韩 平1 张战强2 舒茂龙2 张 凯3 方海泉4
（1.神华国能集团有限公司科技信息环保部，中国 北京 100033；2.神华国能宁夏煤电有限公司，宁夏 银川 750409；
3.航天神洁〈宁夏〉环保科技有限公司，宁夏 银川 750001；4.北京信息控制研究所，中国 北京 100048）
【摘 要】分析了数字化电厂的定义、特点和体系结构，明确了传统电厂向数字化电厂发展需建设的内容，阐述了传统电厂数字化建设面临的问题和建设方法，其中建设方法包括生产运行数字化、生产管理及经营决策的数字化，提出传统电厂数字化建设需分阶段实现的设想，重点介绍了分散控制系统（DCS）一体化建设，并给出了两个电厂DCS改造的成功案例。
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关键词 数字化电厂；DCS改造；厂级DCS
作者简介：韩平，神华国能集团有限公司科技信息环保部，高级工程师，从事火力发电集团科技信息环保管理工作。
0 引言
对于已建成并运营了一定年限的火力发电厂（称为传统电厂），为了提高其发电效率、降低发电成本，需要运用系统论方法，把电厂的数字化建设进行逐层剖析，从整体出发进行设计，使电厂数字化建设全面有序展开，提升整个电厂运营效率。
1 数字化电厂的概念
数字化电厂的定义大致可分为两类：一类是狭义的、浅层次的、初级的，即认为数字化电厂就是指电厂生产，乃至管理的数字化，只要电厂监控系统(包括现场仪表)和管理系统的各个层面都实现了数字化，就认为建成了数字化电厂；而另一类是广义的、深层次的、高级的，即认为数字化电厂包括电厂设计、建设、营运、管理等电厂全生存周期各个过程的数字化，重要的是应建立有电厂的数字模型，并充分利用系统集成、专家系统、虚拟现实等现代信息处理和管理决策技术，实现电厂管控真正意义上的信息化、智能化，最大限度地达到电厂安全、高效、环保的运行状态。实际上，后一种定义更为全面、系统，也与国际上主流的数字化工厂观点相吻合。[1]
从电厂生存周期全过程综合来看，电厂的数字化不仅体现在建立有相应的数字化电厂模型，而且也应包括在其各个生存过程的数字化，即电厂规划和设计的数字化、电厂建设的数字化、电厂运行的数字化、电厂运营管理的数字化等各个层面，如此才可称得上是全面的数字化电厂。
2 数字化电厂体系结构
通过对发电企业管控一体化模型的研究并结合火力发电厂的特征，将数字化电厂分为四个层次、四个支持系统的数字化电厂层次结构模型。数字化电厂的结构模型如图1所示。[2]
四个层次分别是：现场设备层、厂级监控层、生产管理层、经营决策层。
四个支持系统分别是：数据库支持系统、计算机网络支持系统、三维模型支持系统、电厂标识系统KKS。
3 传统电厂数字化建设面临的问题
3.1 传统的设计模式与数字化设计的要求相差很远
由于传统的设计机制没有针对数字化电厂的特点进行提升和变革，加之由于设计人员的设计理念还局限于传统电厂的设计,没有深入理解数字化电厂的特点，造成数字化电厂设计的目的仅仅是数据共享和实时可查。由于采用的应用软件平台不同,缺乏规范统一性,使大量的有用信息无法真正共享,造成资源浪费。[5]
3.2 软件不能合理利用盲目引进造成浪费
近几年随着国外设备的引进,有些电厂就像引进设备那样来引进软件,没有对整个电厂的信息系统进行总体规划,使数据传递不畅,结果使引进的软件不能发挥应有的作用。同时由于没有系统规划,还造成了许多软件功能的重复,引起数据冗余,造成浪费。
3.3 企业技术人员缺乏
国内的不少企业已经引入了国外先进的软件,但是技术人员缺乏,不能使软件功能最为有效的发挥成为一个不可回避的问题。
3.4 其他问题
在现在的数字化电厂中,还普遍存在系统目标不明确,系统规划不合理,以及设计阶段缺少统一的编码等问题。
4 传统电厂数字化建设方法
全面实现电厂数字化工作，在国内外均处于刚起步阶段，对于20世纪90年代建设的传统电厂的数字化建设，建议分阶段进行，第一阶段是实现生产运行数字化，包括全厂DCS一体化、智能保护及智能安防、一键启停控制系统、无人值守、升压站监控系统、智能化调度，重点是对分散控制系统（DCS）进行升级改造，建成全厂DCS一体化，也称为厂级DCS。第二阶段是生产管理与经营决策数字化。
4.1 生产运行数字化
4.1.1 厂级 DCS 的概念
厂级DCS是在各单元机组、公用、辅控系统网络基础上，设置一个整合统一的控制网络平台，它实现对厂内所有生产系统的监视和控制。在厂级DCS控制平台上可根据实际情况引入故障诊断、智能设备状态管理、振动分析系统、煤质在线分析、锅炉寿命在线监测及管理等专家系统，实现高级智能监控、智能保护和智能管理任务。[3]
厂级DCS设置全功能操作员站，全能值班员可根据权限通过任一全功能操作员站实现对各机组及公用系统的监视和操作，使一人监控全厂，在技术上成为可能。同时，各单元机组及公用、辅助系统的各自正常监视和操作也不会受到影响。由于厂级DCS网的联络作用，在正常情况下，各单元及公用控制网络的操作员站还能实现交叉监视和操作，便于在某些特定情况下实现运行人员与人机接口设备的资源整合。
4.1.2 DCS改造案例
１）案例1
大唐洛阳首阳山发电厂3号机组为国产300MW发电机组，于1995年10月投产运行，热控系统主要由四部分组成，其中，主控系统为ABB公司的INFI-90控制系统；给水泵小汽轮机电液控制系统(MEH)为西屋公司的WDPF－Ⅱ控制系统；汽轮机数字电液调节系统(DEH)为日立公司的HITACHI－3000控制系统；旁路控制系统(BPC)为西门子公司的TELEPERM－ME控制系统，各系统之间采用硬接线进行数据交换。[4]
改造原因：这几个系统采用的是上世纪80年代末DCS的设计思想，硬件庞大，功能虽然在当时比较先进，但现在已远远落后。四大子系统采用不同厂家的控制系统，相互独立，接口复杂，子系统间的数据交换采用硬接线方式，数据及记录不能自由共享，也没有能参考的统一时间标签，进行事故分析时极为不便。另外还有系统设备老化、硬件及软件设备经常出现故障等原因，需对系统进行升级改造。
改造方案：取消原DEH、MEH、BPC三个子系统，整个DCS在原INFI-90系统基础上进行一体化升级改造，采用ABB公司最新推广的IndustrialIT Symphony系统替换原有系统，只更换非INFI-90 系统的控制电缆及原INFI-90 系统中极少数重要信号的电缆。
改造效果：经过改造实现了DCS、DEH、MEH、BPC、ETS、METS 一体化，消除了不同系统之间数据共享、时钟同步等问题。一体化后，原本需要分别进行管理的四大子系统可统一管理，极大减轻了热工人员的维护工作量。
2）案例2
浙江北仑发电厂的一期二台机组分别于1991年10月和1994年11月建成投产，其控制系统采用的是美国ABB公司1984年推出的MOD-300分散控制系统，是国内较早采用DCS控制的机组之一。#1机组MOD-300分散控制系统包含机组协调控制系统(CCS)、燃烧器控制系统(BCS)、数据采集系统(DAS)、人机接口系统、数据处理系统(完成数据存储、打印功能)、事故追忆(SOE)、SCS网关接口等子系统。
改造原因：一是系统设备明显老化，可靠性大为降低，故障发生的频度增大；二是备品备件购买困难，由于计算机技术迅猛发展，国外的控制系统不断进行升级换代，老的控制系统备品备件不再生产，现在MOD-300控制系统的显示器、网关处理器、M/A站、I/O卡件等一些备品已无处购买。
改造方案：对DCS进行彻底改造，采用上海西屋公司的OVATION系统。
改造效果：原来吹灰系统的控制由ABB公司的PLC实现，本次改造设计了DCS与吹灰PLC之间的通讯接口，通过DCS操作员站对吹灰系统进行监视和控制。OVATION系统提供了一个与MIS系统的接口，为了保证DCS的安全性，在MIS系统一侧专门配备了物理隔离设备和防火墙。对集控室布局进行改造，将原来#1、#2机组独立的集控室合二为一，即把#2机组的集控室并到#1机组来，以便于管理。
4.1.3 智能保护及智能安防
智能保护系统实现保护逻辑的智能化，提高保护信号的可靠性，增强保护系统对不同工况适应性。同时在现场设备数字化基础上完善了设备状态管理功能后可引入相应的专家系统实现智能事故预测预控，切实提高机组运行的可靠性，确保安全运行。
安防系统采用数字化和智能化的前端监控检测设备，通过网络传输图像和数据，保证了监控画面的品质，提高了信号的及时性和准确性，通过网络互联，实现各子系统联动，为运行设备的安全运行及电厂的安全保卫提供保障。
4.1.4 一键启停技术与应用
一键启停控制系统（即：机组自启停控制系统，简称APS系统）可以使机组按照规定的程序进行设备的启停操作，不仅大大简化了操作人员的工作，减少了出现误操作的可能，提高了机组运行的安全可靠性，同时也缩短了机组启动时间，提高了机组的经济效益。
快速准确的机组启动缩短了机组启、停设备时间，优化的控制策略降低了启停过程中的煤耗和油耗，提高了机组运行经济效益。
4.1.5 无人值守及运行优化
通过光纤通讯、无线通讯等先进网络技术的应用，实现全厂一点监控，取消了输煤、除灰、水务、脱硫、电除尘等监控点，生产现场无人值守，大量减少了运行值班人员。
通过实施低负荷下机组运行优化措施（包括机组滑压参数优化、机组冷端运行优化、辅机运行方式优化等），提高机组的整体效率和整体经济效益， 对当前的节能减排工作具有重要的意义。
4.1.6 数字化的升压站监控系统
数字化升压站控制系统以一次设备信息数字化、二次设备网络化和统一的信息平台为基础，通过采用先进的传感器、电子、信息、通信、控制、人工智能等技术，实现升压站设备的远程监控、程序化自动运行控制、设备状态检修、运行状态自适应、智能分析决策、网络故障后的自动重构以及与调度中心信息的灵活交互等功能，实现一、二次设备监控的数字化、运行管理的数字化。
4.1.7 智能化调度
智能电网的发展目标在节能减排、适应新能源接入、工业化和信息化深度融合等方面提出了更高的要求。电网智能调度技术支持系统通过对电网运行数据的监视、分析与仿真，采用智能化、数字化的手段自动跟踪电网及电厂的变化情况，从而及时准确、快速地解决电网及电厂运行过程中的各种问题。电厂作为电网智能调度的对象之一，应满足电网调度的要求，适应电网智能化调度运行的需要。
4.2 生产管理及经营决策的数字化
图2是某一火力发电厂电厂信息系统大的框架，每个功能模块下有大量子模块。
（1）通过生产和设备管理系统，加强对全厂设备的监控和管理， 加强设备的缺陷管理，提高设备维修的有效性和经济性，延长设备使用寿命，提高设备可利用率，缩短检修工期和降低检修成本；
（2）通过经营管理系统，对全厂运行和管理的成本实行动态的跟踪分析以达到降低原材料消耗，减少运行维护费用，控制生产成本的目的，并及时向领导提供辅助决策信息，帮助领导做出正确决策，以适应市场竞争的环境对领导的快速决策提出的更高的要求，同时也为竞价上网和开展电子商务创造条件；
（3）通过办公管理系统，建立一个功能完善、使用便利和高度共享的管理系统，达到提高工作效率、减少管理人员，促进管理现代化的目的；
（4）通过电厂决策支持系统，及时向领导提供辅助决策信息，帮助领导做出正确决策，以适应市场竞争的环境对领导的快速决策提出的更高的要求；
（5）建立一个基于企业级网络和大型数据库系统、能充分支持电厂各种应用的先进、稳定和安全的计算机运行平台；
（6）在实时数据库和关系数据库数据基础上通过数据挖掘，构建面向数据主题的电厂数据仓库，为电厂决策支持系统和高级应用的专家系统提供数据支持。
5 结束语
对传统电厂进行数字化升级改造是一项复杂的系统工程，需要用系统工程技术进行系统规划、顶层设计。综合应用计算机网络技术、自动控制技术和信息技术、数字化电厂的三维设计技术、现场设备智能化技术，才能把传统电厂建成技术先进的数字化电站。
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参考文献
［１］周四维,李忠炳,张晋宾.数字化电厂的概念及实施[J].上海电力学院学报,2014,30(3):208-212.
［２］曾华林.论数字化电厂的技术发展[J].电力技术资讯,2013:107-109.
［３］周森.1000MW 超（超）临界机组厂级 DCS 设计浅析[J].神华科技,2013,11(6):45-53.
［４］李珊珊,朱峰.300MW机组DCS改造典型问题分析[J].河南电力,2009,4:11-15.
［５］张鸿久,何熹.数字化电厂模型层次分析[J].现代商贸工业,2009,20:322-323.
［责任编辑：汤静］