顏彥彬，袁愛東，紀(jì) 政，吳 科

（1.江蘇華電揚(yáng)州發(fā)電有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225007；2.南京國(guó)電南自維美德自動(dòng)化有限公司江蘇省基于自主可控技術(shù)的智能電廠工程技術(shù)研究中心，南京 210032）

0 引言

長(zhǎng)期以來(lái)，中國(guó)發(fā)展主要依靠引進(jìn)和利用國(guó)外技術(shù)，但現(xiàn)階段已不可能拿到關(guān)鍵核心技術(shù)。近十多年來(lái)，經(jīng)過(guò)國(guó)家科技重大專項(xiàng)的長(zhǎng)期支持，國(guó)產(chǎn)關(guān)鍵軟硬件技術(shù)已經(jīng)取得重大突破[1,2]。在電力行業(yè)，核心控制系統(tǒng)和裝備的自主化越來(lái)越受到重視，作為發(fā)電機(jī)組控制核心和大腦的分散控制系統(tǒng)（Distribute Control System，DCS），其國(guó)產(chǎn)化和自主化工作也取得了較大的進(jìn)展。

中國(guó)華電集團(tuán)有限公司依托南京國(guó)電南自維美德自動(dòng)化有限公司，在業(yè)內(nèi)較早地開展了分散控制系統(tǒng)核心軟硬件國(guó)產(chǎn)化工作，與中國(guó)電子下屬的天津飛騰公司深度合作，開展核心技術(shù)自主化攻關(guān)工作。經(jīng)過(guò)兩年多的聯(lián)合開發(fā)，明確了技術(shù)路線和主要軟硬件選型，解決了CPU指令集遷移、I/O總線通訊設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)等一系列問(wèn)題，攻克了安全過(guò)程控制站、多主站并發(fā)通信系統(tǒng)、工控系統(tǒng)信息安全構(gòu)架方案等一系列硬件設(shè)計(jì)和軟件開發(fā)難題，研制出自主化的maxICS分散控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)在某電廠330MW機(jī)組控制改造中進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用。

本文介紹了基于maxICS分散控制系統(tǒng)的基本架構(gòu)，以及在330MW機(jī)組控制系統(tǒng)改造中的第三方測(cè)試和實(shí)際應(yīng)用效果。

1 系統(tǒng)基本架構(gòu)及自主化特點(diǎn)

1.1 系統(tǒng)基本架構(gòu)

maxICS大型分散控制系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上傳承了國(guó)電南自原有系統(tǒng)的主要技術(shù)特點(diǎn)，整體構(gòu)架采用高度分散和分布式的原則，遵循無(wú)服務(wù)器、無(wú)核心節(jié)點(diǎn)的去中心化設(shè)計(jì)。系統(tǒng)整體自下而上分為4個(gè)層次，分別是：現(xiàn)場(chǎng)層、實(shí)時(shí)控制層、監(jiān)控層和廠級(jí)管理層，分別完成現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)采集與輸出、實(shí)時(shí)控制運(yùn)算與通訊、監(jiān)視與控制以及上層管理功能。

監(jiān)控層與實(shí)時(shí)控制層在物理上直接通過(guò)交換機(jī)連接，沒(méi)有中心服務(wù)器及其他中間環(huán)節(jié)，所有節(jié)點(diǎn)均為對(duì)等關(guān)系，采用獨(dú)有的軟件背板（Software Backplane，SBP）協(xié)議，結(jié)合變化量傳輸、訂閱-發(fā)布機(jī)制、安全令牌傳遞等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)之間的低帶寬、高效、安全和可靠數(shù)據(jù)交互。

系統(tǒng)功能齊全，可支持10萬(wàn)點(diǎn)以上規(guī)模的大型應(yīng)用場(chǎng)合，實(shí)現(xiàn)從最上層的工廠管理信息系統(tǒng)到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)控制的全過(guò)程，滿足大型電站一體化控制功能和性能要求。

1.2 國(guó)產(chǎn)化硬件系統(tǒng)

本系統(tǒng)過(guò)程控制站（Distributed Processing Unit，DPU）采用天津飛騰公司FT1500/4型CPU[3]，該CPU采用28nm制程，包含4個(gè)FTC660核心，兼容ARM V8指令集，時(shí)鐘頻率1.5GHz，三級(jí)緩存分別為32KB、2MB和8MB，集成2個(gè)DDR3存儲(chǔ)控制器以及PCIE等其他接口，整體性能相當(dāng)于Intel i3-650 CPU。CPU微內(nèi)核架構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)圍繞自主化核心處理器（FT-1500 CPU）開展過(guò)程控制站研制，擴(kuò)展了必要的外圍電路，包括電源轉(zhuǎn)換模塊、超級(jí)電容模塊、熱備網(wǎng)絡(luò)模塊、冗余通訊網(wǎng)絡(luò)模塊、撥碼開關(guān)、存儲(chǔ)器模塊、測(cè)溫模塊、LED指示燈模塊、顯示模塊和USB接口模塊等。整個(gè)過(guò)程控制站的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

開發(fā)了高可靠性和高實(shí)時(shí)性的多主站I/O串行通訊系統(tǒng)，與運(yùn)算處理器互相獨(dú)立，結(jié)合執(zhí)行時(shí)序同步技術(shù)，保證運(yùn)算、通信的實(shí)時(shí)性和可靠性。

I/O模件采用雙路高速串行總線，實(shí)現(xiàn)高速冗余的I/O層級(jí)通信。在I/O模件的測(cè)量回路中，設(shè)計(jì)了完善的自校驗(yàn)功能，可以保證長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行信號(hào)測(cè)量和輸出的準(zhǔn)確性而無(wú)需人工校驗(yàn)。采用基于IRIG-B碼對(duì)時(shí)的時(shí)間順序記錄（SOE）機(jī)制，可實(shí)現(xiàn)跨電子間的不超過(guò)1ms時(shí)間順序記錄精度。

圖1 FT1500 CPU微內(nèi)核架構(gòu)Fig.1 FT 1500 CPU microkernel architecture

圖2 基于飛騰CPU的過(guò)程控制站架構(gòu)圖Fig.2 Architecture of process control station based on Feiteng CPU

系統(tǒng)還與國(guó)產(chǎn)計(jì)算機(jī)和國(guó)產(chǎn)交換機(jī)進(jìn)行了適配，實(shí)現(xiàn)對(duì)更多國(guó)產(chǎn)硬件的支持。

1.3 國(guó)產(chǎn)化軟件系統(tǒng)

圍繞基于自主CPU開發(fā)的過(guò)程控制站，開發(fā)了深度裁剪的高實(shí)時(shí)性安全加固嵌入式Linux操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了控制任務(wù)分周期執(zhí)行和最快10ms的回路處理周期。

該操作系統(tǒng)基于開源Linux 4.x內(nèi)核，根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景的需要進(jìn)行了深度的裁剪和定制，應(yīng)用了實(shí)時(shí)性增強(qiáng)補(bǔ)丁包，去除了Telnet、HTTP和FTP等系統(tǒng)不需要的組件和服務(wù)，提供一個(gè)最小化的輕量級(jí)圖形化人機(jī)界面，用于系統(tǒng)調(diào)試和出廠設(shè)置。對(duì)任務(wù)調(diào)度機(jī)制進(jìn)行了優(yōu)化，將系統(tǒng)級(jí)任務(wù)、不同優(yōu)先級(jí)的控制任務(wù)和通訊任務(wù)分配到4個(gè)內(nèi)核上運(yùn)行，充分利用CPU的多核優(yōu)勢(shì)。

過(guò)程控制站之間以及過(guò)程控制站與監(jiān)控系統(tǒng)計(jì)算機(jī)之間的通信，也采用統(tǒng)一的軟件背板協(xié)議。在Linux操作系統(tǒng)上，通過(guò)C和C++兩種語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了該通訊協(xié)議，以提高代碼執(zhí)行效率和支持面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)建模要求，具備大容量和高速的特點(diǎn)，支持帶有質(zhì)量碼的多種常規(guī)數(shù)據(jù)類型和復(fù)合型數(shù)據(jù)類型的連接、斷開連接、訂閱讀取、取消訂閱、讀、連續(xù)讀、快速讀、寫、連續(xù)寫、快速寫等全功能軟件背板操作。

通過(guò)操作系統(tǒng)深度定制和裁剪、實(shí)時(shí)性增強(qiáng)、全功能軟件背板協(xié)議的實(shí)現(xiàn)、任務(wù)多核分配等，開發(fā)了過(guò)程控制站的國(guó)產(chǎn)化軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)控制任務(wù)和通訊任務(wù)的高效穩(wěn)定運(yùn)行，且保持了與原有系統(tǒng)良好的兼容性和互操作性。

1.4 系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全是工控系統(tǒng)必須著重考慮的一個(gè)因素。系統(tǒng)在安全性方面進(jìn)行了一系列改進(jìn)，系統(tǒng)自身具備安全訪問(wèn)控制功能，采用自定義的軟件背板通訊協(xié)議和安全令牌傳遞，協(xié)議報(bào)文進(jìn)行了部分加密和壓縮，采用白名單認(rèn)證機(jī)制，只有預(yù)定義的設(shè)備才可以互相通訊，系統(tǒng)具備網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴抑制功能。

系統(tǒng)還可以通過(guò)在監(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)配置白名單軟件，杜絕未知程序的運(yùn)行；在系統(tǒng)邊緣安裝入侵檢測(cè)系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)審計(jì)系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)所有通訊報(bào)文進(jìn)行深度解析，對(duì)網(wǎng)絡(luò)行為進(jìn)行監(jiān)視、診斷和審計(jì)，并對(duì)系統(tǒng)中出現(xiàn)的異常和威脅進(jìn)行即時(shí)預(yù)警和記錄。

2 某電廠330MW機(jī)組控制應(yīng)用實(shí)現(xiàn)

2.1 項(xiàng)目概況

某電廠330MW機(jī)組鍋爐采用東方鍋爐廠生產(chǎn)的DGl036/18.2—114型鍋爐。為亞臨界參數(shù)、四角切圓燃燒方式、自然循環(huán)汽包爐。單爐膛п型露天布置，燃用煙煤，一次再熱，平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣，全鋼架、全懸吊結(jié)構(gòu)。采用正壓直吹式制粉系統(tǒng)，配置5臺(tái)HP843型中速磨煤機(jī)，4臺(tái)磨煤機(jī)可帶MCR負(fù)荷，1臺(tái)備用。燃燒器采用四角布置切圓燃燒方式，過(guò)熱蒸汽主要采用三級(jí)噴水減溫方式調(diào)溫，燃燒調(diào)節(jié)為輔。正常工況下，以一級(jí)減溫器作為主調(diào)，三級(jí)減溫器作為微調(diào)，二級(jí)減溫器作為備用或調(diào)左右側(cè)汽溫偏差。再熱蒸汽主要采用燃燒器擺動(dòng)進(jìn)行調(diào)溫，微量噴水減溫為輔，并設(shè)有事故噴水減溫。

汽輪機(jī)采用哈爾濱汽輪機(jī)廠N330-16.67/538/538亞臨界一次中間再熱、單軸、高中壓合缸、雙缸雙排汽、抽汽凝汽式汽輪機(jī)，配置30%額定容量的Ⅱ級(jí)串聯(lián)旁路系統(tǒng)，八級(jí)回?zé)?，配?臺(tái)50%容量給水泵，兩臺(tái)汽動(dòng)給水泵由小汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，另有1臺(tái)電動(dòng)給水泵。每臺(tái)機(jī)組配置2臺(tái)循環(huán)水泵和1根循環(huán)水壓力母管。循環(huán)冷卻水采用單元制的二次循環(huán)供水系統(tǒng)[4]。

機(jī)組由江蘇省電力設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)，江蘇方天調(diào)試。將鍋爐和汽輪發(fā)電機(jī)組作為1個(gè)單元整體進(jìn)行控制，原DCS系 統(tǒng)，包 括DAS、CCS、FSSS、SCS、DEH、MEH、BPS、ECS和脫硫系統(tǒng)。TSI儀表使用的是Bently3500，ETS使用西門子的PLC，輔控（除灰和排渣）用的是施耐德的PLC。系統(tǒng)于2005年投產(chǎn)，運(yùn)行至今已超過(guò)14年，控制系統(tǒng)元器件存在一定的老化問(wèn)題。

本次改造采用基于自主可控國(guó)產(chǎn)過(guò)程控制站的方式控制系統(tǒng)替代原有控制系統(tǒng)，涉及到不同廠家DCS的替換，制定了詳細(xì)的方案，采用1比1替換方式，外部接線盡量不動(dòng)，在改造過(guò)程中，對(duì)部分硬件系統(tǒng)和軟件控制邏輯進(jìn)行了優(yōu)化[5,6]。

2.2 主機(jī)控制系統(tǒng)DCS

系統(tǒng)劃分為單元機(jī)組及公用系統(tǒng)，單元機(jī)組分為鍋爐（含電氣）、汽機(jī)，共2個(gè)電子設(shè)備間。單元機(jī)組鍋爐系統(tǒng)I/O測(cè)點(diǎn)數(shù)3904點(diǎn)、汽機(jī)系統(tǒng)2931點(diǎn)、電氣ECS系統(tǒng)945點(diǎn)。系統(tǒng)包含4個(gè)遠(yuǎn)程站（單元機(jī)組循環(huán)水泵房遠(yuǎn)程站、爐頂汽包小室遠(yuǎn)程站、廢水零排遠(yuǎn)程站、發(fā)電機(jī)遠(yuǎn)程站）。鍋爐系統(tǒng)含有27面機(jī)柜，其中1面電源柜、1面網(wǎng)絡(luò)柜、1面link柜，共計(jì)14對(duì)DPU。汽機(jī)電子間含有27面機(jī)柜，其中1面電源柜，共計(jì)15對(duì)DPU。電氣系統(tǒng)含4面控制柜、2對(duì)DPU。共使用2對(duì)華為交換機(jī)，1對(duì)在鍋爐電子間、1對(duì)在汽機(jī)電子間，4個(gè)兆越的一光四電交換機(jī)分別布置在4個(gè)遠(yuǎn)程柜中；公用系統(tǒng)包括：公用電氣、空壓機(jī)、燃油泵，保持在原系統(tǒng)中，單元機(jī)組的操作控制方式不變。

DCS人機(jī)界面單元機(jī)組包括：6臺(tái)操作員站、2臺(tái)工程師站；1臺(tái)LINK通信站；2臺(tái)歷史站、1臺(tái)OPC通訊站。其中，設(shè)置2臺(tái)跨域代理服務(wù)器，4臺(tái)具備分屏功能（至大屏），2臺(tái)配置事件服務(wù)。廠用電氣監(jiān)控系統(tǒng)、SIS系統(tǒng)，通過(guò)LINK站與DCS系統(tǒng)進(jìn)行通訊。

根據(jù)工藝要求，在控制器內(nèi)設(shè)置有不同的執(zhí)行周期；對(duì)于順序控制和保護(hù)回路，合理設(shè)置功能塊執(zhí)行順序，保證保護(hù)回路可靠性；重要保護(hù)信號(hào)采用軟硬件冗余與品質(zhì)判斷，提高了信號(hào)可靠性；采用自定義功能塊編寫了特殊功能塊，滿足工藝控制要求；根據(jù)用戶需要設(shè)計(jì)了清晰直觀的流程畫面和操作畫面。

2.3 電氣監(jiān)控系統(tǒng)ECS

本次ECS控制系統(tǒng)替換范圍包括ECS與發(fā)變組保護(hù)、錄波、勵(lì)磁、同期、快切、0.4kV備自投、AVC系統(tǒng)、柴油機(jī)及保安電源、220kV及110V直流系統(tǒng)及220kV、6kV、0.4kV電源及變壓器開關(guān)的控制接口及控制邏輯（與原控制邏輯相同）。

圖3 機(jī)組AGC變負(fù)荷曲線Fig.3 AGC Variable load curve of unit

2.4 應(yīng)用效果

機(jī)組控制系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化改造過(guò)程從原系統(tǒng)拆除到新系統(tǒng)就位，接線，單體調(diào)試到整套啟動(dòng)，沖轉(zhuǎn)并網(wǎng)帶負(fù)荷，僅用了1個(gè)多月時(shí)間。于2019年12月26日成功并網(wǎng)帶負(fù)荷，機(jī)組在280MW左右負(fù)荷工況下，AGC變負(fù)荷曲線如圖3所示。

系統(tǒng)通過(guò)了第三方測(cè)試機(jī)構(gòu)的型式試驗(yàn)、系統(tǒng)測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收，結(jié)果表明：該分散控制系統(tǒng)功能完善，測(cè)試項(xiàng)目均符合國(guó)標(biāo)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)/規(guī)程要求[7,8]。

系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，運(yùn)行至今未發(fā)現(xiàn)一例通道損壞、控制器故障及因控制系統(tǒng)其他原因?qū)е碌氖鹿省?/p>

3 結(jié)束語(yǔ)

自主安全可控是大勢(shì)所趨，符合國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略要求。研制自主安全可控的電力控制系統(tǒng)，對(duì)于解決關(guān)鍵技術(shù)和產(chǎn)品的“卡脖子”問(wèn)題，提升中國(guó)電力自動(dòng)化行業(yè)技術(shù)安全水平，促進(jìn)國(guó)產(chǎn)核心軟硬件生態(tài)系統(tǒng)的健康發(fā)展都具有重要意義。

基于自主CPU和操作系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)maxICS分散控制系統(tǒng)研制已取得階段性成果，該系統(tǒng)已經(jīng)通過(guò)各項(xiàng)第三方測(cè)試，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，并成功應(yīng)用于某電廠的330MW機(jī)組主機(jī)控制。

現(xiàn)場(chǎng)投運(yùn)效果表明：該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，各項(xiàng)性能指標(biāo)優(yōu)異，滿足電站機(jī)組控制功能和性能要求，可以在330MW機(jī)組及其他容量機(jī)組上進(jìn)行推廣應(yīng)用。