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“十三五”电力及其自动化发展展望

发布时间:2018-02-09 16:06:50

电力是一种相当灵活、实用的能源,是现代人类生活和工作的必需品。电力在已取得相当广泛应用的情况下,仍在快速扩展其使用场所。由发电、输电、变电、配电和用电等环节组成的电力工业,是其它众多国民经济、社会产业或行业的先导,是现代社会不可缺少的基础设施。因此电力工业的增长或发展已成为衡量一个国家现代化和工业化发展程度的重要指标之一。

为了准确把握“十三五”电力及其自动化技术的发展,本文首先简要分析了电力工业的发展基础及所面临挑战,接着分析了电力发展重点,预测了自动化技术发展趋势。最后阐明了数字化、网络化、智能化对电力工业的影响。

1 发展基础及面临挑战

经过改革开放后三十多年的快速发展,我国电力工业取得了长足进步。特别是进入21世纪后,电力供应能力稳步增长,系统结构不断优化,清洁能源比重逐步增加,技术装备水平快速提升,节能环保取得成效,建成了世界最大的电力供应体系,有效保障了经济社会的持续发展。以电源侧为例,我国发电装机容量和发电量分别从2000年的3.19亿kW、1.37万亿kW?h跃升到2014年的13.6亿kW、5.65万亿kW?h。截至2014年底,国内火电装机容量91569万kW,水电装机容量30183万kW,核电装机容量1988万kW,并网风电装机容量9581万kW,并网太阳能发电装机容量2652万kW。在大型循环流化床发电技术、百万千瓦级压水堆核电站、特高压等先进发、输、变电技术研发应用方面已居世界领先水平。

“十三五”时期,我国既面临由能源大国向能源强国转变的难得历史机遇,又面临诸多问题和挑战。发展的长期矛盾和短期问题相互交织,资源和环境约束进一步加剧,节能减排形势严峻,能源资源对外依存度快速攀升,能源控总量、调结构、保安全面临全新的挑战。因此,在看到成绩的同时,也应清醒地认识到存在的问题。譬如在“十二五”期间,我国发电装机规模和电网规模已双双跃居世界第一位,但也成为CO2排放量最大的国家。简而言之,“十三五”电力工业所面临的挑战主要是在确保能源可利用性和满足经济和人口增长需求的同时,还需保护人类赖以生存的脆弱生态环境。

2 电力工业发展重点

在国务院2014年发布的《能源发展战略行动计划(2014-2020年)》中明确提出,要坚持“节约、清洁、安全”的战略方针,重点实施“节约优先、立足国内、绿色低碳、创新驱动”四大战略,加快构建清洁、高效、安全、可持续的现代能源体系。

电能作为高效、优质、绿色的能源,在社会生活的方方面面起着越来越重要的作用。利用电能替代煤、油、气等化石能源,可以提高燃料的使用效率、减少污染物排放。另外,风能、太阳能、地热能、海洋能、生物质能等这些可再生能源的开发、利用,主要也是依靠转换为电能来实现。因此,积极推动电能替代战略,对于构建以安全发展、高效发展、清洁发展为目标的现代能源保障体系至关重要。

当前,我国经济社会发展的主要特征是工业化、信息化、城镇化、市场化、国际化,能源结构清洁低碳化大势所趋。这些重大社会需求决定电能绿色、低碳、智能的生产、输送、分配和使用技术,已成为电力技术发展的主导方向。

在“十三五”期间,电力工业的发展重点预计主要有以下六个方面。

第一方面是发展更高容量、更高参数、更高效洁净的常规发电机组,新建燃煤发电机组供电煤耗须低于300g(标准煤)/kW?h,污染物排放应接近燃气机组排放水平。当前国际上发达国家的发电机组正在向更高容量和更高参数方向发展,以实现进一步节能、降耗、绿色环保的发展目标。概括其发展趋势为四点。

其一是开发更高参数的超(超)临界常规发电机组,如欧盟的“AD700计划”,拟将汽轮机主汽温度由目前的600/620℃提高到700/720℃,发电效率由目前的45%~47%提高到52%;美国的“Vision 21”计划,拟研发主汽参数为35MPa、760℃,发电效率高于55%的超超临界发电机组。我国也正在进行700℃超超临界机组计划。其二是常压循环流化床(CFB)机组的进一步大型化和超临界化。其三是燃气轮机(CT)的大型化和高参数化,如日本MHI三菱重工已研发出透平入口温度可高达1600℃、单机ISO容量可达470MW的J系列CT发电机组。其四是开发新一代的高效洁净IGCC(整体煤气化联合循环)发电技术。如美国的“清洁煤技术计划”、日本的“新日光”计划等,与之类似,我国也在发展以煤气化为龙头,以IGCC为核心,实现动力与化工生产过程的耦合,高效、洁净、经济、灵活的多联产系统,从而使发电效率达到45%~50%,设备可用率达到85%以上,实现污染物的近零排放以及煤炭的清洁高效利用。

第二方面是大力发展分布式能源,科学发展热电联产,鼓励有条件的地区发展热/电/冷多联供,发展风能、太阳能、生物质能、地热能、海洋能等先进可再生能源发电技术。到2020年,非化石能源占一次能源消费比重达到15%,力争常规水电装机达到3.5亿kW,风电装机达到2亿kW,光伏装机达到1亿kW左右,地热能利用规模达到5000万t标准煤。与之相对应的是还需进行大容量储能技术的创新研究,并实施储能配套部署,以切实解决电网的弃风、弃水、弃光问题,提高可再生能源利用水平。

第三方面是安全发展核电,以显著降低减排压力。在采用国际最高安全标准、确保安全的前提下,适时启动沿海地区新的核电项目建设,研究论证内陆核电建设。重点推进AP1000、CAP1400、高温气冷堆、快堆及后处理技术攻关。加快国内自主技术工程验证,重点建设大型先进压水堆、高温气冷堆重大专项示范工程。到2020年,核电装机容量达到5800万kW,在建容量达到3000万kW以上。

第四方面开发利用先进的综合节能、节水技术。以节水为例,常规发电需要大量的循环冷却水、工业冷却水和化学补给水,目前火电机组平均发电水耗约为0.58m3/(s?GW)。为了进一步节约用水,加强水的重复利用,首先是深化发展大型空冷技术;其次是利用高效的水质稳定处理药剂、补充水的深度软化处理等技术手段,加大循环冷却水浓缩倍率,以提高水的重复利用率,以有效节约循环冷却水;再次是开展干式除渣技术、辅机空冷技术、活性焦干法烟气脱硫技术、废水/污水多效深度处理技术等的研发,使我国发电机组的水耗大幅度降低。

第五方面提升和完善烟气处理技术。面对经济社会快速发展需求和日趋强化的资源环境约束之间的矛盾,低碳绿色发展和节能减排,增强可持续发展能力,提高生态文明水平,建设资源节约型、环境友好型社会的理念正渐渐成为全社会的共识。因而,火力发电面临的减排压力更大,迫切需要大幅度地提高烟气处理技术水平。“十三五”期间,除尘技术发展趋势仍以高效电除尘方式为主,布袋除尘或电/袋混合除尘快速扩充,陶瓷式等其它高性能阻挡式先进除尘方式不断完善,除PM2.5排放技术的强化等;烟气脱硫技术发展趋势近期仍以石灰石—石膏湿法脱硫法为主,烟气CFB半干法脱硫工艺、旋转喷雾半干法脱硫工艺向600MW容量以上发展,活性焦烟气脱硫工艺将取得一定的市场份额,采用物理法、化学法或微生物法等的洗煤和煤气化等燃烧前脱硫技术也会获得相应发展;烟气脱硝技术仍将以选择性催化还原法(SCR)和选择性非催化还原法(SNCR)为主,但基于浓淡分离、热烟气回流、再燃烧等技术的低NOx燃烧技术也会有着广泛的应用。此外,脱汞、CCS(CO2的捕集处理)等高效烟气处理技术也会相应发展。

第六方面是智能电厂、智能电网的进一步推进。究其因:一方面是随着数字经济和信息时代的到来,电力消费者对于供电可靠性、电能质量以及多元化服务的要求越来越高;另一方面则是电力工业面临减员增效和节能减排的双重压力,因而电力的数字化、信息化、智能化将成为我国电力发展的一个重点。

3 自动化技术发展趋势

3.1 自动化水平

近年来,我国电力行业新建或扩建的大型电厂,基本上都采用了智能仪器仪表(如带Hart协议的智能变送器、Profibus或FF现场总线仪表等)和计算机监视控制系统(如DCS分散控制系统、FCS现场总线控制系统、PLC可编程序控制器等)。自动化水平可以达到:单元机组和各辅助车间能在就地人员的巡回检查和少量操作的配合下,在集中控制室或辅助车间控制室内实现机组或辅助车间工艺系统的启停、运行工况监视和调整、事故处理等。少部分电厂还设置了机组自启停控制系统(UAS或APS),应用先进过程控制技术(如多变量模型预测控制、神经网络控制NNC等),可以实现带少量人工确认断点的发电机组自动启动和停止控制,发电过程的多目标优化控制等。总体来讲,电厂自动化系统在确保我国电力安全生产、节能降耗、经济环保运行方面发挥了重大作用。

从纵向来看,自改革开放以来我国电力行业的自动化系统发展速度很快,进步不小。当前国内电力行业的自动化发展水平符合国家产业发展规划要求,满足现行国家标准和电力行业标准相关规定。但从横向来看,我国与国外发达国家先进电力自动化水平相比,还有不小差距。例如,国外先进电站自动化水平从高到低可分为四级:第一级为无人值守;第二级为非全天值守,多机组监督;第三级为增强安全,降低操作员可用性要求;第四级为单机组全能值守。国内目前自动化水平基本上只能达到第四级。又以报警优化管理为例,欧洲EEMUA (工程设备及材料用户协会)191标准规定:操作人员可接受报警量为150个/d(即1个/10min),可管理报警量为300个/d(即1个/5min);美国ISA(国际自动化学会) 18.2标准规定:操作人员可接受平均报警量限值为1个/10min,在大扰动后允许为10个/10min;澳大利亚电力公司规定双机组单操作人员报警量限值为1个/20min/机组。迄今为止,国内电力行业尚未见到满足EEMUA和ISA标准要求的电厂,更不用说达到澳大利亚电力公司的严格指标了。

在市场竞争压力下,减员增效是一个趋势,所以自动化水平亟需进一步提高。 “十三五”期间,在对计算机控制系统优化基础上,辅以视频远程监控和无线远程报警等手段,单循环燃机电厂和普通电厂的大部分辅助车间有条件实现无人值守;燃气-蒸汽联合循环电厂、分步式发电站或能源站、常规电厂较为复杂的辅助车间均可以实现非全天值守;其它电厂则可全部降低对操作员的可用性要求,利用厂级自动化技术,实现多机组的集中少人监控。

3.2 计算机控制及管理系统

3.2.1 控制及管理功能

面对新一轮能源革命的兴起、节能减排降耗要求、安全和市场竞争的压力,计算机系统已不仅仅局限于基本的监视和常规控制,其功能正向以下几方面发展。

(1)新能源发电方面

风电、光电:因风电、光电(包括光伏和光热)等新能源电力具有强随机性、波动性和不确定性,需建立准确可靠的风电、光电功率预测模型,辅之以MPC模型预测或NNC神经网络等现代控制手段,适应环境、机组设备、电网动态扰动,解决其出力可预测性、暂态稳定性和发电功率稳定性(包括低电压穿越能力)、出力可控性问题,从而保障机组、电网的长期安全可靠运行。另外,还需优化光伏和光热的太阳辐射能跟踪控制系统,以最大程度地增加光电装置所接收到的太阳辐射量,进一步提高光电总体发电量。对各类光热发电蓄热系统进行细化研究,设计相应的最优运行监视和控制策略,有效平抑太阳辐射能的间歇性变化,增加发电设备的可利用率和有效发电量。

生物质发电、地热发电等:生物质发电和地热发电种类较多。以生物质发电为例,常见的就有农林生物质直燃发电、生物质气化发电、沼气发电、垃圾焚烧发电、垃圾填埋气发电等。因此需针对性地研究各类燃料监测、燃烧控制和污染物减排控制策略。如对垃圾焚烧发电而言,可采用基于模型的基本控制器和模糊优化控制器复合燃烧控制方式(常态时采用基于模型的控制方式,紊态时切换到模糊控制方式),以确保较高的燃料燃烬率、稳定可靠的蒸汽供应量、较低的污染物排放量。

(2)传统发电方面

一方面,燃煤/燃气等化石燃料电站、水电站和核电站相对而言属传统发电范畴,具有较好的确定性和可控性。除作为可靠的主力发电机组外,还需作为随机波动强的新能源发电与随机不确定性的负荷需求之间供需平衡的重要支撑,以平抑规模化新能源电力对电网的不利影响。因此,控制系统(以常规火电机组为例)需充分利用锅炉侧蓄热(如锅炉汽水工质蓄热、金属蓄热等)和汽机侧蓄热(如凝结水节流、凝汽器冷却工质节流等),综合优化机组协调控制策略,最大限度地提高机组的爬坡能力、调峰能力、调频能力,满足新形势下的快速深度变负荷运行控制需求。

另一方面,通过过程精准建模(包括机理分析、模型建立、参数辨识、模型验证等过程)、新兴检测技术(如声波、激光等测温及气体浓度检测装置,锅炉蓄热、热效率等软测量技术)和现代控制技术(如模型预测控制、状态空间控制、神经网络和模糊逻辑控制等)的应用、优化控制策略的推广(如锅炉燃烧优化、吹灰优化、汽温优化、节流优化等策略),使机组获得更高的运行灵活性、效率、可用率和更低的污染物排放量。

(3)功能安全和信息安全的推广应用及融合

电力是现代化的基础和动力,电力安全事关我国现代化建设全局,安全是电力建设及营运的第一要务。一方面,随着安全相关系统系列国家标准的发布,开始在重要保护系统和关键控制系统中推广采用符合功能安全需求的安全仪表系统;另一方面,随着《电力监控系统安全防护规定》(发改委2014年第14号令)、信息安全等级保护系列国家标准、控制系统安全防护系列国家标准的逐渐发布,包括物理安全、网络安全、主机安全、应用安全、数据安全等在内的安全防护措施已开始在计算机系统中部署实施。

不久的将来,功能安全和信息安全还会融为一体,综合考虑并配置安全措施,以更好地实现安全最大化的目标。之所以如此,是考虑到两者割裂会带来不一致或冲突的现状:功能安全针对的是自控人员,其国际标准IEC 61508将功能安全分为SIL1-4级;信息安全针对的是IT人员,其国际标准IEC 62443将信息安全分为SL1-4级。由此将安全割裂为两部分,导致实际工程或系统应用中的困惑和困难。为此,IEC已启动相应的功能安全和信息安全的标准融合工作。

(4)远程监视和故障分析诊断应用继续快速增长

远程监视和故障分析诊断系统通常由知识管理、监视控制系统、远程通信等构成,通过利用专家系统、模式识别、状态检修等技术,实现电力设备和性能的远程监视和异常工况及故障的早期检测和诊断,有效提高机组设备可利用率,以适应有经验的自动化、运维和检修专家人数减少的现状,并可达到减员增效的功用。

3.2.2 系统结构及组成

操作员站/服务器、控制器、I/O接口、通信总线是计算机控制系统的重要组成。主要发展趋势一是虚拟化(包括服务器虚拟化、桌面虚拟化、应用虚拟化等)、瘦客户机等商用IT技术,因其具有低成本、更高的可靠性、更长的寿命、更好的安全性等特点,而开始快速在工控系统中得以应用。同时基于VR虚拟现实技术,由3D模型和生产控制及管理数据集成于一体的虚拟培训系统也在拓展其应用,该培训系统借助可穿戴电子设备,可实现控制室值班人员、现场操作员及巡检员的沉浸式培训;二是控制器结构向小型、分散(如SoC、MCU、μC及其它嵌入式)和大型、集中(如集成报警、控制、诊断、优化、数据管理等于一体的ACE自动计算引擎)两端延伸,且基于多变量模型识别及预测算法的MPC模型预测控制器、基于规则的仿人智能控制器、基于模糊逻辑的FC模糊控制器、基于神经网络技术的NNC神经网络控制器等新一代智能控制器用量大增;三是带有现场总线或无线接口的设备凭借其先进的组网和数据管理能力,得以大范围应用,特别是在分布式能源系统中;四是开始大量应用面向对象、池技术(如数据池)、优化管理技术(如报警优化管理)、大数据处理分析技术进行数据和对象的有效监控和管理,在决策过程中实现在正确时间向正确的人员提供正确的信息,从而大大节省时间,改善工作效率;五是全部由FPGA构成的、基于硬件的、无微处理器的、无软件的安全系统,因其类似常规模拟系统,具有相当高的安全等级,开始在核电等对安全级要求较高的领域推广应用;六是由WSN无线传感网、IOT物联网、基于安全技术的安全网络(如PROFIsafe、CIP Safety等)、工业以太网、现场总线等组成的泛在网开始在电力行业示范应用。

3.3 现场仪表及控制执行设备

现场仪表及控制执行设备是自动化系统的眼睛、手与脚,主要发展趋势有四方面:(1)广泛采用现场总线、智能仪表及设备。究其因是该类仪表或设备带有微处理器,兼有传感检测(或驱动控制)、信号处理和通信功能,且具备自动补偿,自动采集数据及处理数据,自标定、自校正、自诊断等基础功能。甚至有的还具备自学习、自适应等高级功能。(2)逐步采用新型测量控制技术和物理转换机理的现场仪表及设备。如利用光纤、微波、声波、激光、磁谐振等新型测量技术的传感器,用于测量磁、声、力、温度、位移、旋转、加速度、液位、扭矩、应变、电流、电压、传像和某些化学成份分析的光纤传感器等。(3)数据融合:组成多变量传感器阵列,利用多传感器数据融合技术,充分发挥各个传感器的特点,利用其容错性、互补性、实时性,提高测量信息的精度和可靠性,延长系统的使用寿命。(4)安全仪表设备逐步开始应用。随着安全法规及标准的实施,SIL1-3等级的安全仪表或控制执行设备开始在重要保护系统和关键控制系统中投入使用。(5)软测量、虚拟仪表、无线传感或控制设备在试点基础上推广应用。如就软测量而言,已有CEM连续排放监测软测量、烟气含氧量软测量、飞灰含碳量软测量、磨煤机一次风量软测量、入炉煤质监视软测量等技术在少数电厂应用,且CEM软测量在美国早已获得EPA环保署的认可。

此外,随着无人机、机器人等先进技术的成熟和工业应用经验的积累,在强调可靠且较为传统的电力行业也开始得以推广应用。如采用无人机用于锅炉炉膛、烟囱、冷却塔、风力发电机群、光伏组件群、输电线路等的巡检或故障检查等。

4 数字化、网络化、智能化对电力工业的影响

在全球经济已步入数字时代的今天,工业领域也发生着惊人的变革,现场总线、无线网络、数据挖掘、工业云、大数据等新概念、新技术如雨后春笋般层出不穷,数字化、网络化、智能化即为其中的热点,这些热点既单独又相互交织作用于电力各个环节,已经对电力工业产生了较大影响且以后还必将产生更加深远的影响。

4.1 数字化及数字电厂、数字变电站

数字化对电力行业的最终影响结果是造就了数字电厂、数字变电站。

以电厂为例,电厂属典型的流程工厂,电厂数字化即是利用计算机信息处理技术把电厂各个生存周期阶段(如图1所示)所存在或发生或关联的、反映电厂各个过程或结果的现象、特征、本质及规律的声音、文字、数字、符号、图形和图像等模拟信息转换为数字信息。

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图1 流程工厂生存周期活动模型

所谓数字工厂,国际标准IEC/TR 62794定义为:表现工厂基本组成单元、自动化资产、它们的行为和关系的工厂通用模型。德国工程师学会VDI 4499导则将其定义为:一个由数字模型、方法和工具(包括仿真和3D可视)全部交织在一起的、由连续的数据管理将其集成在一起的综合网络所形成的超常概念。

基于电厂从模拟转化而成的数字信息,或直接利用工具生成的数字信息,建立电厂各部分数字模型(包括结构、功能、性能、位置、业务等基本元素),由此再建立对实体电厂全面电子描述而形成数字电厂仓库,从而构成数字电厂。在所建立的数字电厂上,可以实施对电厂的数字管理、控制、决策、仿真,实现电厂的高度可视化、信息化。

当前国内的数字电厂、数字变电站建设主要停留在工程设计的部分数字化、运维及管理系统的数字化,从覆盖阶段和应用范围及广度上都属初级水平。预计在“十三五”,随着《中国制造2025》的发布,国家对信息化与工业化深度融合的大力推进,数字电厂、数字变电站的建设又会跃升到新的高度。

4.2 网络化与虚拟电厂

网络化通常是指利用通信技术和计算机技术,把分布在不同地点的计算机及各类仪表与控制设备或其它电子终端互联起来,按照一定的网络协议相互通信,以达到共享软件、硬件和数据资源的目的。当前在电力系统的发变、输电、变电环节,甚至供电环节,采用SCADA、DCS等计算机控制系统及智能仪表和设备,在监控层面已基本实现了网络化。

虚拟电厂最早由欧洲提出,是电力行业网络化继续向前推进的一个显著代表,是一种新型的发电模式,是分布式发电集控或群控技术的发展。所谓虚拟电厂是以交易电能或提供系统支持服务为目的,在一定地域或区域范围内通过网络通信及监控技术,聚合一定数量的、连接到配电网各节点的、使用不同技术且拥有丰富的操作模式和可用性的分布式电源。简而言之,虚拟电厂即是由多个小规模的分布式发电机组通过网络互联而构成一个大型发电池,其对外表现如同一个真实的大容量常规电厂。其网络互联主要是通过LAN、WAN、GPRS、ISDN或总线系统而实现。由此,可以在一定程度上解决分布式发电机组的强随机波动性,并可减少环境污染,降低发电总体费用,增加发电灵活性和电力系统的可靠性,实现电力的可持续发展。虚拟电厂通常由分布式发电机组及其控制系统、发电侧及电网侧的负荷预测管理系统(也称为分布式能量管理系统DEMS)、电力管理系统等组成。

伴随“ 互联网+ ” 的推进和电力体制改革的深化,“十三五”期间国内虚拟电厂预计也会逐步成形,并加以快速发展。

4.3 智能化与智能电网、智能电厂

过程工业中“智能化”通常是指广泛采用现代信息处理和通信技术、智能仪器仪表技术,以及智能控制方法和管理决策技术,最大限度达到工业过程安全、高效、环保运行状态的过程。由此可见,“数字化”、“网络化”与“智能化”有着紧密的内在联系。“数字化”与“网络化”是构建现代信息化电力企业的重要基础,也是实现电力智能化、自治运行的重要手段。“智能化”是“数字化”和“网络化”的终极目标,即数字化、网络化的宗旨是使电力信息化、智能化,实现电力过程的现代化运行和管理,达到营运成本最低,能源消耗最小,污染物达标排放,设备可用系数高,全过程效益最大化。

“智能化”是人之所求,也是人之所向。正如德国政府于2013年所启动的“工业4.0” 战略项目,也是旨在推动传统工业领域的计算机化,使之向智能生产、智能工厂转型。我国电力工业也不例外,也在向智能电网、智能电厂的目标奋进。以智能电网为例,国家电网公司在2010年所发布的《绿色发展白皮书》中将“坚强智能电网”定义为“是以特高压电网为骨干网架,各级电网协调发展的坚强电网为基础,以通信信息平台为支撑,具有信息化、自动化、互动化特征,包含电力系统的发电、输电、变电、配电、用电和调度各个环节的坚强可靠、经济高效、清洁环保、透明开放、友好互动的现代电网”。分为规划试点、全面建设、引领提升三个建设阶段,计划到2020年基本建成坚强智能电网,实现管理、技术和装备国际领先。当前正处于2011-2015为期5年的全面建设阶段,“十三五”则处于智能电网建设成功与否的关键中盘及收官阶段。

随着科学技术和社会经济的发展,“智能化”也会不断有新概念、新技术融入。“智能化”没有最好,只有更好,智能电网或智能电厂的建设也是一个不断优化提升的过程,从“十三五”末预计建成的智能电网或电厂1.0向着智能电网或电厂2.0、智能3.0…继续跃进。

参考文献:

[1] 周四维,李忠炳,张晋宾.数字化电厂的概念及实施[J].上海电力学院学报,2014,30(3):208-212.

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[5] 国家电网公司. 绿色发展白皮书[R/OL]. http://www.sgcc.com.cn/bps/_lsfzbps_/index.shtml.

作者简介

张晋宾(1967-),男,汉族,中共党员,教授级高级工程师。现就职于西南电力设计院,任设计总工程师,长期从事电力设计、咨询、研究及管理,智能设计软件的研发及应用管理工作等。


摘自《自动化博览》2015年9月刊