鄭瑞波 萬(wàn)定生

(河海大學(xué)計(jì)算機(jī)及信息工程學(xué)院 南京 210098)

1 引言

廠級(jí)監(jiān)控信息系統(tǒng)(Supervisory information system,SIS),是實(shí)現(xiàn)電廠管理信息系統(tǒng)與各種分散控制系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)交換的橋梁[1],是提高電廠整體效益,保障電廠穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的關(guān)鍵。近幾年來(lái),隨著人們對(duì)能源需求的日益增加,提高生產(chǎn)效益成了如今電廠日益關(guān)注的話題。SIS系統(tǒng)也日益顯示出其重要性。塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的熱力系統(tǒng),具有強(qiáng)非線性、大延遲、大慣性的特點(diǎn),并且太陽(yáng)能輻照具有很強(qiáng)的不確定性,鏡場(chǎng)規(guī)模龐大,又易受外界環(huán)境影響,控制難度較大。因此,除了在熱力系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,設(shè)置儲(chǔ)熱裝置等常規(guī)熱發(fā)電站沒(méi)有的設(shè)備外,在控制系統(tǒng)的硬件配置、網(wǎng)絡(luò)通訊和控制策略等方面也有獨(dú)特的要求[2]。塔式太陽(yáng)能電廠生產(chǎn)效率比較低,熱能利用率低,熱電轉(zhuǎn)化效率低,發(fā)電成本高,因此太陽(yáng)能電廠目前尚處于實(shí)驗(yàn)階段,如何提高塔式太陽(yáng)能電廠的運(yùn)行效率就顯得尤為重要。本文就SIS系統(tǒng)在塔式太陽(yáng)能電廠的實(shí)施和應(yīng)用進(jìn)行了研究。

2 塔式太陽(yáng)能電廠SIS系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案

廠級(jí)監(jiān)控信息系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)中充分考慮技術(shù)的先進(jìn)性、可靠性、可維護(hù)性、可擴(kuò)展性等原則,整體規(guī)劃、合理布局,充分考慮系統(tǒng)高性能和高可用性要求,切實(shí)保證過(guò)程自動(dòng)化系統(tǒng)的安全性和可靠性。

2.1 總體要求

廠級(jí)監(jiān)控信息系統(tǒng)應(yīng)采用1000Mbps以太網(wǎng)或其它開(kāi)放性高速網(wǎng)絡(luò)作為信息傳遞和數(shù)據(jù)傳輸?shù)拿襟w。主干網(wǎng)采用光纖連接,支干網(wǎng)采用雙絞線連接。相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、接口設(shè)備、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、功能站、網(wǎng)絡(luò)管理站、計(jì)算機(jī)終端設(shè)備和過(guò)程管理軟件包等來(lái)完成全廠主輔生產(chǎn)過(guò)程的統(tǒng)一協(xié)調(diào)、管理。

廠級(jí)監(jiān)控信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)采用合適的網(wǎng)絡(luò)配置和完善的自診斷功能,使其具有高度的可靠性。系統(tǒng)內(nèi)任一部件發(fā)生故障均不應(yīng)影響整個(gè)系統(tǒng)的工作。不能因?yàn)閺S級(jí)監(jiān)控信息系統(tǒng)故障或退出運(yùn)行,使與其相連的DCS等實(shí)時(shí)生產(chǎn)控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行受到任何影響。不能因?yàn)閺S級(jí)監(jiān)控信息系統(tǒng)與實(shí)時(shí)生產(chǎn)控制系統(tǒng)以及與MIS的通訊而影響DCS等生產(chǎn)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)處理能力,或使DCS等生產(chǎn)控制系統(tǒng)的通訊總線負(fù)荷率超過(guò)40%(若DCS等生產(chǎn)控制系統(tǒng)采用以太網(wǎng)作為通訊總線,則不應(yīng)使其負(fù)荷率超過(guò)20%)。系統(tǒng)的各項(xiàng)功能應(yīng)由各種功能軟件以實(shí)時(shí)信息數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)完成。

廠級(jí)監(jiān)控信息系統(tǒng)應(yīng)采取物理安全措施、訪問(wèn)控制、身份認(rèn)證、入侵檢測(cè)、積極防病毒和恢復(fù)與備份等手段作為網(wǎng)絡(luò)安全的基本措施,防止各類計(jì)算機(jī)病毒的侵害、人為的破壞和廠級(jí)監(jiān)控信息系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)丟失,特別要防止通過(guò)接口對(duì)DCS、PLC等控制系統(tǒng)的干擾與入侵[4]。

2.2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

廠級(jí)監(jiān)控信息系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 SIS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

廠級(jí)監(jiān)控信息系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用了分層、分布式設(shè)計(jì),整個(gè)SIS分為應(yīng)用層和接口層兩層。下層為SIS接口層網(wǎng)絡(luò),提供SIS與下層網(wǎng)絡(luò)DCS控制系統(tǒng)(包括鏡場(chǎng)控制系統(tǒng),吸熱器控制系統(tǒng),熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng),發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng),氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等)的數(shù)據(jù)接口。采用分布式采集策略,可以有效隔離網(wǎng)絡(luò)上下的故障,還可以利用前置機(jī)的緩沖功能,防止數(shù)據(jù)服務(wù)器故障時(shí)丟失數(shù)據(jù)。上層為SIS應(yīng)用層網(wǎng)絡(luò),掛接SIS層各服務(wù)器和客戶端設(shè)備,并提供與上層網(wǎng)絡(luò)MIS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)借口。

通過(guò)分層設(shè)計(jì),一方面便于分散通訊負(fù)荷,提高各層通訊效率和網(wǎng)絡(luò)可靠性;另一方面可以通過(guò)數(shù)據(jù)服務(wù)器進(jìn)行技術(shù)和通訊協(xié)議選擇。上層技術(shù)選擇強(qiáng)調(diào)開(kāi)放性,選擇交換式以太網(wǎng)技術(shù)比較合適;下層則更強(qiáng)調(diào)與各控制網(wǎng)絡(luò)的互通性。實(shí)時(shí)/歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器可以根據(jù)重要性考慮冗余配置。在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上,兩層獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)既可通過(guò)物理網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn),又可通過(guò)虛擬網(wǎng)絡(luò)(VLAN)實(shí)現(xiàn)。SIS和MIS的互連采用圖2所示的防火墻策略,將SIS的應(yīng)用層網(wǎng)絡(luò)通過(guò)防火墻連接到MIS骨干網(wǎng)上,在防火墻上設(shè)置各種安全策略來(lái)限制SIS和MIS之間的數(shù)據(jù)交流。這種方法可以較好地滿足SIS應(yīng)用層安全性和可靠性的優(yōu)點(diǎn),也方便SIS的各種應(yīng)用軟件從MIS網(wǎng)上獲取數(shù)據(jù),同時(shí)還可以滿足MIS網(wǎng)上用戶訪問(wèn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的需要[3]。

3 SIS系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)

塔式太陽(yáng)能電廠SIS系統(tǒng)的主要功能有:全廠系統(tǒng)實(shí)時(shí)信息顯示、廠級(jí)性能計(jì)算、全廠運(yùn)行模式調(diào)度以及故障診斷和壽命管理。

3.1 全廠各監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)信息顯示

該功能以畫面、曲線等形式顯示各個(gè)功能模塊及其設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和性能參數(shù),為廠級(jí)生產(chǎn)管理人員提供實(shí)時(shí)信息。同時(shí)記錄生產(chǎn)過(guò)程的主要數(shù)據(jù),存入數(shù)據(jù)庫(kù),為以后統(tǒng)計(jì)、查詢、分析等工作提供資料。同時(shí),還可根據(jù)各職能部門需要生成各類生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)報(bào)表。下層設(shè)鏡場(chǎng)系統(tǒng)、吸熱器系統(tǒng)、熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)系統(tǒng)四個(gè)子系統(tǒng)。

3.2 廠級(jí)性能計(jì)算

廠級(jí)性能計(jì)算平臺(tái)是廠級(jí)監(jiān)控信息系統(tǒng)的重要功能。該功能用于計(jì)算各分系統(tǒng)設(shè)備的效率等性能參數(shù)。主要給出鏡場(chǎng)、吸熱器、換熱器、凝汽器、汽輪機(jī)、蒸汽蓄熱器、除氧器等各設(shè)備效率、參數(shù)及性能分析。顯示計(jì)算值和設(shè)計(jì)工況的之間的偏差值以及這些偏差值,提供給廠級(jí)監(jiān)控人員進(jìn)行調(diào)整,以提高發(fā)電效率,獲得最佳發(fā)電成本。

鏡場(chǎng)系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度程序依據(jù)大氣環(huán)境條件、吸熱器內(nèi)溫度場(chǎng)分布、光功率、主蒸汽壓力、給水流量、儲(chǔ)熱介質(zhì)溫度以及發(fā)電功率等參數(shù),再根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試試驗(yàn)得到的定日鏡場(chǎng)優(yōu)化調(diào)度規(guī)則庫(kù)(包括各種參數(shù)關(guān)聯(lián)曲線或模型,各種工況控制策略等),針對(duì)可以投入運(yùn)行的各定日鏡分別進(jìn)行適應(yīng)系統(tǒng)目標(biāo)的調(diào)節(jié)控制,計(jì)算出發(fā)電量最大時(shí)所需調(diào)用的定日鏡數(shù)量及分布,以及吸熱器上的能流密度分布,并可通過(guò)調(diào)整各定日鏡目標(biāo)點(diǎn)(接收面上太陽(yáng)光斑的位置)使吸熱器上能流分布均勻,防止吸熱器局部過(guò)熱故障。鏡場(chǎng)優(yōu)化調(diào)度模型如圖2所示。

圖2 定日鏡鏡場(chǎng)優(yōu)化調(diào)度模型

3.3 全廠運(yùn)行模式優(yōu)化調(diào)度

該功能根據(jù)發(fā)電計(jì)劃,以高效率、低成本為目標(biāo),根據(jù)DCS采集的有關(guān)太陽(yáng)能聚集子系統(tǒng)、太陽(yáng)能吸熱器、蓄能子系統(tǒng)和動(dòng)力及輔助子系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備,特別是熱力設(shè)備的動(dòng)態(tài)特性,包括吸熱器、高低溫儲(chǔ)熱器、換熱器、蒸汽發(fā)生器、輔助鍋爐與輔助加熱器等提供的數(shù)據(jù)和信息,氣候和光照條件自動(dòng)產(chǎn)生運(yùn)行模式調(diào)度建議,反饋給廠級(jí)監(jiān)控站,經(jīng)監(jiān)控人員確認(rèn)后傳送到DCS控制機(jī)組協(xié)調(diào)控制運(yùn)行模式切換。

對(duì)于太陽(yáng)能電廠而言,一天內(nèi)太陽(yáng)高度的不斷變化以及氣候的影響,電量的產(chǎn)出也會(huì)受到影響,因此在不同的時(shí)段和氣候條件下,選擇一種最經(jīng)濟(jì)、最有效率的運(yùn)行方式。依照當(dāng)天早晨預(yù)測(cè)輻照信息、風(fēng)速影響、鏡場(chǎng)可用狀況、前一天儲(chǔ)能余量程度、電網(wǎng)用電需求,以及運(yùn)行過(guò)程中的光照度變化等相關(guān)因素,將運(yùn)行模式分為冷啟動(dòng)模式、無(wú)光照運(yùn)行模式、部分光照運(yùn)行模式、基本運(yùn)行模式等9種模式。對(duì)以上各種運(yùn)行模式的邏輯判斷及轉(zhuǎn)換控制如圖3所示[5]。

圖3 九種運(yùn)行模式的控制邏輯

系統(tǒng)首先根據(jù)下層DCS控制系統(tǒng)采集的氣候數(shù)據(jù)、光照強(qiáng)度等數(shù)據(jù),根據(jù)建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行預(yù)測(cè)分析,確定啟動(dòng)模式。啟動(dòng)模式分為有光照冷啟動(dòng)模式和無(wú)光照冷啟動(dòng)模式。有光照冷啟動(dòng)模式啟動(dòng)后,太陽(yáng)光經(jīng)鏡場(chǎng)反射集中進(jìn)入吸熱器,由吸熱器產(chǎn)生的過(guò)熱蒸汽全部輸往儲(chǔ)能系統(tǒng)。無(wú)光照冷啟動(dòng)模式啟動(dòng)后,由輔助鍋爐給儲(chǔ)能系統(tǒng)充熱。

啟動(dòng)后的運(yùn)行模式分為強(qiáng)光照運(yùn)行模式、部分光照運(yùn)行模式和基本運(yùn)行模式。系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)中氣候信息的改變,并對(duì)改變的氣候數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,確定系統(tǒng)的運(yùn)行模式。如遇到突發(fā)性的事件如冰雹、大雪等惡劣氣候條件時(shí),可以人工對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行操作,關(guān)閉系統(tǒng),同時(shí)對(duì)鏡子進(jìn)行翻轉(zhuǎn)。

3.4 故障診斷和壽命管理

塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站SIS系統(tǒng)故障診斷功能其主要功能包括:對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視,了解和掌握設(shè)備是否處于正常、異常和故障狀態(tài);提示事故早期征兆,預(yù)報(bào)事件后果;診斷故障類別,并給出相應(yīng)的操作建議。

1)狀態(tài)監(jiān)測(cè)

通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)視和狀態(tài)監(jiān)測(cè)來(lái)配置設(shè)備的預(yù)測(cè)與預(yù)防性維護(hù)方案。系統(tǒng)根據(jù)每次啟停和運(yùn)行時(shí)間來(lái)計(jì)算壽命損耗且累積最終壽命損耗,對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估,判斷其是否處于正常、異常和故障狀態(tài),并對(duì)狀態(tài)進(jìn)行顯示和記錄。對(duì)異常狀態(tài)作出報(bào)警,以便及時(shí)處理。

2)故障診斷

系統(tǒng)根據(jù)存儲(chǔ)的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài),對(duì)處于故障狀態(tài)的設(shè)備,根據(jù)狀態(tài)監(jiān)測(cè)所獲得的信息,結(jié)合已知的結(jié)構(gòu)特性和參數(shù),與知識(shí)庫(kù)中預(yù)先存儲(chǔ)好的故障征兆表進(jìn)行匹配。確定故障的性質(zhì)和類別、程度、原因、部位,指出故障發(fā)生和發(fā)展的趨勢(shì),提出控制故障繼續(xù)發(fā)展和消除故障的調(diào)整、維修的對(duì)策措施。并加以實(shí)施,使設(shè)備恢復(fù)到正常狀態(tài)。

4 SIS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

塔式太陽(yáng)能電廠SIS系統(tǒng)包括四個(gè)子系統(tǒng),分別為全廠系統(tǒng)實(shí)時(shí)信息顯示子系統(tǒng)、廠級(jí)性能計(jì)算子系統(tǒng)、全廠運(yùn)行模式調(diào)度子系統(tǒng)以及故障診斷和壽命管理子系統(tǒng)。具體軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 SIS系統(tǒng)功能菜單

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)采用Client/Server體系結(jié)構(gòu),客戶端提供一個(gè)人機(jī)可視化接口,用于信息界面的顯示和用戶交互數(shù)據(jù)的輸入。服務(wù)器端進(jìn)行數(shù)據(jù)的保存、維護(hù)、訪問(wèn)、計(jì)算和更新。系統(tǒng)將數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)在服務(wù)器端,并實(shí)現(xiàn)與DCS數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器的同步,全廠系統(tǒng)實(shí)時(shí)信息顯示子系統(tǒng)、廠級(jí)性能計(jì)算子系統(tǒng)、全廠運(yùn)行模式調(diào)度子系統(tǒng)和故障診斷和壽命管理子系統(tǒng)放在客戶端。服務(wù)器端和客戶端通過(guò)協(xié)調(diào)運(yùn)行、相互調(diào)用,完成各自的功能,構(gòu)成一個(gè)有機(jī)整體。

系統(tǒng)運(yùn)行后,根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息,自動(dòng)選擇運(yùn)行模式;根據(jù)系統(tǒng)所需光功率計(jì)算需要投入的鏡子數(shù)量,進(jìn)行鏡場(chǎng)調(diào)度。同時(shí)監(jiān)控各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài),自動(dòng)對(duì)故障設(shè)備進(jìn)行診斷。從而保障整個(gè)塔式太陽(yáng)能電廠的高效安全運(yùn)行。

5 結(jié)語(yǔ)

塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站的廠級(jí)監(jiān)控信息系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的信息控制系統(tǒng),其功能是將電站各控制單元聯(lián)合集中成一個(gè)整體,實(shí)現(xiàn)各單元的性能協(xié)調(diào)和優(yōu)化控制。文中根據(jù)SIS系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì),借鑒火電廠SIS系統(tǒng)的研究成果,提出了塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站廠級(jí)監(jiān)控信息系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案,設(shè)計(jì)了監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu),并對(duì)其應(yīng)實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行了研究,為塔式太陽(yáng)能電廠SIS系統(tǒng)研究開(kāi)創(chuàng)了先河。

[1]侯子良.火電廠廠級(jí)自動(dòng)化系統(tǒng)總體功能設(shè)計(jì)思路探討[J].中國(guó)電力,2001,34(4):56～58

[2]李國(guó)欣.我國(guó)發(fā)展空間太陽(yáng)能電站的必要性和相關(guān)技術(shù)基礎(chǔ)分析[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào),1998,19(4):444～448

[3]閔旭,陳學(xué)廣.火力發(fā)電廠廠級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)(SIS)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程,2007,35(3):128～131

[4]高原.廠級(jí)監(jiān)控信息系統(tǒng)(SIS)的研究與應(yīng)用[D].北京:華北電力大學(xué),2003,12

[5]萬(wàn)定生,陳堅(jiān),劉德友,等.太陽(yáng)能電站分布式控制系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[J].電力設(shè)備,2008,25(9):53～55