù)據(jù)映射傳輸至智能控制Ⅰ區(qū)大數(shù)據(jù)平臺中，通過數(shù)據(jù)庫存儲的人類知識及三維機理模型，進行優(yōu)化、預(yù)測、診斷、決策建模和在線仿真，構(gòu)建CPS/HCPS/CPSS數(shù)字孿生體。根據(jù)物理系統(tǒng)的實時信息和人類知識，不斷自我學(xué)習(xí)提高仿真及數(shù)學(xué)模型精度，當(dāng)達到預(yù)定精度后將仿真和模型計算結(jié)果，通過專線和防火墻鏡像至DCS控制系統(tǒng)的高級應(yīng)用控制器中，對物理系統(tǒng)實體進行嵌入式或分布式控制。而在智慧管理安全Ⅱ區(qū)中構(gòu)建大數(shù)據(jù)云平臺，實時鏡像智能控制Ⅰ區(qū)大數(shù)據(jù)平臺數(shù)據(jù)，開發(fā)高級應(yīng)用服務(wù)器功能實現(xiàn)“人機料法環(huán)”全身命周期管理。通過Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)相互映射和融合，在虛擬環(huán)境中構(gòu)建一個物理系統(tǒng)、人/社會、信息系統(tǒng)深度融合的數(shù)字孿生發(fā)電廠。4基于仿生體系的智慧電廠工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺火力發(fā)電廠是一個涉及多參數(shù)、多耦合和多目標(biāo)的復(fù)雜連續(xù)工業(yè)系統(tǒng)，不能以孤立的離散數(shù)據(jù)直接控制與管理。為了實現(xiàn)智慧電廠CPS/HCPS/CPSS的自由組合，需要具有規(guī)范、可分解、統(tǒng)一的智慧電廠工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺。通過遵循面向服務(wù)的架構(gòu)（SOA)，基于信息和通信技術(shù)（InformationandCommunicationTechnology,ICT），在統(tǒng)一的模型及服務(wù)接口標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，構(gòu)建智慧電廠工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺。通過橫向服務(wù)總線實現(xiàn)發(fā)電廠內(nèi)部工業(yè)生產(chǎn)或管理全部信息的集成優(yōu)化。通過縱向服務(wù)總線實現(xiàn)電廠內(nèi)部不同部門、不同業(yè)務(wù)之間的互聯(lián)互通、協(xié)同優(yōu)化，以及集團內(nèi)相關(guān)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的互聯(lián)。通過服務(wù)總線實現(xiàn)與其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)（如信息化系統(tǒng)、自動化控制系統(tǒng)、電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)、交易市場系統(tǒng)等）的信息共享、協(xié)調(diào)優(yōu)化控制及流程化管控。因此，智慧電廠工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺應(yīng)可為智能系統(tǒng)和業(yè)務(wù)功能建設(shè)提供安全、可靠、高效和穩(wěn)定的應(yīng)用平臺和數(shù)據(jù)平臺服務(wù)支撐，實現(xiàn)系統(tǒng)和業(yè)務(wù)的橫向集成與縱向貫通，打破數(shù)據(jù)孤島。通過模擬神經(jīng)系統(tǒng)神經(jīng)細胞的分層現(xiàn)象，本文基于仿生體系，構(gòu)建如圖6所示的智慧電廠工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺。智慧電廠HCPS/CPSS劃分為設(shè)備層（效應(yīng)器）、感知層（細胞膜）、基礎(chǔ)設(shè)施層（細胞器）、平臺層（細胞質(zhì)）和應(yīng)用層（細胞核）的層級架構(gòu)。在仿生智慧電廠五層架構(gòu)體系中，每一層相互獨立且互聯(lián)互通，實現(xiàn)了發(fā)電廠信息離散系統(tǒng)、社會/人連續(xù)系統(tǒng)和發(fā)電物理連續(xù)系統(tǒng)在計算、通信、傳感、控制、管理等方面的有機融合與高度協(xié)作，打破業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)孤島，最終實現(xiàn)智慧電廠信息流、業(yè)務(wù)流、能源流的三流合一。1）物理層：包括物體物理、物體人、物理社會，其中物體物理指發(fā)電廠各系統(tǒng)和設(shè)備，構(gòu)成了從化學(xué)能至機械能、電能轉(zhuǎn)換和能量流動的復(fù)雜發(fā)電系統(tǒng)。2）感知層：感知層相當(dāng)于人體神經(jīng)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)神經(jīng)元，應(yīng)具有視覺、聽覺、觸覺、嗅覺等神經(jīng)末梢功能，是解決發(fā)電廠數(shù)據(jù)孤島問題，構(gòu)建社會、人、信息、物理系統(tǒng)的基礎(chǔ)。通過對現(xiàn)有發(fā)電廠DCS-SIS-MES系統(tǒng)存儲的實時數(shù)據(jù)庫和關(guān)系數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)、測量數(shù)據(jù)以及外部數(shù)據(jù)的安全高效采集，實現(xiàn)智慧電廠泛在感知。如對電廠人員和設(shè)備物資的標(biāo)識、位置、狀態(tài)，以及生產(chǎn)工藝、設(shè)備狀態(tài)、作業(yè)過程、管理內(nèi)容和流程數(shù)字化，可促進電廠人、機/物、社會信息資源集成共享和全面互聯(lián)。通過將電廠現(xiàn)有的KKS編碼、設(shè)備編碼、物資編碼、固定資產(chǎn)編碼進行聯(lián)動關(guān)聯(lián)，構(gòu)建新的四碼合一的標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)識編碼，賦予發(fā)電廠設(shè)備、物資、工藝唯一ID，保證數(shù)據(jù)的唯一可靠性。利用OPC、MQTT等技術(shù)將底層多源數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺可以接收的數(shù)據(jù)格式進行標(biāo)識解析，然后通過協(xié)議轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)MODBUS、HART、PROFIBUS等底層通信協(xié)議的互聯(lián)互通。對于部分時效性要求高的數(shù)據(jù)通過智能網(wǎng)關(guān)等新型邊緣計算設(shè)備實現(xiàn)智能傳感器和設(shè)備數(shù)據(jù)的匯聚處理，以及對邊緣分析結(jié)果向云端平臺的間接集成?？捎行Ы鉀Q發(fā)電廠煤質(zhì)在線測量、換熱器性能監(jiān)測，煙氣流量監(jiān)測，爐膛溫度場仿真的及時性和可靠性，實現(xiàn)發(fā)電機組關(guān)鍵參數(shù)的實時測量與處理。3）基礎(chǔ)設(shè)施層：構(gòu)建HCPS/CPSS神經(jīng)纖維網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，為平臺層提供并行高效的云計算以及物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施，通過射頻識別、LoRa、Zigbee、4G/5G以及UWB/GPS/北斗等定位設(shè)施構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)信息網(wǎng)絡(luò)。4）平臺層：通過系統(tǒng)整合、數(shù)據(jù)橫向貫通與集中、業(yè)務(wù)縱向集成、數(shù)字映射、微服務(wù)等策略，將大數(shù)據(jù)平臺、物聯(lián)網(wǎng)平臺和三維虛擬平臺融合為發(fā)電廠的一體化平臺。同時通過對門戶、流程、數(shù)據(jù)、運維、安全的統(tǒng)一管理，構(gòu)建智慧電廠HCPS中樞神經(jīng)系統(tǒng)大腦功能。（1）蘊含知識圖譜的大數(shù)據(jù)平臺。通過建立包含電廠人/社會-物理等多業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，大數(shù)據(jù)平臺結(jié)合機器學(xué)習(xí)、強化學(xué)習(xí)、仿真建模等多種技術(shù)，集成生產(chǎn)管理專家知識經(jīng)驗，建立發(fā)電廠知識圖譜，為應(yīng)用層提供快速高效、自學(xué)習(xí)、自優(yōu)化的智能應(yīng)用模型。同時該平臺通過統(tǒng)一對外服務(wù)和標(biāo)準(zhǔn)接口支持集團內(nèi)部、智能電網(wǎng)調(diào)度、政府監(jiān)管部門、市場交易中心等企業(yè)單位之間的數(shù)據(jù)安全交互能力。（2）智能設(shè)備集中管控的物聯(lián)網(wǎng)平臺。隨著智能設(shè)備在發(fā)電廠中不斷得到應(yīng)用，需要一套物聯(lián)網(wǎng)平臺將電廠設(shè)備/人與互聯(lián)網(wǎng)相連，實現(xiàn)電廠物聯(lián)網(wǎng)遠程監(jiān)視、集中管控與服務(wù)。如發(fā)電廠關(guān)鍵參數(shù)智能量測設(shè)備、巡檢機器人和無人機、智能攝像頭、智能移動終端等物聯(lián)設(shè)備的靈活部署與集中互聯(lián)管控。（3）基于業(yè)務(wù)驅(qū)動的數(shù)字化孿生平臺。充分利用數(shù)字化建模技術(shù)開發(fā)一套面向發(fā)電廠生產(chǎn)工藝流程仿真及設(shè)備結(jié)構(gòu)的三維數(shù)字化平臺，融合人員定位技術(shù)、移動終端、智能攝像頭、三維及VR/AR仿真培訓(xùn)和仿真技術(shù)，集成生產(chǎn)監(jiān)控、作業(yè)過程、生產(chǎn)管理、智能決策等SIS和MIS傳統(tǒng)信息系統(tǒng)功能，實現(xiàn)基于業(yè)務(wù)驅(qū)動的三維數(shù)字化孿生虛擬電廠。5）應(yīng)用層：應(yīng)用層是CPS系統(tǒng)最頂層，相當(dāng)于人體的脊髓組織。與平臺層腦組織共同構(gòu)建了完整的中樞神經(jīng)系統(tǒng)。應(yīng)用層主要是解決電廠生產(chǎn)運營管理的實際問題，是CPS系統(tǒng)信息流、數(shù)據(jù)流和能源流三流合一的價值體現(xiàn)，應(yīng)用層可劃分為面向生產(chǎn)的控制區(qū)、信息一體化的管理區(qū)、人機交互與可視化的交互區(qū)，三大區(qū)共同推動著發(fā)電廠智能系統(tǒng)的構(gòu)建和融合。其中控制大區(qū)主要是實現(xiàn)智慧電廠HCPS/CPSS智能配置和執(zhí)行的關(guān)鍵，連接了設(shè)備層與平臺層。可以集成主輔一體化控制、機爐自起停控制、燃燒優(yōu)化控制、環(huán)保優(yōu)化控制、吹灰優(yōu)化控制以及適應(yīng)智能電網(wǎng)的廠網(wǎng)協(xié)調(diào)控制等系統(tǒng)和模塊。提高機組運行參數(shù)臨界點的智能控制水平，滿足電熱冷等多種能源產(chǎn)品的個性化需求，確保機組在不同條件下達到最佳運行狀態(tài)。而管理區(qū)和交互區(qū)是針對電廠業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)的集中部署而虛擬劃分的區(qū)域，主要布置于電廠安全網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的Ⅱ區(qū)，管理區(qū)主要以提高工作效率，優(yōu)化企業(yè)管理、少人值守、資產(chǎn)高效利用為目標(biāo)，實現(xiàn)全廠生產(chǎn)管理的數(shù)字化、最優(yōu)化和智能化。5智慧電廠仿生CPS體系典型應(yīng)用5.1基于物聯(lián)網(wǎng)和事件驅(qū)動模型的安全生產(chǎn)CPS實現(xiàn)人員無傷害、系統(tǒng)無缺陷、管理無漏洞、設(shè)備無障礙、風(fēng)險可控制、人機料法環(huán)的和諧統(tǒng)一是以人為本的智慧電廠建設(shè)核心要求。通過智慧電廠工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)感知層，集成定位系統(tǒng)、移動終端、電子圍欄、智能攝像頭、三維仿真平臺等建立全廠物聯(lián)網(wǎng)感知體系，對電廠安全管理各環(huán)節(jié)（人機料法環(huán)）信息采集，構(gòu)建安全生產(chǎn)的CPS，如圖7所示。對于某一安全生產(chǎn)事件，系統(tǒng)將以事件驅(qū)動觸發(fā)CPS信息流流動，同步一一映射建立3W1H（what、where、when、how）分散式CPS子系統(tǒng)，對安全生產(chǎn)管控中各要素分析結(jié)果實時可視化，實現(xiàn)安全風(fēng)險識別、隱患排查、風(fēng)險評估、安全風(fēng)險預(yù)測、趨勢演進等，提高安全管控的科學(xué)性、主動性和透明性。全面提升電廠運營安全與經(jīng)濟水平。除了對電廠人身安全和設(shè)備安全的數(shù)字化及智能化管控外，同樣可以依據(jù)“人機料法環(huán)”方法實現(xiàn)對發(fā)電企業(yè)運行智能管理、設(shè)備智能管理、燃料智能管理、物資智能管理、經(jīng)營智能管理等進行機理建模、數(shù)據(jù)驅(qū)動建模、事件驅(qū)動建模及其混合建模分析。5.2數(shù)字孿生和HCPS的智能發(fā)電Agent局部系統(tǒng)和設(shè)備的故障預(yù)測性維護與診斷、運行優(yōu)化控制，無法實現(xiàn)發(fā)電系統(tǒng)全局最優(yōu)，需要將發(fā)電過程中的燃燒系統(tǒng)、汽水系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、環(huán)保系統(tǒng)等各子系統(tǒng)建立的智能體（Agent）通過信息集成技術(shù)集成在一起，構(gòu)建一個綜合考慮安全、經(jīng)濟和環(huán)保多目標(biāo)全局系統(tǒng)最優(yōu)的多智能體（MAS）。Agent對人在電廠生產(chǎn)和管理的行為與知識經(jīng)驗迭代自學(xué)習(xí)，自診斷當(dāng)前工況系統(tǒng)及設(shè)備性能和健康狀態(tài)，MAS體對各Agent進行協(xié)調(diào)組織，分布式計算和實時動態(tài)控制各參數(shù)在最佳值和各系統(tǒng)設(shè)備最佳運行方式。因此，實現(xiàn)智能發(fā)電首先需要對火電廠局部系統(tǒng)和設(shè)備建立單個Agent，如對鍋爐燃燒優(yōu)化控制、冷端優(yōu)化控制、吹灰優(yōu)化控制、脫硫/脫硝優(yōu)化控制、汽輪機故障診斷、磨煤機故障診斷、機組負荷協(xié)調(diào)優(yōu)化控制等模型的構(gòu)建?；贖CPS和數(shù)字孿生的智能發(fā)電建模過程如圖8所示，結(jié)合機理分析，構(gòu)建數(shù)據(jù)驅(qū)動混合模型，引用三維在線實時仿真等技術(shù)構(gòu)建數(shù)字孿生體，通過對發(fā)電廠SIS和DCS兩大系統(tǒng)級CPS進行融合，以及接入內(nèi)外部拓展信息，建立人/信息/物理之間的數(shù)據(jù)映射關(guān)系。采用模糊控制、預(yù)測控制、強魯棒等人工智能算法及控制方法，利用智能變送器和智能執(zhí)行機構(gòu)、開放應(yīng)用服務(wù)器等軟硬件資源，對HCPS/CPSS嵌入式與分散式系統(tǒng)分布式云計算，實現(xiàn)數(shù)字孿生Agent的快速響應(yīng)和精準(zhǔn)執(zhí)行控制，使HCPS/CPSS逐步代替電廠人員的作業(yè)行為、分析能力和經(jīng)驗知識，實現(xiàn)基于HCPS和數(shù)字孿生的智能發(fā)電。5.3面向多市場的CPSS聯(lián)合交易輔助決策目前，我國發(fā)電企業(yè)正面臨不同品種、不同周期的多種市場化交易，給火電企業(yè)經(jīng)營決策帶來了巨大的挑戰(zhàn)。如1）電力市場：①能量市場交易周期不同可分為包括中長期合約、月度集中競價、日前市場、實時市場；②輔助服務(wù)市場，包含日前調(diào)度備用市場、旋轉(zhuǎn)備用市場、調(diào)頻市場；③容量市場。（2）碳排放權(quán)交易市場。（3）動力煤炭市場。（4）污染物排放市場?？紤]上述多種市場耦合性，實現(xiàn)發(fā)電廠生產(chǎn)運行優(yōu)化、狀態(tài)檢修、燃料采購和市場交易的聯(lián)合最佳策略，是一個涉及能源-人-社會（環(huán)境/經(jīng)濟/政策）等信息，具有復(fù)雜多變和動態(tài)發(fā)展的復(fù)雜巨大系統(tǒng)，通過CPSS解決上述問題的信息采集、建模分析及決策生成?；痣娖髽I(yè)在上述多種市場耦合發(fā)