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(fā)電分公司，江蘇鎮(zhèn)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(yè)發(fā)展進(jìn)入大電網(wǎng)、大機(jī)組和高度自動化的時(shí)代，電力行業(yè)對火電機(jī)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(tǒng)（DCS）作為火電機(jī)組控制的核心和大腦，增強(qiáng)其自主可控能力顯得尤為重要[2-6]。

中國華電集團(tuán)有限公司依托國電南京自動化股份有限公司，在國內(nèi)較早地開展了DCS核心軟硬件的國產(chǎn)化工作，與中國電子、中國電科等國內(nèi)優(yōu)勢技術(shù)力量深度合作，開展核心技術(shù)攻關(guān)工作，研制出了完全自主可控的DCS——華電睿藍(lán)智能分散控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)在國內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了1 000 MW超超臨界機(jī)組控制中主機(jī)DCS、DEH、脫硫、吹灰、電除塵等主輔機(jī)的一體化應(yīng)用，應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，性能優(yōu)異，完全滿足大型火電機(jī)組一體化控制的要求，標(biāo)志著我國火電機(jī)組核心控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)完全自主可控，在發(fā)電領(lǐng)域自主可控技術(shù)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(lán)智能分散控制系統(tǒng)的整體架構(gòu)、技術(shù)特點(diǎn)及其在華電句容電廠1號1 000 MW超超臨界機(jī)組一體化控制中的應(yīng)用情況。

1 原控制系統(tǒng)應(yīng)用情況分析

華電句容電廠1號機(jī)組于2013年8月投運(yùn)，受當(dāng)時(shí)技術(shù)條件和成本限制，機(jī)組未實(shí)現(xiàn)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(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）原主機(jī)DCS、脫硫DCS采用maxDNA控制系統(tǒng)，主機(jī)DEH采用T3000控制系統(tǒng)，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(tǒng)共存的方式存在系統(tǒng)間通信量大、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不同、與電氣GPS系統(tǒng)時(shí)間無法統(tǒng)一等問題，對機(jī)組事故異常分析極為不利；

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

（3）隨著后續(xù)改造項(xiàng)目的增加，部分系統(tǒng)存在諸如運(yùn)行卡件通道備用點(diǎn)數(shù)不足、歷史站存儲能力有限等問題。

近年來，隨著電力企業(yè)控制系統(tǒng)國產(chǎn)化進(jìn)程日益加快，軟硬件技術(shù)逐步走向成熟，加之考慮到國際形勢的變化和國家安全戰(zhàn)略，國家大力提倡和鼓勵自主品牌在企業(yè)控制領(lǐng)域的開發(fā)和應(yīng)用，解決國外高新技術(shù)“卡脖子”的困境。為提高機(jī)組運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性，華電句容電廠采用國電南自公司自主研發(fā)的華電睿藍(lán)智能分散控制系統(tǒng)對該1 000 MW超超臨界機(jī)組進(jìn)行一體化控制改造。

2 華電睿藍(lán)智能分散控制系統(tǒng)整體架構(gòu)及技術(shù)特點(diǎn)

華電睿藍(lán)智能分散控制系統(tǒng)是國電南自自主研發(fā)的完全自主可控分散控制系統(tǒng)，采用自主可控的國產(chǎn)CPU開發(fā)過程控制站（DPU），基于國產(chǎn)嵌入式操作系統(tǒng)開發(fā)DPU應(yīng)用程序。采用國產(chǎn)元器件開發(fā)I/O模件，實(shí)現(xiàn)“核心芯片國產(chǎn)化，外圍芯片可控可替代”目標(biāo)；采用國產(chǎn)操作系統(tǒng)、國產(chǎn)計(jì)算機(jī)以及國產(chǎn)交換機(jī)等，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)國產(chǎn)化，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)核心軟件代碼自主可控，系統(tǒng)整體功能、性能和可靠性等滿足火電機(jī)組控制要求，并優(yōu)于國家標(biāo)準(zhǔn)/行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。該系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

（1）基于自主可控國產(chǎn)CPU的分散控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)DPU。

對于分散控制系統(tǒng)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(chǎn)飛騰CPU（FT2000/4），并開發(fā)所需的外圍配套電路，實(shí)現(xiàn)完整的DPU功能。在自主可控的銀河麒麟等操作系統(tǒng)環(huán)境下，為適應(yīng)Linux內(nèi)核，分別考慮實(shí)時(shí)控制層和監(jiān)控層對安全性和實(shí)時(shí)性的要求，整體進(jìn)行系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)，滿足DPU和監(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)操作系統(tǒng)國產(chǎn)化和跨平臺的要求。

（2）深入系統(tǒng)指令級的DCS系統(tǒng)整體信息安全構(gòu)架方案。

在DCS的多個(gè)層面進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)安全加固，包括自定義SBP通信協(xié)議的加密與授權(quán)、應(yīng)用數(shù)字簽名、部署網(wǎng)絡(luò)惡意代碼和網(wǎng)絡(luò)入侵防護(hù)、網(wǎng)絡(luò)審計(jì)、主機(jī)加固軟硬件，并引入控制組態(tài)自動備份和恢復(fù)，形成完整的DCS系統(tǒng)整體信息安全架構(gòu)方案。

該系統(tǒng)具有安裝簡單、分散程度高、通信可靠、安全性強(qiáng)等特點(diǎn)，可廣泛適用于各種容量等級的火力發(fā)電廠，實(shí)現(xiàn)全廠一體化控制。

2.1 華電睿藍(lán)智能分散控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[7]

該系統(tǒng)主控通信網(wǎng)絡(luò)為連接分散控制系統(tǒng)中各過程控制站、人—機(jī)接口站（操作員站、工程師站）或人—機(jī)接口數(shù)據(jù)服務(wù)器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)。采用工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)、全雙工模式工作，通信速率為100 Mb/s，傳輸介質(zhì)采用超五類雙絞線或多模光纜。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1所示。

圖1 華電睿藍(lán)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

2.2 華電睿藍(lán)智能分散控制系統(tǒng)的主要硬件特點(diǎn)[7]

2.2.1 控制器

華電睿藍(lán)智能分散控制系統(tǒng)采用的是基于天津飛騰最新一代FT2000/4 CPU研發(fā)的控制器，運(yùn)算能力更強(qiáng)，功耗更低，擴(kuò)展了必要的外圍電路，包括電源轉(zhuǎn)換模塊、超級電容模塊、熱備網(wǎng)絡(luò)模塊、冗余通信網(wǎng)絡(luò)模塊、撥碼開關(guān)、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。控制器的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 基于FT2000/4 CPU的控制器架構(gòu)圖

該控制器采用冗余的以太網(wǎng)口，直接連接網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)高速公路，完成數(shù)據(jù)的采集、控制、加工等功能。I/O模件等組件與真實(shí)過程控制的輸入/輸出相連接，依托高速并行的總線技術(shù)，保證了I/O數(shù)據(jù)的高速可靠采集，并實(shí)現(xiàn)分周期執(zhí)行和最快10 ms的回路處理周期，有效保證控制精度達(dá)到實(shí)際工程應(yīng)用的要求。

2.2.2 I/O卡件

華電睿藍(lán)智能分散控制系統(tǒng)開發(fā)了高可靠性和高實(shí)時(shí)性的多主并發(fā)高速串行通信的I/O數(shù)據(jù)管理技術(shù)，與運(yùn)算處理器互相獨(dú)立，結(jié)合執(zhí)行時(shí)序同步技術(shù)，保證運(yùn)算、通信的實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)高速冗余的I/O層級通信，在I/O模件的測量回路中設(shè)計(jì)了完善的自校驗(yàn)功能，可以保證長時(shí)間運(yùn)行信號測量和輸出的準(zhǔn)確性而無須人工校驗(yàn)。采用基于IRIG-B碼對時(shí)的時(shí)間順序記錄（SOE）機(jī)制，可實(shí)現(xiàn)跨電子間的不超過1 ms時(shí)間順序記錄精度。

圖3 過程控制站網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

提供種類多樣的I/O卡件來實(shí)現(xiàn)控制過程的分散性，包含模擬量輸入/輸出卡件、數(shù)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(zhuǎn)速控制卡，可以精確地配合DEH系統(tǒng)完成汽輪機(jī)的控制。用于控制遠(yuǎn)程的就地設(shè)備，系統(tǒng)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(xié)議，控制器的IO LINK接口支持Modbus TCP協(xié)議，專用Profibus總線通信卡實(shí)現(xiàn)Profibus DP/PA通信功能，可以通信1 000點(diǎn)以上的數(shù)據(jù)，并且能夠提供雙冗余的設(shè)置，提高通信的質(zhì)量和安全性。

2.3 華電睿藍(lán)智能分散控制系統(tǒng)的主要軟件特點(diǎn)[8]

華電睿藍(lán)監(jiān)控系統(tǒng)采用基于Linux的銀河麒麟系統(tǒng)，系統(tǒng)平臺采用先進(jìn)的面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思想，具有優(yōu)秀的可擴(kuò)展性，為用戶提供了一套高效、完善的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)建模機(jī)制與開放式的數(shù)據(jù)訪問接口。系統(tǒng)平臺作為大型通用SCADA系統(tǒng)，在提供海量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理能力及人機(jī)界面、規(guī)約通信、事件/報(bào)警、歷史存儲與訪問、報(bào)表等各項(xiàng)通用SCADA功能的基礎(chǔ)上，還具有強(qiáng)大的開放性與可擴(kuò)展性，能夠滿足自動化監(jiān)控系統(tǒng)的各項(xiàng)功能、性能及可靠性的要求。

該系統(tǒng)提供圖形化及填表式組態(tài)方式，豐富的基礎(chǔ)功能塊可以最大程度地簡化邏輯組態(tài)過程。針對不同的用戶需求，通過組合基礎(chǔ)功能塊，也可以合成復(fù)雜的專用功能塊，自定義功能強(qiáng)大，擴(kuò)展性強(qiáng)。組態(tài)工具可以實(shí)現(xiàn)邏輯的在線和離線修改，在線修改即時(shí)生效，提供了畫圖式修改方法，直觀性強(qiáng)，對于用戶的調(diào)試和維護(hù)帶來了極大的便利。

3 1 000 MW超超臨界機(jī)組一體化控制中的應(yīng)用

3.1 項(xiàng)目概況

該機(jī)組為1 000 MW超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組，鍋爐為東方鍋爐股份有限公司生產(chǎn)的單爐膛、前后墻對沖燃燒、一次中間再熱、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣超超臨界變壓運(yùn)行直流爐。制粉系統(tǒng)采用中速磨煤機(jī)冷一次風(fēng)機(jī)正壓直吹式制粉系統(tǒng)，燃燒設(shè)計(jì)煤種時(shí)，5臺運(yùn)行，1臺備用。鍋爐點(diǎn)火采用微油點(diǎn)火，起到點(diǎn)火及助燃作用，保留點(diǎn)火油系統(tǒng)。

汽輪機(jī)為上海汽輪機(jī)股份有限公司生產(chǎn)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?zé)岢槠狡啓C(jī)。高壓旁路采用帶安全閥功能的100%容量三用閥系統(tǒng)，低壓旁路容量為65%容量。給水系統(tǒng)設(shè)置2臺50%容量汽動給水泵和1臺30%容量電動給水泵。

發(fā)電機(jī)為上海汽輪發(fā)電機(jī)股份有限公司和德國西門子公司聯(lián)合設(shè)計(jì)制造的水氫氫冷卻、自并勵靜止勵磁汽輪發(fā)電機(jī)。

3.2 工程應(yīng)用情況

該機(jī)組原主機(jī)DCS、脫硫DCS為maxDNA系統(tǒng)，汽輪機(jī)控制（DEH）為T3000系統(tǒng)，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(tǒng)一升級為華電睿藍(lán)智能分散控制系統(tǒng)。改造前后各系統(tǒng)所采用的控制系統(tǒng)品牌如表1所示。

表1 改造前后控制系統(tǒng)品牌對照表

改造后，主機(jī)DCS、DEH、脫硫DCS、電除塵DCS、吹灰DCS均納入單元機(jī)組控制，控制設(shè)備分別布置在鍋爐電子間、汽機(jī)電子間、脫硫電子間和電除塵電子間。

單元機(jī)組控制系統(tǒng)I/O測點(diǎn)總數(shù)為13 813點(diǎn)，其中主機(jī)DCS涉及I/O點(diǎn)數(shù)為10 807點(diǎn)，DEH涉及I/O點(diǎn)數(shù)為1 242點(diǎn)，脫硫DCS涉及I/O點(diǎn)數(shù)為955點(diǎn)，電除塵涉及I/O點(diǎn)數(shù)為809點(diǎn)。共配置控制器47對，機(jī)柜80面，其中主機(jī)DCS配置控制器34對，電源柜2面，繼電器柜2面，網(wǎng)絡(luò)柜2面，控制柜55面，鍋爐側(cè)及電氣側(cè)機(jī)柜布置在鍋爐電子間，汽機(jī)側(cè)機(jī)柜布置在汽機(jī)電子間；主機(jī)DEH配置控制器7對，控制柜7面，布置在汽機(jī)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(jī)界面包括操作員站6臺、工程師站7臺、服務(wù)器4臺、SIS站2臺。

DCS與第三方通信包括發(fā)電廠廠用電氣自動化系統(tǒng)（ECS）、智能前端、爐管泄漏系統(tǒng)機(jī)組及主要輔機(jī)振動監(jiān)測分析故障診斷系統(tǒng)（TDM）、LED顯示屏等。

機(jī)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(yuǎn)超業(yè)內(nèi)要求的15%。

表2 改造后機(jī)組I/O卡件配置表

2021年6月11日，華電睿藍(lán)智能分散控制系統(tǒng)在華電句容電廠1號1 000 MW超超臨界機(jī)組成功投運(yùn)[9]，在國內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了1 000 MW超超臨界機(jī)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(shí)將脫硫、吹灰、電除塵等關(guān)鍵系統(tǒng)納入統(tǒng)一控制，實(shí)現(xiàn)了全廠意義上的主輔機(jī)一體化控制。

機(jī)組并網(wǎng)后，順利完成了AGC考核試驗(yàn)和一次調(diào)頻考核試驗(yàn)，AGC和一次調(diào)頻性能良好，AGC考核試驗(yàn)曲線如圖4所示，一次調(diào)頻考核試驗(yàn)曲線如圖5所示。

圖4 AGC性能考核試驗(yàn)曲線

圖5 一次調(diào)頻性能考核試驗(yàn)曲線

系統(tǒng)投運(yùn)以來，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，機(jī)組自動投入率100%，保護(hù)投入率100%，各項(xiàng)性能指標(biāo)優(yōu)異，該項(xiàng)目的成功投運(yùn)標(biāo)志著我國火電機(jī)組核心控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)完全自主可控。

4 結(jié)論

大容量、高參數(shù)的1 000 MW超超臨界燃煤機(jī)組具有節(jié)能、減排、增效等優(yōu)點(diǎn)，是支撐我國電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的主力機(jī)組，研制和投運(yùn)與之匹配的完全自主可控的大型分散控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)主輔機(jī)全廠一體化控制，對于打破國外技術(shù)壟斷、提高電力基礎(chǔ)設(shè)施安全水平、保障國家能源產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)鏈安全和實(shí)現(xiàn)高水平科技自立自強(qiáng)具有重大意義。

國內(nèi)首套完全自主可控DCS——華電睿藍(lán)智能分散控制系統(tǒng)，在最先進(jìn)、最高效的1 000 MW超超臨界等級機(jī)組實(shí)現(xiàn)了成功應(yīng)用，應(yīng)用后機(jī)組具有如下優(yōu)勢：

（1）解決了工控系統(tǒng)“卡脖子”問題，實(shí)現(xiàn)了火電機(jī)組核心控制系統(tǒng)的完全自主可控；

（2）控制系統(tǒng)軟硬件技術(shù)水平先進(jìn)，系統(tǒng)投運(yùn)以來，穩(wěn)定可靠，未發(fā)生一起軟硬件故障；

（3）實(shí)現(xiàn)了主機(jī)DCS、DEH、脫硫、吹灰、電除塵等關(guān)鍵系統(tǒng)主輔機(jī)一體化控制，控制系統(tǒng)功能完善，備品備件充足；

（4）AGC及一次調(diào)頻性能優(yōu)異，為機(jī)組實(shí)現(xiàn)深度調(diào)峰控制起到了關(guān)鍵支撐作用。