智慧发电：工业互联网监测诊断云服务研究与应用

 图书在版编目（CIP）数据

 智慧发电:工业互联网监测诊断云服务研究与应用/

马咸著.

—北京:新华出版社,2023.5

 ISBN978-7-5166-6830-6

 Ⅰ.①智…Ⅱ.①马…Ⅲ.①智能控制－电网－研究

－中国Ⅳ.①TM76

 中国国家版本馆CIP数据核字(2023)第091085号

智慧发电:工业互联网监测诊断云服务研究与应用

著  者：马 咸

责任编辑：蒋小云    封面设计：橙 子

出版发行：新华出版社

地  址：北京石景山区京原路8号邮  编：100040

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印  刷：河北盛世彩捷印刷有限公司

成品尺寸：145mm×210mm，1/32

印  张：6.5字  数：121千字

版  次：2023年5月第一版印  次：2023年5月第一次印刷

书  号：ISBN978-7-5166-6830-6

定  价：69.00元

版权专有，侵权必究。如有印装问题，请联系/p>

前言

能源行业作为承接国家能源革命、产业革命战略的重要支

柱，其资产具有生命周期长、价值高等特点，资产管控能力和

管理质量尤为重要。然而，在机组机群资产全生命周期评价、

运行可靠性、经济性提升等方面缺乏统一高效的数字化、网络

化、智能化分析管理手段。同时，电力行业对以工业互联网、

人工智能等新一代信息技术与先进电力生产技术融合认识不足。

电厂数据系统存在严重壁垒，大量沉淀数据未能有效整理、分

析、利用产生价值。对于重型燃气轮机的数据的集成、分析和

管理技术相对落后，对于影响机组可靠性的典型故障不能有效

识别。针对这些问题，本研究同步采用物理模型和数学模型，

建立了功能完善、覆盖范围广的燃机机群监测诊断分析平台，

并首次实现了设备故障预警和厂级性能优化的有机融合。

融合采用数学模型和物理模型的监测诊断技术。针对燃机

系统参数间的高耦合性，提出一种包含多传感器参数比较的动

态状态空间模型，以解决复杂系统状态和故障监测结果稳定性

较低的难题。通过燃机运行历史数据，搭建典型故障失效模式，

提高了故障通过物理模型触发报警的准确性。该技术可以在设

备故障初期阶段，根据设备潜在问题识别故障。

构建监测诊断云服务平台，实现全系统、全流程的知识创

-01-

智慧发电：工业互联网监测诊断云服务研究与应用

新管理。燃机机群监测诊断云平台技术的研究与应用，实现了

大型电力集团燃机全生命周期管理，为国家能源行业生产运营

提供新探索与借鉴。它的建设不仅是加强燃机关键资源、核心

要素管控的重要手段，更是信息化、工业化“两化”融合的具

体实践，促进实现工业互联网与实体经济的深度融合。

本书研究通过运用云计算、大数据两大基础平台和机器学

习、模式识别、人机交互三大通用技术体系，构建了基于人工

智能技术的监测诊断平台，实现了现场设备智能化预警和信息

数据的互联互通。书中通过实践总结了监测诊断云服务下的组

织体系、制度体系、管理体系、价值体系，为我国制造业转型

提供具体的实施路径和重要的示范指导，希望能够推动行业转

型升级创造商业价值和社会效益。书中论述构建的数据监测诊

断中心架构、智能现场模型、中心电厂指数型组织和交互管理

模式、预测诊断价值评估体系，为监测诊断的商业化运营和价

值实现奠定基础，为电力行业数字化转型做出有力探索。

-02-

目

录

CONTENTS

第一章 绪论…………………001

第一节 研究背景………001

第二节 天然气发电技术现状及趋势…021

第三节 国内外数字化发电应用概况…030

第四节 小结……………052

第二章 智慧能源基础能力建设……………055

第一节 系统基础设施…………………057

第二节 数据能力………057

第三节 感知能力………059

第四节 网络安全保障能力……………062

第三章 监视诊断方法………065

第一节 基于物理模型的性能预测诊断方法…………065

第二节 预测和诊断的动态状态空间模型……………066

第三节 基于随机森林识别燃气轮机的故障因子……074

第四节 基于滑动窗口的残差预警技术………………078

-I-

智慧发电：工业互联网监测诊断云服务研究与应用

第四章 监测诊断系统架构…………………079

第一节 监视设备类型…………………079

第二节 分布-集中存储、边缘-中心计算方法………080

第三节 监测诊断平台架构……………081

第五章 监测诊断评价体系…………………084

第一节 评价指标方法…………………084

第二节 商业价值评估方法……………090

第六章 基于监测诊断云服务的指数型组织建设………096

第一节 构建指数型组织………………096

第二节 云服务商业模式推广…………102

第三节 管理模式与流程………………104

第七章 大型电力监测诊断云服务平台建设………………113

第一节 服务平台建设…………………114

第二节 监测诊断云服务平台…………126

第三节 监测诊断云服务平台开发建设………………156

第八章 监测诊断工控系统安全……………184

第一节 控制系统信息安全现状………185

第二节 控制系统防护核心技术………186

第三节 电力控制系统安全建议………188

第九章 效益与评价指标分析………………190

第一节 经济效益分析…………………190

第二节 管理效益分析…………………191

第三节 评价与展望……192

参考文献………194

-II-

第一章 绪论

第一节 研究背景

当前信息通信技术对中国发电行业的贡献价值正处于量变

到质变的关键节点。在全球新一轮电力科技革命和产业变革中，

互联网与发电行业融合发展具有广阔前景和无限潜力。推动供

给侧结构性改革，深入推进“互联网+先进制造业”，加快建设

和发展工业互联网，推动互联网、大数据、人工智能和实体经

济深度融合，已成为不可阻挡的时代潮流。深入分析电力信息

技术和企业生产经营中的问题，推动互联网、大数据、人工智

能与传统发电行业的深度融合，努力实现对综合能源发电机组

集群运行数据的采集、监测、分析与诊断，促进“互联网+”、

云计算、大数据的混合运用。从而实现大型电力集团燃机全生

命周期管理，消除区域、行业及企业间的壁垒，探索国家能源

行业生产运营新模式。

1.1.1 国家能源与数字化政策

能源是社会发展的物质基础，能源安全是国家安全的重要

-001-

智慧发电：工业互联网监测诊断云服务研究与应用

组成部分，对国家繁荣发展、人民生活改善、社会长治久安至

关重要。习近平总书记明确提出，面对能源供需格局新变化、

国际能源发展新趋势，保障国家能源安全，必须推动能源生产

和消费革命。党的十八大以来，党中央国务院以及相关部门推

出了一系列指导政策，推动能源革命战略深化贯彻落实，保障

国家能源安全。

2014年，习近平总书记在中央财经领导小组第六次会议讲

话中提出，要推动能源消费革命，抑制不合理能源消费；推动

能源供给革命，建立多元供应体系；推动能源技术革命，带动

产业升级；推动能源体制革命，打通能源发展快车道；全方位

加强国际合作，实现开放条件下能源安全。这是我国能源发展

的国策，基本要求可以概括为“四个革命，一个合作”。

2015年，中共中央国务院发布了《关于进一步深化电力体

制改革的若干意见》（中发〔2015〕9号），标志着中国新一轮电

力行业改革的开始。此轮电改中包含的还原电力商品属性，构

建电力市场体系，稳步推进售电侧改革等要求为发电企业带来

新挑战与新机遇。

2016年，国家发改委与国家能源局共同制定的《能源生产

和消费革命战略（2016-2030）》是贯彻与落实习近平总书记能

源革命论述的具体指导战略，提出了能源革命“三步走”主要

任务，规划了我国未来能源系统发展的整体路径。同年发布的

《能源发展“十三五”规划》以及配套的电力与可再生能源专项

规划描绘了“十三五”能源发展蓝图，明确了发展目标、重点

任务和措施，确定了未来五年电力“统筹兼顾、协调发展，清

-002-

第一章 绪论

洁低碳、绿色发展，优化布局、安全发展，智能高效、创新发

展，深化改革、开放发展，保障民生、共享发展”的基本原则。

2017年，党的十九大报告提出，推进能源生产和消费革

命，构建清洁低碳、安全高效的能源体系。同年，国家发改委

联合国家能源局共同发布的《推动丝绸之路经济带和21世纪海

上丝绸之路能源合作愿景与行动》响应了习近平总书记提出的

“一带一路”倡议与加强国际能源合作的要求。

2018年，国务院印发的《打赢蓝天保卫战三年行动计划》

确定了未来三年的能源结构调整工作重点，提出煤炭集中使用，

清洁利用的基本原则，为传统电力行业的环保、能耗与安全提

出了更高要求。

2019年，国家能源局召开党组中心组学习（扩大）会议专

题学习交流能源安全新战略贯彻落实情况。强调在战略推进中

的七个突出，进一步推动能源安全新战略走深走实。

综上，党的十八大以来，国家能源改革进入了全新的发展

阶段，一系列能源相关政策的推出为能源企业指明了未来清洁、

高效、安全、可持续的发展道路。作为中央直管特大型国有企

业、电力行业排头兵的大型电力集团应坚持以创新、协调、绿

色、开放、共享的发展理念为引领，深刻把握新时代经济社会

发展新形势，准确把握新时代能源电力发展和产业转型升级的

新趋势，围绕建设清洁低碳、包容多样、智慧互联、安全高效

的能源供应服务体系。

当今世界，信息技术革命日新月异，对国际政治、经济、

文化、社会、军事等领域发展产生了深刻影响，互联网已经融

-003-

智慧发电：工业互联网监测诊断云服务研究与应用

入社会生活方方面面，深刻改变了人们的生产和生活方式。习

近平总书记指出，要发展数字经济，加快推动数字产业化，依

靠信息技术创新驱动，不断催生新产业、新业态、新模式，用

新动能推动新发展。要推动产业数字化，利用互联网新技术新

应用对传统产业进行全方位、全角度、全链条的改造。党的

十八大以来，党中央高度重视网信、两化融合、数字经济等工

作，将互联网、大数据、云计算、人工智能等上升为国家战略，

出台了一系列指导性政策。A

2015年，国务院陆续发布了《国务院关于积极推进“互联

网+”行动的指导意见》《关于促进云计算创新发展培育信息产

业新业态的意见》《促进大数据发展行动纲要》等政策文件，使

互联网、云计算、大数据等产业得到了快速全面的发展。

2016年，发改委发布了《关于推进“互联网＋”智慧能源

发展的指导意见》，明确了能源行业应积极推进的十大重点任

务，提出将大数据等先进的互联网技术与能源开发利用技术有

效融合，推进智慧能源的广泛应用，有效推动能源系统朝着智

能化、高效化的方向发展。同年，国家《“十三五”规划纲要》

提出实施网络强国战略，加快建设数字中国，国务院发布的

《国家信息化发展战略纲要》也提出了以信息化驱动现代化，建

设网络强国的目标。

2017年，党的十九大做出了建设科技强国、网络强国、数

A出自习近平总书记在2018年4月全国网络安全和信息化工作会议上

发表的重要讲话。

-004-

第一章 绪论

字中国、智慧社会的重大战略部署。同时，要推动互联网、大

数据、人工智能和实体经济深度融合。

2018年，习近平总书记在全国网络安全和信息化工作会议

上深刻阐述了网络强国的重要战略思想，做出了加快信息化发

展，加快推动数字产业化发展，提高全要素生产率，加强“一

带一路”沿线国家在网络基础设施建设、数字经济、网络安全

等方面合作的重大决策。

综上，党的十八大以来，网信、数字经济、网络强国、数

字中国等工作已上升到国家战略高度，互联网、大数据、人工

智能等技术与实体经济进入了深度融合的新阶段。在这样的时

代背景下，大型电力集团应积极通过数字化、科技创新等手段

引领能源行业发展，大力发展智慧能源技术，推动集团高质量

发展，在新一轮能源技术革命中走在前列。

数字化转型是大型电力集团在新时代、新形势、新背景

下，承接国家能源革命战略的根本要求，是大型电力集团履行

企业使命的基本保障。

1.1.2 能源与环境变化趋势

一、能源清洁低碳发展成为全球大势

随着环境问题的日益严重，全球范围内对能源清洁低碳发

展的需求越来越高。在应对气候变化和环境污染方面，各国政

府和企业都纷纷制定了清洁能源和低碳发展的计划和目标。

一方面，清洁能源的发展已成为全球趋势。风能、太阳

-005-

智慧发电：工业互联网监测诊断云服务研究与应用

能、水能和生物能等可再生能源的应用逐渐普及，成为主流能

源。同时，各国政府也在加大对清洁能源的投资和政策支持力

度，促进清洁能源的发展。

另一方面，低碳发展也成为各国发展的方向。世界各国纷

纷制定了低碳经济转型的计划和目标，推动绿色经济的发展。

在工业、交通、建筑等领域，各国也在推广低碳技术和产品，

降低碳排放。

总之，能源清洁低碳发展已成为全球大势，是实现可持续

发展的重要途径。未来，各国将继续加大力度，推动清洁能源

和低碳发展的进程。二、环境空气污染亟须有效应对

中国经济在过去30年的迅速发展所带来的环境空气污染问

题日益严重，随着生态文明建设的加快推进，大幅削减各种污

染物排放，有效防治环境与大气污染，改善生态环境质量已经

成为全社会、全行业亟须有效应对的问题之一。与此同时，打

赢“蓝天保卫战”等行动计划已经成为社会关注的重点，能源

行业则是其中的关键因素。因此，坚决落实党中央、国务院重

点决策部署、打造可持续的能源供应体系将成为行业未来的必

然选择。

综上，随着全球气候变化与环境空气污染带来的影响，能

源行业将迈向绿色、低碳、循环、可持续的发展道路，能源清

洁化必将成为未来企业发展的要求之一，这种趋势使传统发电

企业必须以有效、合理的方式寻求转型。

-006-

第一章 绪论

1.1.3 数字化技术发展趋势

制造业数字化转型是一个全球性的趋势。随着人工智能和

机器学习的应用，制造业正在通过人工智能和机器学习来优化

生产线、提高生产效率和降低成本。这些技术可以帮助企业更

好地掌握生产过程和数据，优化生产计划和资源利用，以提高

生产效率和质量。工业互联网技术可以连接制造设备和工厂设

施，实现生产过程的自动化和数字化。通过工业互联网技术，

制造企业可以更好地监测生产线、设备和供应链，提高生产过

程的可视性和透明度。虚拟现实和增强现实技术可以帮助制造

企业进行培训和设计，提高生产效率和产品质量。虚拟现实可

以让工人进行模拟操作，提高生产线的效率和质量。增强现实

可以让设计师更好地进行产品设计和改进。

同时，制造企业可以通过大数据和云计算技术来分析生产

数据，提高生产效率和质量。这些技术可以帮助企业更好地掌

握数据，进行实时监测和分析，实现更精细化的生产。总之，

制造业数字化转型是一个全球性的趋势，可以帮助制造企业提

高生产效率和质量，降低成本和提高竞争力。未来，随着技术

的不断发展，制造业将会更加数字化、智能化和灵活化。

然而数字化技术赋能能源行业发展仍有几个问题需要…

回答：

落实能源消费革命：使用传统能源进行发电在长时间内仍

为主流的情况下，如何进一步降低发电能耗，实现清洁低碳、

安全高效？

-007-

智慧发电：工业互联网监测诊断云服务研究与应用

落实能源供给革命：在电力需求趋于不稳，供给聚焦“风

光气服”的情况下，如何保障总体供给稳定，建立高质量的多

元化供应体系？

落实能源技术革命：在发电与数字化新技术不断深化发展

的情况下，如何能快速吸收、紧密结合、创新应用，全面推动

产业升级？

落实能源体制革命：在电力市场发生新变化，国资国企改

革进入攻坚期的形式下，如何引领能源体系市场化、法制化，

明确二三级企业功能定位，激发企业活力？

全方位加强国际合作：如何落实国际化，实现资本、技

术、管理的输出，包括形成合理的收购梯队，提升工程和运营

的自主能力，并在全球范围内实现快速的复制扩张？

这些都可以通过数字化实现战略要求。

保障电力供给安全，在能源供给转向清洁化、多元化的情

况下，保障电力供给安全是行业面临的重大挑战，作为首都能

源安全的基石，大型电力集团责无旁贷。引领能源产业升级，

作为中央直接管理的企业，大型电力集团应成为行业产业升级

的先锋，从技术和模式方面引领产业升级。推动电力市场化改

革，大型电力集团应在电力市场化改革中推动并引领上下游企

业，积极拓展电力行业价值链，开发新市场。

数字化能力的建设是大型电力集团总目标，实现高质量发

展、打造现代治理体系、激发企业发展新动能。

世界一流能源企业应主动响应未来社会、行业、新能源技

术的趋势，以数字化为重要抓手，引领行业变革，探索新发展

-008-

第一章 绪论

方向。对标国内外行业一流企业，借鉴发展学习经验，明确数

字化转型的目标与内容，推动企业实现高质量发展。

1.数字化趋势带来行业生态转型

以人工智能、区块链、云计算、大数据、工业互联网

（ABCDT）等技术为代表的数字化技术逐步在能源行业内开展

应用，将改变企业管理模式与电力行业生态系统。国际能源署

认为未来的数字化电力系统将从单向、分工明确转向多向、高

度集成。

数字化新兴技术与数字经济在电力行业的应用与发展主要

体现在以下几个方面：

人工智能：基于电力行业的创新人工智能应用正在不断涌

现，这些应用包括无人机对远程运输物资检查的分析，设备故

障的提前预测，非计划停机的防止等。

云+中台架构：相较于现有的IT基础设施，云+中台架构提

供了强大的阶跃优势，其中包括提供更快的速度，更可靠的端

到端连接安全性，更低的成本与可靠性、可扩展性，以及跨区

域资产的可见性。

工业互联网+5G：随着5G技术的到来，电力企业能通过

与互联网相连的新设备收集数据，开发新服务，提高生产率和

效率，改善实时决策，解决关键问题，以及创造新的和创新的…

体验。

网络安全：大多数电力企业开始意识到信息攻击的巨大威

胁，了解到企业自身没有充分的措施来加以应对，这促使企业加

速采用具有高可靠性的信息安全解决方案与网络安全防护系统。

-009-

智慧发电：工业互联网监测诊断云服务研究与应用

平台经济：平台经济在应对当今电网面临的来自分布式能

源以及全新商业模式的挑战时，拥有巨大发展潜力。与此同时，

基于平台经济概念的市场还能为企业提供创新模式，重新构想

生产者与消费者间的关系。

大规模定制：随着拥有个性化需求的电力消费者的涌现，

面向客户需求的大规模定制在电力生产、输配以及营销中占有

越来越重要的地位，因此电力企业应及时更新经营管理理念以

适应市场的变化。

全新商业模式：电力公司正在越来越多地利用数字化技术

改变其商业模式，从而使其能在由分布式发电、可再生能源、

智能电网、储能技术、非传统竞争对手和与产销者推动的能源

市场中竞争。

产业互联网：电力公司通过综合运用数字化先进技术，为

实际产业场景提供综合信息技术解决方案，与此同时，通过建

立资源整合型平台，从线上线下同步强化产业协同程度，提升

产业链整体效率。

2.数字化技术在其他相关行业的应用

除了电力行业，数字化技术还广泛而深刻地改变着煤炭、

煤化工、金融、能源服务等行业板块的经营管理与运营。

在煤炭行业，数字化技术正越来越多地被用于地质建模、

流程优化、自动化、预测性维护以及改善工人的健康和安全。具

体的应用案例包括在控制室操作的无人驾驶卡车和远程设备等。

在金融行业，数字化技术已经从多维度全方位地融入金融

相关服务。具体的应用案例包括通过设置数据湖，结合数据分

-010-

第一章 绪论

析技术为企业金融部门进行敏捷决策，使用机器人自动化技术，

提高金融流程效率，以及通过数据可视化技术使集团用户获取

实时财务信息，提高组织绩效等。

在煤化工行业，数字化技术主要体现在一体化数据环境的

打造。具体的应用案例包括打造涵盖整个工厂生命周期的横向

资源集成，与从管理层到现场层的纵向数据集成，来满足一体

化数据环境的基本要求，同时通过构建真实作业场景，达到模

拟维护作业，提升员工人身安全性的目的。

在能源服务行业，数字化技术主要体现在商贸物流领域。

具体的应用案例包括通过打造集成化的前端门户与数字化的中

台与后台，对供应链生态圈进行智慧协同，以达到敏捷化的…

目标。

随着数字化技术与数字经济在电力行业的应用与发展，电

力行业的参与者正拥有越来越多的手段与方式积极参与数字化

变革。市场、供应者、消费者关系的变化与外部环境的数字化

决定了数字化技术是传统发电企业未来发展的基石之一。同时，

数字化技术也深刻地改变着煤炭、金融、煤化工、能源服务等

各行业板块的经营管理与日常运营。大型电力集团应适应行业

发展新常态，准确把握未来趋势，积极利用信息技术以及数字

化带来的新动能，主动引领未来电力行业发展，通过数字化手

段带动集团内部各板块提升，开创数字化时代集团发展的新…

局面。

3.大型电力集团智慧电力发展战略

国际一流电力企业启动了全面数字化战略，通过数字化抢

-011-

智慧发电：工业互联网监测诊断云服务研究与应用

占发展先机。

（1）案例分析——德国Uniper电力集团

Uniper集团在2016年完成与E.ON公司的拆分后，便立刻制

定了集团的数字化转型战略，面临着由迅速变化的电力市场与

快速变革的竞争对手带来的挑战。Uniper希望通过快速的数字

化转型整合公司内部的管控，为公司未来的发展提供有价值的

决策辅助。与此同时，Uniper希望通过选择合理的数字化技术，

确定转型规模，使公司在节约数字化投资成本的基础上带来切

实的成效，提高公司的生产运营效率。

数字化目标：成为数字驱动的企业。

数字化转型举措：在集团管控层面，制定了长期的数字化

管控建设项目，搭建了包含运营管理协同、数据标准化系统、

智能数据监测、移动解决方案等功能的数字化管控平台。在企

业运营层面，通过电子化办公等方式打破了地域因素所造成的

协同困难，提升了集团生产与运营效率，节省运营成本，同时

更好地确保了员工的安全。在创新支持层面，与数字解决方案

公司合作，使用先进数字化技术打造流程集成平台，为集团在

全球能源市场获益提供基础。

数字化转型成功关键：Uniper认为，数字化转型成功的关

键主要有四点。

高管挂帅。集团数字化转型由集团执行副总裁与首席信息

官直接负责。

允许失败。接受试错为项目带来的不确定性。

复合人才。由了解业务的IT部门负责人牵头执行。

-012-

第一章 绪论

全员参与。对员工持续地进行培训与宣贯。

Uniper的数字化转型案例说明，在数字化转型的同时，需

要技术完善和提升信息化基础水平，为数字化转型打好基础。

同时，也要意识到数字化转型是一项长期工作，以放慢需要统

筹长期计划，另一方面可以引入互联网快速试错、快速迭代的

发展模式。除此之外，一把手工程、复合型人才、全员参与是

数字化转型成果的关键保障。

（2）案例分析——意大利国家电力公司

意大利国家电力公司在2017年制定了预算高达53亿欧元的

数字化转型战略，通过将集团资产全面数字化，达到集团以客

户为中心，创造可持续且有长期价值的集团总目标，同时为集

团发展中遇到的各种问题提供解决方案。

数字化目标：通过数字化与创新为集团创造可持续价值。

数字化举措：在企业运营层面，提出了集团数字化转型六

大要素，从资产、客户、员工、云、平台与网络安全方面进行

数字化转型和先进技术的应用，以提高集团运营生产水平。在

创新支持层面成立了EnelStartup部门，通过在全世界各地的10

个创新中心，与外部创业公司，风投机构以及行业专家共同合

作，支持了超过200个能源创新项目。

（3）案例分析——西班牙伊比德罗拉公司

西班牙伊比德罗拉公司在2018年至2022年之间投资约48亿

欧元用于数字化转型，并将通过使用数据分析与人工智能技术

提升发电厂的效率。除此之外，也将数字化投资重点放在改善

资产的运营和维护上。

-013-

智慧发电：工业互联网监测诊断云服务研究与应用

数字化目标：通过数字化将企业打造成为高效、主动应变

的能源运营商。

数字化举措：在集团管控层面，通过数据标准化、建立企

业级的数据的治理体系和数据管理中心，利用数据分析技术为

集团管理决策提供建议与支持。在企业运营层面，提出了数字

化转型九大支柱，通过充分利用数字化技术与先进解决方案，

提升从规划到生产运营再到营销的全流程效率与水平。在创新

支持层面，鼓励新创意，每年在公司内部为员工开展75个创新

项目，投入7000万欧元支持能源领域的颠覆性创新。

西班牙伊比德罗拉公司的数字化转型案例说明，提升数据

标准化、建立企业级的数据的治理体系和数据管理中心，是数

字化转型的基础。建立体系化的创新管理，如建立创新基金、

内部创新项目孵化和跟踪管理，可以有效扩大企业整体创新的

基础、引导创新的方向、提升创新成功的可能。

通过三家公司的案例对标，可以发现国际领先的数字化战

略重点聚焦通过数字化手段通过改进经营管理、优化运行生产、

加强指挥调度等方案，推进企业的数字化、网络化和智能化。

（4）国家电网有限公司的数字化战略

国家电网有限公司在2019年3月成立了互联网部，提出了

建立“泛在电力工业互联网”的战略，明确了集团未来5年的数

字化建设工作目标，实现对内业务线上率100％，对外涉电业务

线上率90％。

建设目标：实现电力系统各个环节万物互联、人机交互，

大力提升数据自动采集、获取、灵活应用能力。对内实现“数

-014-

第一章 绪论

据一个源、电网一张图、业务一条线”，“一网通办、全程透

明”，对外广泛连接内外部服务资源和服务需求，打造能源互联

网生态圈，适应社会形态、打造行业生态、培育新兴业态，支

撑“三型两网”世界一流能源互联网企业建设。

建设计划：通过三年攻坚，到2021年初步建成泛在电力工

业互联网；通过三年提升，到2024年建成泛在电力工业互联网。

建设方案：建设包含对内业务、对外业务、数据共享、基

础支撑、技术攻关与安全防护6个方面，11个重点方向的“泛在

电力工业互联网”。

（5）中国南方电网的数字化战略

中国南方电网在2019年4月发布了“数字化转型和数字南

网建设行动方案”，明确提出数字化转型是实现数字南网的必由

之路，确定了未来五年的数字化工作思路和转型路径。为了更

好地推动数字化转型，南方电网将信息部更名为数字化部。

聚焦三个数字化：聚焦电网数字化、运营数字化和能源生

态数字化。

建设计划：2019年初步完成向基于南网云的新一代数字

化基础平台和互联网应用的转型；2020年全面建成数字化基础

平台和广泛的互联网应用，实现能源产业链上下游互联互通；

2025年基本实现“数字南网”。

“4321”建设方案：建设包含电网管理、客户服务、调度

运行、企业级运营管控的四大业务平台，建设南网云、数字电

网和工业互联网三大基础平台，实现与国家工业互联网、数字

政府及粤港澳大湾区利益相关方的两个对接，建设并完善公司

-015-

智慧发电：工业互联网监测诊断云服务研究与应用

统一的数据中心，最终实现“电网状态全感知、企业管理全在

线、运营数据全管控、客户服务全新体验、能源发展合作共赢”

的“数字南网”。

（6）国家能源集团的数字化战略

国家能源集团由集团信息部牵头，在2018年提出以集团

“1169”战略体系为引领的“智慧能源”企业建设规划，应用推

进新一代信息技术与能源生产的融合应用，以数字化、网络化、

智能化为主要手段，不断提升企业数字化转型水瓶。

建设目标：引领能源行业变革，建设具有全球竞争力的世

界一流能源集团，构建区域能源互联网，打造综合能源电商，

建设综合能源智慧管理系统，通过能源互联网与智能终端直接

相连，实现灵活高效的营销服务。

建立以数据为支撑的决策支持体系，建设“业务流、信息

流、资金流、价值流”四流合一的经营管理平台，搭建集团电

子交易平台，提高采购效率、节省采购成本、有效降低库存，

并建设产业一体化的运营协同平台。

（7）中国华电集团公司的数字化战略

中国华电集团公司由集团信息管理部牵头，在2018年10月

发布了“数字华电规划”，提出运用先进数字化信息技术对传统

能源产业进行改造升级，加快集团公司战略转型，实现创新、

高质量与安全发展，为建设具有全球竞争力的世界一流能源企

业提供充分可靠的信息化核心支撑能力。

建设目标：按照集团公司建设具有全球竞争力的世界一流

能源企业要求，用先进适度的信息技术，推动企业数字化转型

-016-

第一章 绪论

和高质量发展。

1.1.4 能源行业发展趋势

1.全行业企业积极探索新方向

随着电力行业价值链的不断扩展，行业上下游企业正在积

极探索行业新方向与新领域，例如国家电网、国家能源集团等

企业纷纷提出能源互联网、工业互联网以及数字化相关战略。

因此，作为电力行业排头兵的大型电力集团应通过新技术与数

字化手段积极探索行业转型带来的新模式与新业态。

2.电力体制改革带来行业新形态

电力体制改革和电力交易机制使电力行业价值链进一步扩

展和延伸，带来包括电力交易、能源服务在内的众多行业新元

素，为发电企业带来新机遇与新挑战。

除此之外，随着售电业务从电网剥离，售电公司将作为全

新的市场主体进入售电环节参与竞争。调查显示，注册资本金

一亿元以上的售电公司其母公司大部分是电力相关行业的专业

公司，具有进入售电市场的优势。这些专业公司中，占比最大

的是发电企业，具备明显的电价成本优势。自此，售电市场出

现了不同资本成立的售电主体，它们将发挥各自优势，在未来

的市场上充分竞争。作为五大发电公司之一的大型电力集团应

当充分利用自身优势积极进入售电环节，发掘售电市场化改革

能够为公司带来的新效益。

3.可再生能源重要性日益提升

据国际可再生能源机构预测，未来可再生能源作为发电

-017-

智慧发电：工业互联网监测诊断云服务研究与应用

来源的占比将从2015年的约24％上升到2050年的约85％，其中

风电占比将由约3.5％上升到约36％，光伏占比将从约1％上升

到约22％，而煤炭发电占比将从约39％逐渐降低，到2050年基

本淘汰。因此，新能源、可再生能源在发电部门的重要性日益…

提升。

4.新能源技术推动行业变革

以风能、太阳能为代表的可再生能源技术的发展与应用将

给以传统火电为代表的非可再生能源的发展带来巨大压力，因

可再生能源技术普遍存在缺乏规模和可预测性等问题，随着新

能源的占比逐渐上升，减少配电系统故障以及提高电网的稳定

性成为许多传统电力企业的重要需求。为实现电网平衡，发电

企业需要将可再生能源与传统能源整合到一个统一的平台，帮

助系统根据特定地区的电网需求进行优化，更经济地提供电力，

提高系统灵活性，提高投资决策效率。

随着行业变化创造新模式，市场改革带来新竞争，电力行

业上下游企业必须通过新的经营方式以合理应对市场与大环境

带来的变化，经营多元化也必将成为未来企业发展的要求之一。

同时，新能源技术的发展不仅意味着电力企业拥有更先进的环

保和低碳发电技术，如何通过数字化技术使新能源与传统能源

发电有效协同、灵活调配是电力行业未来发展的重要关注点。

1.1.5 研究解决问题

我国发电行业不断推进信息化升级改造工作，每天产生海

量数据，但现有技术和管理模式对于电力数据的集成、分析和

-018-

第一章 绪论

管理技术相对落后，主要表现为：一、各个电厂之间数据共享

不畅，信息孤岛效应较强。各电厂存在严重的数据壁垒，单一

业务、类型的数据即使体量再大，缺乏互联共享，其价值大打

折扣。二、数据管控能力不强，缺乏对机组群的统一集中管理。

大数据时代中，数据集成度的高低、数据管控能力的强弱直接

影响了数据分析的准确性和实时性。三、信息未能有效利用，

缺乏对数据的深入挖掘利用。目前数据库系统无法发现数据中

存在的关系，预测机组性能未来变化趋势，尤其是缺乏挖掘数

据背后隐藏知识的手段。四、信息安全风险抵御能力需要进一

步提升。电力行业关系国家战略安全，是涉及国民经济关键领

域。网络安全防护手段需要进一步加强，从目前的被动防御向

多层次的主动防御转变。

另一方面，燃气-蒸汽联合循环机组作为一种先进发电技

术，在电力生产应用中遇到了一些问题。主要表现为：

一、集团公司对燃机系统数据集成度较低，调度水平弱。

燃机系统与煤机系统相比具有高度的集成度和丰富的传感器测

点，但这些数据没有形成集中使用，相互间无法进行有效对比。

二、为适应调峰需要，燃气机组起停频繁，我国高效诊断

技术需求迫切。我国电力装机容量较高，燃气机组作为一种灵

活性较强的机组，在电力生产过程中主要用于调峰工作，这会

造成机组频繁的起停。频繁的起停容易造成机组出现故障，同

时对机组的效能是计算时效要求更高。

三、燃机系统监测诊断，缺乏统一的管理体系。我国燃机

大部分均装有，生产厂家提供的控制系统，但系统间由于数据

-019-

智慧发电：工业互联网监测诊断云服务研究与应用

结构和接口不同，往往无法集中统一管理。

智慧能源主要运用了工业互联网、云计算、大数据等先进

的理论，对集团燃气机组设备故障缺陷典型数据的取值、分析，

形成了几百种计算方法，这些计算方法运用到发电企业的生产

过程中，通过大数据计算，一旦运行数据与典型数据出现偏差

而且符合预设的失效模式，系统便会报警，专业分析人员通过

分析数据，制定相应解决方案，消除缺陷，从而降低机组设备

故障率，提高安全性。

智慧能源是通过发电监测、分析与诊断中心的建设，帮

助集团系统内燃机避免事故停机并尽快恢复生产。设计用于提

高设备可靠性、避免意外事件，快速响应各发电机组运行与维

护需求，协助各发电企业做出决策，降低生产成本，提高经济…

效益。

基于燃气发电机组机群远程集中监控和设备状态监预测的

工业互联网体系架构。通过工业互联网、大数据、云计算等先

进技术，为燃机设备全生命周期提供预警、故障诊断、性能优

化与增值服务，大幅提高集团公司燃气发电机组设备可靠性，

优化机组运行经济性，降低运维成本，促进节能环保。

监测诊断云平台建设，在对集团公司电厂设备全生命周期

管理的基础上，新技术将被推广到全集团内的各个电厂，也将

被推广到发电行业其他集团的机组，消除区域、行业及企业间

的壁垒，实现互联互通，为国家能源行业生产运营提供新探索

与借鉴。

国内大型电力集团专业队伍和机构建设处于试验阶段，云

-020-

第一章 绪论

平台建设将会形成极好的示范效应，成为能源行业、电力系统

的一个创新亮点，具有很高的社会价值，对于推动“互联网+”

在发电行业的推广与应用产生深远的推动作用。中心建设中采

用当今最为先进的软件平台技术，具有强大的可扩展性。随着

技术研发，将产生一批燃机发电机组专用的分析算法和生产过

程设备状态监测的通用算法，只需要很低的边际成本就可以把

本研究中的远程设备诊断和提高能效等高级功能扩展到其它燃

气机组，形成规模效应。

第二节 天然气发电技术现状及趋势

1.2.1 燃气轮机发电技术现状

燃气轮机是一种利用燃气燃烧产生的高温高压气体驱动旋

转机械转子，从而产生功率的热力机械。它通常由压气机、燃

烧室、涡轮机和配套设备等部分组成。压气机将空气压缩并送

入燃烧室，燃烧室中的燃料和压缩后的空气混合燃烧，产生高

温高压气体，通过涡轮机驱动旋转机械转子，如发电机、压缩

机、泵等，从而产生动力或热能。燃气轮机具有起动快、响应

速度快、能量利用率高、排放污染物少等优点，因此被广泛应

用于发电、航空、海洋工程、石油化工等领域，是一种高效、

灵活、环保的能源设备。

当前国际燃气轮机市场被GE公司、西门子、三菱重工等公

-021-

智慧发电：工业互联网监测诊断云服务研究与应用

司占据，三家共占有国际市场份额约88％。自主研发产品的缺

失导致我国燃气轮机长期受制于人，随着燃气轮机技术的不断

突破，燃气轮机市场目前稳步增长。当前我国燃气轮机的研发

和生产还远远不能满足市场需求，并且产品附加值较低，缺少

高端燃气轮机产品，国产化替代仍是未来燃气轮机国内市场的

主要方向。

燃气轮机的热力循环分为单循环和联合循环两种，单循环

燃气轮机是指由燃气轮机单独构成热力循环，带动发电机发电；

燃气-蒸汽联合循环中不仅燃气轮机发电，同时利用其排出的

高温烟气，使锅炉产生蒸汽再带动蒸汽轮机发电。因利用了燃

气轮机的排烟余热，所以能够达到更高的热力效率，目前大型

燃气轮机均采用联合循环方式。因联合循环启动中需要等待汽

轮机设备及管道系统暖机，故联合循环机组较单循环启动时间

较长。按燃气轮机、汽轮机布置方式分为一拖一、二拖一等方

式，按联合循环机组轴系分为单轴、多轴布置方式。

图1-1 燃气-蒸汽联合循环机组热力系统构成

燃气轮机按透平进口温度不同进行分类，燃气轮机透平进

口温度越高，燃机效率越高，但对燃烧器、透平等热通道部件

-022-

第一章 绪论

的金属材质和冷却性能要求也越高。E级燃气轮机透平进口温

度约为1100—1200℃，F级约为1300—1400℃，H级燃气轮机透

平进口温度超过1500℃。

2001年，国内以市场换技术，主要引进上述厂家燃气轮机

产品，并进行了一定规模的国产化，在国内发电行业均有较多

的应用。

1.哈电集团、南汽与GE公司合作

当前美国GE燃气轮机技术最为先进，该公司燃气轮机容

量最大，效率也最高。其最新推出的GE9HA.02机型单循环

540MW，联合循环容量超过800MW，联合循环效率超过62％，

运行经济性得到显著提高。GE公司H燃气轮机采用全空冷技

术，第一级采用单晶材料叶片，燃烧器采用DLN2.6+燃烧技术，

可以通过控制系统有效降低NOx、CO的污染物排放，环保指

标处于先进行列。

GE燃气轮机在国内装机数量较多，运行指标和性能较好。

从国内投产的燃机运行情况看，该公司燃气轮机运行稳定，经

济指标较好。

2.上电集团与安萨尔多、西门子合作

目前上海电气与意大利安萨尔多合作，成立了上海安萨

尔多燃气轮机科技有限公司，开展燃气轮机自主制造业务，上

海安萨尔多公司与江苏永瀚叶片厂合作，开展燃机叶片的加工

和制造业务。上海电气与安萨尔多的合作必然会降低燃气轮机

发电机组的设备投资和检修维护成本，燃机运行的技术支持也

将更为便利。安萨尔多在国内主推机型为9F级AE94.3，运行效

-023-

智慧发电：工业互联网监测诊断云服务研究与应用

率59.2％，单循环出力为310MW，组成联合循环容量将超过

460MW，已在国内多个项目安装投用。安萨尔多研制的最新燃

机为GT36-S5，单循环出力可达到489MW，组成联合循环容量

将超过700MW，该机型目前已进入研制和试验考核阶段。

上海电气已于2014年与西门子解除燃气轮机制造合作关

系，西门子以“西门子中国”的名义开展燃气轮机进口业务。

德国西门子研制的最新的燃机为SGT5-9000HL，单循环出力即

可达到568MW，组成联合循环容量将达到850MW，是当今最

大的燃气轮机机型，经长时间运行性能试验考核通过后可以考

虑该机型。

3.东电集团与三菱公司合作

三菱公司最先进的燃气轮机为M701J型机组，其联合循环

机组容量超过700MW，效率超过62％，整体性能处于先进行

列。三菱研制的最新燃机为M701JAC，单循环出力即可达到

497MW，组成联合循环容量将达到740MW，目前正处于试验考

核阶段。国内安装数量最多的为M701F型机组，运行性能较为稳

定，经济指标较好。目前国内最先进的机组为华能北京热电厂

的M701F5型燃气轮机，机组性能稳定。集团浙江绍兴公司安装

的M701F4机组自2013年投运以来运行性能稳定，经济指标较好。

综上所述，几家主流厂商的重型燃气轮机技术较为接近，

在燃烧器和热通道部件设计方面各有优势，燃气轮机容量和技

术经济指标差距不大。

4.燃机发电机组发展特征

通过分析不难发现，燃机发电机组应在技术水平上呈现以

-024-

第一章 绪论

下几个特征。

更高的运行参数。为了提高燃气轮机的运行效率，燃气轮

机向更高透平初始温度，更大压气机压比等高参数发展，机组

运行容量也逐步增大，效率得到进一步的提升。GE、三菱、西

门子等燃气轮机制造厂正在推出更高效的H型燃机，联合循环

效率可以达到62％以上，单套联合循环机组容量超过700MW，

最大可以达到800MW以上。

燃气轮机透平初温的下一个目标将达到1700℃，拓宽燃料

适应范围，进一步降低NOx等污染物排放。燃气透平进汽温度

更高、功率更大、材料耐高温性能更优越，采用更先进、更复

杂的冷却技术。压气机朝着大压比、高效率、运行稳定的方向

发展。燃烧室要向耐高温，提高燃烧效率，减少污染排放的方

向发展。

更可靠的控制方式。目前燃气轮机控制系统因厂家的差异

具有不同的特点，采用由厂家提供的TCS软件进行控制，独立

于DCS系统，给运行监盘带来不便，影响控制系统的协调和统

一。为了对联合循环机组进行管理，减少运行人力，需对控制

系统进行整合，提高燃机控制的可靠性。

燃气轮机控制系统较为复杂，是整台机组的控制指挥中

枢，直接关系到燃机的安全经济运行。为了更好地对燃机运行

指标进行控制和分析管理，未来的燃气轮机将向数字化和智能

化发展，实现一键启停和远程控制，主辅机设备的可靠性将得

到进一步提高。远程控制将是未来燃气轮机控制的重要手段，

通过互联网+建设在线燃机数据库，通过专家系统对燃机运行

-025-

智慧发电：工业互联网监测诊断云服务研究与应用

工况进行诊断分析和故障预警，及时发现和消除设备运行隐患。

更强的调峰能力。目前燃气轮机虽具有一定的调峰能力，

但联合循环机组存在启停时间较长，启动和低负荷运行排放指

标较差的问题。

为了适应电网负荷变动需求，对燃机一次调频能力和调峰

能力提出了更高的要求，未来燃气轮机启停速度将会更快，动

态响应特性趋于完善。调峰运行要求燃机具有更低的负荷下限

和低负荷下高效率运行的能力，对燃烧系统进行全面优化，解

决燃机在低负荷下NOx排放偏高的难题。

1.2.2 燃气轮机制造国产化进展情况

随着我国制造业的快速发展，国家大力推进燃气轮机技术

攻关，燃气轮机将进行国产化替代，燃气轮机的国产化进展也

在逐步加快。目前，我国的燃气轮机制造企业已经形成了一定

的规模，包括航天动力、东方电气、哈飞动力、上海电气、长

航集团等。

其中，航天动力是我国最早进行燃气轮机研发和生产的企

业之一，其生产的燃气轮机在国内外市场上都有广泛应用。东

方电气则是我国最大的燃气轮机制造企业之一，其燃气轮机产

品已广泛应用于发电、航空、海洋工程、石油化工等领域。

但目前我国重型燃气轮机设计和制造的总体水平与国外相

比差距依然较大。一是未掌握燃气轮机热通道部件制造与维修技

术以及控制技术，热通道部件依赖进口；二是未形成完善的研

发体系，更不具备H级及以上燃气轮机产品研发的能力和技术。

-026-

第一章 绪论

燃机设备国产化情况。国内各制造厂家尚无整套重型发电

用燃气轮机的制造能力，主要受制于燃气轮机燃烧器、透平等

热通道部件的设计和生产。热通道部件是燃气轮机的关键部分，

由于该部位运行温度高，对部件材质、强度和冷却都有着很高

的要求。虽然我国三大动力厂以“市场换技术”引进燃气轮机

制造多年，但燃气轮机关键部分的设计和制造未能有效掌握，

透平叶片材料和精铸工艺等关键技术也未能攻克，无自主生产

能力。

国内各燃气轮机制造厂设计队伍较为薄弱，尚无燃气轮机

整体设计的能力，基本处于依靠国外图纸进行加工的状况，在

整套设计方面没有话语权。

上海电气与意大利安萨尔多的合作可能会加快燃机国产化

的进度，该公司已逐步实现重型燃机技术研发与设计制造一体

发展，但燃机核心部分的自主设计和制造还要经过长期的努力。

目前上海电气与安萨尔多进行合作，成立了上海安萨尔多燃气

轮机科技有限公司，与江苏永瀚叶片厂合作，开展燃气轮机叶

片制造和加工业务。上海电气与安萨尔多合作后与西门子解除

了燃气轮机制造的合作关系，但上海电气同时具备安萨尔多和

西门子燃气轮机组装和试验能力。

东方电气尚不具备燃气轮机的整套设计能力，不具备燃机

热通道部件的制造能力。以东方电气首台M701F4国产化机组为

例，国产化范围为转子和压气机叶片等，但燃烧器、透平等关

键部件为日本三菱生产。

哈尔滨电气在小型燃机制造上取得了一定的成果，但重型

-027-

智慧发电：工业互联网监测诊断云服务研究与应用

发电用燃机轮机主要由美国GE公司进口，不具备燃机热通道部

件的设计和制造能力。

尽管三家单位的燃气轮机国产化程度存在一定差异，但近

几年都在燃气轮机国产化发展方面积极筹划，消化吸收燃机设

计和制造技术，并就燃机国产化进行试验和尝试，以期在燃机

设计制造方面取得突破。

热力设备配套情况。国内燃气轮机的联合循环配套经验相

对不足，尤其是余热锅炉、汽轮机和辅机设备的配套还停留在

原燃煤机组的固有经验上，未能充分考虑燃气轮机运行的带负

荷特性和季节差异，造成燃机不能满足实际电、热负荷需求。

目前国内联合循环机组的配套和热平衡联算主要依靠设备制造

厂家，业主方和设计方介入不深，造成业主方对机组选型工况

未能完全把握，发电和供热能力失衡，不能满足实际需求。

因此，为了保证联合循环机组的合理配套，需要业主方、

制造方、设计方共同对需求工况进行分析，对热平衡进行合理

调整，从设计和制造上切实提高在建机组和现场实际需求的契

合度。在配套设备的测算和评估中可采用先进的Thermoflow、

Ebsilon、Gatecycle等热平衡软件进行，达到热力设备的合理配

置，充分考虑运行工况，提高联合循环机组的整体效率。

1.2.3 运维及检修服务国产化进展

燃气轮机设备结构复杂、技术先进，且价格昂贵，运行维

护显得尤其重要，要求运行维护人员有丰富的燃机管理经验。

在我国燃气轮机引进初期，曾发生过多起燃气压气机、透平损

-028-

第一章 绪论

坏的恶性事故，造成过巨大的经济损失，除设备原因，还有燃

机运行维护经验不足，未能在事故发生时将损失降低到最低限

度。为了保证燃机的安全运行，目前国内重型发电用燃气轮机

的运维还主要依靠制造厂家的长协服务，大部分燃机本体热通

道部件的故障判断和检修还需返回国内或国外的检修部门进行，

国内燃气轮机检修还主要停留在人工拆装阶段，不具备燃机本

体热通道部件的故障判断、寿命评估、修理改造的能力。

目前国内燃机检修需求大，费用高，人员少。虽然国内天

然气发电发展迅速，但生产维护费用成本过高，一直是困扰各

燃气发电企业的难题。

在燃机备品备件上，市场上的主流工业重型燃机的关键部

件的设计制造技术，始终掌握在国外公司手中。国内的生产制

造企业不具备燃机热通道关键部件的国产化能力，这导致国内

燃机备件市场的供货价格始终居高不下。

燃机检修具有易上手，难精通的特点，大部分检修队伍依

靠从制造厂商或国内大型航发企业挖掘技术人才，作为检修业

务骨干。但类似燃机制造厂长协现场技术工程师等关键岗位，

相关人员无法在短期内培养成才，限制了燃气轮机检修业务的

发展。目前，我国燃气电厂的燃机本体检修工作主要依靠设备

制造厂长协来完成，签订检修和维护合约。

综上，以传统故障分析和机理分析为先导的燃气轮机运维

检修技术在国内发展较慢，技术封锁较多，人员技术水平增长

速度较慢。采用智慧化、数字化、信息化技术可以为燃气轮机

运维检修、预测性维护提供一条可期的发展路径。

-029-

智慧发电：工业互联网监测诊断云服务研究与应用

第三节 国内外数字化发电应用概况

2014年德国政府推出了工业推进计划“工业4.0”，美国也

推出工业互联网、互联企业等类似概念。2015年，我国首次提

出“互联网+”战略，2017年印发深化“互联网+先进制造业”

发展工业互联网的指导意见。2018-2023出台多部推进工业互

联网发展相关文件。推动5G、云计算、大数据、工业互联网等

与现代制造业结合。

当前结合5G、云计算、大数据、工业互联网技术提升发电

设备状态评价的广度和深度，并解决实际应用问题成为目前电

力行业新的挑战。各电力集团正在逐步开展集数据、模型、图

形等为一体的调度综合数据平台的研究和建设。

电力设备故障预警系统是一种基于工业互联网、云计算、

大数据、人工智能等技术，通过对电力设备的数据进行实时监

测、分析和预测，提前预警设备故障，为电力设备的维护和保

养提供及时的支持和指导。其主要功能包括：1.实时监测电力

设备的运行状态和参数，如电压、电流、温度、振动等。2.分

析设备的历史数据和趋势，预测设备故障的可能性和时间。3.

发出设备故障预警信号，提醒设备维护人员或系统操作员进行

相应的维修和保养操作。4.支持远程控制和操作，实现对设备

的远程监测和维护。电力设备故障预警系统可以帮助电力企业

提高设备的运行效率和可靠性，降低维修和保养成本，提高设

-030-

第一章 绪论

备的安全性和稳定性。同时，它还可以为电力企业提供数据分

析和挖掘的支持，帮助企业进行管理决策和业务优化。

1.3.1 国内外研究现状和发展趋势

1.国内外数字化技术趋势

GE公司的诊断服务可以及时检测出设备的性能下降或即将

发生的故障，防止发展成费用更加昂贵的灾难性事故，减少维

护成本，限制非计划停机维修，从而使生产效率提高。

西门子故障诊断系统（D3000）融合了西门子二十多年的

诊断计算经验，具备了非常优秀的早期预警与故障诊断功能。

该系统不仅能够对典型设备进行建模，还能够对系统甚至工艺

过程进行建模和监视。加拿大TransAlta电力公司委托西门子建

设了运行诊断中心，该中心于2009年3月投入使用，监视4个电

厂的11台机组，监测容量5000MW，监测点数量40000个，监测

内容包括振动数据、热力性能、早期智能报警、KPI指标和运

行日志。美国得克萨斯州TXU电力公司委托西门子建设了电力

优化中心，对所属的共24个电厂18300MW机组，包括核电厂、

燃煤机组、燃气/燃油机组、风力发电机组进行监控，监控22台

机组，监测点数量达5万个。华能集团基于工业互联网、大数

据、分散式云平台概念，建设标准统一、接口开放、数据完备

的大数据管理平台，开发了实时数据统一平台，通过该平台上

进行全集团所有发电设备的在线预警、节能分析、操作分析、

状态分析及评估、远程诊断等大规模的数据分析应用，提高发

电设备的生产管理水平。目前已完成示范单位的数据接入工作，

-031-

智慧发电：工业互联网监测诊断云服务研究与应用

具备推广条件。浙江能源集团于2009年开始引进并开发设备故

障预警系统，较多电厂建设了发电机组在线诊断预警系统，在

分析设备参数异常原因、设备异常发生的范围、各个设备异常

之间的关联方面具有明显的优点，已成为发电厂设备管理专业

人员、运行监控人员的一个掌握设备状况的重要工具。

有关数据测试方面，以GE为例，其在亚特兰大设有全球性

的M&D中心（监测与诊断中心），负责对涉及59个国家的1250

余台燃机进行24小时不间断监测，并对所采集的数据通过自有

的诊断、分析系统进行故障预判，对设备及其运行提供预警及

破坏预防。但受制于我国电力系统互联网接入的限制，目前电

厂已经无法对燃机运行数据进行实时传送，亦无法获得此项技

术支持。因此，2015年在外国燃机供应厂商那建立了两个就地

小型数据分析中心，一家为华能南京电厂，一家为大唐高井热

电厂，初步开展对燃机运行状况的实时监测。

GE于2012年提出并倡导“工业互联网”概念跟中国政府

提倡的“互联网+”是相同的，就是依靠机器以及设备间的互

联互通和分析软件，打造智能机器，实现人、机器和数据的无

缝协作，开创机器与智慧、物理世界与数字世界的融合。GE在

“工业互联网”项目上投入15亿美元，其中一部分预算用于支持

在加州圣拉蒙市新成立的软件研发中心的研究项目。现在GE提

供的设备性能管理系统（APM）每天共监控和分析来自1万亿

美元设备资产上的1000万个传感器发回的5000万条数据，其终

极目标是帮助客户实现100％的无故障运行。

美国最大的发电集团杜克能源公司（DukeEnergy）在北卡

-032-

第一章 绪论

罗莱州夏洛特的SmartM&D中心，实现了对该集团拥有的100多

个燃气，燃煤，水力发电厂设备远程实时状态监测及基于状态

检修。该中心每年为杜克能源公司节省数千万美元的运行成本。

再反观国内，仅有小型的数据分析平台，类似高度集中、整合，

提供高端技术支持与服务的平台尚无先例。在线热性能分析系

统实时计算电厂机组及主设备性能指标，定位效能损失的部位，

通过优化算法给出修正措施来改善或恢复性能，从而增加产出。

如在英国一个燃煤机组上根据性能计算结果，运行人调整了晚

间负荷曲线实现最佳效率，热耗降低了500Btu/kWh，在美国

RiverRun燃机上则优化了温度控制曲线，电厂的利润为此每天

增加了1500美元。如果将该软件用于监视大唐集团目前投产的

11台燃气机组，机组总装机容量约2800MW，年均运行3500小

时，全年累计发电量约100亿度电，假设压气机经过长期运行

后，导致机组效率下降1%，系统的水洗建议软件从经济性方面

计算出最佳的水洗时机，按燃机电价平均0.6元计算，一年可增

加营业收入6000万元左右。由于该软件可以细化分析余热锅炉、

汽轮机、凝气机、冷却塔等各个主设备，因此这些设备的潜在

问题导致的效率降低都可以及时地被系统分辨出来并督促电厂

及时处理，由此产生的经济效益不可限量。

国内燃气轮机状态监测和故障诊断技术起步较晚，从20世

纪80年代末，主要是高等院校和科研院所等单位对相关技术进

行研究，当时主要是研发了航空发动机的状态监测和故障诊断

系统，提出了故障诊断中的主特征量模型方法以及专家系统。

目前国内燃气轮机状态监测和故障诊断研究主要集中在线

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智慧发电：工业互联网监测诊断云服务研究与应用

性和非线性气路分析方法、卡尔曼滤波器方法、各种神经网络

方法、支持向量机、遗传算法、贝叶斯网络、模糊算法、数据

统计分析方法等，各种故障诊断都有各自的优点和不足，没有

哪一种一定优于其他算法。因此故障诊断方法应该注重解决各

种算法的不足，并研究各种故障诊断算法的优点的融合方法，

提高故障诊断结果的准确性，并最终在燃气轮机状态监测和故

障诊断系统中应用。

本研究中的监视与诊断的算法是基于大数据深度挖掘技

术，通过对海量在线和离线运行数据进行统计分析、深度挖掘，

通过分析设备故障失效机理和性能参数变化的根本原因，结合

设备的设计边界条件，找出特定参数的变化和故障之间的规律。

算法不断地分析这组相关参数的变化趋势，一旦满足设定的报

警条件，系统发出报警信息，通知监盘人员进行进一步分析确

认，结合专业知识库和大数据聚类、分类和协调过滤算法，最

后形成对故障的处理意见。

通过工业互联网和互联网技术，完成设备数据的传输和整

合，然后在统一平台上，搭建各类服务中通过物理模型、数学

模型以