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摘 要：本文主要介绍了华电国际技术服务中心应用大数据信息化管理的理念，开展运营智能监控系统研究，建设节能环保监控平台，实现了节能环保指标的在线监督、预警和分析，为提升企业节能环保管理水平提供了有力的技术支撑。 关键词：大数据；技术监管；平台；应用 继物联网、云计算之后，“大数据”已经走出硅谷，渗透到当今每一个行业和业务职能领域，成为重要的生产因素。大数据之“大”，并不在于表面的“大容量”，而在于潜在的“大价值”。以“大数据”为代表的信息技术的迅速发展为电力行业技术管理提供了更有效的方法和工具。华电国际技术服务中心应用大数据信息化管理理念，开展运营智能监控系统研究，历时近两年的时间，自主开发建设了节能环保监控平台。2014年9月，该平台正式上线试运行，实现了华电国际公司系统节能环保指标的在线监督、预警和分析，为提升企业节能环保管理水平提供了有力的技术支撑。 一、实施背景 在节能环保已上升为国家战略的大背景下，火力发电市场的竞争就是机组环保指标和能耗指标的竞争。建立信息化节能环保监控平台，实施统一监管，提升节能环保技术管理水平，已经成为发电企业提升经营效益、促进科学发展的重要途径。 1、指标监管对电力企业经营发展影响重大。节能环保管理主要以指标为核心，环保指标必须达标已成为机组发电的必备和先决条件，而能耗指标对公司经济效益影响巨大。以华电国际公司供电煤耗指标为例，公司煤耗水平每降低1克/千瓦时，将会影响成本减少1亿元。近年来，国家对节能环保指标的要求逐年提高，大气污染防治计划、环保电价监管办法、新环保法、大气污染排放标准等环保政策的频繁出台，更是将节能环保要求提高到了史无前例的高度。华电国际公司节能环保管理主体在各基层电厂，存在管理不平衡、技术手段不足、缺乏专业指导等问题，公司节能环保指标竞争优势不明显。建立统一的节能环保监控平台，对公司机组技术指标进行统一监管，集成公司整体资源优势，加强专业技术管理，对促进指标持续优化，全面提升企业竞争力具有重要作用。 2、电力企业技术管理信息化应用水平低。要实现对复杂的指标数据进行有效分析和管理的功能，需要先进的信息化手段进行支撑。公司原有管理模式在信息化应用方面存在的主要问题主要有以下几个方面：一是机组经济性能管理手段单一，未形成机组指标动态标杆管理，未建立监督、分析、诊断、决策为一体的系统化管理系统；二是数据分析利用不够深入，未能记录机组能耗状况及变化过程，缺少实时和分时段的统计数据，不能为能耗目标和考核标准的制定提供准确依据；三是信息资源未形成共享，存在信息不对称现象，未能采用先进的信息系统进行对标分析、指标竞赛等管理工作；四是无法深入开展专业化性能诊断，不能够及时发现和分析主辅机设备能耗异常及原因；五是各单位使用的节能管理信息系统缺少统一维护管理制度规范，难以维护和正常使用。 因此，如何构建一个集节能环保监测、评价、管理等内容为一体的信息化监控平台，从海量的、实时变化的生产过程数据中获取有价值的信息，提升公司节能环保技术管理水平，成为技术服务中心需要迫切解决的一项重大技术课题。 二、理论依据 1、应用大数据预处理技术，为性能计算做好准备。要实现对华电国际所有发电机组节能环保过程指标的监督分析，需要将40多万点原始数据由现场采集后存入PI实时数据库系统，整个测量系统为分布参数、非线性、非平稳的实时动态测量系统，测量参数主要是压力、温度和流量等状态量，测试数据为动态测试数据。由于电厂的测量仪表经常工作在高温、振动、腐蚀等恶劣环境下, 容易发生故障, 导致数据采集系统采集到错误的数据；此外, 测量数据还可能受到干扰、漂移和测量环境的影响而产生随机误差, 而这种偏差往往很难被直观地检测出来。为保证数据准确，必须进行数据预处理。数据预处理的主要工作是处理实时测量数据中的数据缺失、奇异值以及计算传感器实际误差的标准差。对于长期缺失数据情况，通知性能监控平台，报告传感器故障及其位置；对于偶然缺失数据，可以通过一定的数学方法进行校正，同时通知性能监控平台显示校正前后的数据及其对应传感器。剔除采集数据奇异项的方法提供差分、多项式逼近的最小二乘法、外推拟合法、多项式回归模型检验法、ARIMA模型检验法、稳健滤波的M估计等多种工具，其方法的应用应视异常数据类型的不同而进行适当的选择。 2、实施数据协调处理，建立精确的电厂在线监测模型。数据协调技术的原理基于机组各测点的测量值存在随机误差和系统误差的事实。在处理掉过程测量数据中的过失误差之后，利用时空冗余信息，在满足系统平衡方程等约束条件下，去除随机误差影响，同时对未测量数据中的可观测型数据进行估计，有效利用全部实际测量数据，分析辨识数据的准确性，利用系统冗余测量变量和平衡约束方程，构建数据协调模型。数据协调计算假设测量值仅包含随机误差，而显著误差得到有效消除或修正。基于这样的假设，利用最大似然估计原理构建数据协调问题的数学表达，将冗余测量变量数据协调问题和未测量变量估计问题分解，然后，采用拉格朗日乘子算法求解基准流量。 3、应用“主导因素”建模方法，建立设备特性数学模型。“主导因素”建模方法是一种利用对象系统实测数据的分析弥补通用性模型对实际系统描述的偏差，实现对热力系统大范围工况变化的精确仿真的建模方法。“主导因素”建模方法的准则主要有三条：1）根据可获得的实时数据，尽量采用机理模型中对各种现象和过程的理论描述架构，以保持影响变量的种类及其对过程特性作用规律趋势的正确性；2）在分析、综合、归纳、概括过程中不确定的和复杂的因素时，恰当的简化可以得到数学上易于处理的模型；3）对于集中了过程中不确定的和复杂的因素，需要由实际运行数据确定特性参数与其“主导因素”之间的定量关系。在这个过程中，通常可采用回归分析的方法获取。 三、系统架构设计 1、系统组成 节能环保监控平台的功能，以业务需求为主线配置软硬件系统，对近百台发电机组的海量实时数据进行分类收集、分析筛选，利用设备性能诊断模型和数据分析工具进行深度数据挖掘，得出有价值的汇总信息，可以实时掌握设备性能状况，发现影响节能环保指标的关键问题，并通过集成的专家系统得到改进建议。系统由三部分组成： （1）系统支撑层包括：操作系统Windows Server 2008 R2(x64), PI实时数据库, Oracle关系数据库, WebLogic应用服务器,第三方组件AmCharts。 （2）核心服务层采用以Reed开发平台为基础的核心服务，包括图形平台、界面设计器、ACS高级计算服务、工作流引擎、组织机构权限、模型访问服务、MVC中间件。 （3）业务应用层节能监控模块包含异常监督、单元诊断、能效监管三方面功能；环保监控模块包含设备台账、分析诊断、异常报警、报表分析等功能。
2、数据架构 系统实时数据采用PI系统进行构建，下属单位实时数据传输到集团总部实时数据库，集团总部采用双机热备，并同步到公司镜像PI。关系型数据库仅用于存放计算完以日、月、年为周期汇总后的统计指标，以及系统配置、权限设置等结构化数据。
3、业务架构 （1）节能监控功能包括三个功能模块：异常监督模块及时发现问题；单元诊断模块深入分析原因，给出改进措施；能效监管模块监督落实具体降耗措施，跟踪分析目标偏差并监督改进。 （2）环保监控各功能模块：设备台账提供基础信息；分析诊断模块用于分析和掌握设备运行状况；异常报警模块发现状态异常、排放超标时自动报警提示；报表系统生成各种统计报表。
四、实施过程 应用监控平台对大量的生产过程数据分析功能，开展了指标异常管控、设备运行状态分析、改进潜力分析等工作，节能环保技术监管效率大幅提高。 （一）节能监控平台应用 1、应用异常监控，及时发现和消除生产过程指标异常。异常监控功能开发了运行指标监督、异常统计、能耗寻踪、安全监控、大修评估、动态对标等功能单元。（1）实现了生产过程能耗指标异常诊断、自动预警。生产单位可针对性调整设备，提高设备生产效率。例如灵武3号机组及时发现和消除高加旁路泄漏，同负荷下给水温度提高3.2℃，降低供电煤耗约0.29克/千瓦时，节约燃煤成本约88万元/年。（2）集成闭环管理流程。实现了对异常的发现、分析、处理、反馈整个流程的有效管理。2014年1-11月，通过节能监控平台下发节能监督整改通知单150份，解决了真空低、抽汽温度异常、空预器差压大、热力系统内漏、排烟温度高、再热汽温低、减温水量大等突出问题，公司整体降耗效果达到0.5克/千瓦时。 2、建立单元诊断模块，诊断设备性能，查找节能潜力。单元诊断功能模块实现了远程专家诊断，通过集成专家诊断技术和现场处理经验，建立了分系统诊断模块，包括机本体、回热、冷端、泵组、锅炉燃烧、风烟、制粉、汽水等单元模块。通过远程方式诊断设备性能，发现设备节能潜力点，提出改进建议。（1）远程诊断与现场节能剖析互相结合，互相促进。通过现场节能剖析的实践得出诊断方法，将其应用于平台功能开发，提高了远程诊断的水平；利用远程诊断对大量数据计算、筛选、分析的能力，快速发现问题，得出初步改进建议，为现场节能剖析、确定治理方案提供指导。（2）抓住重点、集中治理，提升管理水平。通过平台获得汇总信息，找出管理重点，集中开展制粉优化、空预器治理、旁路泄漏、冷端优化等工作，取得明显效果。例如章丘4号机组真空低问题的分析处理，现场多次分析查找原因均未能有效解决，通过单元诊断模块对200多项生产数据计算分析，逐项排除了严密性差、循环水流量低等多项影响因素，问题最终锁定为凝汽器换热管束脏污，并提出了针对性的整改措施。生产单位参照诊断结果，及时发现并消除胶球清洗装置故障，机组真空提高1.3千帕，降低供电煤耗约4克/千瓦时，实现效益360万元/年。 3、实施能效监管，分析偏差原因，落实具体降耗措施。能效监管功能模块通过量化分析、对标排序、管理要素落实，实现了降耗措施的有效落实，确保了能耗指标的刚性化完成。（1）差距公示，提高基层各单位工作积极主动性。平台汇总展示了公司各单位节能指标，按目标偏差从好到差每月公示排序，对指标改进明显的单位及时总结发布管理经验，对指标落后的单位重点督促改进，有效提高了基层单位节能工作积极性。（2）促进能效对标工作的深入开展。通过平台可方便的查询到行业、集团、华电国际、区域、等各范围的对标数据，还可实现与系统内同类型机组实时生产数据的对标，为持续对标改进提供了有效的工具。（3）规范节能降耗五到位管理，确保年度目标的完成。按照“问题分析到位、目标分解到位、措施整改到位、责任落实到位、奖惩兑现到位”，具体分解落实年度节能降耗目标，落实各级人员工作责任，根据措施效果兑现奖惩，保证了各项具体降耗措施的落实，为节能目标的完成提供了有力保证。 （二）环保监控平台应用 1、实现从公司到机组层面环保指标的实时监控。对机组环保指标尤其是大气污染物排放实时数据进行监督和报警，对整个环保系统设置监控点，实现对污染物排放、环保风险指标等42类指标的分级实时（预）报警。 2、建立趋势诊断和总量管控模块，为企业环保管理提供支持数据和决策依据。建立重要生产参数趋势分析诊断，建立16条参数趋势，增加理论喷氨量和催化剂比较压差等概念，通过对最大、最小、设计、报警、斜率5值的分析，实现设施运行状态的提前诊断。提供有效的控制目标，实现指标的有效控制。建立控制期内允许排放指标、允许绩效值等指标，对超标的指标提出调整建议值。 3、建立固定模版+报表灵活定制，提高环保统计绩效。建立目前上报的报表模板，实现现有报表的自动生成，建立报送流程和下载窗口，实现自动上报和模板下载。根据需求条件生成需要的各类临时报表。并通过报警、台账等信息，自主选择确定数据统计种类并进行统计、汇总，实现临时报表的灵活定制和自动生成。目前环保监控平台作为日常环保管理的主要数据库，完成污染物总量年报、季报的自动上报工作，环保统计数据上亿个，可以实现多种环保指标统计分析功能，大大提高了环保统计工作的效率和质量。 4、实行环保管理的自动等级评价。按照国家环保部《企业环境信用评价办法（试行）》和华电集团责任兑现办法的要求条件，建立相关的评价规则，基本实现相关的评价和考评。按照环保设施、指标和管理三方面内容的自动评价，建立起可独立评价、可综合评价的评价体系，设置否决项，实现对企业环保工作的自动评价。 五、取得的成效 截止2014年11月，节能监控平台已接入华电国际公司系统具备接入条件的8个区域75台发电机组，单台机组的接入测点数量高达2000点左右；环保监控平台接入了华电国际公司系统具备接入条件的24家电厂92台机组，单台机组接入测点300点左右，集团侧生产集中监管的作用日益突显。平台功能应用取得以下几方面的效益： （一）管理效益 1、提升了公司系统节能环保管理水平。通过节能环保监控平台的功能应用，形成了异常报警闭环管理机制，建立了日监督、周诊断、月对标的工作模式，实现了对机组主要运行指标的有效监督和管理，促进了公司系统节能、环保工作水平的有效提升。 2、给各级管理决策提供了不同层面的数据支撑。其中，决策层面，表现为利用各个电厂的数据进行“大数据”分析，从数据中分析出结果，为领导者提供决策参考手段，达到控制成本，减少费用开支和消耗，提高安全经济性的目标；管理层面，表现为以指标体系(包括煤耗、厂用电率、发电量等关键指标，汽机、锅炉、环保等设备利用水平)为中心，通过深度分析和挖掘(包括历史趋势分析、增长率分析、极值分析、平均值分析等分析功能，以及柱状图、折线图、雷达图等图形展示功能)，为各级管理人员决策提供准确的分析结果和发现普遍的问题；操作层面，表现为电厂各级人员根据指标体系指导运行、检修人员操作，规范管理，优化参数，从而提高机组设备运行效率和可靠性。 （二）经济效益 成功解决华电国际公司系统所属单位机组的排烟温度高、飞灰含碳量高、减温水流量大、风烟系统阻力大、真空严密性差、真空低、阀门内漏、给水温度低、辅机运行方式不合理等重点问题120项，降低公司供电煤耗0.5克/千瓦时，实现经济效益0.5亿元。华电国际公司通过节能环保监控平台的数据支撑，积极推广应用新技术，形成了以低压缸双背压双转子互换循环水供热节能系统、纯氧点火技术等具有自主知识产权的节能技术成果。其中300MW机组低压缸高背压双转子互换循环水供热节能系统，改造后机组供热季发电煤耗139克/千瓦时，已优于1000MW超超临界机组水平；贫煤锅炉纯氧点火技术节油率达到80%。 （三）环保效益 应用环保监控平台重点实现了SO2、NOx、烟尘浓度排放超标报警及原因分析判断，同时对脱硫、脱硝退出运行及重大设备异常等进行监控，提高了公司机组环保设施运行可靠性。截至2014年11月底，通过环保监控平台，累计发布环保指标预警监督通知1572条，均提醒、督促企业及时进行了整改。同时，编发33期环保异常周报和18期环保监督月报，分析存在问题，提出指导性建议和措施，公司污染物排放浓度超标问题大幅度减少。脱硫设施投运率达到99.98%，同比提高0.47%，环保各项指标持续提升。 （四）社会效益 在行业内树立了良好的节能减排责任形象、管理创新和技术创新形象，知识产权得到了及时保护，主要成果结合节能环保监控平台的建设得到有效转换并在华电国际内部迅速推广应用。“节能、环保监控平台开发和应用”科技项目均获得华电集团科技成果二等奖，获得国家授权专利4项。 六、应用前景 节能环保监控平台的应用，改进了集团发电企业节能环保管理模式，为火电机组节能环保监督管理和指标分析提供了有效工具。应用统一的节能环保监控平台，可在一个或多个区域范围内集中优势资源，改进技术管理，推动节能环保工作精细化、规范化开展。在现有功能的基础上，华电国际技术服务中心正积极推进技术监督、燃料监督模块和机组启停远程监控功能的开发与应用，同时加快了数据挖掘、移动互联等技术的深层应用研究。随着后续功能的拓展和应用，以先进、高效的大数据处理技术为支撑的综合监控平台将真正成为公司安全生产集中监管的高效管理工具，有效提升企业相对竞争力。
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