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廠級(jí)監(jiān)控信息系統(tǒng)(SIS)的現(xiàn)狀及發(fā)展前景 |
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[ 通信界 / 曹文亮，高建強(qiáng)，王兵樹，馬良玉 / m.k-94.cn / 2010/12/7 21:15:37 ] |
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前言
長期以來，在計(jì)劃經(jīng)濟(jì)模式下，我國熱力發(fā)電廠始終把機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行作為生產(chǎn)管理的重點(diǎn)，而忽視提高機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性等方面的管理。隨著電力工業(yè)的發(fā)展，九十年代后新建電廠的機(jī)組均采用了先進(jìn)的分散控制系統(tǒng)，(Distributed Control System，簡稱DCS)，許多老廠也進(jìn)行了機(jī)組的DCS改造，目前，我國電廠機(jī)組的自動(dòng)控制水平已經(jīng)達(dá)到或接近世界發(fā)達(dá)國家水平。然而，我國電廠的管理水平和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行指標(biāo)與世界先進(jìn)國家還存在明顯的差距。
近年來，許多電廠相繼建設(shè)了管理信息系統(tǒng)(Management lnformation System，簡稱MIS)為電廠的現(xiàn)代化管理與節(jié)能增效提供了良好的基礎(chǔ)。MIS主要服務(wù)于事務(wù)管理，對(duì)象是辦公自動(dòng)化領(lǐng)域，以組織、交換和共享管理信息和數(shù)據(jù)為目的，數(shù)據(jù)通訊負(fù)荷一般具有大小不可預(yù)計(jì)和突發(fā)性的特點(diǎn)(如上班高峰)，并且其安全可靠性要求也并不很高，而相對(duì)來說，生產(chǎn)過程通訊網(wǎng)絡(luò)如DCS網(wǎng)絡(luò)則有很高的安全可靠性要求，并且生產(chǎn)過程信息及通訊負(fù)荷均具有相對(duì)連續(xù)穩(wěn)定的特點(diǎn)，在這種情況下，倘若由于MIS大量的突發(fā)的數(shù)據(jù)請(qǐng)求，對(duì)生產(chǎn)過程通訊網(wǎng)絡(luò)帶來了大量突發(fā)性傳輸負(fù)荷的影響，從而無法有效地保證生產(chǎn)過程信息的傳輸帶寬。為此，從保障安全生產(chǎn)的角度出發(fā)就必須將DCS和MIS進(jìn)行隔離。
現(xiàn)在我國電廠基本實(shí)現(xiàn)了各單無發(fā)電機(jī)組的自動(dòng)化控制，但一臺(tái)機(jī)組的DCS與另一臺(tái)機(jī)組的DCS之間彼此隔離，形成機(jī)組間的“控制(信息)孤島”，使得生產(chǎn)管理者不能實(shí)時(shí)、全面、準(zhǔn)確地掌握各機(jī)組的運(yùn)行狀況，更無法實(shí)現(xiàn)各單元機(jī)組間負(fù)荷的經(jīng)濟(jì)分配。理論上，DCS之間的互聯(lián)是完全可以進(jìn)行的。但是，一般情況下電廠都有多臺(tái)機(jī)組，將多臺(tái)機(jī)組DCS的操作管理層網(wǎng)絡(luò)連接在一起，就會(huì)導(dǎo)致多個(gè)DCS通訊系統(tǒng)的直接耦合，形成一個(gè)非常復(fù)雜的直接耦合系統(tǒng)。同時(shí)，為了優(yōu)化和管理的目的還要在該耦合系統(tǒng)中運(yùn)行大量的應(yīng)用軟件，從而降低了單元機(jī)組的監(jiān)控
可靠性和傳輸實(shí)時(shí)性。因此，實(shí)際電廠極少采用多臺(tái)機(jī)組DCS直接連接而成的全廠操作管理層網(wǎng)絡(luò)模式。
電力生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)和管理一般分為三個(gè)層次，即下層的控制操作層，面向運(yùn)行操作者；中間的生產(chǎn)管理層，面向生產(chǎn)和技術(shù)管理者；上層的經(jīng)營管理層，面向行政和經(jīng)營管理者。目前，我國許多電廠均建立了面向運(yùn)行操作者的DCS和面向經(jīng)營管理層的MIS，恰恰缺少了面向生產(chǎn)管理層的自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)，這是造成我國電力生產(chǎn)管理水平和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)指標(biāo)不高的重要原因之一。
因此，基于以上分析，就非常有必要在DCS和MIS之間建立一套面向電廠生產(chǎn)管理層的廠級(jí)監(jiān)控信息系統(tǒng)(SIS)，形成廠級(jí)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)(包括SIS和MIS)。在國家電力公司2001-2015科技發(fā)展規(guī)劃中也已經(jīng)明確提出，將在我國的大型機(jī)組和老廠改造上建立廠級(jí)自動(dòng)化系統(tǒng)，并將使其完善和推廣應(yīng)用。同時(shí)隨著我國電力企業(yè)市場(chǎng)化的改革，“廠網(wǎng)分開、竟價(jià)上網(wǎng)”的實(shí)施，要求各電廠必須把電力生產(chǎn)的安全性和經(jīng)濟(jì)性并重，優(yōu)化生產(chǎn)過程，降低生產(chǎn)成本和設(shè)備損耗，提高電廠的現(xiàn)代化管理水平，以適應(yīng)電力市場(chǎng)發(fā)展的需要。
1 廠級(jí)信息監(jiān)控系統(tǒng)功能
SIS正是面向生產(chǎn)管理層的自動(dòng)化管理軟件，它是實(shí)現(xiàn)廠內(nèi)各個(gè)機(jī)組和全廠生產(chǎn)過程最優(yōu)控制和管理的系統(tǒng)，也是一個(gè)聯(lián)系發(fā)電廠各生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)以及MIS的紐帶。SIS可以綜合全廠各單元機(jī)組、輔助車間有關(guān)實(shí)時(shí)信息，通過計(jì)算、優(yōu)化和分析，對(duì)各單元機(jī)組的運(yùn)行和設(shè)備維護(hù)提供在線的運(yùn)行指導(dǎo)，并進(jìn)行發(fā)電廠各單元機(jī)組間的負(fù)荷經(jīng)濟(jì)分配。通過其計(jì)算機(jī)和通訊設(shè)施，可以實(shí)現(xiàn)全廠各生產(chǎn)部門的實(shí)時(shí)信息上網(wǎng)共享。
目前，從國內(nèi)外開發(fā)、應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)看，還沒有清晰完整的SIS定義，其系統(tǒng)功能、監(jiān)控方式、管理范圍還需要不斷的去發(fā)展和完善。SIS主要有如下功能：全廠各生產(chǎn)系統(tǒng)實(shí)時(shí)信息顯示，機(jī)組的性能計(jì)算與經(jīng)濟(jì)性分析，機(jī)組在線性能監(jiān)測(cè)與分析，預(yù)測(cè)與預(yù)防性維護(hù)，發(fā)電廠負(fù)荷經(jīng)濟(jì)分配等。
(1)全廠各生產(chǎn)系統(tǒng)實(shí)時(shí)信息顯示
該功能以畫面、曲線、棒狀圖等形式顯示機(jī)組及其輔助設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、參數(shù)、系統(tǒng)圖，為廠級(jí)生產(chǎn)管理人員提供實(shí)時(shí)信息。同時(shí)記錄生產(chǎn)過程的主要數(shù)據(jù)，生成各職能部門需要的全廠各類生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)報(bào)表。
(2)性能計(jì)算和經(jīng)濟(jì)性分析
該功能用于計(jì)算單元機(jī)組各主附設(shè)備的效率等性能參數(shù)。主要有：鍋爐性能計(jì)算、汽機(jī)性能計(jì)算、凝汽器性能計(jì)算、給水加熱器性能計(jì)算、鍋爐給水泵及給水泵汽機(jī)性能計(jì)算、空預(yù)器性能計(jì)算、過再熱器性能計(jì)算、泵與風(fēng)機(jī)性能計(jì)算等。它以獲得最佳發(fā)電成本為目標(biāo)，對(duì)機(jī)組和輔助設(shè)備的當(dāng)前各性能參數(shù)與理想值進(jìn)行計(jì)算比較，將偏差以百分?jǐn)?shù)的形式顯示在屏幕上，使得運(yùn)行人員對(duì)其性能進(jìn)行評(píng)估并矯正偏差。
(3)在線性能監(jiān)測(cè)與分析
該功能的主要目的，是通過收集和分析有用的、實(shí)時(shí)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電廠運(yùn)行條件的優(yōu)化，以增進(jìn)電廠的性能和經(jīng)濟(jì)性。系統(tǒng)能夠計(jì)算實(shí)際系統(tǒng)性能參數(shù)與性能參數(shù)的應(yīng)達(dá)值之差，指出造成參數(shù)偏差的原因。還要計(jì)算這些偏差將造成設(shè)備異�；驌p耗并發(fā)出警報(bào)，且能提供長期記錄，根據(jù)性能的偏差值，在CRT上顯示給運(yùn)行人員，使運(yùn)行人員通過調(diào)整設(shè)備的可控參數(shù)減小偏差。運(yùn)行人員的可控參數(shù)分為兩類。第一類與運(yùn)行人員的控制操作有直接的關(guān)系，如主汽溫度、壓力、再熱氣溫、再熱器噴水量、鍋爐排煙溫度、鍋爐過剩氧量、空預(yù)器風(fēng)溫等。第二類除與運(yùn)行人員的控制操作水平有關(guān)外，還與設(shè)備的運(yùn)行工況等有關(guān)，如凝汽器背壓，過熱器噴水量、凝結(jié)水過冷度、鍋爐給水溫度、廠用電量、凝結(jié)水補(bǔ)水量、連排流量等。
(4)預(yù)測(cè)與預(yù)防性維護(hù)
火電廠設(shè)備管理軟件在國外很早就有應(yīng)用，但真正完善和深化是在90年代。隨著自動(dòng)化水平和企業(yè)管理水平不斷提高，人們對(duì)設(shè)備維護(hù)的認(rèn)識(shí)水平和管理水平也在提高。SIS是以工況為基礎(chǔ)的預(yù)防性維護(hù)，這是目前最高層次的設(shè)備維護(hù)，即在生產(chǎn)過程中，對(duì)設(shè)備的多種性能指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)和評(píng)估，再根據(jù)預(yù)先確定的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行分析、計(jì)算和預(yù)測(cè)，確定設(shè)備維修時(shí)間。
(a)機(jī)組壽命管理
壽命監(jiān)測(cè)和管理(包括給水泵)是通過啟動(dòng)曲線、運(yùn)行曲線、壽命曲線和廠家提供的各種數(shù)據(jù)、圖表去配置設(shè)備的預(yù)測(cè)與預(yù)防性維護(hù)方案，為了分析和比較，系統(tǒng)能根據(jù)每次啟停去計(jì)算壽命損耗、并且累積最終壽命損耗，儲(chǔ)存每次啟停的壽命損耗率，同時(shí)系統(tǒng)根據(jù)各種運(yùn)行參數(shù)和設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間，在CRT上為運(yùn)行操作人員顯示出對(duì)維護(hù)的預(yù)測(cè)和指令。
(b)狀態(tài)監(jiān)視和故障診斷
通過對(duì)過程各部分的變量進(jìn)行邏輯評(píng)估來監(jiān)視過程，并將過程的實(shí)際狀態(tài)與動(dòng)態(tài)過程模型進(jìn)行比較，面向狀態(tài)進(jìn)行診斷和早期報(bào)警，使運(yùn)行人員能在故障發(fā)生前對(duì)這一問題進(jìn)行糾正，并將診斷出的問題以因果圖的方式顯示出來。并可自動(dòng)提供高精度實(shí)時(shí)設(shè)備性能數(shù)據(jù)，供管理人員分析和編寫報(bào)告時(shí)使用。通過對(duì)所采集的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分析，并與標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行比較，診斷出測(cè)點(diǎn)錯(cuò)誤后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整后的數(shù)據(jù)發(fā)往過程信息管理系統(tǒng)或控制系統(tǒng)中參與生產(chǎn)過程的控制
(5)全廠負(fù)荷優(yōu)化調(diào)度
在出現(xiàn)電力市場(chǎng)交易中心后，傳統(tǒng)的“計(jì)劃經(jīng)濟(jì)”模式改為通過電廠或機(jī)組的電量競價(jià)模式來分配負(fù)荷，調(diào)度中心把實(shí)時(shí)負(fù)荷指令直接下達(dá)到電廠的監(jiān)控系統(tǒng)。此時(shí)利用SIS可改變電網(wǎng)總調(diào)對(duì)電廠負(fù)荷控制方式，總調(diào)不再直接控制機(jī)組，而改為對(duì)全廠監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出負(fù)荷指令，后者根據(jù)總調(diào)來的預(yù)測(cè)負(fù)荷曲線，結(jié)合機(jī)組負(fù)荷響應(yīng)性能，去實(shí)現(xiàn)各機(jī)組的負(fù)荷最優(yōu)分配，以獲取全廠最大的經(jīng)濟(jì)效益，并可根據(jù)需要分別制定出實(shí)時(shí)優(yōu)化、短期優(yōu)化和中期優(yōu)化。有利于電廠的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，也有利于實(shí)行廠網(wǎng)分開、競價(jià)上網(wǎng)的商業(yè)化運(yùn)行方式的實(shí)現(xiàn)。
2 電廠廠級(jí)信息監(jiān)控系統(tǒng)與全廠各控制系統(tǒng)的關(guān)系
SIS位于各部門生產(chǎn)設(shè)備控制系統(tǒng)之上，對(duì)全廠的生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行全面實(shí)施監(jiān)控，總覽各生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行情況、參數(shù)和設(shè)備狀態(tài)；從全廠指揮的高度對(duì)電廠生產(chǎn)監(jiān)視、分析判斷并做出決策。SIS可以與單元機(jī)組DCS、公用DCS和配電網(wǎng)絡(luò)500KVNCS(500kv-network computer monitoring and control system)實(shí)現(xiàn)雙向通訊，通過SIS的用戶終端可以獲取DCS、NCS和公用DCS的信息。MIS可以從SIS獲取所有的機(jī)組的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，SIS還可以接受電網(wǎng)的預(yù)測(cè)負(fù)荷曲線，經(jīng)SIS優(yōu)化后，再把負(fù)荷實(shí)時(shí)分配到每臺(tái)機(jī)組。為保證實(shí)時(shí)系統(tǒng)的安全性，電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)來的負(fù)荷曲線指令、SIS與MIS之間的均采用單方向的數(shù)據(jù)通訊方式。同時(shí)，為了保障SIS的電廠負(fù)荷經(jīng)濟(jì)分配系統(tǒng)實(shí)時(shí)安全性及其與NCS通訊的可靠性，其所需的來自MIS的數(shù)據(jù)，以及與NCS和DCS通訊所需的重要過程參數(shù)均通過獨(dú)立的I／O接口實(shí)現(xiàn)。
3 廠級(jí)監(jiān)控信息系統(tǒng)應(yīng)用情況
在軟件方面，從目前情況看，為了提高電廠的整體管理水平和運(yùn)行效率，增強(qiáng)電廠的市場(chǎng)競爭力，國外一些著名的生產(chǎn)廠商紛紛在實(shí)時(shí)控制的基礎(chǔ)上不斷向管理層面發(fā)展而進(jìn)行了開發(fā)研究，開發(fā)了類似于SIS的一些軟件包。這些軟件在國外已有較多的應(yīng)用業(yè)績，且取得了良好的效果。其中應(yīng)用較多且功能較為完善的有瑞士ABB公司開發(fā)的一體化產(chǎn)品OPTIMAX軟件包、德國Siemens公司的Sienergy系統(tǒng)、HONEYWELL公司的全廠自動(dòng)化系統(tǒng)TPS以及Foxboro公司的將過程控制和全廠管理相結(jié)合的信息管理系統(tǒng)I／ASeries等。但由于它們中的大部分模塊是根據(jù)具體電廠的實(shí)際需求開發(fā)出來的，有的還在不斷的改進(jìn)與發(fā)展，且整套軟件價(jià)格昂貴，如Bently公司的用于監(jiān)視旋轉(zhuǎn)機(jī)械工作狀態(tài)的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)(DM2000)和機(jī)械狀態(tài)管理系統(tǒng)(MCM2000)的價(jià)格分別為1萬美元和4萬美元左右。故而在國外也是根據(jù)不同電廠的具體要求而靈活選用一個(gè)或幾
個(gè)模塊。在國內(nèi)火電廠優(yōu)化軟件的開發(fā)和應(yīng)用還處于初級(jí)階段，目前有能力開發(fā)這類軟件的單位不少，有些已作了相當(dāng)工作，但大多數(shù)處于開發(fā)研究和試驗(yàn)階段，真正成熟的、能應(yīng)用于市場(chǎng)的產(chǎn)品很少。華北電力大學(xué)開發(fā)的電站熱力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析在線監(jiān)測(cè)預(yù)分析軟件、鍋爐吹灰優(yōu)化軟件等已經(jīng)在幾個(gè)電廠得到成功的應(yīng)用。
在硬件方面，由于SIS是全廠實(shí)時(shí)監(jiān)控和信息管理的中心，故SIS中實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)設(shè)備的容量要足夠大，同時(shí)還應(yīng)冗余配置。除了對(duì)安全有較高的要求外，對(duì)其與其它系統(tǒng)通訊接口也要有較高的要求。因?yàn)镾IS最終將與發(fā)電廠的所有控制系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接或數(shù)據(jù)通訊，接口較多，其接口方式應(yīng)在安全可靠的前提下，力求標(biāo)準(zhǔn)和統(tǒng)一，相應(yīng)的也要考慮控制系統(tǒng)側(cè)接口的標(biāo)準(zhǔn)和統(tǒng)一的實(shí)現(xiàn)。
4 建立廠級(jí)監(jiān)控信息系統(tǒng)的意義
(1)火電廠SIS軟件全部以成本核算、經(jīng)濟(jì)管理功能得到了應(yīng)用。將原來不可控或不清楚的能量損失全部量化，并幫助進(jìn)行分析、查找故障，提出節(jié)能，降耗的優(yōu)化措施，強(qiáng)化運(yùn)行和管理人員的經(jīng)濟(jì)管理意識(shí)，可以促進(jìn)觀念的轉(zhuǎn)變，提高電廠的經(jīng)濟(jì)效益和現(xiàn)代化管理水平。
(2)SIS提供了多種供生產(chǎn)管理人員分析、管理生產(chǎn)過程的手段和工具�？梢宰畲蟪潭鹊乩肈CS和MIS的資源，使全廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)總體設(shè)計(jì)，合理配置，避免重復(fù)設(shè)置，減少工程量，節(jié)約投資。
(3)利用SIS可以使電廠的硬件接口、通訊協(xié)議規(guī)范化，有利于應(yīng)用軟件的開發(fā)和應(yīng)用，為各種電廠運(yùn)行、管理優(yōu)化軟件包的應(yīng)用提供運(yùn)行平臺(tái)�？梢园褜�(shí)時(shí)性不強(qiáng)的管理功能上移至廠級(jí)，提高了DCS的直接監(jiān)控性，還可以降低綜合投資費(fèi)用。同時(shí)它還可以支持遠(yuǎn)程通信方式，使遠(yuǎn)程設(shè)備故障診斷、機(jī)組性能分析及信息監(jiān)控功能成為可能。它可充分發(fā)揮火電廠及電力系統(tǒng)專家的作用，在機(jī)組運(yùn)行中依靠優(yōu)化軟件提供的功能，對(duì)機(jī)組性能和設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行異地遠(yuǎn)程監(jiān)控和故障分析。專家可在短期內(nèi)同時(shí)處理多個(gè)電廠的性能故障分析，對(duì)于偏遠(yuǎn)地區(qū)電廠的重大事故
分析具有典型意義。
(4)SIS的建立，解決了廠級(jí)生產(chǎn)，技術(shù)層的自動(dòng)化問題，使火電廠形成完整的廠級(jí)經(jīng)營層(MIS)，廠級(jí)生產(chǎn)技術(shù)層(SIS)和生產(chǎn)過程層(DCS)三層的有機(jī)聯(lián)系的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)了火電廠電力生產(chǎn)流程的完全自動(dòng)化過程。
5 小結(jié)
21世紀(jì)的工業(yè)控制系統(tǒng)將不僅僅實(shí)現(xiàn)控制功能，而必須考慮與設(shè)計(jì)、管理決策等系統(tǒng)的互聯(lián)。建立SIS將有力地支持廠級(jí)生產(chǎn)管理人員對(duì)全廠生產(chǎn)管理，提高運(yùn)行的安全性與經(jīng)濟(jì)性，實(shí)現(xiàn)信息的雙向共享和自動(dòng)化系統(tǒng)的集成。技術(shù)和管理是互相影響與促進(jìn)的，DCS進(jìn)入單元機(jī)組控制，引起了機(jī)組運(yùn)行體制的變化，可以預(yù)見，建立廠級(jí)監(jiān)控信息系統(tǒng)，也將促使電廠運(yùn)行監(jiān)控模式的變化。
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作者：曹文亮，高建強(qiáng)，王兵樹，馬良玉 合作媒體：專網(wǎng)通信世界-中國電力通信網(wǎng) 編輯：顧北 |
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