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廠級監控信息系統(SIS)的現狀及發展前景 |
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[ 通信界 / 曹文亮，高建強，王兵樹，馬良玉 / www.6611o.com / 2010/12/7 21:15:37 ] |
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前言
長期以來，在計劃經濟模式下，我國熱力發電廠始終把機組的安全穩定運行作為生產管理的重點，而忽視提高機組運行經濟性等方面的管理。隨著電力工業的發展，九十年代后新建電廠的機組均采用了先進的分散控制系統，(Distributed Control System，簡稱DCS)，許多老廠也進行了機組的DCS改造，目前，我國電廠機組的自動控制水平已經達到或接近世界發達國家水平。然而，我國電廠的管理水平和經濟運行指標與世界先進國家還存在明顯的差距。
近年來，許多電廠相繼建設了管理信息系統(Management lnformation System，簡稱MIS)為電廠的現代化管理與節能增效提供了良好的基礎。MIS主要服務于事務管理，對象是辦公自動化領域，以組織、交換和共享管理信息和數據為目的，數據通訊負荷一般具有大小不可預計和突發性的特點(如上班高峰)，并且其安全可靠性要求也并不很高，而相對來說，生產過程通訊網絡如DCS網絡則有很高的安全可靠性要求，并且生產過程信息及通訊負荷均具有相對連續穩定的特點，在這種情況下，倘若由于MIS大量的突發的數據請求，對生產過程通訊網絡帶來了大量突發性傳輸負荷的影響，從而無法有效地保證生產過程信息的傳輸帶寬。為此，從保障安全生產的角度出發就必須將DCS和MIS進行隔離。
現在我國電廠基本實現了各單無發電機組的自動化控制，但一臺機組的DCS與另一臺機組的DCS之間彼此隔離，形成機組間的“控制(信息)孤島”，使得生產管理者不能實時、全面、準確地掌握各機組的運行狀況，更無法實現各單元機組間負荷的經濟分配。理論上，DCS之間的互聯是完全可以進行的。但是，一般情況下電廠都有多臺機組，將多臺機組DCS的操作管理層網絡連接在一起，就會導致多個DCS通訊系統的直接耦合，形成一個非常復雜的直接耦合系統。同時，為了優化和管理的目的還要在該耦合系統中運行大量的應用軟件，從而降低了單元機組的監控
可靠性和傳輸實時性。因此，實際電廠極少采用多臺機組DCS直接連接而成的全廠操作管理層網絡模式。
電力生產企業生產和管理一般分為三個層次，即下層的控制操作層，面向運行操作者；中間的生產管理層，面向生產和技術管理者；上層的經營管理層，面向行政和經營管理者。目前，我國許多電廠均建立了面向運行操作者的DCS和面向經營管理層的MIS，恰恰缺少了面向生產管理層的自動化網絡，這是造成我國電力生產管理水平和運行經濟指標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管理層的廠級監控信息系統(SIS)，形成廠級綜合自動化系統(包括SIS和MIS)。在國家電力公司2001-2015科技發展規劃中也已經明確提出，將在我國的大型機組和老廠改造上建立廠級自動化系統，并將使其完善和推廣應用。同時隨著我國電力企業市場化的改革，“廠網分開、竟價上網”的實施，要求各電廠必須把電力生產的安全性和經濟性并重，優化生產過程，降低生產成本和設備損耗，提高電廠的現代化管理水平，以適應電力市場發展的需要。
1 廠級信息監控系統功能
SIS正是面向生產管理層的自動化管理軟件，它是實現廠內各個機組和全廠生產過程最優控制和管理的系統，也是一個聯系發電廠各生產過程控制系統以及MIS的紐帶。SIS可以綜合全廠各單元機組、輔助車間有關實時信息，通過計算、優化和分析，對各單元機組的運行和設備維護提供在線的運行指導，并進行發電廠各單元機組間的負荷經濟分配。通過其計算機和通訊設施，可以實現全廠各生產部門的實時信息上網共享。
目前，從國內外開發、應用的經驗看，還沒有清晰完整的SIS定義，其系統功能、監控方式、管理范圍還需要不斷的去發展和完善。SIS主要有如下功能：全廠各生產系統實時信息顯示，機組的性能計算與經濟性分析，機組在線性能監測與分析，預測與預防性維護，發電廠負荷經濟分配等。
(1)全廠各生產系統實時信息顯示
該功能以畫面、曲線、棒狀圖等形式顯示機組及其輔助設備的運行狀態、參數、系統圖，為廠級生產管理人員提供實時信息。同時記錄生產過程的主要數據，生成各職能部門需要的全廠各類生產、經濟指標統計報表。
(2)性能計算和經濟性分析
該功能用于計算單元機組各主附設備的效率等性能參數。主要有：鍋爐性能計算、汽機性能計算、凝汽器性能計算、給水加熱器性能計算、鍋爐給水泵及給水泵汽機性能計算、空預器性能計算、過再熱器性能計算、泵與風機性能計算等。它以獲得最佳發電成本為目標，對機組和輔助設備的當前各性能參數與理想值進行計算比較，將偏差以百分數的形式顯示在屏幕上，使得運行人員對其性能進行評估并矯正偏差。
(3)在線性能監測與分析
該功能的主要目的，是通過收集和分析有用的、實時的運行數據，實現對電廠運行條件的優化，以增進電廠的性能和經濟性。系統能夠計算實際系統性能參數與性能參數的應達值之差，指出造成參數偏差的原因。還要計算這些偏差將造成設備異常或損耗并發出警報，且能提供長期記錄，根據性能的偏差值，在CRT上顯示給運行人員，使運行人員通過調整設備的可控參數減小偏差。運行人員的可控參數分為兩類。第一類與運行人員的控制操作有直接的關系，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、空預器風溫等。第二類除與運行人員的控制操作水平有關外，還與設備的運行工況等有關，如凝汽器背壓，過熱器噴水量、凝結水過冷度、鍋爐給水溫度、廠用電量、凝結水補水量、連排流量等。
(4)預測與預防性維護
火電廠設備管理軟件在國外很早就有應用，但真正完善和深化是在90年代。隨著自動化水平和企業管理水平不斷提高，人們對設備維護的認識水平和管理水平也在提高。SIS是以工況為基礎的預防性維護，這是目前最高層次的設備維護，即在生產過程中，對設備的多種性能指標進行實時檢測和評估，再根據預先確定的數學模型，進行分析、計算和預測，確定設備維修時間。
(a)機組壽命管理
壽命監測和管理(包括給水泵)是通過啟動曲線、運行曲線、壽命曲線和廠家提供的各種數據、圖表去配置設備的預測與預防性維護方案，為了分析和比較，系統能根據每次啟停去計算壽命損耗、并且累積最終壽命損耗，儲存每次啟停的壽命損耗率，同時系統根據各種運行參數和設備的運行時間，在CRT上為運行操作人員顯示出對維護的預測和指令。
(b)狀態監視和故障診斷
通過對過程各部分的變量進行邏輯評估來監視過程，并將過程的實際狀態與動態過程模型進行比較，面向狀態進行診斷和早期報警，使運行人員能在故障發生前對這一問題進行糾正，并將診斷出的問題以因果圖的方式顯示出來。并可自動提供高精度實時設備性能數據，供管理人員分析和編寫報告時使用。通過對所采集的測點進行分析，并與標準模型進行比較，診斷出測點錯誤后對數據進行調整，調整后的數據發往過程信息管理系統或控制系統中參與生產過程的控制
(5)全廠負荷優化調度
在出現電力市場交易中心后，傳統的“計劃經濟”模式改為通過電廠或機組的電量競價模式來分配負荷，調度中心把實時負荷指令直接下達到電廠的監控系統。此時利用SIS可改變電網總調對電廠負荷控制方式，總調不再直接控制機組，而改為對全廠監控系統發出負荷指令，后者根據總調來的預測負荷曲線，結合機組負荷響應性能，去實現各機組的負荷最優分配，以獲取全廠最大的經濟效益，并可根據需要分別制定出實時優化、短期優化和中期優化。有利于電廠的經濟運行，也有利于實行廠網分開、競價上網的商業化運行方式的實現。
2 電廠廠級信息監控系統與全廠各控制系統的關系
SIS位于各部門生產設備控制系統之上，對全廠的生產設備的運行全面實施監控，總覽各生產設備的運行情況、參數和設備狀態；從全廠指揮的高度對電廠生產監視、分析判斷并做出決策。SIS可以與單元機組DCS、公用DCS和配電網絡500KVNCS(500kv-network computer monitoring and control system)實現雙向通訊，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獲取所有的機組的實時數據，SIS還可以接受電網的預測負荷曲線，經SIS優化后，再把負荷實時分配到每臺機組。為保證實時系統的安全性，電網調度系統來的負荷曲線指令、SIS與MIS之間的均采用單方向的數據通訊方式。同時，為了保障SIS的電廠負荷經濟分配系統實時安全性及其與NCS通訊的可靠性，其所需的來自MIS的數據，以及與NCS和DCS通訊所需的重要過程參數均通過獨立的I／O接口實現。
3 廠級監控信息系統應用情況
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行效率，增強電廠的市場競爭力，國外一些著名的生產廠商紛紛在實時控制的基礎上不斷向管理層面發展而進行了開發研究，開發了類似于SIS的一些軟件包。這些軟件在國外已有較多的應用業績，且取得了良好的效果。其中應用較多且功能較為完善的有瑞士ABB公司開發的一體化產品OPTIMAX軟件包、德國Siemens公司的Sienergy系統、HONEYWELL公司的全廠自動化系統TPS以及Foxboro公司的將過程控制和全廠管理相結合的信息管理系統I／ASeries等。但由于它們中的大部分模塊是根據具體電廠的實際需求開發出來的，有的還在不斷的改進與發展，且整套軟件價格昂貴，如Bently公司的用于監視旋轉機械工作狀態的數據管理系統(DM2000)和機械狀態管理系統(MCM2000)的價格分別為1萬美元和4萬美元左右。故而在國外也是根據不同電廠的具體要求而靈活選用一個或幾
個模塊。在國內火電廠優化軟件的開發和應用還處于初級階段，目前有能力開發這類軟件的單位不少，有些已作了相當工作，但大多數處于開發研究和試驗階段，真正成熟的、能應用于市場的產品很少。華北電力大學開發的電站熱力系統經濟性分析在線監測預分析軟件、鍋爐吹灰優化軟件等已經在幾個電廠得到成功的應用。
在硬件方面，由于SIS是全廠實時監控和信息管理的中心，故SIS中實時數據庫存儲設備的容量要足夠大，同時還應冗余配置。除了對安全有較高的要求外，對其與其它系統通訊接口也要有較高的要求。因為SIS最終將與發電廠的所有控制系統進行網絡連接或數據通訊，接口較多，其接口方式應在安全可靠的前提下，力求標準和統一，相應的也要考慮控制系統側接口的標準和統一的實現。
4 建立廠級監控信息系統的意義
(1)火電廠SIS軟件全部以成本核算、經濟管理功能得到了應用。將原來不可控或不清楚的能量損失全部量化，并幫助進行分析、查找故障，提出節能，降耗的優化措施，強化運行和管理人員的經濟管理意識，可以促進觀念的轉變，提高電廠的經濟效益和現代化管理水平。
(2)SIS提供了多種供生產管理人員分析、管理生產過程的手段和工具。可以最大程度地利用DCS和MIS的資源，使全廠計算機監控網絡總體設計，合理配置，避免重復設置，減少工程量，節約投資。
(3)利用SIS可以使電廠的硬件接口、通訊協議規范化，有利于應用軟件的開發和應用，為各種電廠運行、管理優化軟件包的應用提供運行平臺。可以把實時性不強的管理功能上移至廠級，提高了DCS的直接監控性，還可以降低綜合投資費用。同時它還可以支持遠程通信方式，使遠程設備故障診斷、機組性能分析及信息監控功能成為可能。它可充分發揮火電廠及電力系統專家的作用，在機組運行中依靠優化軟件提供的功能，對機組性能和設備狀態進行異地遠程監控和故障分析。專家可在短期內同時處理多個電廠的性能故障分析，對于偏遠地區電廠的重大事故
分析具有典型意義。
(4)SIS的建立，解決了廠級生產，技術層的自動化問題，使火電廠形成完整的廠級經營層(MIS)，廠級生產技術層(SIS)和生產過程層(DCS)三層的有機聯系的綜合自動化系統。實現了火電廠電力生產流程的完全自動化過程。
5 小結
21世紀的工業控制系統將不僅僅實現控制功能，而必須考慮與設計、管理決策等系統的互聯。建立SIS將有力地支持廠級生產管理人員對全廠生產管理，提高運行的安全性與經濟性，實現信息的雙向共享和自動化系統的集成。技術和管理是互相影響與促進的，DCS進入單元機組控制，引起了機組運行體制的變化，可以預見，建立廠級監控信息系統，也將促使電廠運行監控模式的變化。
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作者：曹文亮，高建強，王兵樹，馬良玉 合作媒體：專網通信世界-中國電力通信網 編輯：顧北 |
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