引言

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

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,在國內(nèi)較早地開展了DCS核心軟硬件的國產(chǎn)化工作,與中國電子、中國電科等國內(nèi)優(yōu)勢技術(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一華電睿藍智能分散控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)在國內(nèi)首次實現(xiàn)了1000MW超超臨界機組控制中主機DCS、DEH、脫硫、吹灰、電除塵等主輔機的一體化應用,應用結(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組一體化控制的要求,標志著我國火電機組核心控制系統(tǒng)實現(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,筑牢了國家能源電力安全“堡壘"。

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

1原控制系統(tǒng)應用情況分析

華電句容電廠1號機組于20w3年8月投運,受當時技術(shù)條件和成本限制,機組未實現(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"等問題,主要表現(xiàn)在以下幾個方面:

(1)原主機DCS、脫硫DCS采用maxDNA控制系統(tǒng),主機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)時間無法統(tǒng)一等問題,對機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,部分備件價格昂貴且難以采購,不利于機組的生產(chǎn)維護:

(3)隨著后續(xù)改造項目的增加,部分系統(tǒng)存在諸如運行卡件通道備用點數(shù)不足、歷史站存儲能力有限等問題。

近年來,隨著電力企業(yè)控制系統(tǒng)國產(chǎn)化進程日益加快,軟硬件技術(shù)逐步走向成熟,加之考慮到國際形勢的變化和國家安全戰(zhàn)略,國家大力提倡和鼓勵自主品牌在企業(yè)控制領(lǐng)域的開發(fā)和應用,解決國外高新技術(shù)“卡脖子"的困境。為提高機組運行的安全性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟性,華電句容電廠采用國電南自公司自主研發(fā)的華電睿藍智能分散控制系統(tǒng)對該1000MW超超臨界機組進行一體化控制改造。

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

華電睿藍智能分散控制系統(tǒng)是國電南自自主研發(fā)的完全自主可控分散控制系統(tǒng),采用自主可控的國產(chǎn)CPU開發(fā)過程控制站(DPU),基于國產(chǎn)嵌入式操作系統(tǒng)開發(fā)DPU應用程序。采用國產(chǎn)元器件開發(fā)I/O模件,實現(xiàn)“核心芯片國產(chǎn)化,外圍芯片可控可替代"目標:采用國產(chǎn)操作系統(tǒng)、國產(chǎn)計算機以及國產(chǎn)交換機等,實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)國產(chǎn)化,實現(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組控制要求,并優(yōu)于國家標準/行業(yè)標準要求。該系統(tǒng)具有以下特點:

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

對于分散控制系統(tǒng)過程控制站(DPU),綜合考慮CPU性能、尺寸、功耗和可靠性等要求,選用特定型號的國產(chǎn)飛騰CPU(FT2000/4),并開發(fā)所需的外圍配套電路,實現(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Linux內(nèi)核,分別考慮實時控制層和監(jiān)控層對安全性和實時性的要求,整體進行系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計,滿足DPU和監(jiān)控系統(tǒng)主機操作系統(tǒng)國產(chǎn)化和跨平臺的要求。

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

在DCS的多個層面進行網(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、網(wǎng)絡(luò)審計、主機加固軟硬件,并引入控制組態(tài)自動備份和恢復,形成完整的DCS系統(tǒng)整體信息安全架構(gòu)方案。

該系統(tǒng)具有安裝簡單、分散程度高、通信可靠、安全性強等特點,可廣泛適用于各種容量等級的火力發(fā)電廠,實現(xiàn)全廠一體化控制。

2.1華電睿藍智能分散控制系統(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)中各過程控制站、人一機接口站(操作員站、工程師站)或人一機接口數(shù)據(jù)服務(wù)器的實時數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)。采用工業(yè)以太網(wǎng)交換機、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)拓撲如圖1所示。

圖1 華電睿藍系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲圖

2.2華電睿藍智能分散控制系統(tǒng)的主要硬件特點

2.2.1控制器

華電睿藍智能分散控制系統(tǒng)采用的是基于天津飛騰最新一代FT2000/4CPU研發(fā)的控制器,運算能力更強,功耗更低,擴展了必要的外圍電路,包括電源轉(zhuǎn)換模塊、超級電容模塊、熱備網(wǎng)絡(luò)模塊、冗余通信網(wǎng)絡(luò)模塊、撥碼開關(guān)、存儲器模塊、測溫模塊、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模件等組件與真實過程控制的輸入/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到實際工程應用的要求。

2.2.2I/O卡件

華電睿藍智能分散控制系統(tǒng)開發(fā)了高可靠性和高實時性的多主并發(fā)高速串行通信的I/O數(shù)據(jù)管理技術(shù),與運算處理器互相獨立,結(jié)合執(zhí)行時序同步技術(shù),保證運算、通信的實時性和可靠性,如圖3所示。I/O模件采用雙路高速串行總線,實現(xiàn)高速冗余的I/O層級通信,在I/O模件的測量回路中設(shè)計了完善的自校驗功能,可以保證長時間運行信號測量和輸出的準確性而無須人工校驗。采用基于IRIG-B碼對時的時間順序記錄(SOE)機制,可實現(xiàn)跨電子間的不超過1ms時間順序記錄精度。

提供種類多樣的I/O卡件來實現(xiàn)控制過程的分散性,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,滿足控制過程中不同信號的采集和輸出功能。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)完成汽輪機的控制。用于控制遠程的就地設(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總線通信卡實現(xiàn)ProfibuSDP/PA通信功能,可以通信1000點以上的數(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華電睿藍智能分散控制系統(tǒng)的主要軟件特點

華電睿藍監(jiān)控系統(tǒng)采用基于Linux的銀河麒麟系統(tǒng),系統(tǒng)平臺采用先進的面向?qū)ο蟮脑O(shè)計思想,具有優(yōu)秀的可擴展性,為用戶提供了一套高效、完善的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)建模機制與開放式的數(shù)據(jù)訪問接口。系統(tǒng)平臺作為大型通用SCADA系統(tǒng),在提供海量實時數(shù)據(jù)處理能力及人機界面、規(guī)約通信、事件/報警、歷史存儲與訪問、報表等各項通用SCADA功能的基礎(chǔ)上,還具有強大的開放性與可擴展性,能夠滿足自動化監(jiān)控系統(tǒng)的各項功能、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化邏輯組態(tài)過程。針對不同的用戶需求,通過組合基礎(chǔ)功能塊,也可以合成復雜的專用功能塊,自定義功能強大,擴展性強。組態(tài)工具可以實現(xiàn)邏輯的在線和離線修改,在線修改即時生效,提供了畫圖式修改方法,直觀性強,對于用戶的調(diào)試和維護帶來了極大的便利。

31000MW超超臨界機組一體化控制中的應用

3.1項目概況

該機組為1000MW超超臨界燃煤發(fā)電機組,鍋爐為東方鍋爐股份有限公司生產(chǎn)的單爐膛、前后墻對沖燃燒、一次中間再熱、平衡通風、固態(tài)排渣超超臨界變壓運行直流爐。制粉系統(tǒng)采用中速磨煤機冷一次風機正壓直吹式制粉系統(tǒng),燃燒設(shè)計煤種時,5臺運行,1臺備用。鍋爐點火采用微油點火,起到點火及助燃作用,保留點火油系統(tǒng)。

汽輪機為上海汽輪機股份有限公司生產(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、八級回熱抽汽式汽輪機。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50%容量汽動給水泵和1臺30%容量電動給水泵。

發(fā)電機為上海汽輪發(fā)電機股份有限公司和德國西門子公司聯(lián)合設(shè)計制造的水氫氫冷卻、自并勵靜止勵磁汽輪發(fā)電機。

3.2工程應用情況

該機組原主機DCS、脫硫DCS為maxDNA系統(tǒng),汽輪機控制(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)一升級為華電睿藍智能分散控制系統(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DCS、DEH、脫硫DCS、電除塵DCS、吹灰DCS均納入單元機組控制,控制設(shè)備分別布置在鍋爐電子間、汽機電子間、脫硫電子間和電除塵電子間。

單元機組控制系統(tǒng)I/O測點總數(shù)為13813點,其中主機DCS涉及I/O點數(shù)為10807點,DEH涉及I/O點數(shù)為1242點,脫硫DCS涉及I/O點數(shù)為955點,電除塵涉及I/O點數(shù)為809點。共配置控制器47對,機柜80面,其中主機DCS配置控制器34對,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)機柜布置在鍋爐電子間,汽機側(cè)機柜布置在汽機電子間:主機DEH配置控制器7對,控制柜7面,布置在汽機電子間:脫硫DCS配置控制器3對,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,控制柜5面,布置在電除塵電子間。

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

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

機組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,遠超業(yè)內(nèi)要求的15%。

2021年6月11日,華電睿藍智能分散控制系統(tǒng)在華電句容電廠1號1000MW超超臨界機組成功投運,在國內(nèi)首次實現(xiàn)了1000MW超超臨界機組自主可控DCS&DEH一體化控制,再次突破自主可控DCS新高度,同時將脫硫、吹灰、電除塵等關(guān)鍵系統(tǒng)納入統(tǒng)一控制,實現(xiàn)了全廠意義上的主輔機一體化控制。

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

系統(tǒng)投運以來,運行穩(wěn)定可靠,機組自動投入率100%,保護投入率100%,各項性能指標優(yōu)異,該項目的成功投運標志著我國火電機組核心控制系統(tǒng)實現(xiàn)完全自主可控。

4結(jié)論

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

國內(nèi)首套完全自主可控DCS一華電睿藍智能分散控制系統(tǒng),在最先進、最高效的1000MW超超臨界等級機組實現(xiàn)了成功應用,應用后機組具有如下優(yōu)勢:

(1)解決了工控系統(tǒng)"卡脖子"問題,實現(xiàn)了火電機組核心控制系統(tǒng)的完全自主可控:

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

(3)實現(xiàn)了主機DCS、DEH、脫硫、吹灰、電除塵等關(guān)鍵系統(tǒng)主輔機一體化控制,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,為機組實現(xiàn)深度調(diào)峰控制起到了關(guān)鍵支撐作用。