完全自主可控DCS在1000MW超超临界机组一体化控制中的应用
时间：2022-12-03 21:05:02 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
解建萍 葛举生 王兆舜 刘舟
（1.华电江苏能源有限公司句容发电分公司，江苏镇江 212414；
2.国电南京自动化股份有限公司，江苏南京 210032）
随着电力工业发展进入大电网、大机组和高度自动化的时代，电力行业对火电机组可靠性、安全性及控制性能提出了更高的要求[1]。分散控制系统（DCS）作为火电机组控制的核心和大脑，增强其自主可控能力显得尤为重要[2-6]。
中国华电集团有限公司依托国电南京自动化股份有限公司，在国内较早地开展了DCS核心软硬件的国产化工作，与中国电子、中国电科等国内优势技术力量深度合作，开展核心技术攻关工作，研制出了完全自主可控的DCS——华电睿蓝智能分散控制系统。该系统在国内首次实现了1 000 MW超超临界机组控制中主机DCS、DEH、脱硫、吹灰、电除尘等主辅机的一体化应用，应用结果表明，该系统稳定可靠，性能优异，完全满足大型火电机组一体化控制的要求，标志着我国火电机组核心控制系统实现完全自主可控，在发电领域自主可控技术上取得了重大突破，筑牢了国家能源电力安全“堡垒”。
本文主要介绍华电睿蓝智能分散控制系统的整体架构、技术特点及其在华电句容电厂1号1 000 MW超超临界机组一体化控制中的应用情况。
华电句容电厂1号机组于2013年8月投运，受当时技术条件和成本限制，机组未实现一体化控制，存在自主可控能力较低、存有安全隐患和“卡脖子”等问题，主要表现在以下几个方面：
（1）原主机DCS、脱硫DCS采用maxDNA控制系统，主机DEH采用T3000控制系统，吹灰控制采用西门子PLC，电除尘控制采用施耐德PLC，多种控制系统共存的方式存在系统间通信量大、网络结构不同、与电气GPS系统时间无法统一等问题，对机组事故异常分析极为不利；
（2）每种系统都需配置不同的备品配件，部分备件价格昂贵且难以采购，不利于机组的生产维护；
（3）随着后续改造项目的增加，部分系统存在诸如运行卡件通道备用点数不足、历史站存储能力有限等问题。
近年来，随着电力企业控制系统国产化进程日益加快，软硬件技术逐步走向成熟，加之考虑到国际形势的变化和国家安全战略，国家大力提倡和鼓励自主品牌在企业控制领域的开发和应用，解决国外高新技术“卡脖子”的困境。为提高机组运行的安全性、稳定性、经济性，华电句容电厂采用国电南自公司自主研发的华电睿蓝智能分散控制系统对该1 000 MW超超临界机组进行一体化控制改造。
华电睿蓝智能分散控制系统是国电南自自主研发的完全自主可控分散控制系统，采用自主可控的国产CPU开发过程控制站（DPU），基于国产嵌入式操作系统开发DPU应用程序。采用国产元器件开发I/O模件，实现“核心芯片国产化，外围芯片可控可替代”目标；
采用国产操作系统、国产计算机以及国产交换机等，实现监控系统国产化，实现系统核心软件代码自主可控，系统整体功能、性能和可靠性等满足火电机组控制要求，并优于国家标准/行业标准要求。该系统具有以下特点：
（1）基于自主可控国产CPU的分散控制系统设计DPU。
对于分散控制系统过程控制站（DPU），综合考虑CPU性能、尺寸、功耗和可靠性等要求，选用特定型号的国产飞腾CPU（FT2000/4），并开发所需的外围配套电路，实现完整的DPU功能。在自主可控的银河麒麟等操作系统环境下，为适应Linux内核，分别考虑实时控制层和监控层对安全性和实时性的要求，整体进行系统架构设计，满足DPU和监控系统主机操作系统国产化和跨平台的要求。
（2）深入系统指令级的DCS系统整体信息安全构架方案。
在DCS的多个层面进行网络安全加固，包括自定义SBP通信协议的加密与授权、应用数字签名、部署网络恶意代码和网络入侵防护、网络审计、主机加固软硬件，并引入控制组态自动备份和恢复，形成完整的DCS系统整体信息安全架构方案。
该系统具有安装简单、分散程度高、通信可靠、安全性强等特点，可广泛适用于各种容量等级的火力发电厂，实现全厂一体化控制。
2.1 华电睿蓝智能分散控制系统的网络结构[7]
该系统主控通信网络为连接分散控制系统中各过程控制站、人—机接口站（操作员站、工程师站）或人—机接口数据服务器的实时数据通信网络。采用工业以太网交换机、全双工模式工作，通信速率为100 Mb/s，传输介质采用超五类双绞线或多模光缆。系统网络拓扑如图1所示。
图1 华电睿蓝系统网络拓扑图
2.2 华电睿蓝智能分散控制系统的主要硬件特点[7]
2.2.1 控制器
华电睿蓝智能分散控制系统采用的是基于天津飞腾最新一代FT2000/4 CPU研发的控制器，运算能力更强，功耗更低，扩展了必要的外围电路，包括电源转换模块、超级电容模块、热备网络模块、冗余通信网络模块、拨码开关、存储器模块、测温模块、LED指示灯模块、显示模块和USB接口模块等。控制器的整体结构如图2所示。
图2 基于FT2000/4 CPU的控制器架构图
该控制器采用冗余的以太网口，直接连接网络数据高速公路，完成数据的采集、控制、加工等功能。I/O模件等组件与真实过程控制的输入/输出相连接，依托高速并行的总线技术，保证了I/O数据的高速可靠采集，并实现分周期执行和最快10 ms的回路处理周期，有效保证控制精度达到实际工程应用的要求。
2.2.2 I/O卡件
华电睿蓝智能分散控制系统开发了高可靠性和高实时性的多主并发高速串行通信的I/O数据管理技术，与运算处理器互相独立，结合执行时序同步技术，保证运算、通信的实时性和可靠性，如图3所示。I/O模件采用双路高速串行总线，实现高速冗余的I/O层级通信，在I/O模件的测量回路中设计了完善的自校验功能，可以保证长时间运行信号测量和输出的准确性而无须人工校验。采用基于IRIG-B码对时的时间顺序记录（SOE）机制，可实现跨电子间的不超过1 ms时间顺序记录精度。
图3 过程控制站网络架构图
提供种类多样的I/O卡件来实现控制过程的分散性，包含模拟量输入/输出卡件、数字量输入/输出卡件、热电偶输入卡件、热电阻输入卡件等控制模件，满足控制过程中不同信号的采集和输出功能。提供专门使用在DEH控制中的阀门控制卡和转速控制卡，可以精确地配合DEH系统完成汽轮机的控制。用于控制远程的就地设备，系统提供了丰富的接入方法，提供专用串口通信卡件支持Modbus 485协议，控制器的IO LINK接口支持Modbus TCP协议，专用Profibus总线通信卡实现Profibus DP/PA通信功能，可以通信1 000点以上的数据，并且能够提供双冗余的设置，提高通信的质量和安全性。
2.3 华电睿蓝智能分散控制系统的主要软件特点[8]
华电睿蓝监控系统采用基于Linux的银河麒麟系统，系统平台采用先进的面向对象的设计思想，具有优秀的可扩展性，为用户提供了一套高效、完善的业务数据建模机制与开放式的数据访问接口。系统平台作为大型通用SCADA系统，在提供海量实时数据处理能力及人机界面、规约通信、事件/报警、历史存储与访问、报表等各项通用SCADA功能的基础上，还具有强大的开放性与可扩展性，能够满足自动化监控系统的各项功能、性能及可靠性的要求。
该系统提供图形化及填表式组态方式，丰富的基础功能块可以最大程度地简化逻辑组态过程。针对不同的用户需求，通过组合基础功能块，也可以合成复杂的专用功能块，自定义功能强大，扩展性强。组态工具可以实现逻辑的在线和离线修改，在线修改即时生效，提供了画图式修改方法，直观性强，对于用户的调试和维护带来了极大的便利。
3.1 项目概况
该机组为1 000 MW超超临界燃煤发电机组，锅炉为东方锅炉股份有限公司生产的单炉膛、前后墙对冲燃烧、一次中间再热、平衡通风、固态排渣超超临界变压运行直流炉。制粉系统采用中速磨煤机冷一次风机正压直吹式制粉系统，燃烧设计煤种时，5台运行，1台备用。锅炉点火采用微油点火，起到点火及助燃作用，保留点火油系统。
汽轮机为上海汽轮机股份有限公司生产的超超临界、一次中间再热、单轴、四缸四排汽、双背压、凝汽式、八级回热抽汽式汽轮机。高压旁路采用带安全阀功能的100%容量三用阀系统，低压旁路容量为65%容量。给水系统设置2台50%容量汽动给水泵和1台30%容量电动给水泵。
发电机为上海汽轮发电机股份有限公司和德国西门子公司联合设计制造的水氢氢冷却、自并励静止励磁汽轮发电机。
3.2 工程应用情况
该机组原主机DCS、脱硫DCS为maxDNA系统，汽轮机控制（DEH）为T3000系统，吹灰控制为西门子PLC，电除尘控制为施耐德PLC，在本次改造中统一升级为华电睿蓝智能分散控制系统。改造前后各系统所采用的控制系统品牌如表1所示。
表1 改造前后控制系统品牌对照表
改造后，主机DCS、DEH、脱硫DCS、电除尘DCS、吹灰DCS均纳入单元机组控制，控制设备分别布置在锅炉电子间、汽机电子间、脱硫电子间和电除尘电子间。
单元机组控制系统I/O测点总数为13 813点，其中主机DCS涉及I/O点数为10 807点，DEH涉及I/O点数为1 242点，脱硫DCS涉及I/O点数为955点，电除尘涉及I/O点数为809点。共配置控制器47对，机柜80面，其中主机DCS配置控制器34对，电源柜2面，继电器柜2面，网络柜2面，控制柜55面，锅炉侧及电气侧机柜布置在锅炉电子间，汽机侧机柜布置在汽机电子间；
主机DEH配置控制器7对，控制柜7面，布置在汽机电子间；
脱硫DCS配置控制器3对，电源柜1面，控制柜6面，布置在脱硫电子间；
电除尘DCS配置控制器3对，控制柜5面，布置在电除尘电子间。
DCS人机界面包括操作员站6台、工程师站7台、服务器4台、SIS站2台。
DCS与第三方通信包括发电厂厂用电气自动化系统（ECS）、智能前端、炉管泄漏系统机组及主要辅机振动监测分析故障诊断系统（TDM）、LED显示屏等。
机组I/O卡件配置情况如表2所示，卡件通道备用率均为20%以上，远超业内要求的15%。
表2 改造后机组I/O卡件配置表
2021年6月11日，华电睿蓝智能分散控制系统在华电句容电厂1号1 000 MW超超临界机组成功投运[9]，在国内首次实现了1 000 MW超超临界机组自主可控DCS&DEH一体化控制，再次突破自主可控DCS新高度，同时将脱硫、吹灰、电除尘等关键系统纳入统一控制，实现了全厂意义上的主辅机一体化控制。
机组并网后，顺利完成了AGC考核试验和一次调频考核试验，AGC和一次调频性能良好，AGC考核试验曲线如图4所示，一次调频考核试验曲线如图5所示。
图4 AGC性能考核试验曲线
图5 一次调频性能考核试验曲线
系统投运以来，运行稳定可靠，机组自动投入率100%，保护投入率100%，各项性能指标优异，该项目的成功投运标志着我国火电机组核心控制系统实现完全自主可控。
大容量、高参数的1 000 MW超超临界燃煤机组具有节能、减排、增效等优点，是支撑我国电网安全稳定运行的主力机组，研制和投运与之匹配的完全自主可控的大型分散控制系统，实现主辅机全厂一体化控制，对于打破国外技术垄断、提高电力基础设施安全水平、保障国家能源产业链供应链安全和实现高水平科技自立自强具有重大意义。
国内首套完全自主可控DCS——华电睿蓝智能分散控制系统，在最先进、最高效的1 000 MW超超临界等级机组实现了成功应用，应用后机组具有如下优势：
（1）解决了工控系统“卡脖子”问题，实现了火电机组核心控制系统的完全自主可控；
（2）控制系统软硬件技术水平先进，系统投运以来，稳定可靠，未发生一起软硬件故障；
（3）实现了主机DCS、DEH、脱硫、吹灰、电除尘等关键系统主辅机一体化控制，控制系统功能完善，备品备件充足；
（4）AGC及一次调频性能优异，为机组实现深度调峰控制起到了关键支撑作用。
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