完全自主可控DCS在1000MW超超臨界機組一體化控制中的應用

解建萍 葛舉生 王兆舜 劉舟

（1.華電江蘇能源有限公司句容發電分公司，江蘇鎮江 212414；2.國電南京自動化股份有限公司，江蘇南京 210032）

0 引言

隨著電力工業發展進入大電網、大機組和高度自動化的時代，電力行業對火電機組可靠性、安全性及控制性能提出了更高的要求[1]。分散控制系統（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[2-6]。

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，在國內較早地開展了DCS核心軟硬件的國產化工作，與中國電子、中國電科等國內優勢技術力量深度合作，開展核心技術攻關工作，研制出了完全自主可控的DCS——華電睿藍智能分散控制系統。該系統在國內首次實現了1 000 MW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，應用結果表明，該系統穩定可靠，性能優異，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實現完全自主可控，在發電領域自主可控技術上取得了重大突破，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的整體架構、技術特點及其在華電句容電廠1號1 000 MW超超臨界機組一體化控制中的應用情況。

1 原控制系統應用情況分析

華電句容電廠1號機組于2013年8月投運，受當時技術條件和成本限制，機組未實現一體化控制，存在自主可控能力較低、存有安全隱患和“卡脖子”等問題，主要表現在以下幾個方面：

（1）原主機DCS、脫硫DCS采用maxDNA控制系統，主機DEH采用T3000控制系統，吹灰控制采用西門子PLC，電除塵控制采用施耐德PLC，多種控制系統共存的方式存在系統間通信量大、網絡結構不同、與電氣GPS系統時間無法統一等問題，對機組事故異常分析極為不利；

（2）每種系統都需配置不同的備品配件，部分備件價格昂貴且難以采購，不利于機組的生產維護；

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

近年來，隨著電力企業控制系統國產化進程日益加快，軟硬件技術逐步走向成熟，加之考慮到國際形勢的變化和國家安全戰略，國家大力提倡和鼓勵自主品牌在企業控制領域的開發和應用，解決國外高新技術“卡脖子”的困境。為提高機組運行的安全性、穩定性、經濟性，華電句容電廠采用國電南自公司自主研發的華電睿藍智能分散控制系統對該1 000 MW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整體架構及技術特點

華電睿藍智能分散控制系統是國電南自自主研發的完全自主可控分散控制系統，采用自主可控的國產CPU開發過程控制站（DPU），基于國產嵌入式操作系統開發DPU應用程序。采用國產元器件開發I/O模件，實現“核心芯片國產化，外圍芯片可控可替代”目標；采用國產操作系統、國產計算機以及國產交換機等，實現監控系統國產化，實現系統核心軟件代碼自主可控，系統整體功能、性能和可靠性等滿足火電機組控制要求，并優于國家標準/行業標準要求。該系統具有以下特點：

（1）基于自主可控國產CPU的分散控制系統設計DPU。

對于分散控制系統過程控制站（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飛騰CPU（FT2000/4），并開發所需的外圍配套電路，實現完整的DPU功能。在自主可控的銀河麒麟等操作系統環境下，為適應Linux內核，分別考慮實時控制層和監控層對安全性和實時性的要求，整體進行系統架構設計，滿足DPU和監控系統主機操作系統國產化和跨平臺的要求。

（2）深入系統指令級的DCS系統整體信息安全構架方案。

在DCS的多個層面進行網絡安全加固，包括自定義SBP通信協議的加密與授權、應用數字簽名、部署網絡惡意代碼和網絡入侵防護、網絡審計、主機加固軟硬件，并引入控制組態自動備份和恢復，形成完整的DCS系統整體信息安全架構方案。

該系統具有安裝簡單、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電廠，實現全廠一體化控制。

2.1 華電睿藍智能分散控制系統的網絡結構[7]

該系統主控通信網絡為連接分散控制系統中各過程控制站、人—機接口站（操作員站、工程師站）或人—機接口數據服務器的實時數據通信網絡。采用工業以太網交換機、全雙工模式工作，通信速率為100 Mb/s，傳輸介質采用超五類雙絞線或多模光纜。系統網絡拓撲如圖1所示。

圖1 華電睿藍系統網絡拓撲圖

2.2 華電睿藍智能分散控制系統的主要硬件特點[7]

2.2.1 控制器

華電睿藍智能分散控制系統采用的是基于天津飛騰最新一代FT2000/4 CPU研發的控制器，運算能力更強，功耗更低，擴展了必要的外圍電路，包括電源轉換模塊、超級電容模塊、熱備網絡模塊、冗余通信網絡模塊、撥碼開關、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結構如圖2所示。

圖2 基于FT2000/4 CPU的控制器架構圖

該控制器采用冗余的以太網口，直接連接網絡數據高速公路，完成數據的采集、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，保證了I/O數據的高速可靠采集，并實現分周期執行和最快10 ms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。

2.2.2 I/O卡件

華電睿藍智能分散控制系統開發了高可靠性和高實時性的多主并發高速串行通信的I/O數據管理技術，與運算處理器互相獨立，結合執行時序同步技術，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，實現高速冗余的I/O層級通信，在I/O模件的測量回路中設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，可實現跨電子間的不超過1 ms時間順序記錄精度。

圖3 過程控制站網絡架構圖

提供種類多樣的I/O卡件來實現控制過程的分散性，包含模擬量輸入/輸出卡件、數字量輸入/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速控制卡，可以精確地配合DEH系統完成汽輪機的控制。用于控制遠程的就地設備，系統提供了豐富的接入方法，提供專用串口通信卡件支持Modbus 485協議，控制器的IO LINK接口支持Modbus TCP協議，專用Profibus總線通信卡實現Profibus DP/PA通信功能，可以通信1 000點以上的數據，并且能夠提供雙冗余的設置，提高通信的質量和安全性。

2.3 華電睿藍智能分散控制系統的主要軟件特點[8]

華電睿藍監控系統采用基于Linux的銀河麒麟系統，系統平臺采用先進的面向對象的設計思想，具有優秀的可擴展性，為用戶提供了一套高效、完善的業務數據建模機制與開放式的數據訪問接口。系統平臺作為大型通用SCADA系統，在提供海量實時數據處理能力及人機界面、規約通信、事件/報警、歷史存儲與訪問、報表等各項通用SCADA功能的基礎上，還具有強大的開放性與可擴展性，能夠滿足自動化監控系統的各項功能、性能及可靠性的要求。

該系統提供圖形化及填表式組態方式，豐富的基礎功能塊可以最大程度地簡化邏輯組態過程。針對不同的用戶需求，通過組合基礎功能塊，也可以合成復雜的專用功能塊，自定義功能強大，擴展性強。組態工具可以實現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，對于用戶的調試和維護帶來了極大的便利。

3 1 000 MW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1 000 MW超超臨界燃煤發電機組，鍋爐為東方鍋爐股份有限公司生產的單爐膛、前后墻對沖燃燒、一次中間再熱、平衡通風、固態排渣超超臨界變壓運行直流爐。制粉系統采用中速磨煤機冷一次風機正壓直吹式制粉系統，燃燒設計煤種時，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。

汽輪機為上海汽輪機股份有限公司生產的超超臨界、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，低壓旁路容量為65%容量。給水系統設置2臺50%容量汽動給水泵和1臺30%容量電動給水泵。

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

3.2 工程應用情況

該機組原主機DCS、脫硫DCS為maxDNA系統，汽輪機控制（DEH）為T3000系統，吹灰控制為西門子PLC，電除塵控制為施耐德PLC，在本次改造中統一升級為華電睿藍智能分散控制系統。改造前后各系統所采用的控制系統品牌如表1所示。

表1 改造前后控制系統品牌對照表

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I/O測點總數為13 813點，其中主機DCS涉及I/O點數為10 807點，DEH涉及I/O點數為1 242點，脫硫DCS涉及I/O點數為955點，電除塵涉及I/O點數為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，網絡柜2面，控制柜55面，鍋爐側及電氣側機柜布置在鍋爐電子間，汽機側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、服務器4臺、SIS站2臺。

DCS與第三方通信包括發電廠廠用電氣自動化系統（ECS）、智能前端、爐管泄漏系統機組及主要輔機振動監測分析故障診斷系統（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，遠超業內要求的15%。

表2 改造后機組I/O卡件配置表

2021年6月11日，華電睿藍智能分散控制系統在華電句容電廠1號1 000 MW超超臨界機組成功投運[9]，在國內首次實現了1 000 MW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、電除塵等關鍵系統納入統一控制，實現了全廠意義上的主輔機一體化控制。

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

圖4 AGC性能考核試驗曲線

圖5 一次調頻性能考核試驗曲線

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

4 結論

大容量、高參數的1 000 MW超超臨界燃煤機組具有節能、減排、增效等優點，是支撐我國電網安全穩定運行的主力機組，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，實現主輔機全廠一體化控制，對于打破國外技術壟斷、提高電力基礎設施安全水平、保障國家能源產業鏈供應鏈安全和實現高水平科技自立自強具有重大意義。

國內首套完全自主可控DCS——華電睿藍智能分散控制系統，在最先進、最高效的1 000 MW超超臨界等級機組實現了成功應用，應用后機組具有如下優勢：

（1）解決了工控系統“卡脖子”問題，實現了火電機組核心控制系統的完全自主可控；

（2）控制系統軟硬件技術水平先進，系統投運以來，穩定可靠，未發生一起軟硬件故障；

（3）實現了主機DCS、DEH、脫硫、吹灰、電除塵等關鍵系統主輔機一體化控制，控制系統功能完善，備品備件充足；

（4）AGC及一次調頻性能優異，為機組實現深度調峰控制起到了關鍵支撐作用。