2024年5月13日发(作者：)
第18卷第1期
VOL.18NO.1
2020年1月
Jan.2020
第1期
燃煤火电机组全新一代智能控制系统ICS的架构与应用*
赵俊杰
1
马克
1
陆海涛
2
胡勇
3
刘强
4
杨如意
1
吴豪
2
沈跃军
1
（1.国电内蒙古东胜热电有限公司，内蒙古鄂尔多斯，017000；2.国电浙江北仑第一发电有限公司，浙江宁波，315800；
3.华北电力大学能源与动力工程学院，北京，102206；4.中国石油大学（北京）油气资源与探测国家重点实验室，北京，102249）
摘要：针对燃煤火力发电站底层运行控制系统，分析最新一代智能DCS（ICS）的功能设计、软件和
硬件架构、应用效果，以提升火力发电机组长周期安全稳定和高效经济运行的核心竞争力。结果表
明，ICS的主要新增功能包括基于智能控制技术的机组整机及辅机自启停控制，基于大数据分析、人
工智能算法和热力学机理的智能监测，智能诊断与早期预警，运行优化与操作指导，闭环优化控制与
故障闭环处理。ICS软硬件设计的新功能特点包括底层硬件和软件高度平台化和一体化集成，数据、
算法与算力的有机整合；传统的实时控制网络与专用于复杂模型计算的高级应用服务网进行了虚拟
逻辑隔离和冗余设计；系统的分布式计算架构；系统的高度开放式设计；构建与控制系统深度融合的
多源、异构大数据融合处理平台，进一步提升网络安全防护能力。
关键词：智慧电厂智能DCS一键启停早期故障诊断智能预警
中图分类号：TM62文献标识码：A文章编号：2096-7691（2020）01-046-06
1引言
目前，新一代大型燃煤火力发电企业的发展共识
是由基于数字化和信息化的火电厂3.0向更加智能化
和智慧化的火电厂4.0转型升级
［1-3］
。火电厂智能化的
核心是发电业务。因此，将全厂底层设备集中运行控
制系统，由DCS升级为智能DCS（IntelligentControl
System，ICS）或智能发电平台，是智慧电厂建设的核
心任务
［3-5］
。智能运行控制系统ICS集成了传统火电厂
生产控制一区的分布式控制系统DCS的全部功能和
生产管理二区的厂级监控信息系统SIS的大部分功
能，实现智能控制层级和智能生产监管层的智能化、
平台化、一体化管理
［4-7］
。ICS的研发和工程应用有助
于实现燃煤火电机组更加低碳环保、灵活高效和安全
经济的生产运行控制。
针对燃煤火力发电站，分析全新一代智能DCS
（ICS）的功能设计、软硬件架构与应用效果，提升火力
发电机组长周期安全稳定和高效经济运行的核心能
力。本文的分析有助于了解燃煤火力厂底层操作系统
DCS的最新前沿技术，通过将先进的软硬件架构、人
工智能算法、大数据分析、机器学习、专家知识图谱、
自动优化控制等理念或技术充分应用到ICS，在传统
DCS功能的基础上，新增机组一键启停、能耗在线监
测、故障诊断、早期预警、自动优化和故障闭环处理等
先进功能，助力实现火电厂生产运营的最高境界“无
人电厂”。
2ICS的功能设计
智能控制系统（ICS）的设计目标是构建一套新
型的工业控制体系，能够将工业领域的专有知识注
入到人工智能模型中，并将其与先进控制系统深度
集成，形成一系列融合智能算法的发电生产运行新
型控制体系。图1示出的ICS应用于生产运行控制，
具有大范围泛在感知和全局寻优计算能力，能大幅
提升机组发电效率，降低机组故障率，同时降低污染
物排放。
图1和图2所示出ICS的主要功能模块包括：
（1）机组及辅机自启停控制系统。机组自启停控
基金项目：国家自然科学基金青年基金项目（No.51806063和51736005），国家能源集团科技创新基金重点项目（-19-06-1），国家重点
研发计划基金项目（No.2015CB251502）
作者简介：赵俊杰（1985-），男，清华大学能源与动力工程系博士，高级工程师，现任国电内蒙古东胜热电有限公司总工程师，主要研究两相流、纳
米隔热、火电厂运行节能优化与人工智能火电厂。Tel：，E-mail：zjj7070702008@
第1期
赵俊杰等：燃煤火电机组全新一代智能控制系统ICS的架构与应用
智能发电运行控制系统ICS
智能报警
报警中心
智能光字牌
智能预警
智能监测
指标汇总
机组指标
环保指标
转机频谱分析
智能诊断处理
故障诊断总貌
磨煤机故障识别
A磨满煤
转机监测
辅机健康度
水平衡
电平衡
热平衡
控制回路评价
执行机构性能
在线性能分析
机组性能计算
锅炉性能
汽轮机性能
加热器性能
机组耗差分析
操作在线指导
能效大闭环投切
性能在线监督
机组运行评分
运行优化详细信息
3D报表系统
智能运行控制
协调优化控制
主汽温优化控制
再热汽温优化控制
脱硝优化控制
神经网络控制器
最优氧量控制
冷端优化
关键参数软测量
深度学习过程值预测
燃烧操作优化指导
智能吹灰
真空严密性试验
·47·
智能顺序控制
APS总貌
机组启动准备
汽机冲转
机组并网升负荷
给水泵顺启
磨煤机顺启
智能分析中心
数据抽取预处理
控制模型在线辨识
机器学习训练
知识表达与推理
智能助手
A磨混风调门连杆脱落
A引风机叶伺服阀连杆脱落
1号辅机循环水泵断轴
汽轮机高调门连杆断裂
汽轮机高调门伺服阀堵塞
图1ICS的软件首界面
制系统（AutomaticProcedureStart-UpandShut⁃
downControlSystem，简称APS）是实现机组启动和
停止过程自动化的系统，包括机组整机、功能组、子系
统组、设备和伺服级的一键或有限断点或确认点下的
启停。APS优势是可规范运行人员的操作，减轻人员
劳动强度，防止人为误操作，提高机组自动化水平、经
济性和安全性。
1.机组及辅机一键启动APS系统
2.智能监测、汽轮机与大型转机可视化监测
ICS
3..智能诊断、智能报警与智能预警
4.机组能效与性能计算、智能操作指导、运行优化
5.协调与分系统优化控制，闭环优化，闭环故障处理
图2ICS的功能设计
以机组自启停APS功能为基础，在控制范围、控
制深度、智能化程度等方面进一步完善，实现“智能全
程自动控制技术”。建设并应用了生产运行过程中主
要辅机设备及子系统的一键启停投退，包括给水系
统、磨煤机、风烟子系统、高低加子系统、凝结水泵等
一键启停、切换及定期试验。辅机一键启停功能实现
了辅机设备由减出力到停运退备，由启动到并入运行
及其他复杂操作的全过程自动控制。
（2）智能监测。应用三维可视化、大数据、物联网、
人工智能技术、热力学机理模型和定量化经验建模分
析的方法，实现控制回路品质监测、执行机构性能监
测、重要主辅机设备健康度打分监测、分层配煤系数
设置推荐、锅炉结焦评分系统、四管可视化防磨防爆
与管道寿命监测、煤质软测量、四大平衡（电、热、水、
燃料）、转机可视化监测等功能。
（3）智能诊断、早期预警和智能报警。诊断报警功
能主要包括滋扰报警抑制和报警增强展现，基于斜率
变化Peak算法、大数据分析、神经网络与机器学习的
智能预警和智能报警，基于逻辑故障树和热力学机理
的报警诊断与根源分析，全激励在线仿真这4个
模块。
全激励在线仿真是指在仿真机的数据总线和实
际DCS的数据总线之间加入一个接口程序，采用虚拟
DPU方式装载和运行控制逻辑，达到与硬DPU一样
的效果，将实际控制系统的组态结果和人机界面的组
态结果向仿真软件映射。基于全厂电力生产的热力学
微观机理模型和经验曲线模型，进行在线运行参数的
虚拟电厂仿真计算，给出工艺系统与设备运行能效的
目标值与实际值的对比结果。将诊断结果转化为运行
人员优化操作的指导建议，并进行实时控制层面的直
观展示。
（4）机组能耗与性能计算、运行优化与智能操作
指导。基于数据挖掘、热力学机理分析、标杆值寻优等
方法，寻找生产数据中的规律和特性，给出最优的过
·48·
程控制目标值，指导运行人员调整运行参数和运行方
式，降低煤耗。运行优化和操作指导功能包括基于大
数据分析和软测量的燃烧优化、氧量优化、冷端优化、
磨煤机运行优化、脱硫耗电优化、供热系统优化、操作
员的行为实时监督与考评管理等模块。
（5）协调与分系统优化控制、闭环优化与闭环故
障处理、一键性能试验。闭环优化控制功能包括主、再
热蒸汽温度调节品质优化，
AGC
氨优化，
优化，
风粉调平与一次风优化，
吹灰优化，高加水位优化，
主、再热蒸汽压力优化，
二次风门优化等模
减温水优化，喷
块。闭环故障处理功能包括磨煤机断煤自动处理、给
煤机皮带打滑自动处理、一次风机RB或出力降低自
动处理等模块。一键性能试验功能包括真空严密性试
验、重要辅机一键切换定期试转工作等模块。
3ICS的软件和硬件架构
智能运行控制系统（ICS）以分散控制系统（DCS）
为核心，扩展智能变送器和智能执行机构、智能优化
算法库、高级值班员工作站、开放应用服务器等资源，
实现发电过程的智能检测、智能控制与智能运行监
控，为发电厂控制与运行优化、状态监测及诊断预警
提供可靠的软硬件平台。
图3示出智能控制系统（ICS）包括底层硬件系统
和核心软件系统。ICS的底层硬件系统是在传统DCS
控制系统的硬件基础上，增加高级应用控制器、冗余
高性能实时历史数据站、基于GPU并行计算的智能
分析引擎和计算服务站、高级值班员站、网络管理审
计服务器、厂级接口站、高级应用服务网、域间隔离器
和工控域防火墙等一系列智能设备，以大幅提升系统
计算能力和功能协同能力，为智能控制算法、海量生
产数据深度分析提供算力支撑和运行环境。
ICS硬件
ICS软件
2对高级应用控制器
1套大型实时历史数据站
2对高级应用控制器
大型实时历史数据库AIRDB
3台分析引擎服务器
2台高级值班员站
智能计算引擎
1台网络管理审计服务器
大数据分析引擎
1台厂级接口站
主机加固软件
1套高级应用服务网
综合审计管理软件
图3ICS的底层硬件和软件配置
为实现上位机与控制器间数据传输解耦和全方
位的分布式计算功能，设计专用于海量数据交互和计
第1期
算的高级应用服务网（C、D网）。高级应用服务网是独
立于实时控制网（A、B网）之外的冗余数据网络（C、D
网），能有效保证现有实时控制网络的稳定性，不会因
高级应用对大量生产历史数据和操作监控数据的访
问导致实时控制网（A、B网）的通信负荷增加。
基于GPU并行计算的智能分析引擎和并行计算
服务器，在上位机中增加计算功能，采用多核并行计
算流的方式，能有效支持神经网络深度学习，复杂系
统多目标、多约束寻优等高级应用。同时，建立算法调
度机制和报警处理功能，提供标准计算模块和高级应
用算法模块，统一的图形化组态运行环境，快速实现
功能组态、
余的工作模式，
ICS系统配置冗余的高性能历史站，
在线仿真和调试。
保证主服务器在故障、重启情况下，
采用主从冗
立
即切换为冗余服务器，不影响历史数据的采集和查
询。两个服务器之间无扰切换，满足采集数据不丢失、
检索业务不中断、检索返回的数据不变化的需求。以
高性能历史站为核心，可实现机组生产过程实时数据
的高速采集、压缩、结构化梳理、高效率存储和调用。
实时历史数据库具有30万以上标签点容量，硬盘容
量应能够满足至少存储12个月数据的要求。
图3示出ICS核心软件子系统包括传统DCS的运
行控制核心软件模块EDPF-NT+、大型实时历史数据
库AIRDB、智能计算引擎、大数据分析引擎、主机加
固软件和综合审计管理软件等。
和生产大数据融合处理平台这两大平台。
ICS的核心软件系统构建了全厂统一监控平台
ICS的全厂
统一监控平台整合了主机DCS系统、辅机循环水和城
市热网一网等公用系统DCS、化学辅控运行DCS、灰
硫辅控运行DCS和燃料辅控运行DCS。生产大数据融
合处理平台可同时采用智能计算引擎和大数据分析
引擎这两个引擎，实现数据的分析处理。
（
ICS
1）
软硬件设计的功能特点包括：
底层硬件和软件高度平台化和一体化集成，
数据、算法、算力的有机整合。基于ICS的全厂统一
监控平台，贯通了多台机组的DCS、公用DCS和3大
辅控运行的DCS，将全厂各机组的工况分析计算结
果、机组之间的小指标对标、能效对标在高级值班员
站（相当于厂级的值长站）集中展示，并可后续深度
开发全厂负荷分配调度模块。基于ICS的生产大数
据融合处理平台集成了大型实时历史数据库、高级
应用控制器、智能计算引擎和大数据分析引擎，将海
第1期
赵俊杰等：燃煤火电机组全新一代智能控制系统ICS的架构与应用
·49·
量数据、复杂算法模型与高级应用控制器等硬件提
供的算力进行融合集成，实现高性能的计算分析
功能。
（2）传统的实时控制网络（A、B网）与专用于构建
复杂算法模型和大数据调用计算的高级应用服务网
（C、D网）进行了虚拟逻辑隔离和冗余设计。采用虚拟
逻辑隔离和冗余设计，提升了系统的安全可靠性，避
免了海量数据高级应用对实时控制网的干扰，实现了
大数据计算处理与实时控制的深度融合。
（3）系统的分布式计算架构。系统的任意节点，智
能应用服务站或控制器，均可独立配置运算环境。同
时智能应用服务站中的高级应用与控制器中的基础
应用，能实现高效协同配合与统一监控，从而实现彻
底的分布式计算，大幅提升系统的计算能力。
（4）系统的高度开放式设计。用于数据分析处理、
可视化展示和闭环控制的各类第三方智能应用APP，
可快速进行安全封装和无缝整合进入ICS，且不占用
系统实时点标签资源。通过高度开放的应用开发环
境，赋能用户，围绕ICS建立良好的智能发电应用生
态圈，使ICS的智能应用更加丰富、更有成效。
（5）构建与控制系统深度融合的多源、异构大数
据融合处理平台。实现了基于数据分析技术的全体系
智能化改进，
ICS
进一步提升网络安全防护能力。整套
全等级保护三级要求。
的网络安全防护能力达到发电生产监控系统安
表1示出ICS与传统DCS在目标和定位、特征、数
据库、软件平台、硬件平台、智能算法和新模块功能开
发7个方面的对比。
表1传统DCS与ICS的对比
对象
DCSICS
目标保障机组安全运行保证安全运行前提下，实现高性能控
和定位和基础控制制、高效率运行、高精度分析与诊断
特征
直接数字控制为主，生产信息全集成、智能分析计算、高度
有限开放开放平台
数据库
规模有限的数据存
储，基础查询
海量数据存储与高效交互接口
软件平台常规监控平台
支撑机理计算与数据分析深度融合的
智能监控平台
硬件平台
常规控制器、增加高级应用控制器、高级应用服务
操作员站、工程师站器、高级应用服务网、高级值班员站等
智能算法无智能算法智能算法用于机组诊断与智能报警
新模块不支持灵活提供接口和封装，允许在ICS平台定
功能开发定制化开发制化开发新功能和新模块
4ICS的应用效果与创新
随着信息网络传输技术、安全审计、芯片、储存、
服务器、数据库、算法封装、网络架构等技术的快速升
级进步，
ICS
心底层算法多，
在功能设计和软硬件架构实施过程中，
ICS作为一款全新的产品，实现了工程应用。
算力不够用，蓝屏死机；担心储存容量
解决了担
不够，数据标签数量不够用，数据溢出；担心传输通道
带宽不够，延迟卡涩；网络信息安全风险等诸多担心
或问题。经过国电东胜公司1号机ICS为期1年半的
工程实践应用证明，并未出现蓝屏死机、卡涩延迟和
网络安全风险等问题。
4.1ICS相比传统DCS的主要应用效果
（1）减人增效，减少手动干预，防止人为误操作，
降低人员劳动强度。通过进一步提升机组运行控制的
自动化水平和机组稳定性、安全性，降低运行人员操
作强度，实现“少人值守，智能运行”，正常工况下每运
行值减少1~2人的操作工作量。全面采用智能控制优
化功能后，保证机组煤质变化、锅炉燃烧、设备工况变
化时，不对机组控制性能产生大的影响。通过APS一
键启停、自动优化控制和闭环故障处理系统，有效减
少了运行人员的手动干预，提升了机组主要参数和控
制指标，使机组在全负荷工况下均具有优越的调节
性能。
（2）更加智能、智慧，用机器智能算法和控制取代
专家亲临指导。报警诊断与根源分析模块建立典型故
障的逻辑分析树和专家知识库，并应用于计算机逻辑
分析判断系统。实现了生产分析严重依赖某个专家运
行经验，到机器人工智能自动诊断的转变，有效阻断
了不安全事件的持续发展和扩大，减少人员分析环
节，给事故处理预留了宝贵时间。用机器智能算法和
控制取代专家亲临指导，是全新一代人工智能DCS最
伟大的特征。
（3）智能监测和早期预警提高故障处理的前瞻性
和响应速度，变事后控制为事中、事前控制。采用智能
算法，实时监控火电厂关键生产参数的变化趋势。基
于大数据分析的神经网络算法计算参数标准值，在参
数变化趋势超限及偏离标准值时，发出预警，实现“早
预警、早处理”。在ICS中应用锅炉实时结焦评分系统
后，锅炉结焦程度的恶化能够被及时、快速发现，以便
运行人员采取相应措施进行处理，有效控制锅炉结焦
的恶化。
·50·
（4）可视化监测让人员监盘更轻松直观。利用3D
建模，实现汽轮机、引风机、送风机等大型转机的可视
化监测诊断，给出诊断结果和有针对性的调整建议。
三维可视化让人与设备的感官距离更近，有利于快速
反应故障或缺陷的详细位置。
（5）降低发电能耗水平，提高发电过程的清洁
水平。基于大数据分析技术和发电机组运行控制系
统的融合，真正实现生产过程“能效大闭环”，在运
行优化分析和最优操作指导运行的情况下，
2~3g/kWh
可实现
（6）降低故障的不良影响，
的煤耗降低目标。
避免减少机组非停，最
大程度避免设备损坏，缩短机组非计划降出力时间，
节省检修及维护费用，提高火力发电的经济效益。依
靠典型故障诊断专家库和逻辑故障树，可实现大范围
参数智能监测与预警，辅助运行人员全面解读生产数
据信息。在无需提高运行人员经验和反应速度的前提
下，大幅提升对故障工况的预测、识别、定位、处理能
力，显著提高机组的监控品质。预计能为机组每年至
少减少1~2次非停事故，以及各种设备损坏造成的电
量损失、设备维修费用，估计可减少650万元/a的
损失。
4.2ICS相比传统DCS的创新性
（1）功能创新，新增了四大“一键”。一键启停（主
机和重要辅机），一键诊断（出能耗和故障的体检报
告），一键闭环运行优化和控制优化，一键闭环故障
处理。
（2）平台和体系创新，ICS更加平台化和操作系
统化。传统DCS只是一款软件，无法灵活开发各种功
能的由不同科技公司提供的功能APP。ICS是一个操
作系统，
APP
可根据用户需求，
（
，满足个性化的智能发电控制和管理的需求。
灵活、定制化开发各种功能
3）架构和层级管理创新。SIS的功能和作用可逐
步被ICS取代，SIS可以被弃用，电厂信息管理三层级
DCS、SIS、MIS）精简为两个层级（ICS、IMS），电厂生
产运营管理更加高效率。
（4）数据库和硬件创新。可在底层采用Hadoop大
数据架构和时序数据库，采用适用于大数据架构的高
性能智能芯片、智能控制器和服务器，局部取代传统
的实时数据库，更有利于深度学习算法、大数据应用、
人工智能自学习等先进技术的应用。开发新增功能所
采用的硬件由传统的PLC外挂机变为底层计算和控
制一体化的一体机和加强机。
第1期
5结束语
针对燃煤火力发电站底层运行控制系统，分析最
新一代智能DCS（ICS）的功能设计、软件和硬件架构、
应用效果，以提升火力发电机组低碳、环保、灵活、高
效、安全、经济的核心能力。结果表明：
（1）ICS的主要新增功能包括基于智能控制技术
的机组整机及辅机自启停控制，基于大数据分析、人
工智能算法和热力学机理的智能监测，智能诊断与早
期预警，运行优化与操作指导，闭环优化控制与故障
闭环处理。
（2）ICS的底层硬件系统新增冗余高性能实时历
史数据站、基于GPU并行计算的智能分析引擎和计
算服务站、高级值班员站、网络管理审计服务器、厂级
接口站、
ICS
效率。
算力，
高级应用服务网等一系列智能设备，
从而提升机组运行和控制的智能化水平和
提升
（3）ICS核心软件子系统包括生产信息全集成底
层软件EDPF-NT+、大型实时历史数据库AIRDB、智
能计算引擎、生产大数据融合分析引擎、主机加固软
件和综合审计管理软件等。ICS的核心软件系统构建
了全厂统一监控平台和生产大数据融合处理平台这
两大平台，为ICS提供计算平台和先进算法，提升ICS
的数据交互融合和深度挖掘应用。
（4）ICS的主要应用效果包括减人增效，减少手
动干预，防止人为误操作，降低人员劳动强度；更加智
能、智慧，用机器智能算法和控制取代专家亲临指导；
智能监测和早期预警提高故障处理的前瞻性和响应
速度，变事后控制为事中、事前控制；可视化监测让人
员监盘更轻松直观；降低发电能耗水平，提高发电过
程的清洁水平；降低故障的不良影响，避免减少机组
非停，缩短机组非计划降出力时间，最大程度避免设
备损坏，节省检修及维护费用，提高火力发电的经济
效益。
（5）ICS的创新性包括四大“一键”，平台化和操
作系统化，发电生产运营信息管理三层级可精简为两
个层级，外挂机变为一体机和加强机。
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ControlSystemofCoal-firedThermalPowerUnits
ZHAOJunjie
1
，MAKe
1
，LUHaitao
2
，HUYong
3
，LIUQiang
4
，
YANGRuyi
1
，WUHao
2
，SHENYuejun
1
（nInnerMongoliaDongshengThermalPowerCo.，Ltd.，Ordos，InnerMongolia，017000;nZhejiangBeilunNo.1Power
GenerationCo.，Ltd.，Ningbo，Zhejiang，315800;ofEnergyandPowerEngineering，NorthChinaElectricPowerUniversity，Beijing，
102206;eyLaboratoryforOilandGasResourcesandExploration，ChinaUniversityofPetroleum(Beijing)，Beijing，102249）
Abstract：Aimingatthebottomoperationcontrolsystemofcoal-firedthermalpowerstation，thefunctionde⁃
sign，softwareandhardwarearchitectureandapplicationeffectofthelatestgenerationofintelligentDCS
(ICS)areanalyzed，soastoenhancethecorecompetitivenessofsafe，stableandefficienteconomicopera⁃
ultsshowthatthemainnewfunctionsofICS
includeautomaticstartandstopcontrolofthewholeunitsandauxiliaryenginebasedonintelligentcontrol
technology，intelligentmonitoring，intelligentdiagnosisandearlywarning，operationoptimizationandopera⁃
tionguidance，closed-loopoptimizationcontrolandfaultclosed-loopprocessingbasedonbigdataanalysis，
featuresofICSsoftwareandhard⁃
waredesignincludehighplatformandintegrationofunderlyinghardwareandsoftware，andorganicintegra⁃
tionofdata，algorithmandcomputingpower;virtuallogicisolationandredundancydesignaremadebythe
traditionalreal-timecontrolnetworkandadvancedapplicationservicenetworkforcomplexmodelcalculation;
distributedcomputingarchitectureofsystem;highlyopendesignofsystem;constructingamulti-sourceand
heterogeneousbigdatafusionprocessingplatformfordeepintegrationwiththecontrolsystemtofurtherim⁃
provethenetworksecurityprotectioncapability.
KeyWords：Intelligentpowerplant;IntelligentDCS;One-buttonstartandstop;Earlyfaultdiagnosis;Intelli⁃
gentearlywarning
（收稿日期：2019-11-20责任编辑：穆建玲）
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