1、697火电厂 SIS 系统方案设计与实施摘要 介绍了自主开发的电厂厂级监控信息系统 TEC-SIS 的方案设计，并对其主要六大功能的研制开发进行了叙述。并对该系统的应用实施情况作了简要介绍。指出该系统在电厂自动化、信息化建设中具有广阔的推广应用前景。关键词 监控信息系统；性能优化；耗差分析；寿命管理；故障诊断；优化负荷分配中图分类号：TM621.6 0 前言火电厂厂级监控信息系统 SIS (Supervisory Information System)，是介于底层控制系统和管理信息系统之间的“中间件” ，主要用于处理实时数据，完成对生产过程的监控、分析和管理，同时为管理信息系统提供信息。SIS
2、 作为实现从 DCS 系统到管理信息系统 MIS 的桥梁，可以降低发电成本、提高安全系数，为运行管理提供优化指导，从而降低发电成本，增强整体效益，并帮助企业管理者进行经营决策。目前我国火电厂自动化发展已处于数字化阶段，电力系统信息化水平明显提升，SIS 系统的建设已成为下一步火电厂投资的热点，并将在今后几年内加速发展。SIS 的核心功能要求 SIS 开发商不仅要有计算机知识，更需要全厂生产过程综合管理和自动化的知识。北京同方电子科技有限公司在上海外高桥第二发电有限责任公司厂级监控信息系统项目的研制开发带动下，经过不断修改完善，现已形成具有自主知识产权的软件产品电厂厂级监控信息系统 TEC-SI
3、S。本文将对该系统的方案设计和实施开发作以简单介绍。1 TEC-SIS 系统方案介绍TEC-SIS 系统是北京同方电子科技有限公司基于优势核心技术，整合多方资源，深刻消化理解用户需求，针对火电厂开发的具有自主知识产权的监控信息系统，是集实时/历史数据管理、过程监测、过程管理及优化控制为一体的厂级自动化信息系统。该系统已通过“国家信息中心国家计委学术委员会软件评测研究中心”评测，计算机软件质量保证测试和计算机软件质量特性测试评价均为优。TEC-SIS 在设计中遵循系统性和整体性 、标准化与开放性、适应性和灵活性、安全性和可靠性等原则，充分保证了投资的有效性。系统的核心目标是：“降低发电成本，提高
4、整体效益” 。产品定位于“电厂生产的专家级助手” ，为电厂运行人员和决策层提供操作和决策参考。它主要通过三条途径实现：一、量化设备、机组、全厂经济指标，优化过程控制，降低发电能耗；二、对各种设备进行全方位故障预测、寿命管理，变计划检修为状态检修，降低设备损坏率，延长使用寿命；三、优化负荷分配，降低上网电价，通过中长期负荷预测，提前统筹安排计划，优质、高效响应电网负荷要求，提高企业竞争力。TEC-SIS 系统总体上包括三大部分：实时数据采集为系统提供生产信息来源，是整个系统的基础；实时/历史数据库是系统的核心；建立在数据库基础上的功能软件则是系统成功推广应用的关键。1.1 系统网络架构698TE
5、C-SIS 系统网络架构采用分层分布式设计，如图 1。下层为接口层网络，采用独立接口机连接各控制系统进行数据采集。上层为应用层网络，挂接各应用服务器和客户端。下层强调与各控制网络的互通性；上层强调开放性。这样利于分散网络负荷、提高通讯效率和可靠性。TEC-SIS 系统和 MIS 系统的互连采用防火墙策略，将应用层网络通过防火墙连接到 MIS 系统骨干网，在防火墙上设置各种安全策略，满足 SIS 系统的安全性和可靠性。图 1 TEC-SIS系统网络架构1.2 系统软件架构TEC-SIS 系统软件架构自下向上由接口软件、数据库软件、计算及推理引擎、功能模块和客户端软件组成，如图 2 所示。TEC
6、-SIS 采用灵活高效的计算、推理引擎对各功能模块进行快速有序的驱动管理，并将计算分析结果进行必要的数据处理并输出到实时/历史数据库。位于计算引擎上层的是为了满足相应功能需求的监测统计、性能计算、耗差分析、状态监测、寿命管理、故障诊断、负荷分配等功能模块。客户端采用 C/S 结构，同时也支持 B/S 结构的监控信息发布。图 2 TEC-SIS系统软件架构6991.3 实时/历史数据库实时/历史数据库是整个系统的核心，是电厂生产运行的 “黑匣子”，其存储容量和存储效率直接关系到数据采集的范围和精度。由于电厂生产过程数据海量、无序、精度要求高、带有时标，常见的关系型数据库不能很好地满足要求，使用适
7、用于流程行业的实时/历史数据库是常见的选择。国外已有几种这类成熟软件产品，国内一些公司也开发出了自己的类似软件产品。选择实时/历史数据库时应着重考虑以下几个方面：数据接口、数据存储能力、开放性，其他方面如客户端软件、数据库管理和软件的成熟度也不可忽视。目前，TEC-SIS 系统采用在国内 SIS 系统中应用较多的美国 OSI Software 公司的 PI 实时/ 历史数据库 1 2。它主要提供三种接口方式：世界多数著名 DCS 系统厂家专用接口、基于 OPC 标准的通用接口、基于 API 开发的特殊接口。同时，本系统还无缝支持自主开发的 DCOSE-PH 实时/ 历史数据库，该数据库性能已达
8、到世界同类产品水平，并已成功应用于多台电厂仿真系统项目。1.4 计算和推理引擎各种功能软件运行效果的好坏很大程度上依赖于计算、推理引擎高效有序的驱动管理。计算引擎能快速准确地检索实时/ 历史数据并对其进行有效性检查、准确性校验、单位转换等预处理，按照一定时间周期调度功能模块的装载、运行、暂停、卸载等，并将计算分析结果进行必要的数据处理并输出到实时/历史数据库。 TEC-SIS 系统计算引擎主要包括数值计算引擎、仿真建模引擎和专家系统推理引擎三部分。TEC-SIS 采用 Microsoft Excel 作为性能计算引擎，充分发挥了 Excel 强大的计算功能，具有配置灵活方便、方便直观、计算公式
9、开放、易于配置和调试等优势。基于 Visio 的图形化建模系统主要用于为电厂各种热工过程系统进行集成化图形建模，通过建立设备和系统的高逼真度仿真模型来实现性能和特性分析。在建立高逼真度仿真模型的基础上，采用基于模糊推理机制的专家系统和具有自学习功能的神经网络技术原理，实现优化运行指导操作和设备故障诊断。1.5 系统安全策略为保证 SIS 系统的安全和可靠性，应采取有效措施防止各类计算机病毒的侵害、人为的破坏和SIS 实时信息数据库的数据丢失。TEC-SIS 从网络安全设计 、 系统防病毒设计、设备物理安全设计、数据安全管理等方面进行全方位的安全策略设计，保证 TEC-SIS 具有很高的安全可靠
10、性。SIS 网络和 MIS 网络间采用防火墙进行隔离，通过设置各种安全策略防止外来入侵和破坏，并实现从 SIS 到 MIS 的数据单向传输，保证 SIS 网络的安全。防病毒方案可选择专业的防病毒软件为系统提供防病毒安全保证。设备物理安全设计采用电子门禁系统，通过电子身份验证进行 SIS 机房出入管理。数据安全管理包括：实时数据库平台设计采用高可靠性的双机冗余数据服务器方案；备份系统设计采用主备机双数据库系统，共享磁盘阵列的数据存储方案，同时实时/历史数据库软件具有在线的定时备份功能；采用分布式数据采集方案，用多个节点机分别采集不同控制系统的数据，接口机的缓存功能可以保存 7-15 天的数据，防
11、止数据库服务器故障时丢失数据，同时单个节点的故障不会影响其它控制系统的数据采集。2 TEC-SIS 系统功能由于国内 SIS 系统的开发、应用起步不久，对其功能范围还没有完全明确的界定，多数在建SIS 项目仅停留在系统集成和数据库层面，深层次的功能软件开发还很欠缺，重硬件、轻软件的现象较普遍。目前，TEC-SIS 系统中已经开始应用一些人工智能技术，如专家系统、神经网络技术等，700来完成一些深层次功能的研制开发，这样，SIS 系统才能真正发挥其优化运行、节能降耗的作用。当前，TEC-SIS 系统主要包括：生产过程信息监测和统计、性能计算与监测、经济性分析和优化、设备寿命监测和管理、设备状态监
12、测和故障诊断、优化运行调度等六个功能子系统 3。2.1 生产过程信息监测和统计生产过程信息监测和统计子系统通过系统图、趋势曲线、棒图、表格等形式实时显示全厂各机组、车间、系统、设备的运行状态参数，为生产管理人员提供直观的实时生产过程信息，并对历史数据进行有效的统计整理，形成全厂各类生产统计报表。基于厂级 SIS 系统网络平台的生产过程信息监测功能使得生产管理人员在任何配有 SIS 系统客户端的地方均可获取生产过程信息，便于及时发现问题，快速做出调整；基于数据压缩的统一的实时/历史数据库便于生产管理人员将实时数据与历史数据统一考虑，提高决策质量；不同于 DCS 和车间级的监测，该功能集成全厂所有
13、机组、车间、系统、设备的运行状态参数，给出的是完整的总览全厂信息；基于计算机办公自动化技术的自动统计功能和报表打印功能大大降低生产管理人员的劳动量。2.2 性能计算和监测性能计算和监测子系统依据 ASME、国标和行标等电厂性能计算标准，利用高效有序的数值计算引擎，对面向具体设备、系统、机组搭建的性能数学模型模块进行在线计算，实时计算机组及其主要辅机的各项性能参数，如功率、效率、热耗、出力、汽蚀度、端差、温升、传热系数、清洁度等，从而达到性能监测的目的，并且能提供相应手段对机组进行性能优化。性能计算和监测子系统包含以下系统及设备性能数学模型模块：系统质量能量平衡模块、水蒸汽性质模块、锅炉性能模块
14、、汽机性能模块、凝汽器性能模块、给水加热器性能模块、空预器性能模块、过/再热器性能模块、泵性能模块、风机性能模块、冷却塔性能模块、燃气轮机性能模块、空冷凝汽器性能模块、循环流化床锅炉性能模块、余热锅炉性能模块等。图 3 所示为机组性能监测总貌图。图 3 机组性能监测总貌图2.3 经济性分析和优化经济性分析和优化子系统的目的在于降低机组运行可控损失，改进机组热耗。其主要方法是将主要可控参数的实时状态参数与其目标值进行计算、比较、分析。这些可控参数由用户根据生产过701程的需要进行选择，并能人为加以控制调节。而目标值的计算则主要基于设计数据、性能试验、运行历史数据等信息，利用高逼真度的数学仿真模型
15、计算而来。这些信息可以由用户配置并且在权限许可下进行修改。可控参数对热耗率的影响由实际值与目标值的偏差计算而来，常称作耗差分析。对耗差超出允许范围的损失，系统可根据基于神经网络的专家系统工具诊断出造成大偏差的原因，并给出可供选择的操作指导意见。经济性分析和优化子系统通过优化机组运行，改进机组热耗，从而降低运行成本。同时帮助运行人员对吹灰、喷水、蒸汽状态、烟温及其它性能参数进行很好的判断、权衡，以对影响经济性的主要原因进行监测、操作和控制，不断提高对机组设备的掌控能力，从而达到培训运行人员的目的。图 4 为经济性分析和优化运行用户画面。图 4 经济性分析和优化用户画面2.4 设备寿命监测和管理设
16、备寿命监测和管理子系统通过实时监测机组主要设备状态参数，像温度、压力、流量和负荷等，在机组启停过程和甩负荷等负荷激烈变化过程中，根据数学模型计算其机械应力和热应力，并根据交变应力转化为当前运行工况下的寿命损耗率，从而量化和评估锅炉、汽机等主要设备的寿命损耗，以达到维持机组运行可靠性，减少设备检修、更换费用，延长设备使用寿命，提高发电产出的目的。设备寿命监测和管理子系统使用户可以同时实时监测高温压力容器的蠕变和疲劳损伤。它所监测管理的设备主要包括锅炉过热器、再热器、汽包、主/再热汽管道、汽机转子、叶片、推力瓦、阀门汽室、给水加热器等。2.5 设备状态监测和故障诊断设备状态监测和故障诊断子系统能监
17、测电厂设备的运行状态，判断其是否正常，预测、诊断、消除故障，指导设备的管理和维修。它由状态监测和故障诊断两部分组成。状态监测是掌握设备运行状态的第一手信息，针对各种运行状态参数，结合其历史信息，考虑环境因素，采用专业的分析和判断方法，评估其是否处于正常、异常和故障三种状态，并进行显示和记录，对异常状态作出报警，并为故障诊断提供信息。702故障诊断是根据状态监测获得的信息，结合结构参数、物性参数、环境参数，对设备的故障进行预报、判断和分析，确定其性质、类别、部位、程度、原因，指出发展的趋势和后果，提出控制其继续发展和消除故障的对策措施，最终使设备恢复到正常状态。设备状态监测和故障诊断子系统所基于
18、的技术原理包括高逼真度的设备数学模型、基于模糊推理机制的专家系统、具有自学习功能的神经网络技术等。设备状态监测和故障诊断子系统主要包括的应用范围有：基于高精度高实时性的锅炉全流程数学模型计算的锅炉清洁度监测、空预器漏风状态监测；锅炉受热面爆管/泄漏监测、制粉系统状态监测及故障诊断；优化燃烧指导、炉膛结渣预报、大型旋转机械振动状态监测等。下面对锅炉清洁度监测作以简要介绍。电厂运行中都要对锅炉受热面定期进行吹灰操作，目前通常做法是计划吹灰。由于积灰程度无法直接测量，计划吹灰具有很大盲目性，吹灰不足和吹灰过度经常发生。基于锅炉清洁度监测的优化吹灰策略是：量化污染程度，确定受热面清洁度；清洁度低于设定
19、值，进行吹灰操作，从而变计划吹灰为适时吹灰。该功能以燃烧计算、传热计算为基础，对全锅炉的汽水、风烟系统进行精确的数值计算，根据现有的测量数据推算无法直接测量的设备状态参数，像空气/烟气流量、燃料量、空预器漏风计算、炉膛/过热器/再热器/省煤器/空预器清洁度等，如图 5 所示。图 5 锅炉清洁度监测锅炉清洁度监测可以帮助用户通过降低吹灰频率减少 2030%的吹灰工质耗量；降低受热面磨损，延长设备寿命；监测炉膛出口温度，防止结渣；降低锅炉排烟温度 13，提高锅炉效率；优化再热器出口汽温特性；降低磨煤机、风机电耗；提高机组运行安全性、可靠性。2.6 优化运行调度优化运行调度包含了厂级优化负荷分配和机
20、组各主要设备、辅机的优化运行方式调度等，目前普遍实现的是厂级优化负荷分配。TEC-SIS 系统中，厂级优化负荷分配子系统接受电网调度中心 EMS 的全厂负荷指令，然后采用人工神经网络优化算法进行优化负荷分配 4，并将分配结果以指令形式发送到各机组协调控制系统，在使全厂负荷及时响应电网要求的同时，保证每台机组运行安全、稳定、经济。优化负荷分配的基础是优化机组供电煤耗。由于性能监测与经济性分析功能的有力支持，优化负荷分配能够充分优化机组的供电煤耗，同时考虑到机组效率、热耗率、频率响应和其他损失的优703化，而且，对机组调节允许范围、调节裕量、负荷闭锁增/减、机组爬坡、RUNBACK、MFT、磨煤机
21、启停等约束条件进行了充分考虑和处理，在保证机组运行安全的前提下，降低机组负荷调节频度，提高机组稳定性，延长主、辅机组设备寿命，合理调配各台机组负荷，降低全厂供电煤耗，从而提高全厂经济效益。3 项目实施简介北京同方电子科技有限公司于 2002 年初正式承接上海外高桥第二发电有限责任公司2900MW 厂级监控信息系统。TEC-SIS 系统在该项目中得到很好的完善与应用 5。2002 年底，该项目完成厂内测试验收，目前已处于试运行阶段。该项目中，TEC-SIS 系统与两台机组 DCS、500kvNCS 网控系统实现双向通讯。用户通过TEC-SIS 系统客户端，可获得全厂所有的实时 /历史运行数据。通
22、过网络互联以及必要的安全校验，MIS 系统可通过 TEC-SIS 系统获得所有机组实时/ 历史信息。通过与网控系统的通讯，TEC-SIS 系统可获得中调负荷指令并通过负荷分配实现 AGC 功能，同时向中调发送机组运行信息。TEC-SIS 系统网络环境为 100M 快速以太网，由 2 台互为热备的服务器，磁盘阵列柜，5 台终端工作站，4 台网关机，2 台互为热备的核心交换机，2 台二级交换机组成，如图 6 所示。图中common DCS 接口中包含了化水、输煤、除灰、电除尘等系统的生产过程数据， NCS 系统则通过DCS 的 I/O 柜与 SIS 网关机相连。系统监控点及计算点总计超过 30,0
23、00 点。图 6 外高桥 SIS网络配置图该项目的主要功能包括：生产过程信息监测和统计、性能监测和优化、经济性分析和优化、设备寿命监测和管理、锅炉优化吹灰、厂级优化负荷分配等。4 小结在项目实施的带动下，利用优势核心技术，整合多方资源，深刻理解电厂需求，研制开发完成了具有自主知识产权的软件产品 TEC-SIS 系统。该系统对于提高电厂运行安全性、经济性具有重要意义，具有广阔的推广应用前景。目前，系统更深层次的功能应用正在深入研制开发中，力求不断完善，更好地满足广大电厂用户的需求。参考文献：1 彭春华，林中达PI 实时数据库及其在电厂 SIS 系统中的应用J工业控制计算机，7042003，16(
24、6)：28-33 2 陈 兵，李俊娥，聂剑平，等电厂实时监控信息系统的设计与应用J 电力系统自动化，2003，27(8)： 81-833 候子良火电厂厂级自动化系统总体功能设计思路探讨J 热工自动化信息，2000，(4)：1-44 段丽平火电厂厂级负荷经济分配研究清华大学工学硕士学位论文D20035 吴发勇外高桥电厂 2900MW 机组监控信息系统研究清华大学工学硕士学位论文D2003Design and implement of power plant Supervisory Information SystemAbstract: The design of the power plant
25、Supervisory Information System-TEC-SIS copyrighted is introduced. And, the research and development of its main six basis functions are recommended. Also, the relevant application and implement are introduced briefly. It points out the good prospect either in marketing or application in the field of power plant automatization and informatization.Key Words: Supervisory Information System; performance optimization; energy-loss analysis; life management; fault diagnosis; economic load dispatch
