電站熱工優(yōu)化控制平臺的開發(fā)與安全架構(gòu)研究

朱北恒，尹 峰，陳 波，羅志浩，張永軍

（浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014）

0 引言

目前大型火力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的自動化控制依靠DCS（分散控制系統(tǒng)）完成，傳統(tǒng)的DCS控制方式已經(jīng)可以滿足機(jī)組的常規(guī)控制需要，是保障機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)。但是隨著節(jié)能、環(huán)保、高效控制要求的提高，各種控制的高級算法和應(yīng)用方式對控制技術(shù)提出了新的要求：一方面要求控制系統(tǒng)能完成常規(guī)的實時控制功能，分散控制風(fēng)險；另一方面則要求控制系統(tǒng)能進(jìn)行大量復(fù)雜的計算、分析、建模等工作，提高運(yùn)算能力。因此常規(guī)的DCS控制方式難以兩者兼顧，需要考慮新的控制優(yōu)化方式。

在計算機(jī)技術(shù)快速發(fā)展的帶動下，包括推斷控制、軟測量技術(shù)、基于模型的預(yù)測控制、純滯后補(bǔ)償控制、解耦控制、自適應(yīng)控制和魯棒控制、智能控制、容錯控制等先進(jìn)控制和人工智能技術(shù)進(jìn)步很快，在工業(yè)上逐步具備了實際應(yīng)用的條件。將先進(jìn)控制和人工智能技術(shù)直接應(yīng)用于電力生產(chǎn)過程，可以有效提高機(jī)組運(yùn)行的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，更好地滿足電網(wǎng)對機(jī)組負(fù)荷調(diào)節(jié)的需求。智能控制平臺系統(tǒng)和先進(jìn)控制軟件的開發(fā)是未來熱工控制發(fā)展的重要方向。

TOP（Thermal Optimized-control Platform，電站熱工優(yōu)化控制平臺）集成與整合系統(tǒng)現(xiàn)有的各類優(yōu)化模塊，通過先進(jìn)控制算法和技術(shù)的應(yīng)用、積累、模塊化及可持續(xù)開發(fā)，將顯著提升發(fā)電廠的運(yùn)行控制水平，全面提高運(yùn)行的安全性與經(jīng)濟(jì)性。

1 TOP系統(tǒng)的總體架構(gòu)與設(shè)計特點

1.1 總體架構(gòu)

TOP系統(tǒng)采用上位在線建模、下位實時控制、底層多元接口的數(shù)據(jù)分級管理與實時交互架構(gòu)，如圖1所示，將數(shù)據(jù)分為信息數(shù)據(jù)、控制數(shù)據(jù)和交互數(shù)據(jù)，其中，信息數(shù)據(jù)用于建模計算、特征分析、數(shù)據(jù)挖掘；控制數(shù)據(jù)用于生產(chǎn)過程實時控制；交互數(shù)據(jù)用于內(nèi)部層級定期或?qū)崟r傳遞特征參數(shù)與優(yōu)化指令，以及TOP系統(tǒng)與DCS間安全等級較高的數(shù)據(jù)交互。采用獨立的安全式數(shù)據(jù)處理模式與遞進(jìn)式安全控制機(jī)制保證數(shù)據(jù)與控制過程的安全性要求。

圖1 TOP系統(tǒng)總體架構(gòu)

1.2 TOP系統(tǒng)的功能需求和實現(xiàn)方式

整體架構(gòu)方案應(yīng)該是滿足功能需求的最佳實現(xiàn)方式。TOP系統(tǒng)主要是為提高機(jī)組控制性能、滿足熱工人員開發(fā)需要，對系統(tǒng)應(yīng)具備的功能進(jìn)行分析，確定功能需求和實現(xiàn)方式之間的關(guān)系后再進(jìn)行整體架構(gòu)的設(shè)計。對所有功能的要求進(jìn)行分析與梳理后，得出功能需求和實現(xiàn)方式之間的關(guān)系，如表1所示。

表1 TOP系統(tǒng)功能需求分析

從表1中可以看出，系統(tǒng)一方面需要實時性強(qiáng)、功耗低、電源切換方便的控制站，同時也需要計算性能強(qiáng)大、存儲空間大、人機(jī)接口豐富的計算站。根據(jù)目前現(xiàn)狀，嵌入式計算機(jī)可以采用實時性強(qiáng)的專業(yè)操作系統(tǒng)，其本身也具備接口標(biāo)準(zhǔn)，具有實時性強(qiáng)、功耗低、電源切換方便的特點。而傳統(tǒng)的工業(yè)控制計算機(jī)則具有高主頻、高內(nèi)存、大存儲、人機(jī)接口友好的特點。因此，將嵌入式計算機(jī)和傳統(tǒng)工業(yè)控制計算機(jī)相結(jié)合是TOP系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵。

1.3 TOP系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計特點

TOP系統(tǒng)的總體架構(gòu)設(shè)計首先要符合安全性要求，同時應(yīng)發(fā)揮效能的最大化。從系統(tǒng)數(shù)據(jù)流的角度出發(fā)，TOP系統(tǒng)和DCS之間存在大量的數(shù)據(jù)交互，TOP系統(tǒng)將這些數(shù)據(jù)分成了信息數(shù)據(jù)、控制數(shù)據(jù)和交互數(shù)據(jù)，分別用于復(fù)雜運(yùn)算、實時控制與內(nèi)外部數(shù)據(jù)傳遞。

TOP系統(tǒng)具有上位建模、下位控制、底層接口獨立的安全式數(shù)據(jù)處理模式，從機(jī)制上滿足了各種數(shù)據(jù)的安全性要求。因此TOP系統(tǒng)的總體架構(gòu)被設(shè)計為：上位計算機(jī)完成建模分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算等高級功能，并將關(guān)鍵參數(shù)定期通過內(nèi)部冗余網(wǎng)絡(luò)傳遞給下位冗余計算機(jī)，下位冗余計算機(jī)則通過實時控制的方式對機(jī)組完成實時優(yōu)化控制過程。這樣的整體結(jié)構(gòu)具有如下特點：

（1）采用數(shù)據(jù)分類處理，實現(xiàn)了TOP系統(tǒng)與DCS之間的安全式信息交互與控制，從基礎(chǔ)上保障了安全和效能的統(tǒng)一。

（2）所有實時通信和控制計算的功能均在冗余下位計算機(jī)中完成，涉及到實際生產(chǎn)過程的控制將更為可靠。

（3）下位冗余計算機(jī)可選用標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)總線形式，驅(qū)動I/O設(shè)備和通信接口更為穩(wěn)定高效。

（4）下位冗余計算機(jī)的電源可與I/O設(shè)備中繼電器的驅(qū)動電源共用，不用單獨配置冗余電源。

（5）下位冗余計算機(jī)可采用專業(yè)實時操作系統(tǒng)，計算方式可與DCS保持一致，提高運(yùn)算兼容性和控制的可靠性。

（6）上位計算機(jī)負(fù)責(zé)高級計算功能，計算機(jī)性能可以根據(jù)需要擴(kuò)充。計算機(jī)主頻的升高不會影響系統(tǒng)程序的開發(fā)。

（7）上位計算機(jī)只負(fù)責(zé)定期傳送關(guān)鍵參數(shù)，如模型結(jié)構(gòu)特點、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)閥值等，并不要求高的實時性和冗余性，上位計算機(jī)的狀態(tài)不會影響下位計算機(jī)的實時優(yōu)化控制計算。

（8）上位計算機(jī)具備良好的人機(jī)接口，便于工程人員設(shè)計和調(diào)試。

（9）上位計算機(jī)可配備海量存儲設(shè)備，便于工程人員分析和挖掘數(shù)據(jù)。

（10）TOP系統(tǒng)對DCS的優(yōu)化控制不是取代式而是附著式，不改變DCS原有控制方式，系統(tǒng)可用性好。

綜上所述，這種上位建模、下位控制、底層多元獨立接口的安全式數(shù)據(jù)處理和控制機(jī)制是一種創(chuàng)新的優(yōu)化控制方式，它充分利用了不同控制設(shè)備的特點并將其有機(jī)結(jié)合，最終滿足了優(yōu)化控制系統(tǒng)實時控制計算和高級算法計算之間的不同要求，使整個優(yōu)化控制平臺具有強(qiáng)大的計算性能、可靠實時的計算輸出，成為發(fā)電廠優(yōu)化控制的基礎(chǔ)。

2 TOP系統(tǒng)的安全性導(dǎo)則

2.1 TOP系統(tǒng)的遞進(jìn)安全式控制理念

DCS作為實時生產(chǎn)控制系統(tǒng)，其安全性要求很高。TOP系統(tǒng)通過無擾并入DCS完成相關(guān)優(yōu)化控制任務(wù)時就必須將安全性放置首位。在TOP系統(tǒng)的研發(fā)和應(yīng)用過程中，首先對優(yōu)化控制平臺建立嚴(yán)謹(jǐn)?shù)陌踩詫?dǎo)則，充分考慮TOP系統(tǒng)并入DCS后的安全措施，然后進(jìn)行嚴(yán)格的綜合測試。

TOP系統(tǒng)裝備的安全機(jī)制分為2個部分：安全性導(dǎo)則和安全措施。其中安全性導(dǎo)則是主動性的安全機(jī)制，安全措施是防御式的安全機(jī)制。

TOP系統(tǒng)的安全性導(dǎo)則主要針對硬件配置、通信能力和安全等級設(shè)置等方面設(shè)定相關(guān)原則。

2.2 硬件配置原則

（1）TOP系統(tǒng)的所有硬件均采用成熟產(chǎn)品，在出廠前必須經(jīng)過30天以上的帶負(fù)荷運(yùn)行試驗。

（2）對于接入DCS運(yùn)行，并直接參與生產(chǎn)環(huán)節(jié)實時控制的TOP系統(tǒng)硬件單元必須采用雙冗余的硬件配置要求。涉及硬件包括：下位運(yùn)算控制單元、實時網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、系統(tǒng)電源和通信接口單元。

（3）對于參與DCS中投切的TOP系統(tǒng)硬件通道均采用獨立的三通道設(shè)置。

（4）TOP機(jī)柜應(yīng)置于DCS電子室內(nèi)，電氣接地要求并入DCS接地網(wǎng)、接地電阻小于5 Ω；由UPS（不間斷電源）和保安段分別供電。

2.3 通信能力要求

（1）TOP系統(tǒng)與DCS之間的通信接口應(yīng)為冗余配置。

（2）TOP系統(tǒng)與DCS之間的通信間隔時間不大于 1000 ms。

（3）在TOP系統(tǒng)出廠前通信卡件必須經(jīng)過與DCS的通信能力測試，實際通信量不得超過極限通信能力的30%，若所通信數(shù)據(jù)大于極限通信能力的30%，則必須增加通信卡件。

（4）在控制指令的通信中，通信連接失去后指令保持不變。如果相應(yīng)的DCS側(cè)不能滿足該要求，則應(yīng)將指令改為脈沖形式。

2.4 安全層級設(shè)置原則

TOP系統(tǒng)和DCS之間的交互運(yùn)行方式設(shè)定遞進(jìn)式安全層級，系統(tǒng)只有通過相應(yīng)的安全驗證，才能允許更高層級的安全接入。一旦本級安全邊界條件不滿足，則應(yīng)無擾回退至更低的安全層級。圖2為TOP系統(tǒng)安全層級的定義示意圖。

3 TOP系統(tǒng)并入DCS后的安全措施

在安全導(dǎo)則的指導(dǎo)下，TOP系統(tǒng)最終接入DCS時還需要做好安全措施，經(jīng)過實踐，有效的安全措施可以總結(jié)為如下幾條。

圖2 TOP系統(tǒng)安全層級的定義

3.1 指令信號的處理

TOP系統(tǒng)到DCS的開關(guān)量指令采用脈沖指令，靜態(tài)時無指令交互。TOP系統(tǒng)到DCS的模擬量指令采用偏差式無擾并入，靜態(tài)工況無偏差，等同于無指令交互；此外，還在DCS側(cè)采用速率驗證，一旦速率變化超限，則認(rèn)為指令無效。

3.2 通信信號的壓縮

為減小通信點的數(shù)量，提高通信可靠性，可以采用將16位數(shù)字量點打包為1個16位精度的模擬量進(jìn)行傳輸，在TOP系統(tǒng)和DCS側(cè)進(jìn)行相應(yīng)的編碼和解碼。

3.3 控制設(shè)備的選擇連鎖

盡量保證按需對設(shè)備進(jìn)行控制，不需要時釋放設(shè)備的控制權(quán)。以磨組智能啟停優(yōu)化組件為例，TOP系統(tǒng)在同一時間段內(nèi)只會對1臺磨組的設(shè)備產(chǎn)生操作指令，因此可以增加邏輯閉鎖，保證在同一時間段內(nèi)只有1臺磨組的操作指令能到達(dá)DCS側(cè)。設(shè)備的自動操作指令從順控回路接入，權(quán)限低于超馳回路，不影響設(shè)備正常聯(lián)鎖保護(hù)回路的工作。

3.4 TOP系統(tǒng)的投入

將TOP系統(tǒng)的允許投入條件作為DCS邏輯的判斷條件，增加重要模擬量信號投入前的偏差檢查等。優(yōu)化系統(tǒng)的投入過程采用硬接線交互和通信授權(quán)認(rèn)可的方式，即：在DCS側(cè)運(yùn)行人員授權(quán)投入后的2 s內(nèi)，得到硬件卡件的相應(yīng)確認(rèn)信號才能將優(yōu)化控制系統(tǒng)接入DCS運(yùn)行。

4 結(jié)語

TOP系統(tǒng)整合了下位DCS實時控制技術(shù)、上位高性能優(yōu)化算法站技術(shù)和多元接口與安全控制技術(shù)進(jìn)行獨立開發(fā)，與DCS，PLC（可編程邏輯控制器）和工控機(jī)相比，其系統(tǒng)可靠性高，功能完善，系統(tǒng)開發(fā)與擴(kuò)展能力強(qiáng)，發(fā)電企業(yè)的認(rèn)可度高。同時還開發(fā)了有特色且有針對的智能控制算法組件，規(guī)模小、擴(kuò)展靈活，可通信、也可采用硬接線，相比目前應(yīng)用較廣的進(jìn)口優(yōu)化系統(tǒng)，可靠性更高，功能更強(qiáng)，且可以結(jié)合生產(chǎn)中的優(yōu)化應(yīng)用成果不斷擴(kuò)展功能，是可對發(fā)電廠熱工控制系統(tǒng)開展長期優(yōu)化完善工作的優(yōu)秀控制平臺。

作為完全自主知識產(chǎn)權(quán)國產(chǎn)化的TOP系統(tǒng)和先進(jìn)控制軟件的開發(fā)應(yīng)用，具有巨大的市場潛力和市場競爭力，可替代同類進(jìn)口產(chǎn)品，應(yīng)用前景非常廣闊，一旦實現(xiàn)相關(guān)產(chǎn)品的市場化，將獲得巨大的經(jīng)濟(jì)效益與社會效益。

[1]朱北恒，尹峰，孫耘，等.火電廠熱控系統(tǒng)的容錯設(shè)計[J].浙江電力,2007，26（5）∶3-7.

[2]孫長生，朱北恒，王建強(qiáng)，等.提高電廠熱控系統(tǒng)可靠性技術(shù)研究[J].中國電力，2009（2）∶56-59.