塔式太陽能電廠SIS系統研究與應用*

鄭瑞波 萬定生

(河海大學計算機及信息工程學院 南京 210098)

1 引言

廠級監控信息系統(Supervisory information system,SIS),是實現電廠管理信息系統與各種分散控制系統之間數據交換的橋梁[1],是提高電廠整體效益,保障電廠穩定、經濟運行的關鍵。近幾年來,隨著人們對能源需求的日益增加,提高生產效益成了如今電廠日益關注的話題。SIS系統也日益顯示出其重要性。塔式太陽能熱發電系統是一個復雜的熱力系統,具有強非線性、大延遲、大慣性的特點,并且太陽能輻照具有很強的不確定性,鏡場規模龐大,又易受外界環境影響,控制難度較大。因此,除了在熱力系統設計中,設置儲熱裝置等常規熱發電站沒有的設備外,在控制系統的硬件配置、網絡通訊和控制策略等方面也有獨特的要求[2]。塔式太陽能電廠生產效率比較低,熱能利用率低,熱電轉化效率低,發電成本高,因此太陽能電廠目前尚處于實驗階段,如何提高塔式太陽能電廠的運行效率就顯得尤為重要。本文就SIS系統在塔式太陽能電廠的實施和應用進行了研究。

2 塔式太陽能電廠SIS系統的總體設計方案

廠級監控信息系統總體設計中充分考慮技術的先進性、可靠性、可維護性、可擴展性等原則,整體規劃、合理布局,充分考慮系統高性能和高可用性要求,切實保證過程自動化系統的安全性和可靠性。

2.1 總體要求

廠級監控信息系統應采用1000Mbps以太網或其它開放性高速網絡作為信息傳遞和數據傳輸的媒體。主干網采用光纖連接,支干網采用雙絞線連接。相應的網絡設備、接口設備、數據庫服務器、功能站、網絡管理站、計算機終端設備和過程管理軟件包等來完成全廠主輔生產過程的統一協調、管理。

廠級監控信息系統的設計應采用合適的網絡配置和完善的自診斷功能,使其具有高度的可靠性。系統內任一部件發生故障均不應影響整個系統的工作。不能因為廠級監控信息系統故障或退出運行,使與其相連的DCS等實時生產控制系統的正常運行受到任何影響。不能因為廠級監控信息系統與實時生產控制系統以及與MIS的通訊而影響DCS等生產控制系統的實時處理能力,或使DCS等生產控制系統的通訊總線負荷率超過40%(若DCS等生產控制系統采用以太網作為通訊總線,則不應使其負荷率超過20%)。系統的各項功能應由各種功能軟件以實時信息數據庫為基礎完成。

廠級監控信息系統應采取物理安全措施、訪問控制、身份認證、入侵檢測、積極防病毒和恢復與備份等手段作為網絡安全的基本措施,防止各類計算機病毒的侵害、人為的破壞和廠級監控信息系統實時數據庫的數據丟失,特別要防止通過接口對DCS、PLC等控制系統的干擾與入侵[4]。

2.2 網絡結構

廠級監控信息系統的網絡結構如圖1所示。

圖1 SIS系統網絡結構

廠級監控信息系統網絡結構采用了分層、分布式設計,整個SIS分為應用層和接口層兩層。下層為SIS接口層網絡,提供SIS與下層網絡DCS控制系統(包括鏡場控制系統,吸熱器控制系統,熱電轉換系統,發電機控制系統,氣象監測系統等)的數據接口。采用分布式采集策略,可以有效隔離網絡上下的故障,還可以利用前置機的緩沖功能,防止數據服務器故障時丟失數據。上層為SIS應用層網絡,掛接SIS層各服務器和客戶端設備,并提供與上層網絡MIS系統的數據借口。

通過分層設計,一方面便于分散通訊負荷,提高各層通訊效率和網絡可靠性;另一方面可以通過數據服務器進行技術和通訊協議選擇。上層技術選擇強調開放性,選擇交換式以太網技術比較合適;下層則更強調與各控制網絡的互通性。實時/歷史數據服務器可以根據重要性考慮冗余配置。在技術實現上,兩層獨立網絡既可通過物理網絡實現,又可通過虛擬網絡(VLAN)實現。SIS和MIS的互連采用圖2所示的防火墻策略,將SIS的應用層網絡通過防火墻連接到MIS骨干網上,在防火墻上設置各種安全策略來限制SIS和MIS之間的數據交流。這種方法可以較好地滿足SIS應用層安全性和可靠性的優點,也方便SIS的各種應用軟件從MIS網上獲取數據,同時還可以滿足MIS網上用戶訪問實時數據的需要[3]。

3 SIS系統的功能設計

塔式太陽能電廠SIS系統的主要功能有:全廠系統實時信息顯示、廠級性能計算、全廠運行模式調度以及故障診斷和壽命管理。

3.1 全廠各監控系統實時信息顯示

該功能以畫面、曲線等形式顯示各個功能模塊及其設備的運行狀態和性能參數,為廠級生產管理人員提供實時信息。同時記錄生產過程的主要數據,存入數據庫,為以后統計、查詢、分析等工作提供資料。同時,還可根據各職能部門需要生成各類生產、經濟指標統計報表。下層設鏡場系統、吸熱器系統、熱電轉換系統和發電機系統四個子系統。

3.2 廠級性能計算

廠級性能計算平臺是廠級監控信息系統的重要功能。該功能用于計算各分系統設備的效率等性能參數。主要給出鏡場、吸熱器、換熱器、凝汽器、汽輪機、蒸汽蓄熱器、除氧器等各設備效率、參數及性能分析。顯示計算值和設計工況的之間的偏差值以及這些偏差值,提供給廠級監控人員進行調整,以提高發電效率,獲得最佳發電成本。

鏡場系統優化調度程序依據大氣環境條件、吸熱器內溫度場分布、光功率、主蒸汽壓力、給水流量、儲熱介質溫度以及發電功率等參數,再根據現場調試試驗得到的定日鏡場優化調度規則庫(包括各種參數關聯曲線或模型,各種工況控制策略等),針對可以投入運行的各定日鏡分別進行適應系統目標的調節控制,計算出發電量最大時所需調用的定日鏡數量及分布,以及吸熱器上的能流密度分布,并可通過調整各定日鏡目標點(接收面上太陽光斑的位置)使吸熱器上能流分布均勻,防止吸熱器局部過熱故障。鏡場優化調度模型如圖2所示。

圖2 定日鏡鏡場優化調度模型

3.3 全廠運行模式優化調度

該功能根據發電計劃,以高效率、低成本為目標,根據DCS采集的有關太陽能聚集子系統、太陽能吸熱器、蓄能子系統和動力及輔助子系統中的關鍵設備,特別是熱力設備的動態特性,包括吸熱器、高低溫儲熱器、換熱器、蒸汽發生器、輔助鍋爐與輔助加熱器等提供的數據和信息,氣候和光照條件自動產生運行模式調度建議,反饋給廠級監控站,經監控人員確認后傳送到DCS控制機組協調控制運行模式切換。

對于太陽能電廠而言,一天內太陽高度的不斷變化以及氣候的影響,電量的產出也會受到影響,因此在不同的時段和氣候條件下,選擇一種最經濟、最有效率的運行方式。依照當天早晨預測輻照信息、風速影響、鏡場可用狀況、前一天儲能余量程度、電網用電需求,以及運行過程中的光照度變化等相關因素,將運行模式分為冷啟動模式、無光照運行模式、部分光照運行模式、基本運行模式等9種模式。對以上各種運行模式的邏輯判斷及轉換控制如圖3所示[5]。

圖3 九種運行模式的控制邏輯

系統首先根據下層DCS控制系統采集的氣候數據、光照強度等數據,根據建立的數學模型進行預測分析,確定啟動模式。啟動模式分為有光照冷啟動模式和無光照冷啟動模式。有光照冷啟動模式啟動后,太陽光經鏡場反射集中進入吸熱器,由吸熱器產生的過熱蒸汽全部輸往儲能系統。無光照冷啟動模式啟動后,由輔助鍋爐給儲能系統充熱。

啟動后的運行模式分為強光照運行模式、部分光照運行模式和基本運行模式。系統實時監測數據庫中氣候信息的改變,并對改變的氣候數據進行分析,確定系統的運行模式。如遇到突發性的事件如冰雹、大雪等惡劣氣候條件時,可以人工對系統進行操作,關閉系統,同時對鏡子進行翻轉。

3.4 故障診斷和壽命管理

塔式太陽能熱發電站SIS系統故障診斷功能其主要功能包括:對設備運行狀態進行實時監視,了解和掌握設備是否處于正常、異常和故障狀態;提示事故早期征兆,預報事件后果;診斷故障類別,并給出相應的操作建議。

1)狀態監測

通過實時監視和狀態監測來配置設備的預測與預防性維護方案。系統根據每次啟停和運行時間來計算壽命損耗且累積最終壽命損耗,對設備的運行狀態進行評估,判斷其是否處于正常、異常和故障狀態,并對狀態進行顯示和記錄。對異常狀態作出報警,以便及時處理。

2)故障診斷

系統根據存儲的設備運行狀態,對處于故障狀態的設備,根據狀態監測所獲得的信息,結合已知的結構特性和參數,與知識庫中預先存儲好的故障征兆表進行匹配。確定故障的性質和類別、程度、原因、部位,指出故障發生和發展的趨勢,提出控制故障繼續發展和消除故障的調整、維修的對策措施。并加以實施,使設備恢復到正常狀態。

4 SIS系統實現

塔式太陽能電廠SIS系統包括四個子系統,分別為全廠系統實時信息顯示子系統、廠級性能計算子系統、全廠運行模式調度子系統以及故障診斷和壽命管理子系統。具體軟件體系結構設計如圖4所示。

圖4 SIS系統功能菜單

系統實現采用Client/Server體系結構,客戶端提供一個人機可視化接口,用于信息界面的顯示和用戶交互數據的輸入。服務器端進行數據的保存、維護、訪問、計算和更新。系統將數據庫存儲在服務器端,并實現與DCS數據庫服務器的同步,全廠系統實時信息顯示子系統、廠級性能計算子系統、全廠運行模式調度子系統和故障診斷和壽命管理子系統放在客戶端。服務器端和客戶端通過協調運行、相互調用,完成各自的功能,構成一個有機整體。

系統運行后,根據數據庫實時數據信息,自動選擇運行模式;根據系統所需光功率計算需要投入的鏡子數量,進行鏡場調度。同時監控各設備的運行狀態,自動對故障設備進行診斷。從而保障整個塔式太陽能電廠的高效安全運行。

5 結語

塔式太陽能熱發電站的廠級監控信息系統是一個復雜的信息控制系統,其功能是將電站各控制單元聯合集中成一個整體,實現各單元的性能協調和優化控制。文中根據SIS系統的發展趨勢,借鑒火電廠SIS系統的研究成果,提出了塔式太陽能熱發電站廠級監控信息系統的總體設計方案,設計了監控網絡的結構,并對其應實現的功能進行了研究,為塔式太陽能電廠SIS系統研究開創了先河。

[1]侯子良.火電廠廠級自動化系統總體功能設計思路探討[J].中國電力,2001,34(4):56～58

[2]李國欣.我國發展空間太陽能電站的必要性和相關技術基礎分析[J].太陽能學報,1998,19(4):444～448

[3]閔旭,陳學廣.火力發電廠廠級監控系統(SIS)設計與實現[J].計算機與數字工程,2007,35(3):128～131

[4]高原.廠級監控信息系統(SIS)的研究與應用[D].北京:華北電力大學,2003,12

[5]萬定生,陳堅,劉德友,等.太陽能電站分布式控制系統的研究與應用[J].電力設備,2008,25(9):53～55