完全自主可控DCS在1000MW超超臨界機(jī)組一體化控制中的應(yīng)用

引言

隨著電力工業(yè)發(fā)展進(jìn)入大電網(wǎng)、大機(jī)組和高度自動(dòng)化的時(shí)代,電力行業(yè)對(duì)火電機(jī)組可靠性、安全性及控制性能提出了更高的要求。分散控制系統(tǒng)(DCS)作為火電機(jī)組控制的核心和大腦,增強(qiáng)其自主可控能力顯得尤為重要。

中國(guó)華電集團(tuán)有限公司依托國(guó)電南京自動(dòng)化股份有限公司,在國(guó)內(nèi)較早地開展了DCS核心軟硬件的國(guó)產(chǎn)化工作,與中國(guó)電子、中國(guó)電科等國(guó)內(nèi)優(yōu)勢(shì)技術(shù)力量深度合作,開展核心技術(shù)攻關(guān)工作,研制出了完全自主可控的DCS一華電睿藍(lán)智能分散控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了1000MW超超臨界機(jī)組控制中主機(jī)DCS、DEH、脫硫、吹灰、電除塵等主輔機(jī)的一體化應(yīng)用,應(yīng)用結(jié)果表明,該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠,性能優(yōu)異,完全滿足大型火電機(jī)組一體化控制的要求,標(biāo)志著我國(guó)火電機(jī)組核心控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)完全自主可控,在發(fā)電領(lǐng)域自主可控技術(shù)上取得了重大突破,筑牢了國(guó)家能源電力安全“堡壘"。

本文主要介紹華電睿藍(lán)智能分散控制系統(tǒng)的整體架構(gòu)、技術(shù)特點(diǎn)及其在華電句容電廠1號(hào)1000MW超超臨界機(jī)組一體化控制中的應(yīng)用情況。

1原控制系統(tǒng)應(yīng)用情況分析

華電句容電廠1號(hào)機(jī)組于20w3年8月投運(yùn),受當(dāng)時(shí)技術(shù)條件和成本限制,機(jī)組未實(shí)現(xiàn)一體化控制,存在自主可控能力較低、存有安全隱患和“卡脖子"等問(wèn)題,主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

(1)原主機(jī)DCS、脫硫DCS采用maxDNA控制系統(tǒng),主機(jī)DEH采用T3000控制系統(tǒng),吹灰控制采用西門子PLC,電除塵控制采用施耐德PLC,多種控制系統(tǒng)共存的方式存在系統(tǒng)間通信量大、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不同、與電氣GPS系統(tǒng)時(shí)間無(wú)法統(tǒng)一等問(wèn)題,對(duì)機(jī)組事故異常分析極為不利:

(2)每種系統(tǒng)都需配置不同的備品配件,部分備件價(jià)格昂貴且難以采購(gòu),不利于機(jī)組的生產(chǎn)維護(hù):

(3)隨著后續(xù)改造項(xiàng)目的增加,部分系統(tǒng)存在諸如運(yùn)行卡件通道備用點(diǎn)數(shù)不足、歷史站存儲(chǔ)能力有限等問(wèn)題。

近年來(lái),隨著電力企業(yè)控制系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程日益加快,軟硬件技術(shù)逐步走向成熟,加之考慮到國(guó)際形勢(shì)的變化和國(guó)家安全戰(zhàn)略,國(guó)家大力提倡和鼓勵(lì)自主品牌在企業(yè)控制領(lǐng)域的開發(fā)和應(yīng)用,解決國(guó)外高新技術(shù)“卡脖子"的困境。為提高機(jī)組運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性,華電句容電廠采用國(guó)電南自公司自主研發(fā)的華電睿藍(lán)智能分散控制系統(tǒng)對(duì)該1000MW超超臨界機(jī)組進(jìn)行一體化控制改造。

2華電睿藍(lán)智能分散控制系統(tǒng)整體架構(gòu)及技術(shù)特點(diǎn)

華電睿藍(lán)智能分散控制系統(tǒng)是國(guó)電南自自主研發(fā)的完全自主可控分散控制系統(tǒng),采用自主可控的國(guó)產(chǎn)CPU開發(fā)過(guò)程控制站(DPU),基于國(guó)產(chǎn)嵌入式操作系統(tǒng)開發(fā)DPU應(yīng)用程序。采用國(guó)產(chǎn)元器件開發(fā)I/O模件,實(shí)現(xiàn)“核心芯片國(guó)產(chǎn)化,外圍芯片可控可替代"目標(biāo):采用國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)、國(guó)產(chǎn)計(jì)算機(jī)以及國(guó)產(chǎn)交換機(jī)等,實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)核心軟件代碼自主可控,系統(tǒng)整體功能、性能和可靠性等滿足火電機(jī)組控制要求,并優(yōu)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)/行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。該系統(tǒng)具有以下特點(diǎn):

(1)基于自主可控國(guó)產(chǎn)CPU的分散控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)DPU。

對(duì)于分散控制系統(tǒng)過(guò)程控制站(DPU),綜合考慮CPU性能、尺寸、功耗和可靠性等要求,選用特定型號(hào)的國(guó)產(chǎn)飛騰CPU(FT2000/4),并開發(fā)所需的外圍配套電路,實(shí)現(xiàn)完整的DPU功能。在自主可控的銀河麒麟等操作系統(tǒng)環(huán)境下,為適應(yīng)Linux內(nèi)核,分別考慮實(shí)時(shí)控制層和監(jiān)控層對(duì)安全性和實(shí)時(shí)性的要求,整體進(jìn)行系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì),滿足DPU和監(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)操作系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化和跨平臺(tái)的要求。

(2)深入系統(tǒng)指令級(jí)的DCS系統(tǒng)整體信息安全構(gòu)架方案。

在DCS的多個(gè)層面進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)安全加固,包括自定義SBP通信協(xié)議的加密與授權(quán)、應(yīng)用數(shù)字簽名、部署網(wǎng)絡(luò)惡意代碼和網(wǎng)絡(luò)入侵防護(hù)、網(wǎng)絡(luò)審計(jì)、主機(jī)加固軟硬件,并引入控制組態(tài)自動(dòng)備份和恢復(fù),形成完整的DCS系統(tǒng)整體信息安全架構(gòu)方案。

該系統(tǒng)具有安裝簡(jiǎn)單、分散程度高、通信可靠、安全性強(qiáng)等特點(diǎn),可廣泛適用于各種容量等級(jí)的火力發(fā)電廠,實(shí)現(xiàn)全廠一體化控制。

2.1華電睿藍(lán)智能分散控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)主控通信網(wǎng)絡(luò)為連接分散控制系統(tǒng)中各過(guò)程控制站、人一機(jī)接口站(操作員站、工程師站)或人一機(jī)接口數(shù)據(jù)服務(wù)器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)。采用工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)、全雙工模式工作,通信速率為100Mb/S,傳輸介質(zhì)采用超五類雙絞線或多模光纜。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1所示。

圖1 華電睿藍(lán)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

2.2華電睿藍(lán)智能分散控制系統(tǒng)的主要硬件特點(diǎn)

2.2.1控制器

華電睿藍(lán)智能分散控制系統(tǒng)采用的是基于天津飛騰最新一代FT2000/4CPU研發(fā)的控制器,運(yùn)算能力更強(qiáng),功耗更低,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、冗余通信網(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?？刂破鞯恼w結(jié)構(gòu)如圖2所示。

該控制器采用冗余的以太網(wǎng)口,直接連接網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)高速公路,完成數(shù)據(jù)的采集、控制、加工等功能。I/O模件等組件與真實(shí)過(guò)程控制的輸入/輸出相連接,依托高速并行的總線技術(shù),保證了I/O數(shù)據(jù)的高速可靠采集,并實(shí)現(xiàn)分周期執(zhí)行和最快10ms的回路處理周期,有效保證控制精度達(dá)到實(shí)際工程應(yīng)用的要求。

2.2.2I/O卡件

華電睿藍(lán)智能分散控制系統(tǒng)開發(fā)了高可靠性和高實(shí)時(shí)性的多主并發(fā)高速串行通信的I/O數(shù)據(jù)管理技術(shù),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,如圖3所示。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)須人工校驗(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。

提供種類多樣的I/O卡件來(lái)實(shí)現(xiàn)控制過(guò)程的分散性,包含模擬量輸入/輸出卡件、數(shù)字量輸入/輸出卡件、熱電偶輸入卡件、熱電阻輸入卡件等控制模件,滿足控制過(guò)程中不同信號(hào)的采集和輸出功能。提供專門使用在DEH控制中的閥門控制卡和轉(zhuǎn)速控制卡,可以精確地配合DEH系統(tǒng)完成汽輪機(jī)的控制。用于控制遠(yuǎn)程的就地設(shè)備,系統(tǒng)提供了豐富的接入方法,提供專用串口通信卡件支持ModbuS485協(xié)議,控制器的IoLINK接口支持ModbuSTCP協(xié)議,專用ProfibuS總線通信卡實(shí)現(xiàn)ProfibuSDP/PA通信功能,可以通信1000點(diǎn)以上的數(shù)據(jù),并且能夠提供雙冗余的設(shè)置,提高通信的質(zhì)量和安全性。

2.3華電睿藍(lán)智能分散控制系統(tǒng)的主要軟件特點(diǎn)

華電睿藍(lán)監(jiān)控系統(tǒng)采用基于Linux的銀河麒麟系統(tǒng),系統(tǒng)平臺(tái)采用先進(jìn)的面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思想,具有優(yōu)秀的可擴(kuò)展性,為用戶提供了一套高效、完善的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)建模機(jī)制與開放式的數(shù)據(jù)訪問(wèn)接口。系統(tǒng)平臺(tái)作為大型通用SCADA系統(tǒng),在提供海量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理能力及人機(jī)界面、規(guī)約通信、事件/報(bào)警、歷史存儲(chǔ)與訪問(wèn)、報(bào)表等各項(xiàng)通用SCADA功能的基礎(chǔ)上,還具有強(qiáng)大的開放性與可擴(kuò)展性,能夠滿足自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的各項(xiàng)功能、性能及可靠性的要求。

該系統(tǒng)提供圖形化及填表式組態(tài)方式,豐富的基礎(chǔ)功能塊可以最大程度地簡(jiǎn)化邏輯組態(tài)過(guò)程。針對(duì)不同的用戶需求,通過(guò)組合基礎(chǔ)功能塊,也可以合成復(fù)雜的專用功能塊,自定義功能強(qiáng)大,擴(kuò)展性強(qiáng)。組態(tài)工具可以實(shí)現(xiàn)邏輯的在線和離線修改,在線修改即時(shí)生效,提供了畫圖式修改方法,直觀性強(qiáng),對(duì)于用戶的調(diào)試和維護(hù)帶來(lái)了極大的便利。

31000MW超超臨界機(jī)組一體化控制中的應(yīng)用

3.1項(xiàng)目概況

該機(jī)組為1000MW超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組,鍋爐為東方鍋爐股份有限公司生產(chǎn)的單爐膛、前后墻對(duì)沖燃燒、一次中間再熱、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣超超臨界變壓運(yùn)行直流爐。制粉系統(tǒng)采用中速磨煤機(jī)冷一次風(fēng)機(jī)正壓直吹式制粉系統(tǒng),燃燒設(shè)計(jì)煤種時(shí),5臺(tái)運(yùn)行,1臺(tái)備用。鍋爐點(diǎn)火采用微油點(diǎn)火,起到點(diǎn)火及助燃作用,保留點(diǎn)火油系統(tǒng)。

汽輪機(jī)為上海汽輪機(jī)股份有限公司生產(chǎn)的超超臨界、一次中間再熱、單軸、四缸四排汽、雙背壓、凝汽式、八級(jí)回?zé)岢槠狡啓C(jī)。高壓旁路采用帶安全閥功能的100%容量三用閥系統(tǒng),低壓旁路容量為65%容量。給水系統(tǒng)設(shè)置2臺(tái)50%容量汽動(dòng)給水泵和1臺(tái)30%容量電動(dòng)給水泵。

發(fā)電機(jī)為上海汽輪發(fā)電機(jī)股份有限公司和德國(guó)西門子公司聯(lián)合設(shè)計(jì)制造的水氫氫冷卻、自并勵(lì)靜止勵(lì)磁汽輪發(fā)電機(jī)。

3.2工程應(yīng)用情況

該機(jī)組原主機(jī)DCS、脫硫DCS為maxDNA系統(tǒng),汽輪機(jī)控制(DEH)為T3000系統(tǒng),吹灰控制為西門子PLC,電除塵控制為施耐德PLC,在本次改造中統(tǒng)一升級(jí)為華電睿藍(lán)智能分散控制系統(tǒng)。改造前后各系統(tǒng)所采用的控制系統(tǒng)品牌如表1所示。

改造后,主機(jī)DCS、DEH、脫硫DCS、電除塵DCS、吹灰DCS均納入單元機(jī)組控制,控制設(shè)備分別布置在鍋爐電子間、汽機(jī)電子間、脫硫電子間和電除塵電子間。

單元機(jī)組控制系統(tǒng)I/O測(cè)點(diǎn)總數(shù)為13813點(diǎn),其中主機(jī)DCS涉及I/O點(diǎn)數(shù)為10807點(diǎn),DEH涉及I/O點(diǎn)數(shù)為1242點(diǎn),脫硫DCS涉及I/O點(diǎn)數(shù)為955點(diǎn),電除塵涉及I/O點(diǎn)數(shù)為809點(diǎn)。共配置控制器47對(duì),機(jī)柜80面,其中主機(jī)DCS配置控制器34對(duì),電源柜2面,繼電器柜2面,網(wǎng)絡(luò)柜2面,控制柜55面,鍋爐側(cè)及電氣側(cè)機(jī)柜布置在鍋爐電子間,汽機(jī)側(cè)機(jī)柜布置在汽機(jī)電子間:主機(jī)DEH配置控制器7對(duì),控制柜7面,布置在汽機(jī)電子間:脫硫DCS配置控制器3對(duì),電源柜1面,控制柜6面,布置在脫硫電子間:電除塵DCS配置控制器3對(duì),控制柜5面,布置在電除塵電子間。

DCS人機(jī)界面包括操作員站6臺(tái)、工程師站7臺(tái)、服務(wù)器4臺(tái)、SIS站2臺(tái)。

DCS與第三方通信包括發(fā)電廠廠用電氣自動(dòng)化系統(tǒng)(ECS)、智能前端、爐管泄漏系統(tǒng)機(jī)組及主要輔機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)分析故障診斷系統(tǒng)(TDM)、LED顯示屏等。

機(jī)組I/O卡件配置情況如表2所示,卡件通道備用率均為20%以上,遠(yuǎn)超業(yè)內(nèi)要求的15%。

2021年6月11日,華電睿藍(lán)智能分散控制系統(tǒng)在華電句容電廠1號(hào)1000MW超超臨界機(jī)組成功投運(yùn),在國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了1000MW超超臨界機(jī)組自主可控DCS&DEH一體化控制,再次突破自主可控DCS新高度,同時(shí)將脫硫、吹灰、電除塵等關(guān)鍵系統(tǒng)納入統(tǒng)一控制,實(shí)現(xiàn)了全廠意義上的主輔機(jī)一體化控制。

機(jī)組并網(wǎng)后,順利完成了AGC考核試驗(yàn)和一次調(diào)頻考核試驗(yàn),AGC和一次調(diào)頻性能良好,AGC考核試驗(yàn)曲線如圖4所示,一次調(diào)頻考核試驗(yàn)曲線如圖5所示。

系統(tǒng)投運(yùn)以來(lái),運(yùn)行穩(wěn)定可靠,機(jī)組自動(dòng)投入率100%,保護(hù)投入率100%,各項(xiàng)性能指標(biāo)優(yōu)異,該項(xiàng)目的成功投運(yùn)標(biāo)志著我國(guó)火電機(jī)組核心控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)完全自主可控。

4結(jié)論

大容量、高參數(shù)的1000MW超超臨界燃煤機(jī)組具有節(jié)能、減排、增效等優(yōu)點(diǎn),是支撐我國(guó)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的主力機(jī)組,研制和投運(yùn)與之匹配的完全自主可控的大型分散控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)主輔機(jī)全廠一體化控制,對(duì)于打破國(guó)外技術(shù)壟斷、提高電力基礎(chǔ)設(shè)施安全水平、保障國(guó)家能源產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)鏈安全和實(shí)現(xiàn)高水平科技自立自強(qiáng)具有重大意義。

國(guó)內(nèi)首套完全自主可控DCS一華電睿藍(lán)智能分散控制系統(tǒng),在最先進(jìn)、最高效的1000MW超超臨界等級(jí)機(jī)組實(shí)現(xiàn)了成功應(yīng)用,應(yīng)用后機(jī)組具有如下優(yōu)勢(shì):

(1)解決了工控系統(tǒng)"卡脖子"問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)了火電機(jī)組核心控制系統(tǒng)的完全自主可控:

(2)控制系統(tǒng)軟硬件技術(shù)水平先進(jìn),系統(tǒng)投運(yùn)以來(lái),穩(wěn)定可靠,未發(fā)生一起軟硬件故障:

(3)實(shí)現(xiàn)了主機(jī)DCS、DEH、脫硫、吹灰、電除塵等關(guān)鍵系統(tǒng)主輔機(jī)一體化控制,控制系統(tǒng)功能完善,備品備件充足:

(4)AGC及一次調(diào)頻性能優(yōu)異,為機(jī)組實(shí)現(xiàn)深度調(diào)峰控制起到了關(guān)鍵支撐作用。