陳玉年，于順良，馮澤強，許杰偉，譚志杰，段子怡，吳 科

（1.國電南京自動化股份有限公司 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；2.廣東華電坪石發(fā)電有限公司，廣東 韶關(guān) 512229）

0 引言

國內(nèi)發(fā)電分散控制系統(tǒng)（Distribute Control System，DCS）長期依賴國外技術(shù)和產(chǎn)品，在當(dāng)前復(fù)雜多變的國際形勢下面臨巨大的經(jīng)濟、技術(shù)風(fēng)險以及安全威脅[1]。近幾年來，疊加全球“新冠”疫情的影響，對產(chǎn)業(yè)鏈和供應(yīng)鏈造成重大沖擊，進(jìn)一步加劇這種風(fēng)險和威脅，一個典型的例子是芯片的短缺問題越來越嚴(yán)重。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)Fig.1 Overall architecture of the system

國內(nèi)信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)軟硬件通過“核高基”等多個國家科技重大專項的支持，在過去幾十年中已經(jīng)取得一系列重要成果。首先，在黨政軍等某些行業(yè)得到應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上，金融、能源、電信等國民經(jīng)濟各重要行業(yè)領(lǐng)域的國產(chǎn)化進(jìn)程也在加快，在銀行已有系列訂單落地，例如中國建設(shè)銀行的國產(chǎn)化辦公自動化系統(tǒng)在過內(nèi)外分支機構(gòu)全面部署上線，基于飛騰中央處理器+麒麟操作系統(tǒng)為核心的自主安全可控平臺，率先在國內(nèi)金融業(yè)中實現(xiàn)了辦公自動化系統(tǒng)的軟硬件全國產(chǎn)化替代。在電力行業(yè)中，被稱為發(fā)電機組控制核心和大腦的分散控制系統(tǒng)，自主化進(jìn)程也穩(wěn)步推進(jìn)。

中國華電集團有限公司依托國電南京自動化股份有限公司，較早開展了DCS 自主化研制工作[2]，與中國電子信息產(chǎn)業(yè)集團有限公司建立央企創(chuàng)新聯(lián)合體，經(jīng)過兩年多的核心技術(shù)自主化聯(lián)合攻關(guān)，研制出maxCHD 自主可控發(fā)電分散控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)已成功應(yīng)用到300 MW、600 MW 和1000 MW 等級煤粉爐火電機組，本次實現(xiàn)了在循環(huán)流化床鍋爐機組DCS 一體化改造中的成功應(yīng)用。

本文首先闡述了該套自主可控分散控制系統(tǒng)的軟硬件架構(gòu)，然后介紹了該系統(tǒng)在300 MW 循環(huán)流化床機組控制系統(tǒng)一體化改造中的實際應(yīng)用情況，最后對該系統(tǒng)推廣應(yīng)用前景進(jìn)行了分析。

1 系統(tǒng)基本架構(gòu)及自主化特點

1.1 系統(tǒng)基本架構(gòu)

本系統(tǒng)按照功能整體可分為3 個層次，包括現(xiàn)場層、實時控制層和監(jiān)控層，分別完成現(xiàn)場信號采集與輸出，實時控制運算與通訊，監(jiān)視與控制管理功能，在3 個層次上均實現(xiàn)了自主可控。系統(tǒng)還提供了對上層信息管理層的接口，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1。

監(jiān)控層與實時控制層在物理上分隔，做到生熟數(shù)據(jù)分開，通過兩臺前置服務(wù)器完成實時控制層/裝置層數(shù)據(jù)采集以及向上層監(jiān)控層的數(shù)據(jù)傳輸，監(jiān)控層計算機采用基于大容量軟總線的實時庫進(jìn)行數(shù)據(jù)同步，實現(xiàn)節(jié)點之間的高效、安全和可靠的毫秒級數(shù)據(jù)交互。監(jiān)控系統(tǒng)采用“平臺+應(yīng)用”的架構(gòu)模式構(gòu)建，平臺層通過高效的數(shù)據(jù)分發(fā)和通訊技術(shù)，可支持100 萬點以上規(guī)模的大型應(yīng)用場合，應(yīng)用層根據(jù)不同專業(yè)應(yīng)用需求劃分個性模塊，包括畫面、告警、趨勢、報表、web 發(fā)布等功能模塊，通過固定的接口與平臺層交互，用戶可根據(jù)自身需要定制現(xiàn)有應(yīng)用或開發(fā)新的應(yīng)用，支持應(yīng)用動態(tài)上線，滿足大型電站一體化控制功能和性能要求，以及未來應(yīng)用擴展要求。

1.2 自主可控硬件系統(tǒng)

硬件系統(tǒng)實現(xiàn)了芯片級的自主可控。最核心的分散處理單元DPU 采用飛騰公司最新的FT2000/4 CPU[3,4]，研制了應(yīng)用高云FPGA、紫光存儲器等全國產(chǎn)芯片和嵌入式Linux 操作系統(tǒng)的可復(fù)用的DPU 核心部件，突破了國產(chǎn)通用CPU 在DCS 應(yīng)用的瓶頸。

開發(fā)了基于國產(chǎn)元器件的多主站并發(fā)I/O 數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)，每對控制器支持8 條高速通訊總線，可安裝96 個I/O模件。模件采用流行的無預(yù)制電纜的垂直插拔導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，其通訊地址由安裝位置決定，無需人工設(shè)置。I/O 數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)與功能塊執(zhí)行處理器互相獨立，采用自校驗和時序同步技術(shù)提高運算、通信的實時性和可靠性，以及長時間運行的精度。

系統(tǒng)在監(jiān)控層采用基于飛騰FT2000/64 CPU 的國產(chǎn)長城服務(wù)器，在網(wǎng)絡(luò)層采用國產(chǎn)華為管理層交換機，實現(xiàn)了主機和外設(shè)的自主可控。

1.3 自主可控軟件系統(tǒng)

在過程控制站DPU 中采用基于開源Linux 4.x 內(nèi)核的嵌入式操作系統(tǒng)，為了提高安全性和實時性，進(jìn)行了深度裁剪，移除無需組件，安裝了實時性補丁，進(jìn)行了操作系統(tǒng)加固以及調(diào)度策略的調(diào)整，還針對多核處理器提出了優(yōu)化調(diào)度策略，充分利用國產(chǎn)飛騰CPU 四核優(yōu)勢，將最重要的進(jìn)程綁定到固定的核心獨占運行，將其他進(jìn)程分在剩余的其他核心運行，實現(xiàn)運算、通訊和閑時任務(wù)的均衡執(zhí)行，支持控制任務(wù)分周期執(zhí)行，最快可達(dá)10 ms。

監(jiān)控系統(tǒng)采用QT 平臺開發(fā)，運行于最新一代國產(chǎn)麒麟V10 服務(wù)器版操作系統(tǒng)上，適配國產(chǎn)達(dá)夢V7.0 企業(yè)版數(shù)據(jù)庫，進(jìn)行了數(shù)據(jù)庫深度調(diào)優(yōu)，引入了先進(jìn)的時間序列數(shù)據(jù)庫完成海量歷史數(shù)據(jù)存儲功能，可實現(xiàn)高密度存儲和快速檢索，監(jiān)控系統(tǒng)底層平臺程序及所有應(yīng)用功能均自行開發(fā)完成，實現(xiàn)了監(jiān)控系統(tǒng)源代碼級的完全自主可控。

1.4 系統(tǒng)安全性設(shè)計

系統(tǒng)采用基于國密算法的業(yè)務(wù)安全技術(shù)，構(gòu)建了安全可信的主動防御體系，實現(xiàn)了敏感信息可信和核心算法可控，提升了系統(tǒng)整體信息安全水平。系統(tǒng)還對白名單主機加固軟件、工業(yè)防火墻、入侵檢測和網(wǎng)絡(luò)審計系統(tǒng)進(jìn)行了兼容性適配和測試，可根據(jù)需要選配。

1.5 系統(tǒng)測試情況

為保證系統(tǒng)長期運行的可靠性，對系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的測試。通過與上下游企業(yè)的深度合作，提出了分級多態(tài)測試驗證方法，建立了基礎(chǔ)芯片、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、控制系統(tǒng)應(yīng)用的完整測試及驗證方法，加速了采用國產(chǎn)基礎(chǔ)軟硬件構(gòu)建的分散控制系統(tǒng)迭代和成熟。

系統(tǒng)通過了國網(wǎng)電力科學(xué)研究院有限公司實驗驗證中心、華電電力科學(xué)研究院有限公司、中國自動化學(xué)會發(fā)電自動化專委會等第三方測試機構(gòu)的型式試驗、系統(tǒng)測試和現(xiàn)場驗收，結(jié)果表明：該分散控制系統(tǒng)功能完善，測試項目均符合國標(biāo)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)/規(guī)程要求[5]。

2 某廠300 MW循環(huán)流化床鍋爐機組控制應(yīng)用實現(xiàn)

2.1 項目概況

某電廠共有2 臺在運300 MW 循環(huán)流化床燃煤發(fā)電機組。其中，汽輪機是由上海汽輪機廠有限公司負(fù)責(zé)設(shè)計制造的，型號為N300-16.7/538/538 型亞臨界、一次中間再熱、單軸、雙缸雙排氣、凝汽式汽輪機；鍋爐采用東方鍋爐有限公司制造的亞臨界參數(shù)自然循環(huán)單汽包、單爐膛循環(huán)流化床鍋爐，型號為DG1025/17.45-II16，汽水系統(tǒng)采用一次中間再熱，采用汽冷式旋風(fēng)分離器，露天布置，固態(tài)排渣，受熱面采用全懸吊方式，爐架為雙排柱鋼結(jié)構(gòu)。

其中，#4 機組原先采用的DCS 為和利時公司MACSV V5 分散控制系統(tǒng)，DEH 則采用艾默生公司的OVATION 3.0控制系統(tǒng)，ETS 采用了施耐德公司Modicon Quantum 雙機熱備雙網(wǎng)PLC 控制系統(tǒng)，A、B 小汽輪機MEH 與METS 采用與DCS 一體化，采用的是和利時公司MACSV V5，包含兩個控制單元。上位監(jiān)控系統(tǒng)中的操作員站、工程師站等工控機以及服務(wù)器均采用了DELL 公司產(chǎn)品，操作系統(tǒng)為Windows 操作系統(tǒng)。自機組自投產(chǎn)以來，整臺機組包括了多套控制系統(tǒng)，且已經(jīng)連續(xù)運行超過10 年，元器件存在一定的老化問題，維護成本和運行風(fēng)險提高，影響機組持續(xù)安全穩(wěn)定運行，亟需通過系統(tǒng)更新改造進(jìn)行徹底解決。

本次對機組原有的多套控制系統(tǒng)進(jìn)行了一體化國產(chǎn)改造，替代原有多個系統(tǒng)完成的全部功能，提供一致的維護和運行環(huán)境，降低了操作和維護工作量，同時還配套上線了工控安全系統(tǒng)。

2.2 控制系統(tǒng)配置

根據(jù)一體化控制以及生產(chǎn)工藝的需求，同時考慮重要主輔設(shè)備控制的分散度以提高可靠性，分系統(tǒng)對所有控制器進(jìn)行了整體化重新分配、替換和新增，范圍包括DCS、DAS、SCS、FSSS、MCS、DEH、MEH、ETS、METS 和ECS 等系統(tǒng)，涵蓋MFT、給煤系統(tǒng)、排渣系統(tǒng)、啟動給煤機、一二次風(fēng)、引風(fēng)機、流化風(fēng)機、吹灰器、疏水放氣、空預(yù)器、播煤風(fēng)系統(tǒng)、啟動床料系統(tǒng)、汽機主汽系統(tǒng)、旁路系統(tǒng)、疏水系統(tǒng)等，改造后的系統(tǒng)可完成機組主輔機設(shè)備的一體化監(jiān)視、控制與保護功能，同時一并消除了原來多套系統(tǒng)運行存在的一些問題。

硬件方面，整系統(tǒng)共配置了34 面機柜，其中包括24面控制柜（包含一對冗余的過程控制站DPU），1 面電源柜，1 面服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)柜和1 面接地箱。系統(tǒng)I/O 總點數(shù)約為13000 點。

上位監(jiān)控系統(tǒng)部分包括操作員站（OPR）、工程師站（ENG）、前置服務(wù)器、數(shù)據(jù)服務(wù)器、SIS 接口機（OPC）等。共配置了操作員站5 臺，為整個系統(tǒng)提供單元機組內(nèi)的過程監(jiān)控和相關(guān)管理功能；上位和下位工程師站各配置了2臺，完成系統(tǒng)設(shè)計、組態(tài)、調(diào)試、監(jiān)視和維護功能；前置服務(wù)器和數(shù)據(jù)服務(wù)器各設(shè)置了2 臺，用于數(shù)據(jù)采集和通訊、數(shù)據(jù)庫存儲、運算等功能；配置SIS 接口機1 臺，采用104規(guī)約完成SIS 等其它系統(tǒng)的通訊功能。所有的操作員站、工程師站、服務(wù)器、SIS 接口機硬件均采用國產(chǎn)飛騰CPU的長城DF720 服務(wù)器。前置服務(wù)器和數(shù)據(jù)服務(wù)器均進(jìn)行了雙機冗余配置，可在需要時進(jìn)行切換，系統(tǒng)還配置有2 臺網(wǎng)絡(luò)打印機。

根據(jù)不同工藝設(shè)備的控制要求，利用過程控制站DPU的分周期執(zhí)行功能，合理設(shè)置同一控制器內(nèi)多種執(zhí)行周期，根據(jù)數(shù)據(jù)流正確設(shè)置功能塊執(zhí)行順序，提升控制與保護回路正確性、實時性和可靠性。對于所有重要的主、輔機保護信號均采用了軟硬件冗余配置與品質(zhì)判斷，解決了鍋爐原有的一、二次風(fēng)量保護測點單點配置問題，將多臺主/備運行的重要輔機（輔助）設(shè)備的控制，重新分配到在不同控制器中，提高運行可靠性；開發(fā)了自定義的特殊算法功能塊，提高易用性，同時滿足循環(huán)流化床工藝控制要求；根據(jù)用戶原有使用習(xí)慣，在國產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)平臺開發(fā)了清晰直觀的流程畫面和彈出操作面板畫面。

改造過程中還完善了與DCS 通訊接口的控制系統(tǒng)和設(shè)備，包括廠級實時監(jiān)控系統(tǒng)SIS、DCS 信息防護系統(tǒng)、AGC輔助調(diào)頻監(jiān)控系統(tǒng)、CEMS 在線監(jiān)測診斷系統(tǒng)等。

2.3 電氣監(jiān)控系統(tǒng)ECS

在電氣控制方面，本次改造同步完成了發(fā)變組及500 kV 母線保護裝置升級改造，500 kV 升壓站NCS 升級改造和直流系統(tǒng)改造，優(yōu)化了系統(tǒng)配置和保護邏輯，提高電氣系統(tǒng)可靠性。

2.4 應(yīng)用效果

項目將機組DCS 控制邏輯的控制性能優(yōu)化和相關(guān)試驗也一并納入本次改造范圍，包括AGC、一次調(diào)頻、閥門流量特性、協(xié)調(diào)控制、汽溫控制、一次風(fēng)量控制、二次風(fēng)量控制、氧量控制、脫硝控制等關(guān)鍵模擬量控制系統(tǒng)優(yōu)化及試驗，并配套進(jìn)行就地測控設(shè)備改造，以及保護信號冗余優(yōu)化等。根據(jù)循環(huán)流化床鍋爐NOx 生成和排放機理[6]，結(jié)合實際運行情況，提出了優(yōu)化的運行方式和控制策略，優(yōu)化后的SCR 出口NOx 波動從±30mg/Nm3降低到變負(fù)荷時偏差在±10mg/Nm3以內(nèi)，穩(wěn)態(tài)時偏差在±6mg/Nm3以內(nèi)，控制曲線如圖2。

機組采用國產(chǎn)DCS 進(jìn)行一體化改造后，經(jīng)現(xiàn)場實際測試各項性能指標(biāo)均達(dá)到優(yōu)良水平，各項實際運行指標(biāo)如測點投入率、準(zhǔn)確率、自動投入率、保護投入率、動作正確率等均達(dá)到了100%。同時根據(jù)電網(wǎng)的調(diào)峰、調(diào)頻要求，對機組AGC、一次調(diào)頻等功能進(jìn)行優(yōu)化，試驗結(jié)果表明AGC投運效果符合電網(wǎng)調(diào)度考核要求，機組具有較強的變負(fù)荷能力。

3 結(jié)束語

圖2 優(yōu)化后的脫硝曲線Fig.2 The optimized denitrification curve

實現(xiàn)能源領(lǐng)域電力核心控制裝備與系統(tǒng)的自主安全可控不僅符合國家發(fā)展戰(zhàn)略要求，而且對于化解核心控制系統(tǒng)“卡脖子”問題，保障電力可靠供應(yīng)，提高能源安全性，促進(jìn)上游國產(chǎn)基礎(chǔ)軟硬件生態(tài)構(gòu)建都具有重要意義。

采用國產(chǎn)基礎(chǔ)軟硬件開發(fā)的maxCHD 自主可控分散控制系統(tǒng)首次在300 MW 循環(huán)流化床機組實現(xiàn)了一體化控制的成功應(yīng)用。現(xiàn)場投運效果表明，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，各項性能指標(biāo)優(yōu)異，滿足電站機組控制功能和性能要求。

maxCHD 自主可控DCS 已具備對各種類型火電機組實施安全、可靠的一體化改造能力，解決了對國外品牌依賴嚴(yán)重，系統(tǒng)備品備件費用高，維護困難等難題，具備很高的推廣應(yīng)用價值。