基于ARM-Linux的火電機組在線性能監測系統

方彥軍，董政呈

（武漢大學 動力與機械學院，武漢 430072）

相關研究表明[1-5]，機組的在線性能監測對其安全、可靠、節能運行具有重要的意義。國外對于機組的性能監測研究起步較早，通用、ABB、McHale、西門子等多家公司都相繼推出了商業化產品，他們為設備的快速診斷提供了依據[5]。我國的機組性能監測研究起步較晚，但起點較高，在國外先進經驗的基礎上，國內的研究取得了一定成果[6-7]。

此外，電廠操作人員的控制直接影響著機組的運行狀態，在線考核管理系統作為應用較多的管理軟件對設備的最優運行狀態具有重要的指導意義。鑒于國內外電廠的運行規程和調度模式不同，開發適合國內電廠的機組性能監測和考核管理系統具有重要的意義。

基于目前的設備和技術，性能監測和分析系統主要可分為獨立式、基于DCS式、基于SIS式、基于MIS式4大類[3]。其中，獨立式系統需要外置計算機設備，投入較大；隨著MIS系統的普及，SIS系統逐漸被取代，而基于這2種系統的性能監測軟件只能讀取現場數據，無法參與計算和控制。

文獻[8]提出了一種基于單片機系統的機組在線性能監測裝置，該裝置能實現數據的雙向傳輸和熱經濟性指標計算，為運行人員提供指導方案。但該裝置無法實現多線程操作和功能模塊化，為此，系統需要采用多任務的嵌入式操作系統。在眾多嵌入式系統中，Linux系統在嵌入式領域以其自身的開放性、廉價性、實時性和安全性，已成為越來越多的嵌入式應用開發的首要平臺[9-10]。

綜上，本文提出一種基于ARM-Linux架構的在線性能監測系統，以實現火電機組的在線性能監測與操作人員的考核管理功能。

1 系統架構

整個監測系統是基于艾默生-西屋公司的Ovation系統設計的，系統總體結構如圖1所示。系統外掛于DCS外部，通過安裝在DCS I/O底板上的LC模塊與DCS進行通信，通信遵循Modbus RTU協議標準。

圖1 系統總體結構圖Fig.1 Overall structure chart of system

系統硬件平臺采用的ARM芯片為LPC3250，該處理器是由NXP半導體公司設計的一款高性能、低功耗的嵌入式芯片，主頻最高可達266 MHz，具有一個矢量浮點協處理器，片內SRAM大小為256 K，具有多種Boot啟動方式。

系統采用核心板和底板的雙層架構。其中，核心板是系統硬件的核心，是處理器和操作系統賴以工作的基礎，包含了硬件部分的所有主芯片。為保證核心板的可靠運行，處理器采用小尺寸BGA封裝，PCB采用4層板設計，且充分考慮了反射、串擾以及信號等長等電磁兼容設計規則。核心板主要由ARM最小系統、32 M的NAND FLASH存儲器、2 M的NOR FLASH存儲器和64 M的DDR SDRAM組成。其中，NAND FLASH存儲器主要用于存放內核代碼、應用程序、文件系統和資料數據，其大小可以根據需求而改變；NOR FLASH存儲器空間較小，一般用于放置不常更改的BIOS；SDRAM主要用于存放程序運行過程中產生的中間數據。此外，ARM最小系統包含處理器正常工作所需的基本電路，如晶振電路、復位電路和穩壓電路等。

底板是系統的I/O板，主要負責與外界的通信和交互。由于電路中不存在高速和高頻傳輸電路，為節約成本和設計方便等目的，底板采用雙層板設計。底板主要由電源模塊、SD卡存取模塊、通信模塊、LCD顯示模塊、以太網模塊等組成。

①電源模塊。系統采用220 V交流市電供電，為獲得芯片工作的低等級直流電壓，電源模塊配有AC/DC以及DC/DC轉換電路，以滿足不同芯片工作時所需的5 V、3.3 V和1.2 V等級直流電壓。

②SD卡模塊。SD卡模塊主要用于考核數據和其他數據的存儲，具有操作簡單、擴展方便等特點。

③LCD模塊。采用12.7 cm（5.0寸）的320×240點陣顯示屏，主要用于顯示不同工作時段內機組的運行狀態。

④以太網模塊。LPC3250處理器帶有特定DMA控制器的10/100以太網MAC，通過PHY芯片可方便地擴展以太網接口，本裝置采用的PHY芯片型號為SMSC公司的LAN8700。以太網模塊主要用于Linux系統的移植，也可擴展用于數據通信，將所需數據打包發送至監控中心。

⑤通信模塊。通信模塊采用RS485通信電路，通過SP485芯片將TTL/CMOS電平轉換為485通信所需的差分信號。通信模塊負責與DCS系統之間進行數據通信，遵循Modbus標準協議。

2 熱經濟性指標計算和考核管理

基于Linux嵌入式系統的軟件開發一般分為Linux系統的移植、底層驅動的開發和應用程序的開發3部分。其中，系統移植主要包括建立交叉編譯環境，編寫引導程序Bootloader，配置和裁剪嵌入式Linux內核以及移植文件系統等工作；驅動程序的開發是針對特定設備的正常工作而進行的，一般情況下，驅動程序應具有以下功能：設備的初始化、與硬件之間的數據讀取和傳輸、應用程序與設備文件的數據傳遞、設備故障的檢測與處理。

本文所提出的基于Linux的在線性能監測系統主要由熱經濟性指標計算和考核管理兩大功能組成。此外，軟件還包括顯示和通信模塊，系統的軟件結構如圖2所示。

圖2 軟件結構Fig.2 Structure of software

2.1 熱經濟性指標計算

熱經濟性指標計算是整個軟件乃至整個系統的核心，是關注的重點，其主要分為數據的一致性檢驗[6，11]和性能指標計算兩個部分。系統的工作流程如下：監測系統首先發送寄存器讀取命令，獲得DCS的一次測量參數，然后根據鍋爐、汽輪機和機組的性能計算模型[12-13]在線計算所需的熱經濟性指標，最終將結果通過Modbus協議傳回至DCS，以供操作人員參考和監視，流程圖如圖3所示。

（1）數據的一致性檢驗

來自數據采集系統的實時數據難免存在錯誤，而在線性能計算結果的準確性和有效性又依賴于機組運行參數測量的準確性。這時就需要對實時數據進行錯誤檢查，以剔除或者發現不良數據。一般來說，錯誤的數據主要分為兩類，一類是比較穩定的錯誤數據，如設備、傳感器等故障而引起的；另一類是隨機出現的錯誤數據，如測量精度、線路等干擾引起的[14-17]。

圖3 熱經濟性指標計算流程圖Fig.3 Flow chart of thermal economic indices calculation

數據一致性檢驗的能力來自測量系統的冗余度，而本系統獲得的一次參數均來自于DCS，不具有多點的冗余測量。因此，本文采用一種較為簡便的粗檢測法進行數據的檢驗，即通過比較數據或數據的變化率是否超過規定的極限值來尋找不良數據。

即：

或

式中：Ti為某測量值；Thigh、Tlow為預先設定的上限和下限值；Δt為通信時間間隔；?為設定的變化率閾值。

若發現不良數據，系統會自動丟棄本次獲得的所有通信數據，并立即重新進行參數的獲取，若連續多次發現同一參數均為不良數據，則系統會發出報警，提示檢查相應設備和監測裝置。

（2）熱經濟性指標計算

由DCS系統獲得的參數主要是由傳感器測得的一次參數，并不能直觀地表示機組的運行狀況。因此，需要通過特定的鍋爐、汽輪機和機組的性能計算模型對一次數據進行融合，以得到熱經濟性能指標（如表1所示）。計算得到的性能指標主要分為廠級性能、鍋爐性能、汽輪機性能、凝汽器性能、給水加熱器性能、空氣預熱器性能6類[1]。

表1 熱經濟性指標Tab.1 Thermal economic Indices

2.2 考核管理

在線考核管理與機組在線性能計算可以構成一個全面的機組熱經濟性在線監測軟件系統，考核管理可以作為機組性能監測的輔助工具，用以提醒和監督當值人員及時調整機組相關參數。

為考核的準確性和公平性，目前的考核管理一般只采用一次參數作為采集和考核的對象。通過計算與一次參數有關的統計信息，即可在一定程度上獲得單位時間內機組的運行狀況，并以此作為操作人員的考核評價標準。其中，統計信息主要包括參數的超限次數（上下限可根據機組的實際情況設定）、最大值、最小值和平均值等。

統計數據可由裝置的LCD顯示屏直觀讀取，也可通過讀取SD卡內的文本數據進行分析。

3 應用實例

本文提出的火電機組在線性能監測系統在廣東沙角C電廠成功試用，在#3機組下進行了實時計算。其計算結果顯示界面如圖4和圖5所示，試驗表明，開發的機組在線性能監測系統準確度高，可以用于現場實時計算。

圖4 沙角C電廠鍋爐性能顯示Fig.4 Display of boiler performance in Shajiao C plant

圖5 沙角C電廠汽機性能顯示Fig.5 Display of turbine performance in Shajiao C plant

4 結語

本文提出的基于ARM-Linux系統的火電機組在線性能監測與考核管理系統能有效地指導電廠工作人員及時調整機組的運行參數，具有較高的實用性。系統采用ARM-Linux架構的嵌入式設計，程序采用模塊化設計，具有多任務操作特點，能有效地克服裸系統裝置的不易擴展、實時性差的缺點。系統的在線性能計算模塊能有效地利用DCS采集到的一次參數，通過模型計算的方式得出能直觀反映機組運行狀態的熱經濟性指標，具有較高的參考價值；考核管理模塊以被動的激勵方式指導當值人員及時調整機組的相應運行參數，具有一定的實用價值。系統的實際運行結果表明，該系統操作簡單、維護方便，具有一定的市場前景。

[1] 2013年第一季度全國電力供需形勢分析預測報告[R].北京：中國電力企業聯合會，2013.

[2] Li Y，Chen X，Cao L，et al.Diagnosis on thermal economical performanceand analysison energy saving potentialfora fossil-thermalpowerplant，Chengdu，China，2010[C]//IEEE Computer Society，2010.

[3] Liu C，BaoZhen，Wang Z.Structure design for real-time thermal performance analysis and monitorsystem ofpowerplant，Melbourne，Australia，2007[C]//Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc.，2007.

[4] Valero A，Lozano M A，Bartolome J L.On-line monitoring of power-plant performance，using exergetic cost techniques[J].Applied Thermal Engineering，1996，16（12）：933-948.

[5] Kim S，Joo Y.Implementation of on-line performance monitoring system at Seoincheon and Sinincheon combined cycle power plant[J].Energy，2005，30（13）：2383-2401.

[6] 陳堅紅，李蔚，盛德仁，等.一種火電機組在線性能計算中的數據融合方法[J].中國電機工程學報，2002（5）：153-157.

[7] 胡念蘇，郭強，申莉，等.采用C/S結構的300MW機組能損實時監測系統[J].動力工程，2002（4）：1888-1892.

[8] 葉向前，韓玲，方彥軍.超臨界火電機組在線性能監測系統研究[J].自動化與儀表，2013，28（1）：43-47.

[9] Henkel J.Selective revealing in open innovation processes：The case of embedded Linux[J].Research Policy，2006，35（7）：953-969.

[10]Lennon A.Embedded systems：Embedding linux[J].IEE Review，2001，47（3）：33.

[11]崔杰.數據融合方法在火電廠在線性能計算中的應用[J].山西電力，2007（2）：7-9.

[12]GB/T 10184-1988.電站鍋爐性能試驗規程[S].北京：中國標準出版社，1988.

[13]GB 8117-1987.電站汽輪機熱力性能驗收試驗規程[S].北京：中國標準出版社，1987.

[14]陳堅紅，盛德仁，李蔚，等.汽輪發電機組優化運行專家系統中實時數據的在線預測—驗證模型[J].電站系統工程，2001（6）：375-378.

[15]黃廷輝，胡洪華，陶新建，等.測量數據檢驗和重構在火電機組性能監測系統中的應用[J].熱力發電，2004（3）：11-13.

[16]Flynn D，Ritchie J，Cregan M.Data mining techniques applied to power plant performance monitoring，Prague，Czech republic，2005[C]//IFAC Secretariat，2005.

[17]Zhao Q，Deng D，Liu Y，et al.The on-line monitoring and diagnosis system for thermal performance of secondary loop in daya bay nuclear power plant，Wuhan，China，2011[C]//IEEE Computer Society，2011. ■