吳軍

(華電江蘇能源有限公司句容發(fā)電廠，江蘇 句容 212413)

1 問題的提出

火電廠是一個(gè)大型、復(fù)雜、快速而又相當(dāng)精密的控制對象?；痣姀S的自動(dòng)化系統(tǒng)主要由分散控制系統(tǒng)(DCS)、網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)(NCS)和電氣監(jiān)控系統(tǒng)(ECMS)組成。其中：DCS主要用于鍋爐、汽輪機(jī)以及輔機(jī)的監(jiān)視與控制；NCS是電力網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，主要用于電廠升壓站的監(jiān)控；ECMS將整個(gè)電廠的廠用電氣部分獨(dú)立出來進(jìn)行專業(yè)管理，該系統(tǒng)具有發(fā)電廠中低壓電氣的保護(hù)、測量、控制與分析等功能。

長期以來，由于熱控與電氣的專業(yè)劃分，三大系統(tǒng)都有獨(dú)自的監(jiān)控系統(tǒng)與運(yùn)行人員，因此形成了電廠電氣自動(dòng)化系統(tǒng)與熱控自動(dòng)化系統(tǒng)的獨(dú)立性，造成了系統(tǒng)間通信難、互操作性不強(qiáng)等問題。

近年來，隨著數(shù)字化電廠概念的提出，如何將NCS與ECMS的生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)一接入主控DCS，從而實(shí)現(xiàn)電廠一體化監(jiān)控，成為國內(nèi)外自動(dòng)化廠商研究的熱點(diǎn)[1]。

一般來講，電廠一體化監(jiān)控是集火電廠鍋爐、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)自動(dòng)控制、監(jiān)視操作以及電氣設(shè)備操作監(jiān)視等監(jiān)控于一體的多功能、大容量、高性能的綜合自動(dòng)化解決方案[2]。一體化監(jiān)控模式的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

(1)增強(qiáng)電氣與熱控系統(tǒng)的互操作性與便利性。比如運(yùn)行于NCS中的自動(dòng)發(fā)電量控制(AGC)或自動(dòng)電壓控制(AVC)就需要采集DCS中的機(jī)組運(yùn)行參數(shù)，并將計(jì)算得到的全廠機(jī)組指令下發(fā)到DCS進(jìn)行協(xié)調(diào)控制[3]。

(2)減少投資成本與運(yùn)行成本。

(3)加強(qiáng)電廠的信息分享水平，充分發(fā)揮信息時(shí)代的優(yōu)勢。

然而在目前的發(fā)電機(jī)組，特別是大型的超超臨界發(fā)電機(jī)組中，要實(shí)現(xiàn)整個(gè)電廠的一體化監(jiān)控，依然存在以下難點(diǎn)。

(1)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次不同。由于DCS，NCS和ECMS三大自動(dòng)化系統(tǒng)專業(yè)性不同，因此結(jié)構(gòu)層次也不相同。

(2)缺乏統(tǒng)一的通信協(xié)議規(guī)約，互聯(lián)互通難度大。目前電廠中存在各種不同類型、不同廠家的可編程邏輯控制器(PLC)、智能儀表、保護(hù)測控裝置、快切裝置等自動(dòng)化設(shè)備。

(3)數(shù)據(jù)量大，網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷重。一體化監(jiān)控后，整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)點(diǎn)多、監(jiān)控范圍廣，因而對整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的性能要求更高。

為了解決上述問題，本文提出了一種基于maxLINKS的電廠一體化監(jiān)控方案，闡述其整體架構(gòu)，分析具體工作原理，最后評價(jià)經(jīng)濟(jì)性及運(yùn)行性能，對整體方案及運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行總結(jié)。

2 一體化監(jiān)控整體架構(gòu)

目前將NCS與ECMS接入DCS主要有硬接線、硬接線+通信及全通信3種實(shí)現(xiàn)方式[4]，其中網(wǎng)絡(luò)通信方式具有成本低、布線方便等優(yōu)點(diǎn)。本文針對整廠監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)點(diǎn)多、監(jiān)控范圍廣的特點(diǎn)，提出了一體化監(jiān)控整體架構(gòu)，結(jié)果如圖1所示。該方案采用全通信的方式，通過高速、大容量的協(xié)議轉(zhuǎn)換技術(shù)將NCS與ECMS中的數(shù)據(jù)點(diǎn)接入DCS的主干網(wǎng)絡(luò)中，從而實(shí)現(xiàn)一體化監(jiān)控。

圖1 一體化監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)圖

該方案從層次結(jié)構(gòu)上看，系統(tǒng)由人機(jī)接口(HMI)層、骨干網(wǎng)絡(luò)層、分散處理單元(DPU)控制站與通信網(wǎng)關(guān)接口站組成。其中人機(jī)接口層、骨干網(wǎng)絡(luò)層和DPU控制站為常規(guī)DCS的主要組成部分，實(shí)現(xiàn)開放系統(tǒng)的直連式儲(chǔ)存(DAS)、鍋爐爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)(FSSS)、汽輪機(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng)(DEH)、協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)(CCS)、順序控制系統(tǒng)(SCS)、旁路控制系統(tǒng)(BPS)等鍋爐與汽輪機(jī)的控制。在此基礎(chǔ)上，通過增加通信網(wǎng)關(guān)接口站，無縫接入NCS與ECMS，實(shí)現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)量的采集及控制信號的下發(fā)。

該方案對自動(dòng)化系統(tǒng)的性能具有2方面的要求：一是通信網(wǎng)關(guān)接口站能夠支持多協(xié)議、多種通信連接方式；二是整個(gè)骨干網(wǎng)絡(luò)能夠滿足數(shù)據(jù)通信的實(shí)時(shí)性要求和系統(tǒng)容量要求。本文采用國電南自美卓控制系統(tǒng)有限公司生產(chǎn)的maxDNA系列自動(dòng)化產(chǎn)品，以實(shí)現(xiàn)該方案。

maxDNA系統(tǒng)中的骨干網(wǎng)絡(luò)maxNET采用了一種基于軟件背板(SBP)的快速、大容量通信基礎(chǔ)架構(gòu)，該架構(gòu)采用“訂閱-發(fā)布”機(jī)制及“△傳輸”技術(shù)，能最大限度地減少網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷，提高數(shù)據(jù)傳輸效率，從而滿足電廠一體化監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)容量與實(shí)時(shí)性要求。

另外，maxDNA系統(tǒng)中本身提供了第三方的數(shù)據(jù)接入產(chǎn)品，即maxLINKS。maxLINKS是一種通信網(wǎng)關(guān)接品站，支持多種通信協(xié)議和多種數(shù)據(jù)連接方式，配置簡單方便，性能穩(wěn)定可靠，能有效連接各種電氣設(shè)備，從而解決網(wǎng)絡(luò)層次不同、監(jiān)控范圍廣、通信規(guī)約不一致等問題。

3 基于SBP的快速、大容量通信基礎(chǔ)架構(gòu)

對于大容量機(jī)組(特別是超超臨界機(jī)組)來說，數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)較多，僅鍋爐與汽輪機(jī)的控制就有12 000點(diǎn)左右，要實(shí)現(xiàn)電廠的一體化監(jiān)控，首先就得克服數(shù)據(jù)量大這一難點(diǎn)。因此該方案選用的maxDNA自動(dòng)化產(chǎn)品的通信基礎(chǔ)架構(gòu)具備了快速、大容量等特點(diǎn)，符合一體化監(jiān)控的基本需求。

3.1 SBP模塊概況

SBP是maxDNA系統(tǒng)中共用的通信與連接模塊，用于實(shí)現(xiàn)maxDNA系列自動(dòng)化產(chǎn)品之間的通信和數(shù)據(jù)交互。它采用TCP/IP協(xié)議，封裝了底層的通信應(yīng)用程序編程接口(API)函數(shù)，并制訂了一套高效的通信協(xié)議與路由機(jī)制。

SBP主要封裝了數(shù)據(jù)注冊與路由、系統(tǒng)狀態(tài)信息監(jiān)測及數(shù)據(jù)傳輸3個(gè)系統(tǒng)功能，3個(gè)功能分別對應(yīng)maxRRS，maxLLS和maxTRANSPORT 3個(gè)模塊。maxRRS是SBP的核心，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的注冊與路由，服務(wù)器端在SBP上注冊可以提供的數(shù)據(jù)信息，客戶端可以通過maxRRS提供的數(shù)據(jù)路由服務(wù)訪問；maxTRANSPORT將設(shè)備掛載到maxNET網(wǎng)絡(luò)上，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送。maxLLS主要用于存儲(chǔ)本地maxSTATION的狀態(tài)信息(如時(shí)間、顯示畫面信息等)。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)分析

SBP具有以下3個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。

(1)“即插即用”的應(yīng)用模式。在硬件裝置中，如DPU與各種I/O模塊都插入同一塊背板進(jìn)行連接，SBP作為一個(gè)軟件模塊，同樣繼承了“背板”的設(shè)計(jì)思想，如圖2所示。SBP作為數(shù)據(jù)交換模塊，提供了通用的信息交換格式。需要進(jìn)行程序間通信的程序不必一對一地連接，只需“插入”軟件背板中，即可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的通信，例如數(shù)據(jù)庫管理程序、DPU、maxVUE、maxSTORIAN、報(bào)表和連接其他非MAX設(shè)備或子系統(tǒng)的maxLINKS應(yīng)用，都可以掛載到軟件背板中，實(shí)現(xiàn)雙向的數(shù)據(jù)交互。

圖2 軟件背板

(2)“訂閱-發(fā)布”機(jī)制。該機(jī)制包括2個(gè)方面：數(shù)據(jù)接收方向各個(gè)提供方“訂閱”所需的數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)提供方向接收方發(fā)布其“訂閱”的數(shù)據(jù)。采用這種方式可以有效減少網(wǎng)絡(luò)通信量，解決電廠一體化監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸負(fù)荷高的問題。

(3)“△傳輸”技術(shù)。一般來講，SBP可以執(zhí)行讀、寫和訂閱3種基本功能。其中在采用訂閱模式時(shí)，并不是進(jìn)行周期性的上送，而是采用了一種“△傳輸”技術(shù)，即在超出某一時(shí)間界限或數(shù)據(jù)變化超出某一閾值時(shí)才對其進(jìn)行更新，采用這種模式，能大大降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷，提高通信效率。

通過以上分析可以發(fā)現(xiàn)，采用“即插即用”的應(yīng)用模式，非常有利于maxLINKS等各種自定義通信網(wǎng)關(guān)的集成，從而解決電氣與熱控自動(dòng)化系統(tǒng)協(xié)議不一致等問題。而“訂閱-發(fā)布”機(jī)制與“△傳輸”技術(shù)能極大地減輕網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷，提高網(wǎng)絡(luò)利用率，滿足一體化監(jiān)控所需的實(shí)時(shí)性與大容量等要求。

4 基于maxLINKS的第三方數(shù)據(jù)接入技術(shù)

電廠中的自動(dòng)化產(chǎn)品一般來自于許多自動(dòng)化廠家，通信方式多種多樣，通信協(xié)議涵蓋了超速保護(hù)控制單元(OPC)，Modbus，IEC 61850，IEC 103，IEC 104等。將這些種類繁多的產(chǎn)品進(jìn)行集成，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)一體化監(jiān)控，一般來講有2種方案：一種是在數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制(SCADA)系統(tǒng)中直接增加多種協(xié)議的支持，實(shí)現(xiàn)與各種裝置及產(chǎn)品的直連；另一種是采用一個(gè)通信網(wǎng)關(guān)接口站，收集所有的第三方自動(dòng)化產(chǎn)品的數(shù)據(jù)，然后轉(zhuǎn)送進(jìn)入SCADA系統(tǒng)。前一種方案需要SCADA系統(tǒng)支持多種通信協(xié)議和通信方式，并且1個(gè)SCADA系統(tǒng)與所有的單個(gè)設(shè)備進(jìn)行直連必然需要建立更多的網(wǎng)絡(luò)連接，從而消耗大量的計(jì)算機(jī)資源，影響實(shí)際性能。因此本文采用后一種方案，與前一種相比，該方案具有以下優(yōu)點(diǎn)。

(1)不用改變系統(tǒng)的原有結(jié)構(gòu)，便于實(shí)現(xiàn)。SCADA系統(tǒng)一般都具有獨(dú)特的系統(tǒng)架構(gòu)，與配套的硬件設(shè)備實(shí)現(xiàn)了完美的集成。因此，采用第三方的通信網(wǎng)關(guān)接口可以最大限度地維持原有系統(tǒng)，在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)和后續(xù)維護(hù)上都將帶來極大的便利。

(2)有利于降低SCADA系統(tǒng)的資源消息，提高監(jiān)控性能。采用通信網(wǎng)關(guān)接口站對所有的第三方設(shè)備進(jìn)行管理，相當(dāng)于在SCADA系統(tǒng)與第三方設(shè)備之間增加了一個(gè)通信前置服務(wù)器，即把1臺(tái)服務(wù)器的功能分散到2臺(tái)甚至多臺(tái)服務(wù)器上實(shí)現(xiàn)，從而有效減輕了服務(wù)器的負(fù)荷，提高了監(jiān)控系統(tǒng)的性能。

針對該方案，本文采用maxDNA系統(tǒng)提供的maxLINS通信接口產(chǎn)品。maxLINKS是運(yùn)行于PC上的應(yīng)用軟件程序，該程序不僅可以“插入”到SBP的背板架構(gòu)中，與maxDNA系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無縫集成，而且支持多種通信協(xié)議，與第三方的各種設(shè)備實(shí)現(xiàn)直連。

maxLINKS用于實(shí)現(xiàn)maxDNA自動(dòng)化系統(tǒng)與非 maxDNA系列裝置及系統(tǒng)之間的雙向連接。從硬件的角度看，maxLINKS是一個(gè)運(yùn)行于Windows操作系統(tǒng)環(huán)境下的工作站，既可以安裝在主控臺(tái)上的商用計(jì)算機(jī)上，也可以安裝在與DPU相鄰的機(jī)柜的工控機(jī)上。從軟件的角度看，maxLINKS是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的基于開放式系統(tǒng)互聯(lián)(OSI)7層模型的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序，如圖3所示。

圖3 maxLINKS軟件模型

為了驗(yàn)證本文所述方案的可行性，將從通信通道、通信容量與通信協(xié)議3個(gè)方面對maxLINKS進(jìn)行分析。

首先，maxLINKS接口站支持以太網(wǎng)、RS232及RS422等通信接口，每臺(tái)可同時(shí)處理16個(gè)執(zhí)行不同通信協(xié)議的雙向通道，并且每個(gè)通信通道支持連接多個(gè)裝置，解決了電廠設(shè)備繁多、位置分散等特殊問題。此外，當(dāng)一個(gè)通信鏈路中某一個(gè)裝置發(fā)生通信故障時(shí)，其他裝置不受影響，具有很強(qiáng)的可靠性。

其次，maxLINKS最多可支持10 000點(diǎn)標(biāo)簽數(shù)據(jù)的通信。會(huì)話層中的即時(shí)數(shù)據(jù)庫采用了多線程、高速緩存、進(jìn)程間通信等技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)大容量通信的核心。一般的超超臨界機(jī)組只需配置1～2臺(tái)maxLINKS接口站就可實(shí)現(xiàn)整廠所有第三方設(shè)備的集成。

最后，在網(wǎng)絡(luò)層，maxLINKS定義了多種通信協(xié)議，見表1。從表1中可以看出，maxLINKS可以與Modbus，Allen Bradley，GE燃?xì)廨啓C(jī)控制器或其他流行的第三方設(shè)備實(shí)現(xiàn)無縫連接。

表1 maxLINKS支持的接口設(shè)備和傳輸協(xié)議

綜上所述，maxLINKS能有效整合、管理具有不同連接方式和通信協(xié)議的自動(dòng)化設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)采用通信網(wǎng)關(guān)技術(shù)，集成第三方設(shè)備，實(shí)現(xiàn)電廠一體化監(jiān)控。

5 經(jīng)濟(jì)性分析與運(yùn)行評價(jià)

為了驗(yàn)證分析該方案的經(jīng)濟(jì)性與可用性，將該方案應(yīng)用于華電江蘇能源有限公司句容發(fā)電廠一期2×1 000 MW超超臨界發(fā)電機(jī)組。

在經(jīng)濟(jì)性方面，與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案相比，該方案不僅節(jié)省了前期投資成本，而且還降低了后期的運(yùn)行與維護(hù)成本。具體體現(xiàn)在2個(gè)方面：一是基于通信網(wǎng)關(guān)采用全通信方式實(shí)現(xiàn)第三方設(shè)備的數(shù)據(jù)接入，有效減少了電纜的使用，硬件成本降低了5%，并為后續(xù)的維護(hù)帶來了巨大的便利；二是采用一套監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電氣與熱控系統(tǒng)的一體化監(jiān)控，避免了監(jiān)控系統(tǒng)重復(fù)投資，并且有利于降低電廠運(yùn)行人員的配備，減少人力成本，提高運(yùn)營效率。

在可用性方面，本文所提的一體化監(jiān)控方案，雖然在原有的DCS上整合了許多電氣系統(tǒng)的第三方設(shè)備，但監(jiān)控系統(tǒng)的性能只增未減，畫面數(shù)據(jù)刷新周期小于1s，數(shù)據(jù)容量不小于10萬點(diǎn)，且系統(tǒng)可用率達(dá)到了99.9%。運(yùn)行結(jié)果表明，該方案能有效整合電廠電氣系統(tǒng)與熱控系統(tǒng)，克服系統(tǒng)容量大、通信協(xié)議多、監(jiān)控范圍廣等難點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)電廠電氣與熱控領(lǐng)域的一體化監(jiān)控。

6 結(jié)論

本文總結(jié)了電廠一體化監(jiān)控的幾種方式，分析了大容量機(jī)組實(shí)現(xiàn)一體化監(jiān)控的主要難點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上為全通信方式提出了一種基于maxLINKS的電廠一體化監(jiān)控方案，并將其成功應(yīng)用于華電江蘇能源有限公司句容發(fā)電廠一期2×1 000 MW超超臨界發(fā)電機(jī)組。實(shí)踐證明，該方案有效降低了電廠投資與運(yùn)行成本，真正實(shí)現(xiàn)了電廠的一體化監(jiān)控，構(gòu)建了一個(gè)完善可靠的數(shù)字化電廠網(wǎng)絡(luò)，提高了電廠的自動(dòng)化水平，并為今后智能電廠的建設(shè)與發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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