电厂厂级自动化系统总体功能设计

电厂厂级自动化系统总体功能设计[摘要]火电厂厂级自动化系统(PAS)应由非实时管理的厂级管理信息系统(MIS)和实时管理的厂级监控信息系统(SIS)构成。SIS的目的是在对全厂各个机组、煤、除灰等公用系统生产工况进行监控的基础上,实现经济目标控制下全厂的协调生产。建议SIS的网络结构,以以太网和FCS为基础继续发展,最终将整个电厂融入单一的以太网中。厂级自动化系统和电网级自动化系统的关系

如前所述，厂级自动化系统包括厂级监控信息系统(SIS)和管理信息系统(MIS)两大系统。SIS是为厂级生产过程自动化任务服务的，它不仅要满足全厂生产过程综合自动化的需要和向MIS提供全厂生产过程实时数据，以支持MIS的需要，而且还要满足电网实时安全和经济调度的需要，它是厂内单元机组DCS和公用辅助车间级自动化系统的上一级系统；管理信息系统是为电厂管理工作现代化任务服务的，它不仅要完成内部任务管理现代化的需要，还要满足向电厂上级部门发送管理和生产信息，以及对外市场营销的需要。满足电厂市场营销任务需要的就是人们熟知的电厂报价辅助决策子系统(PlantBiddingSystem，简称PBS)。厂级自动化系统的组成1SIS的提出当前,我国大型火力发电厂各工艺系统的控制随着近几年中国电力体制改革的深入开展,厂普遍采用分散控制系统(DCS)和可编程序控制器系网分开、竟价上网已经成为必然发展趋势。在此大统(PLC)。在将来很长一段时间内,大型火力发电环境下,国内各电厂纷纷开始重视整合企业现有软厂机组级控制系统仍将主要采用以DCS为主、C硬件资源,在整个电厂范围内实现信息共享,争取管为辅这种模式。控一体化,为电厂整体效益的提高而努力。厂级自动化系统(PAS)是厂级生产过程自动化目前,虽然我国电厂的生产过程自动化水平比和厂级管理信息系统的总称,它是建立在机组级自较高,但是各控制系统之间相互独立,信息不能共动化和辅助系统级自动化基础上的全厂级自动化系享,造成了信息浪费,也为厂级生产过程管理带来了统[1]。国内电厂由于受宏观政策的影响,在建设期困难[2]。虽然有MIS,但它是非实时管理系统,还无间基本上都未设计厂级自动化系统。许多电厂都自法科学地保证整个电厂经济地运行,无法给决策者投资金开发了规模不等的管理信息系统(MIS)。提供足够的信息。DCS虽然有经济运行控制功能,MIS主要完成对发电生产设备维护、全环保、划但是该功能是根据1台机组的主要运行参数而实施经营、人办公、纪工团、务后勤、种经营等的的,它所获得的信息不是很充分,所以该功能比较片面和不准确。电厂需要的是一种能够实时采集全厂各种信息、时分析和预测运行的经济性并实时制定经济运行的生产计划的一种系统。同时,随着以计算机技术为核心的控制、网络通信等技术的高速发展,SIS终于应运而生.2SIS的功能SIS的目的是在对全厂各个机组、煤、灰等公用系统生产工况进行监控的基础上,实现经济目标控制下全厂的协调生产。SIS的主要功能如下:2.1负荷分配调度根据调度端对整个电厂下达的日负荷曲线和本厂各台机组主、机设备的运行状况、能和效率等情况,自动、理地制定各台机组每日的运行负荷曲线,使整个电厂运行在最佳效率状态。当这种分配被值长认可后,各台机组就按照各自的负荷曲线运行。同时SIS还可根据调度端的实时负荷指令、各台机组的实时状态和实时计算的电厂效率对机组负荷曲线进行修正。2.2厂级性能计算和分析以往单元机组主、辅机的性能计算是在单元机组DCS中进行,由于DCS的信息有限,这种性能计算主要是基于设备和主热力系统的,无法含盖全厂。SIS可以从全厂各个生产控制子系统获得丰富的过程数据,对整个电厂的综合效率以及生产成本进行实时计算,生成运行效率曲线,并将其与经济效率曲线加以比较,在此基础上对整个电厂及单元机组的运行状况加以评估和提出改进意见。这种计算和分析结构可作为机组负荷分配和实时报价系统以及运行管理的重要依据。2.3主机和主要辅机故障诊断SIS可提供系统故障诊断功能。通过诊断软件,实时分析出主、机设备的故障原因,故障点并提供处理故障的办法。诊断信息可存储、打印并将故障点分别反映到值长站和单元机组操作员站(或辅助车间控制点)上的流程画面中,以便对应,有以下软件:(1)能量管理软件:Siemens的SR2,ABB的EMS,Bailey的ConOpt等。li,ABB的Optimax-MODI,Siemens的SR4,ALSTOM的VEGA等。(3)过程信息统计和分析软件:Siemens的PI,Bailey的ConCalConDasConMea等。mount的AMS,FOXBORP的AEM,ALSTOM的电站性能输出和计算模块及汽轮机故障分析模块。5SIS的发展趋势SIS的发展趋势是采用将以数据库和模型库为核心的决策支持系统或具有四库三功能结构的决策支持系统(DSS)。从世界范围内来看,以模型库为主体的传统的决策支持系统已经发展了10多年,它通过定量分析进行辅助决策,对计算机的辅助决策起了很大的推动作用。其模型库中的模型也已经由数学模型扩大到数据处理模型、图形模型等多种形式,可以概括为广义模型。决策支持系统的辅助决策能力也从运筹学、管理科学的单模型辅助决策发展到多模型辅助决策,使辅助决策能力上了一个新台阶。图2具有四库三功能结构的DSS随着数据仓库和联机分析处理(OLAP)新技术的兴起,为决策支持系统开辟了新途径。将模型库、数据库、知识库、方法库、数据开采和数据仓库、OLAP结合起来形成的综合决策支持系统,是更高级形式的决策支持系统(见图2)。其中数据仓库能够实现对决策主题数据的存储和综合,OLAP实现多维数据分析,数据开采用以挖掘数据库和数据仓库中的知识,模型库实现广义模型的组合辅助决策,专家系统利用知识推理进行定性分析。它们相互结合形成3个主体:一是模型库系统和数据库系统的结合,它是决策支持的基础,为决策问题提供定量分析(模型计算)的辅助决策信息;二是数据仓库OLAP,它从数据仓库中提取综合数据和信息,这些数据和信息反映了大量数据的内在本质;三是专家系统和数据开采的结合。数据开采从数据库和数据仓库中挖掘知识,并将其放入专家系统的知识库中,通过知识据仓库中的知识,模型库实现广义模型的组合辅助决策,专家系统利用知识推理进行定性分析。它们相互结合形成3个主体:一是模型库系统和数据库系统的结合,它是决策支持的基础,为决策问题提供定量分析(模型计算)的辅助决策信息;二是数据仓库OLAP,它从数据仓库中提取综合数据和信息,这些数据和信息反映了大量数据的内在本质;三是专家系统和数据开采的结合。数据开采从数据库和数据仓库中挖掘知识,并将其放入专家系统的知识库中,通过知识推理的专家系统达到定性分析辅助决策。SIS的发展趋势是成为一个以经济运行为目标的决策支持系统,为决策者提供准确可靠的决策信息。6建设SIS的建议6.1网络结构随着以太网的不断发展,国外不少公司已经开始研究以太网在电厂控制中的应用。它一定会全面进入工业控制领域。FCS是最具前途的控制系统,电厂的控制迟早要由FCS接管。就地设备和其他控制系统将不得不向着适应现场总线的方向发展。所以我们建议SIS以及整个PAS,应该以以太网和FCS为基础继续发展,最终将整个电厂融入单一的以太网中。通过完善的网络设计和管理,这个目标是可以实现的。如果实现了这个目标,就可以增加设备、统、件和软件的通用性,降低开发、购、行、理等各项成本。6.2多方参与SIS在我国尚处于起步阶段,还有大量研究和推广工作。我们认为SIS的建设需要以下几个方面的投入和默契配合,才能在较短的时间内,以较小的成本将我国的SIS建设好。首先,需要研究和生产单位进行深入研究,多方比较,找出适合我国国情的SIS组建方案。其次,需要电厂、计单位为SIS厂家提供充足的实际运行数据和经验,为DSS的各种库提供详细、整的资料,使DSS更加准确合理,使SIS更加切合我国电厂的实际。最后,需要权威机构综合分析和评价DCS、MISSIS等的功能,对各系统的功能和职责进行准确定义和划分,避免各系统在同样功能上的重复投资,使各系统相互配合,协调运行。而且,在SIS最终确定后,还需要权威部门施加一定强制力进行推广。目前,SIS已经受到电力行业各部门的重视,各公司也被其经济利益所吸引,纷纷参与进来。相信在他们的共同努力下,我国的SIS一定能建设好。三、厂级自动化系统功能模块的合理配置

厂级自动化系统有厂级监控信息系统和管理信息系统，管理信息系统中又包括对内管理和对外营运系统，这些子系统间常常是不仅有些数据需要共享，而且有些功能模块也有类似之处。但是，在实际工程中，由于体制和企业利益，不同的子系统有不同部门管理或不同厂商开发，容易造成各自为政，通气不够，以致造成各个子系统大而全，功能重复调置。此外，即使是由一个厂家开发，也存在着一个全厂自动化系统功能统一规划的问题。1功能配置原则

1)功能合理分级配置

对于仅仅为某一级子系统需要的功能模块，应安装在本级子系统内；上下两级均需要的功能模块则宜设置在下一级系统中，但是，它在开发时必须充分考虑上一级的需要，以尽量减少上一级再加工的工作，但也不在上一级中重复设置下一级已设置的功能模块，将大量原始数据全传上来，重复在自己设置的功能模块中进行处理，造成数据通道拥挤和计算机及网络资源浪费。这在不同厂商分别承担各子系统时，尤其应有人作统一规划的总体设计工作，并进行互相协调配合工作。

2)简化和提高单元机组级监控系统的可靠性

在出现厂级SIS前，单元机组级监控系统DCS，不仅完成机组直接监控任务，而且有逐步扩大管理功能，或者具有实时监控性质的管理功能，例如，机组性能计算、汽轮机寿命管理、长期历史数据存贮、操作指导等。DCS中这些管理功能的增加，使DCS日趋复杂，往往也是造成数据阻塞和软件“死机”的重要原因；此外，每台机组重复设置同样软件，也造成投资的增加。

厂级SIS的出现，电厂自动化系统结构也应随之变革，本人认为，今后应尽量简化单元机组级DCS的功能，主要服务于机组的直接监控，把实时性不强的管理功能上移至厂级SIS，DCS本身可以变成单层结构，这样必然大大简化直接监控级而提高可靠性，还可以降低综合投资费用。我认为这应当是DCS的一个发展方向。

从这个观点出发，我们要正确理解管控一体化的概念，在吸收或引进外国公司的各种高级软件时，要作认真的分析，根据软件的性质，合理的配置在各级自动化系统中。

2MIS的功能模块分配

如前所述，MIS有对内管理和对外营销两大功能，MIS中的对外营销功能是由电厂报价辅助决策系统完成的，它要收集电力市场交易中心的信息以及厂内管理和监控信息系统的数据，并通过报价辅助决策软件的运算和分析，提供报价决策，PBS与MIS的其它子系统间有些功能模块应进行合理配置。例如，发电成本计算和分析，燃料管理，检修计划和管理等不仅对外辅助报价决策需要这些资料，而且从加强电厂内部管理以适应外部报价要求和内部自身管理规律，均需要设置功能模块进行计算和分析，而且其功能远比辅助报价决策的运算要烦杂得多，因此，这些功能不宜放在PBS子系统中，而宜放在MIS的其它子系统中，PBS可调用其运算结果。当然，它们的开发，包括具体功能、数学模型，乃至数据格式等均应综合考虑内部管理和对外报价决策的需要，这样可使MIS中的PBS简化二次加工的工作量和减少数据库，防止每个子系统大而全，自成体系的资源浪费现象。

3SIS功能模块分配

SIS作为机组级DCS与厂级MIS间的中间层，起着承上启下的作用，它属于以实时监控为主，同时兼有实时信息管理的作用，因此，在SIS中必须建立一个比较完善的和一定规模的实时数据库，并为MIS共享，这已被人们普遍认同。下面将就若干功能模块如何配置谈点看法：

1)性能计算、分析及其操作指导

全厂综合性能计算、分析，是优化调度所必须的，无疑应放置在厂级SIS内。问题是机组级的性能计算、分析到底配置在那一级较好。过去人们习惯于放在DCS中，我认为当工程中配置完善的SIS后，将此功能上移至SIS中完成较为合理，这是因为，有利于属于单元机组级，提高DCS的可靠性；设置在厂级，经济上也是合理的；实时性也能满足要求。

2)全厂负荷(有功、无功)优化调度

实施电力市场，竞价上网后，电厂是直调还是非直调，目前尚有分歧，从华东院向各电厂函调看，多数电厂主张非直调，根据我国情况，这不无一定道理。对于非直调电厂来说，机组负荷根据安全和经济因素进行全厂负荷的优化分配就是SIS的一个重要功能了。优化分配要考虑三方面因素：

1〉经济性，不仅要考虑机组经济性，而且当机组不同出线时，还要考虑不同潮流的线损因素。2〉系统稳定和线路阻塞。

3〉机组安全域，例如主辅设备缺陷，无功能力等。

机组安全域计算和分析模块可以设置在单元机组级，也可以设置在SIS级，本人认为设在单元级较好，一则计算比较简单，二则单元级、SIS及PBS均需该模块的数据，选择数据流较顺。因此，热工自动化专业应尽快研究各级子系统对安全域计算分析的要求，以便在DCS内使该软件模块的配置更为合理。

4〉机组优化控制外商在机组优化控制方面提出了很多软件，各厂商也不尽相同。例如，优化燃烧控制或指导，锅炉吹扫优化控制，新型协调控制，凝结水节流控制等。

这类模块，绝大部分需要快速、可靠和直接干预单元机组的生产过程。因此，宜于纳入机组级控制系统中。但是，对于吹扫优化控制和燃烧优化操作指导等模块，由于实时性要求不太高，则可根据提供的软件复杂程度，可置于SIS级，以节省资源，简化机组DCS。

5〉机组寿命管理

机组寿命管理是通过机组部件的金属温度及其变化率来计算热应力，并评估寿命损耗。

汽机在启停和负荷变化时，金属部件的热应力变化很快，而且是汽机实现ATC控制的主要控制指标，因此，国外均纳入汽机DEH中，不宜上移至SIS级。但是，对于机组各部分寿命耗损，以及无需实时监视的某些部件的应力计算和分析，宜纳入SIS以节省资源。

6〉状态监视、故障诊断及其操作指导

这类功能模块往往需要大量实时数据和/或历史数据，有的要求采取特殊的快速采样(例如，汽机和旋转机械振动故障分析)。为了完成该功能，往往还需要开发各种各样高级分析软件。

这部分功能宜配置在SIS级，并设置专用工作站完成特定状态监视和故障诊断功能，所需数据可取自SIS的实时数据库，或专用工作站自配快速数据采样(例如汽机振动故障诊断系统)。

系统介绍与应用1硬件配置1.1网络配置主干为冗余千兆工业以太网，1000Mbps连接到各服务器，1000Mbps连接到各控制系统和MIS。网络结构参见图11.2交换机配置冗余的工业级核心交换机。核心交换机布置在集控楼中（13.7米层）。核心交换设备应支持VLAN、组播控制和PortPriority（端口优先级）、端口MAC绑定（只允许联接绑定的主机）、基于IEEE802.1p的流量优先级设置，以最大程度地限制网络上的广播和组播信息，提高网络的可靠性和工作效率。核心交换机备板上要留有适量备用插槽以便于系统扩展。配置4台交换机作为SIS核心交换机。图1：系统网络拓扑结构图1.3接口设备（1）SIS与下层控制网络（DCS、辅助系统、脱硫等）的配有数据接口设备，这些接口设备对于下层控制网络数据的读取有严格的授权并不对下层控制网络进行修改、组态或对工艺过程进行直接控制，不应影响下层生产控制网络的控制功能。（2）所有的接口协议均为OPCV2.0或以上版本。华电天仁负责接口的OPC及信息安全措施。所有的OPC硬件应是通用的，基于RS232/485/TCP/IP网卡的商品化接口硬件；接口软件不是临时专为本项目开发的产品，而是商品化的、有完善的文档与技术支持的最新版本的软件。（3）SIS与下层控制网络的接口均定义为单向的，任何情况下不会影响DCS/PLC等下层控制网络的安全性，且其可靠性在受控范围内。（4）重要接口应采用冗余方式，具体根据工程要求决定。（5）接口的控制系统如下：#1机组DCS#2机组DCS机组公用DCS辅助车间控制系统NCSTDM锅炉炉管泄露检测系统输煤程控系统等（6）配置12台接口机（2台冗余）布置在现场电子设备间机柜内。每台接口机均安装防病毒软件。接口机采用研华工控机，每台接口机至少能缓存所接控制系统的至少48小时的实时数据。接口机配置：采用磁盘阵列，内存1GB以上，CPU为Woodcrest2.0GHz以上，硬盘容量73GB×2以上（RAID1），3块1000M网卡。1.4服务器配置SIS服务器：SIS留与GPS的接口，SIS网上各服务器的时钟均以GPS时钟作为标准时钟。生产实时系统配置一台硬件级容错数据库服务器，一台应用服务器，一台镜像服务器，一台Web发布服务器。生产实时系统服务器采用机柜方式，一个机柜内公用一套液晶显示器及键盘鼠标，通过信号切换器切换。服务器选用NEC。1)数据库服务器配置一台NECExpress5800/320Fb-LR容错服务器作为实时数据库服务器，外置磁盘阵列或设置存储局域网系统。服务器：处理器2颗Xeon5120双核1.6GHz内存：2GBRAM标准内存，可扩展至8GB硬盘：2块146GB(10KRPM,RAID1)SCSI网卡：冗余千兆以太网卡2)应用服务器配置一台NECExpress5800/320Fb-LR容错服务器，作为应用服务器。服务器处理器：2颗Xeon5120双核1.6GHz内存：2GBRAM标准内存，可扩展至8GB硬盘：2块146GB(10KRPM,RAID1)SCSI网卡：冗余千兆以太网卡3)镜像服务器配置一台IBM3850服务器作为镜像服务器。增加一台IBM3650服务器作为Web发布服务器。机架式服务器：CPU：IntelXeonDP2.8G以上至少2颗、可扩展为4颗、高速缓存：512KB、内存：8GDDR333ECC、SCSI硬盘：73.4G10000转2块、网卡：千兆网卡2块、冗余电源、光驱。1.5存储器存储器载体为磁盘阵列：选用光纤磁盘阵列IBMDS3400，配置4×300G的硬盘。1.6功能站和客户机配置一台值长站和一台工程师站：值长站：M57:CPU:Intel酷睿2双核E2180(2.0GHz)、内存：2GDDR333、IDE硬盘1块：160G7200转、网卡1块：100M电口网卡、DVD光驱、显示器（与DCS一致）。工程师站：M57:21″LCD、CPU:Intel酷睿2双核E2180(2.0GHz)、内存：2GDDR333、IDE硬盘1块：160G7200转、网卡1块：100M网卡、DVD光驱、显示器（与DCS一致）。1.7外围设备（1）打印机：打印设备是A3幅面的黑白激光打印机，打印机内存至少应为16M，采用进口品牌产品。打印机数量设置：值长打印机2台（A3黑白激光打印机：LJ5200），网络打印机4台（A3黑白激光打印机：LJ5200n）。（2）LCD、键盘和鼠标1.8电源SIS电源分配柜，放在集中控制机房内。系统提供两路交流220V±10%，50HZ±1HZ单相电源。SIS的核心设备（即除了终端计算机和分散在中心机房外的分交换机的所有设备）提供两路电源切换和UPS电源装置，以保证服务器的数据不因电源故障而造成丢失，两路电源切换时间应为毫秒级。具备双电源模块的设备，单个模块就应能保证设备的功率需求。对可接受双电源设备，一个电源接自UPS，另一个电源接切换后不经过UPS的电源。对只接受单电源的设备，接UPS电源。实际指标：外部电源消失后UPS供电时间＞8小时功率要有30％的余量输入电压：两回AC220V±10%1.9抗干扰和环境适应能力（1）系统能在电子噪声、射频干扰及振动都很大的现场环境中连续运行，且不降低系统的性能。（2）系统设计采用各种抗噪声技术，包括光电隔离、高共模抑制比、合理的接地和屏蔽。（3）在距电子设备1.2m以外发出的工作频率达470MHz、功率输出达5W的电磁干扰和射频干扰，应不影响系统正常工作。（4）系统能在环境温度0～50℃，相对湿度10~95%（不结露）环境中连续运行。1.10布置SIS网络接口设备放在就地电子设备间；服务器等放置在行政办公楼信息中心机房；用户终端分别放置于各相关生产部门、机柜。如下图：图2：机柜及内部配置2软件功能及应用2.1系统人机界面图3：人机界面2.2性能计算利用高效有序的数值计算引擎——Vestore计算平台，对面项具体设备、系统、机组搭建的性能数学模型模块进行在线计算，量化其各项性能参数，从而达到性能检测的目的。包括以下系统的计算：（1）全厂性能：全厂负荷、全厂负荷率、厂用电量、综合厂用电率、全厂补水率、锅炉效率、汽耗率、热耗率、全厂发电煤耗、全厂供电煤耗等；如下图：图4：全厂性能指标（2）机组性能：机组负荷率、厂用电率、补水率、机组发电煤耗、机组供电煤耗、热耗量、汽耗量、热耗率、汽耗率、机组热效率等；如下图：图4：性能指标汇总（3）锅炉系统：反平衡锅炉热效率（GB）、GB各项损失、锅炉热负荷、主蒸汽流量、主蒸汽压力、主蒸汽温度、再热蒸汽压力、再热蒸汽温度、给水温度、送风温度、过量空气系数、排烟温度、锅炉氧量、锅炉排污率、过热器减温水温度、再热器减温水流量、再热压损等。如图5：图5：锅炉指标（4）汽机系统：高压缸相对内效率、中压缸相对内效率、循环热效率、汽轮机主蒸汽流量、汽轮机主蒸汽压力、汽轮机主蒸汽温度、汽轮机再热蒸汽流量、汽轮机再热蒸汽压力、汽轮机再热蒸汽温度、汽轮机进汽流量等。如图6：图6：汽轮机指标（5）给水系统：（高压加热器及除氧器指标）加人气上端差、加热器下端差、加热器进气流量、除氧器进汽流量、除氧器进水流量、加热器温升。如图7：图7：给水系统（6）凝结水系统：加热器上端差、加热器下端差、加热器进汽流量、加热器温升。如图8：图8：凝结水系统（7）真空系统：凝汽器端差、凝汽器水侧阻力、凝汽器真空、凝结水过冷却度、冷却水温升、冷却水流量。布置类似图8.（8）风烟系统：空预器漏风率、空气侧流动阻力、烟气侧流动阻力、一次风温升、二次风温升。如图9：图9：风烟系统指标（9）厂用电系统：包括引风机、一次风机、送风机、磨煤机、电动给水泵、炉水循环泵、凝结水泵的单耗、耗电率。此指标以报表的形式下发。2.3耗差分析机组的耗差计算的目的在于降低机组运行可控损失，降