引 言
浙江省能源集團有限公司成立于2001年，總部位于中國杭州，主要從事電源建設、電力熱力生產、石油煤炭天然氣開發(fā)貿易流通、能源服務和能源金融等業(yè)務。截至2018年7月，浙能集團在職員工23000人，其中本科以上學歷占46.9%，中高級職稱占18%。總資產2005億元，所有者權益1067億元；控股浙能電力和寧波海運兩家A股上市公司，管理企業(yè)200余家。通過近幾年的發(fā)展，浙能集團已形成由電力、天然氣、石油、煤炭及運輸、可再生能源、能源化工組成的能源主業(yè)，以及由金融產業(yè)和能源服務業(yè)組成的支持性產業(yè)，集團已成長為全國資產規(guī)模最大、能源產業(yè)門類最全、盈利能力最強、電力裝機容量最大的省級能源企業(yè)，成為集電、煤、油、氣、冷、熱等多能為一體的綜合能源供應服務商。
太極股份致力于“做中國最優(yōu)秀的數(shù)字化服務提供商” ，率先推出TECO（Taiji Energy Cloud EcOsystem）工業(yè)互聯(lián)網平臺，牽手眾多的生態(tài)合作伙伴，面向工業(yè)行業(yè)和企業(yè)的價值需求，提供工業(yè)互聯(lián)網業(yè)務頂層設計、平臺建設、工業(yè)大數(shù)據(jù)服務、算法模型開發(fā)、云平臺運營等服務，多年來電力、鋼鐵、煤炭、化工、軍工制造等工業(yè)領域有著眾多的客戶、豐富的業(yè)務實踐和案例。
隨著浙能集團能源產業(yè)規(guī)模的快速擴張，對集團生產安全工作信息化提出更高了要求，建設以生產數(shù)據(jù)為基礎的調度中心，實現(xiàn)生產實時監(jiān)控、設備運行優(yōu)化、產業(yè)鏈協(xié)同、應急指揮等功能，是集團保障生產、安全、提高競爭力的重要抓手，也是展示生產經營、改革發(fā)展成果的重要窗口。另一方面，云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網、移動計算、人工智能等信息技術飛速發(fā)展，工業(yè)互聯(lián)網平臺技術在國內外能源企業(yè)已成功實踐。
在此背景下，2018年，浙江省能源集團委托太極計算機股份有限公司開展浙能集團調度中心建設，采用太極TECO工業(yè)互聯(lián)網平臺技術，以全面保障生產安全為重要基礎，以生產優(yōu)化、應急調度指揮中心應用為抓手，建設形成“一級調度多級聯(lián)動”的“一體化調度指揮體系”，旨在提升浙能集團生產、安全管理水平和效率，并助推浙能集團“數(shù)字浙能”的全面建設。
本項目在工業(yè)大數(shù)據(jù)、云計算、工業(yè)應用、工業(yè)設備數(shù)據(jù)采集、工業(yè)設備機理模型、人工智能、可視化BI等層面具有深厚的技術積累和豐富的實踐經驗。通過探索新技術應用，逐步構建“數(shù)據(jù)-信息-知識-智慧”完整的信息價值鏈，推進生產調度和安全管理工作的數(shù)字化、精益化和智能化，為建設“數(shù)字型”浙能集團創(chuàng)造條件。
一、 項目概況
項目以浙能集團現(xiàn)有及未來業(yè)務戰(zhàn)略發(fā)展為導向，借鑒國內相關能源行業(yè)生產調度及應急指揮的最佳實踐，建設浙能集團調度中心，以搭建工業(yè)互聯(lián)網平臺為基礎，建設生產安全監(jiān)控和應急指揮系統(tǒng)，實現(xiàn)煤炭供應鏈和鍋爐燃燒優(yōu)化等生產調度優(yōu)化應用以及閉環(huán)的應急能力建設應用。
1. 項目背景
當前，我國經濟已步入新常態(tài)。在新常態(tài)下，科技創(chuàng)新已成為能源企業(yè)提高競爭力的重要抓手，為此，國家也陸續(xù)出臺了“互聯(lián)網+”、“兩化融合”、“中國制造2025”等國家戰(zhàn)略。
浙能集團深入貫徹習近平總書記“四個革命、一個合作”的能源戰(zhàn)略思想和“五大發(fā)展”理念，深入推進“能源立業(yè)、科技興業(yè)、金融富業(yè)、海外創(chuàng)業(yè)”的“四業(yè)”發(fā)展路徑，調整結構、補齊短板，搶抓機遇、開拓進取。在浙能集團“四業(yè)”發(fā)展的戰(zhàn)略轉型過程中，保障生產、安全是其中的重要基礎環(huán)節(jié)，建設以生產數(shù)據(jù)為基礎的生產調度中心，實現(xiàn)生產監(jiān)控、供應鏈協(xié)同、設備運行優(yōu)化、應急指揮等功能，是集團保障安全生產、提高競爭力的重要抓手，也是展示生產經營、改革發(fā)展成果的重要窗口。目前，云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網、移動計算、人工智能等信息技術飛速發(fā)展，工業(yè)互聯(lián)網平臺技術在國內外能源企業(yè)已成功實踐。在此背景下，基于工業(yè)互聯(lián)網的浙能集團應急調度指揮中心已具備建設條件。
2. 項目簡介
項目基于工業(yè)互聯(lián)網平臺，建設了覆蓋集團全產業(yè)、生產各專業(yè)的縱向貫通、橫向協(xié)同的生產安全監(jiān)控系統(tǒng)和應急指揮系統(tǒng)，實現(xiàn)了煤炭供應鏈調度和燃燒優(yōu)化應用以及應急管理全流程應用等創(chuàng)新型應用。項目簡介如下：
（1）搭建工業(yè)互聯(lián)網平臺，匯集全量生產實時和歷史數(shù)據(jù)、生產相關的管理數(shù)據(jù)和外部數(shù)據(jù)，建立海量數(shù)據(jù)的采集、匯聚、治理、存儲、分析、訪問和管理的大數(shù)據(jù)服務體系；提供開發(fā)平臺和應用市場平臺，支持算法、模型、應用的二次開發(fā)和集成，為開展應用提供平臺支撐。
（2）實現(xiàn)各產業(yè)重要指標、運行參數(shù)和生產工藝流程的實時在線監(jiān)視，提供綜合展示、生產運行監(jiān)控、安全監(jiān)控、環(huán)保監(jiān)控等功能，開展煤炭供應及燃燒優(yōu)化等生產調度和工藝優(yōu)化應用的建設。
（3）實現(xiàn)覆蓋突發(fā)事件的預防、準備、響應、恢復的整個應急全流程的閉環(huán)應急能力建設應用。統(tǒng)一接報、收集公司系統(tǒng)各類突發(fā)事件信息，統(tǒng)一向集團公司系統(tǒng)發(fā)布預警信息，提供事態(tài)影響分析、預案推演與應急演練、視訊指揮調度、數(shù)字預案、資源共享調配、應急評估和案例歸檔等功能。
3. 項目目標
以集團現(xiàn)有及未來業(yè)務戰(zhàn)略發(fā)展為導向，參考各行業(yè)生產調度及應急指揮的最佳實踐，采用工業(yè)互聯(lián)網的視野及思維，引入大數(shù)據(jù)分析挖掘等技術，充分利用和整合現(xiàn)有資源和數(shù)據(jù)，以安全生產監(jiān)控和應急指揮為應用方向，實現(xiàn)設備運行監(jiān)控、綜合分析、產業(yè)協(xié)同、性能優(yōu)化、風險布控、研判會商、指揮調度、應急演練等主要功能。通過本項目的實施，降低企業(yè)生產運行成本，提高生產安全管理水平和管理效率，同時提升浙能集團整體智能化水平。
二、項目實施概況
本項目采用物聯(lián)網、云計算、大數(shù)據(jù)、微服務等工業(yè)互聯(lián)網平臺技術，匯集集團下屬各產業(yè)約200余家生產企業(yè)的生產實時數(shù)據(jù)和生產相關經營管理數(shù)據(jù)以及外部的氣象、船舶AIS、煤炭價格數(shù)據(jù)，建成集采集、治理、存儲、分析、訪問為一體的工業(yè)大數(shù)據(jù)中心和工業(yè)PaaS平臺；并基于工業(yè)互聯(lián)網平臺，開發(fā)了生產安全監(jiān)控系統(tǒng)、應急指揮系統(tǒng)。其中，采用基于大數(shù)據(jù)的機器學習算法，解決了煤炭供應鏈優(yōu)化、鍋爐燃燒優(yōu)化等生產優(yōu)化問題，降低企業(yè)運行成本，提高企業(yè)經營效益；建立了集自動監(jiān)測預警、智能研判、科學調度、評估完善等為一體的應急管理應用，初步實現(xiàn)了閉環(huán)的應急能力建設體系，提高了企業(yè)安全管理水平。
1. 項目總體架構
浙能集團調度中心采用分布式、多層體系架構，自頂向下分為展示層、業(yè)務應用層、平臺層、基礎層、接入層（采集層），建立在統(tǒng)一的標準規(guī)范體系、安全管理體系、運維保障體系下。
系統(tǒng)總體架構圖示如下：
（1）數(shù)據(jù)源層
通過數(shù)據(jù)接入服務，適配Pi、OPC、modbus等設備協(xié)議，接入不同來源、異構的生產實時數(shù)據(jù)；通過ETL、Webservice接入ERP、安健環(huán)等經營管理數(shù)據(jù)；通過http、爬蟲等接入氣象、煤價等外部數(shù)據(jù)。
（2）基礎設施層
基于集團現(xiàn)有私有云環(huán)境為項目提供網絡、服務器、存儲以及系統(tǒng)軟件（操作系統(tǒng)）支持。
（3）平臺層
建立浙能集團生產大數(shù)據(jù)中心和工業(yè)PaaS平臺。生產大數(shù)據(jù)中心由時序數(shù)據(jù)庫、MPP數(shù)據(jù)庫、HDFS等組成；工業(yè)PaaS平臺由數(shù)據(jù)建模和分析、GIS平臺、應用開發(fā)和微服務框架、微服務組件、應用市場組成。
平臺層提供數(shù)據(jù)采集、治理、分析、訪問、管理等數(shù)據(jù)服務，提供數(shù)據(jù)建模、算法分析、可視化等服務，基于微服務架構支撐能源工業(yè)領域模型、深度應用、個性化應用的開發(fā)和運行，提供應用市場支撐算法、模型、應用的二次開發(fā)/集成、共享。
（4）業(yè)務應用層
應用層：包括實時監(jiān)測、產業(yè)協(xié)同、性能優(yōu)化、運行分析、環(huán)保分析、節(jié)能分析、可靠性分析等生產監(jiān)控應用，包括風險防控、監(jiān)控預警、預案管理、應急演練、分析研判、輔助決策、指揮調度、應急評估等應急管理應用。
（5）門戶層
提供大屏、桌面、移動多種門戶；提供應用市場，支持數(shù)據(jù)、算法、模型、應用的分享和運營。
2. 項目物理架構
項目物理架構圖示如下：
圖 2 物理架構示意
工業(yè)互聯(lián)網平臺和生產安全監(jiān)控、應急指揮系統(tǒng)部署到集團數(shù)據(jù)中心，分為集團內網、外網兩部分。外網部分部署到集團安全隔離DMZ區(qū)，面向移動用戶提供APP服務。
在集團工業(yè)互聯(lián)網平臺中，部署數(shù)據(jù)采集服務，接入內網的ERP、安健環(huán)等經營管理類數(shù)據(jù)，接入通過單向隔離網閘擺渡的生產實時數(shù)據(jù)和外部數(shù)據(jù)。通過企業(yè)端部署的邊緣端服務安全地采集生產實時數(shù)據(jù)；通過外網DMZ部署的數(shù)據(jù)采集服務，安全接入外部的氣象、船舶AIS、煤炭價格指數(shù)等數(shù)據(jù)。
3. 具體應用場景和應用模式
（1）熱電全流程智能協(xié)調優(yōu)化（生產工藝優(yōu)化方向）
在項目中，開展了燃煤電廠燃燒裝置的自動優(yōu)化控制研究，實現(xiàn)了熱電全流程智能協(xié)同優(yōu)化。通過優(yōu)化，使燃料充分燃燒，低氮燃燒，在一定程度上抑制污染物的排放，降低污染物后處理費用；降低產汽煤耗或發(fā)電煤耗，顯著提高生產效率。
1 問題提出
在鍋爐熱效率損失中，主要因素包括：排出煙氣所帶走的熱量、化學不完全燃燒熱損失、機械不完全燃燒熱損失，見下圖通用燃燒曲線：
圖 3 通用燃燒曲線
因此，我們重點針對這些主要因素開展優(yōu)化工作。
2 解決方案
通過以下路徑，進行優(yōu)化設計：
保證燃燒裝置負荷穩(wěn)定的情況下，尋找最少的燃料消耗（燃料優(yōu)化）；
在燃料的熱值、水分發(fā)生變化的情況下，尋找最匹配的助燃風量（風量優(yōu)化）；
在負荷、設備性能發(fā)生變化的情況下，尋找最佳的控制點（控制點優(yōu)化）。
3 采用技術
基于先進的動態(tài)專家系統(tǒng)、燃燒效果軟測量模型、多維動態(tài)優(yōu)化模型以及大系統(tǒng)協(xié)調優(yōu)化技術等實現(xiàn)了鍋爐側負荷快速響應與穩(wěn)定功能、最少燃料量和最佳二次風量自尋優(yōu)及滾動優(yōu)化功能、最佳負荷自動分配以及運行爐與調節(jié)爐的自動轉換功能等。優(yōu)化模式下的負荷控制點（多爐母管制系統(tǒng)）、床溫控制點、氧含量控制點、二次風量控制點等隨工況而浮動。
4 模型構建和應用模式
圖示如下：
圖 4 模型構建和應用過程
邊緣端服務負責采集生產實時數(shù)據(jù)（負荷、給煤量、主蒸汽壓力等），并通過單向隔離網閘接入數(shù)據(jù)到集團工業(yè)互聯(lián)網平臺。在集團工業(yè)互聯(lián)網平臺端，基于歷史和新增生產實時數(shù)據(jù)進行建模和訓練；并通過仿真手段，與實時數(shù)據(jù)進行比較驗證。一致時，表示通過驗證。
當模型驗證通過后，在邊緣端發(fā)布模型，啟動鍋爐燃燒優(yōu)化控制程序。
5 優(yōu)化結果
煤量優(yōu)化爬山圖：尋找最少的燃料量
圖 5煤量優(yōu)化爬山圖（尋找最少的燃料量）
風量優(yōu)化爬山圖：尋找最佳的風煤配比
圖 6風量優(yōu)化爬山圖—尋找最佳的風煤配比
（2）打通集團各產業(yè)鏈，實現(xiàn)煤電供應鏈的協(xié)同優(yōu)化
由于煤電企業(yè)的特殊性，一方面，煤電生產對煤炭安全庫存提出較高要求，另一方面，電煤成本占燃煤電廠發(fā)電成本在80%左右。因此，為降低企業(yè)電煤資金占用，提出優(yōu)化需求：優(yōu)化煤炭供應鏈，實現(xiàn)集團電煤的最優(yōu)庫存。
在集團產業(yè)板塊中，煤炭產業(yè)板塊負責集團核心電力主業(yè)的上游延伸業(yè)務，依托旗下營運企業(yè)在港口、岸線、市場、海運資源優(yōu)勢和管理優(yōu)勢，負責煤炭采購、運輸、煤檢、儲存、摻配、港口碼頭及中轉設計管理，并在滿足集團對電煤安全庫存要求的前提下，開展煤炭的市場化銷售工作。因此，煤炭供應鏈優(yōu)化即優(yōu)化煤炭產業(yè)各企業(yè)的生產調度流程，基于最優(yōu)庫存形成各企業(yè)的最優(yōu)生產調度計劃。
上述問題是一個典型的多目標調度優(yōu)化問題，采用基于大數(shù)據(jù)的多目標優(yōu)化的動態(tài)規(guī)劃模型實現(xiàn)。
輸入：1）煤炭庫存，包括各電廠煤炭庫存、港口堆存及海運船只在途庫存；2）企業(yè)生產計劃和能力，包括各燃煤電廠的發(fā)電計劃、運力（海運、內河運輸）、港口泊位和堆存能力、煤炭檢驗能力；3）外部行情數(shù)據(jù)，包括煤炭價格指數(shù)（CCI/CCTD/NEWC）、運價指數(shù)等，并綜合特殊季節(jié)特殊需求等因素。
輸出：綜合廠存量、市場價格趨勢及堆存能力、運輸能力等情況，采用基于大數(shù)據(jù)的多目標優(yōu)化模型，預測最優(yōu)可用庫存天數(shù)，優(yōu)化并生成煤炭經營企業(yè)的采購計劃、電煤保供計劃、銷售計劃，生成煤炭運輸企業(yè)的海運和內河運輸計劃，生成港口企業(yè)的靠離泊計劃和裝卸計劃以及配煤作業(yè)計劃，生成煤檢企業(yè)的煤檢計劃和電廠的裝卸計劃。
通過煤炭供應鏈優(yōu)化模型的應用，實現(xiàn)最優(yōu)的安全可用庫存，極大減少燃料資金占用成本。同時，在保障電煤供應的前提下，煤炭板塊可以進行市場售煤，獲取最大運營效益。
（3）覆蓋應急全流程的閉環(huán)應急能力建設體系（安全管理優(yōu)化）
項目建成了覆蓋集團各層級、全產業(yè)的應急管理、指揮體系，實現(xiàn)涵蓋突發(fā)事件的預防、準備、響應、恢復的整個全流程的應急管理系統(tǒng)。以大數(shù)據(jù)驅動的工業(yè)互聯(lián)網平臺為支撐，利用其豐富的智能算法，實現(xiàn)各類重大風險的預測預警，并以桌面、大屏、移動端等多種告警方式及時、自動通知到各級調度中心領導和應急值守人員；基于應急預案和各類應急資源數(shù)據(jù)，結合產業(yè)領域知識，建立智能研判模型，提供搶險救援方案以支撐應急指揮決策；實現(xiàn)了GIS、音視頻等多媒體手段，來提供可視化的應急資源調配、應急響應調度和全程可追溯；并通過應急恢復階段的評估分析、案例歸檔來完善應急管理體系。因此，通過應急指揮系統(tǒng)，建立起涵蓋從監(jiān)測預警到研判、響應、總結的閉環(huán)的應急能力建設體系。
圖 7從監(jiān)測預警到研判、響應、總結的閉環(huán)能力建設體系
通過項目建設，支撐起集團各行業(yè)的差異化預警和響應處置需求，形成覆蓋全集團企業(yè)的應急預警和處置“一張網”，建成集團統(tǒng)一的監(jiān)測預警中心、應急發(fā)布中心、應急指揮中心、應急值守中心；依托大數(shù)據(jù)、工業(yè)互聯(lián)網技術、移動APP、現(xiàn)場移動終端等手段，打通信息共享、調度協(xié)同的“最后一公里”，實現(xiàn)自動預警、科學決策和無延時、零距離的精準調度。
4. 安全及可靠性
項目建立在集團統(tǒng)一的信息安全體系下，集團信息網內系統(tǒng)符合信息安全二級等保要求，生產控制網系統(tǒng)符合信息安全三級等保要求，從生產控制網采集數(shù)據(jù)嚴格符合單向傳輸?shù)陌踩蟆ｍ椖坎捎没诮巧脑L問控制、訪問控制黑白名單以及基于端口的管控，實現(xiàn)細粒度的的訪問授權和控制，實現(xiàn)了設備接入、平臺和應用的安全訪問控制，保障數(shù)據(jù)在采集、傳輸、存儲、訪問中的安全性。
平臺采用Hadoop分布式文件系統(tǒng)(HDFS)，提供高可用、高可靠性；基于微服務架構和容器技術，支撐應用的高可用和高可擴展性。
三、下一步實施計劃
針對本項目應用成果，開展延伸建設和推廣工作。
1. 熱電全流程智能協(xié)調優(yōu)化的推廣建設
（1）目前應用到一個火電廠；
（2）今年推廣到集團20多個燃煤電廠；
（3）明年推廣到其它集團燃煤電廠。
2. 應急指揮系統(tǒng)的延伸和推廣建設
（1）已完成3類突發(fā)事件的應急管理體系建設；
（2）今年延伸到集團重點關注的其它13類突發(fā)事件；
（3）明年推廣到其它能源企業(yè)。
四、項目創(chuàng)新點和實施效果
1. 項目先進性及創(chuàng)新點
1) 實現(xiàn)泛在感知能力。
利用物聯(lián)網、數(shù)據(jù)交換等技術，泛在連接各類設備、設施、系統(tǒng)信息，進行高效采集和云端匯聚，實現(xiàn)從板塊、行業(yè)、設備類型等多維度的全景展示，以電子地圖等方式直觀展示具體設備、設施的實時信息。
2) 提升綜合分析能力。
在設備管理、生產安全、運行優(yōu)化、風險評估及決策方面，應用大數(shù)據(jù)計算能力、知識圖譜分析能力、分析挖掘能力、自助式分析能力，實現(xiàn)電力、石油、天然氣、化工、海運、港口等行業(yè)生產決策和安全應急的智能應用。
3) 提升管控決策能力。
基于大數(shù)據(jù)、機器學習算法建立了煤炭供應鏈優(yōu)化和鍋爐燃燒優(yōu)化的數(shù)據(jù)和機理模型，優(yōu)化了煤電生產工藝和產業(yè)協(xié)同水平，提升集團生產經營工作的管控決策能力。
4) 打造應用創(chuàng)新能力。
采用工業(yè)互聯(lián)網平臺技術，將云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網、移動計算、人工智能、微服務開發(fā)等先進技術融為一體，實現(xiàn)一個開放的應用創(chuàng)新載體，提供平臺級的數(shù)據(jù)服務、算法服務、模型開發(fā)服務、應用運行服務、跨企業(yè)工業(yè)知識共享服務，降低企業(yè)應用創(chuàng)新門檻，為各專業(yè)創(chuàng)新應用的開發(fā)、建設、運行、分享構建起良性發(fā)展生態(tài)圈。以平臺為支撐，各板塊、營運企業(yè)可發(fā)揮各自積累的專業(yè)化優(yōu)勢，不斷開發(fā)各類智能化微應用，積聚起日益豐富的專家知識庫、經驗庫、計算規(guī)則庫、應用算法模型庫，并隨著各領域知識在整個集團的不斷分享、應用，打造出整個集團的全面創(chuàng)新能力。
2. 實施效果
（1）促進生產的穩(wěn)定運行、經濟運行
通過熱電全流程智能協(xié)調優(yōu)化，實現(xiàn)了以下經濟技術指標：
①主汽溫度控制精度：R±2℃；
②主汽壓力控制精度：R±R*3% (90%時間)；
③二氧化硫和NOx每小時均值的控制指標在R±5mg/m3，實現(xiàn)卡邊運行并使脫硫劑和脫硝劑減少5~10%以上；
④綜合能耗降低0.5%以上(60萬以上機組)；
⑤使AGC或ACE的調峰速度和精度提高一倍以上；
⑥長期可用率大于90%，人工效率提高100%以上。
（2）降低發(fā)電運營成本，提高煤炭產業(yè)經營效益
通過煤炭板塊各企業(yè)的生產調度優(yōu)化，實現(xiàn)集團電煤供應鏈優(yōu)化，在保電前提下，實現(xiàn)最優(yōu)化電煤庫存，最大限度降低電煤資金占用，從而減小發(fā)電運營成本。同時，適時市場售煤，獲取經營收益最大化。
通過煤炭供應鏈優(yōu)化應用，集團安全庫存從過去的14天降低到目前的7天左右。