1、火电厂厂级自动化系统总体功能设计思路探讨发表时间:2002-2-20作者：电力规划设计总院侯子良摘要：一、火电厂厂级自动化系统的发展史提出火电厂厂级自动化系统的概念，并论述它包括厂级监控信息系统(SIS)和管理信息系统(MIS)是在一九九八年初关于厂级自动化概念的探讨一文中。但是，在我国，火电厂厂级自动化系统的发展已经历了近十年的时间，尽管至今仍然还处在发展的起步阶段。众所周知，九十年代以前，火电厂自动化仅停留在机组级和车间级，基本上没有为厂级生产过程自动化和管理现代化提供自动化系统。1993年5月和9月，吉林热电厂和陡河发电厂经过约五年的努力成功开发了厂级监控系统。这个新生事物的出现，立即受
2、到各方面的重视，同年，作者以笔名发表了“对发展厂级生产管理信息网络的看法”一文，提出应采取“积极稳妥的方针”逐步发展该系统。电力规划设计总院还发出征文通知，拟召开“火电厂厂级生产管理信息网络研讨会” ，企图以此为契机，推动该系统工程应用得以发展。后因种种原因，研讨会未能召开，该系统在大型火电厂新建工程中试点工作也未能真正展开，仅在1994年由华东电力设计院负责的洛河电厂2300MW 机组工程中立项开展全厂自动化系统网络互连工作。九十年代中期，随着电厂现代化管理要求的日益迫切和计算机技术的发展，国外企业管理信息系统技术迅速被已有电厂所采纳，开始纷纷加装 MIS 系统。但是，由于在基建阶段没有统一
3、规划，大部分 MIS 系统基本上没有生产过程的实时数据，功能水平很低。但是，它在电厂中发挥的作用和对推动 MIS 发展的作用仍不可低估。1997年8月，电力规划设计总院向电力工业部上报的关于建设2000年新一代燃煤示范(试点)电厂的请示报告的附件2000年电厂仪表和控制(IC)系统设计原则中提出应“提高全厂综合自动化水平，实现全厂监控和管理信息网络化” 。接着在基建工程中规划设计厂级监控信息和管理信息系统的要求，也正式纳入了最近国家经贸委颁发的火力发电厂设计技术规程(DL50002000) 中。但是，应当看到，我们目前对 SIS 和 MIS 的设计尚缺乏经验，有些外国厂家可以提供的功能模块，应
4、用效果及适用性也了解不深，因此，当前一定要贯彻规程提出的总体规划，分步实施的原则，以免付出过大的“学费” 。二、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
5、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(Plant Bidding System，简称 PBS)。电厂自动化系统向上则为电网调度中心、电力市场交易中心和电力(投资)公司。长期来，我国电网调度主要按“计划经济”模式和电网安全准则进行中长期计划负荷分配和实时调度，电厂值长主要依靠调度电话或 RTU 接收中调发来的全厂中长期负荷曲线和实时负荷指令，再由值长通过单元机组值班员人工分配给每台机组；对于具有 AGC 功能的电厂，则电网调度直接通过 RTU 将负荷指令发至每台机组的协调控制系统(DCS 内)，实现自动负荷控制。出现电力市场交易
6、中心后， “计划经济”的分配负荷模式将改革为通过电厂或机组的电量竞价的模式来分配负荷。但交易中心与电厂成交电量前必须通过调度中心对电网安全、阻塞等因素计算后修正或确认才最后得到每个电厂或机组的中长期和短期负荷曲线，因此，不管目前的省(市)调仅起调度中心角色，还是兼交易中心和结算中心角色，从功能上看电厂厂级自动化系统与电网及电力(投资)公司间信息联系呈现图1关系：中长期或短期计划负荷的竞价和下达以离线方式(指不直接控制生产过程而言)通过交易中心与 MIS 系统中 PBS 子系统完成；对实时调度，负荷指令，无论是按竞价确定，还是根据当时电网实际情况(例如安全稳定等因素)修正计划后确定的实时负荷指令
7、，应由调度中心直接下达到电厂的监控系统。由于实时调度负荷要求较高的安全性和快速性，因此，均采用专用通道将中调负荷指令发送至每个电厂的 RTU 装置，如果该电厂的机组采用直调方式，则 RTU 将中调发来的每台机组的负荷指令，直接发至每台单元机组 DCS 中的协调控制系统。如果采用非直调方式，则中调可经 RTU 向 SIS 发送全厂负荷指令，经 SIS 系统优化后再把负荷实时分配给每台机组。目前，国家电力公司和网(省)公司正在研究用数据网络来传送调度信息，包括负荷指令，但上述原则仍然应当确保的。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
8、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。为此，作者企图提出一些设想，与同仁探讨。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
9、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
10、。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
11、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 MI
12、S 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
13、 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
14、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
15、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
16、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)。四、结束语厂级自动化系统的设计是个系统工程。本文仅就各子系统间功能合理配置的若干问题提出了一些极不成熟的设想，目的不在于它的一些具体结论，而是希望通过具体问题引起对这个问题的重视，引出一些探讨这个问题的思路。为了使我国火电厂自动化事业更快向前推进，少走歪路，少付“学费” ，作者希望与同仁们一起尽力丢弃专业间的偏见，努力学习，扩大知识面，真正使电厂用户 我们的上帝，能得到一个比较协调的全厂综
17、合自动化系统，从而取得良好的社会和经济效益。厂级监控信息系统（SIS ）在超临界火电机组的应用摘要：本文通过介绍厂级监控信息系统的系统配置和主要功能，结合国电荥阳煤电一体化有限公司的实际成功应用情况，比较系统的阐述了华电天仁公司的厂级监控信息系统在国电荥阳煤电一体化有限公司的应用情况和所存在的不足，对于今后的应用和推广该技术有一定的借鉴作用。关键字：厂级监控信息系统、600MW“W”火焰机组、应用1 引言火力发电厂厂级监控信息系统（SIS,Supervisory Information System for plant level）,属于厂级生产过程自动化范畴，其主要目的是建设实现厂级管理信息
18、系统（MIS）和机组实时控制系统即分散控制系统（DCS） 、辅助车间控制系统（PLC） 、电器网络监控系统和电能计量系统等之间的桥梁，在整个电厂范围内信息共享，真正做到管控一体化，为全厂实时生产过程综合优化服务，提高电厂整体效益。目前，各火力发电厂 SIS 系统的设置还处于开发、应用、推广阶段，前一阶段 SIS 的规模、功能和技术条件还不统一，因此尚需要不断尝试、总结和提高。2 概述国电荥阳煤电一体化有限公司一期工程使用的是 2600MW“W”火焰锅炉的超临界机组，厂级监控信息系统（SIS）采用的是北京华电天仁电力控制技术有限公司比较成熟的一套系统，提供采集所有控制系统的实时数据、建立长期存储
19、实时历史数据库，并以此为基础，实现厂级生产过程监视和管理、厂级性能计算和分析等基本功能，以及主机和主要辅机故障诊断、报警、主要设备状态(泄漏、磨损等)检测和计算分析等可选功能，并向 MIS 提供过程数据和计算、分析结果，自动产生各类报表以满足电厂对于生产过程的管理要求，确保机组安全、高效运行。3 系统介绍与应用3.1 硬件配置3.1.1 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 13.1.2 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
20、和 Port Priority（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。核心交换机采用加拿大罗杰康品牌。配置 4 台罗杰康交换机作为 SIS 核心交换机，具体型号规格如下：RSG2200-R-RM-HI-HI-FG02-CG01-CG01-CG01-1CG01 ：2 台。RSG2100-R-RM-HI-HI-TX01-TX01-TX01-TX01-CG01-1CG01-TX01-TX01-TX01-TX01：
21、2 台。国电多媒体广域网中心主服务器中心主服务器中心防火墙国电中心中心路由器厂站路由器数据采集转发设备S I S 镜像服务器天御 6 0 0 0 + 物理隔离设备S I S 主服务器S I S 工作站 S I S 工作站 1 S I S 接口机 2 S I S 接口机天御 6 0 0 0 + 物理隔离设备 天御 6 0 0 0 + 物理隔离设备 1 D C S 接口机 2 D C S 接口机采集转发系统S I S系统系统D C S安 全 区 I安 全 区 I I安 全 区 I I I图 1：系统网络拓扑结构图3.1.3 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
22、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 OPC V2.0 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
23、式，具体根据工程要求决定。（5）接口的控制系统如下：1) #1 机组 DCS2) #2 机组 DCS3) 机组公用 DCS4) 辅助车间控制系统5) NCS6) TDM7) 锅炉炉管泄露检测系统8) 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 Woodcrest 2.0GHz 以上，硬盘容量73GB2 以上（RAID 1） ，3 块 1000M 网卡。3.1.4 服务器配置SIS 服务器：
24、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 Xeon 5120 双核 1. 6GHz内存：2GB RAM 标准内存，可扩展至 8GB硬盘： 2 块 146GB (10K RPM
25、,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 Xeon 5120 双核 1. 6GHz内存：2GB RAM 标准内存，可扩展至 8GB硬盘：2 块 146GB (10K RPM,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：Intel Xeon DP2.8G 以上 至少 2 颗、可扩展为 4 颗、高速缓存：512KB、内存：8G D
26、DR333 ECC、SCSI 硬盘：73.4G 10000 转 2 块、网卡：千兆网卡 2 块、冗余电源、光驱。3.1.5 存储器存储器载体为磁盘阵列：选用光纤磁盘阵列 IBMDS3400，配置 4300G 的硬盘。3.1.6 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：2G DDR333、IDE 硬盘 1块：160G 7200 转、网卡 1 块：100M 电口网卡、DVD 光驱、显示器（与 DCS 一致） 。工程师站：M57:21LCD、CPU: Intel 酷睿 2 双核 E2180(2.0GHz)
27、 、内存：2G DDR333、IDE 硬盘 1 块：160G 7200 转、网卡 1 块：100M 网卡、DVD 光驱、显示器（与 DCS 一致） 。3.1.7 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3.1.8 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 220V10%，50HZ1HZ 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
28、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 AC220V10%3.1.9 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
29、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 050，相对湿度 1095%（不结露）环境中连续运行。3.1.10 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3.2 软件功能及应用3.2.1 系统人机界面图 3：人机界面3.2.2 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
30、，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：
