火力發(fā)電廠主-輔控一體化DCS網(wǎng)絡與應用

高玉玲 王剛建 郭獻軍

(河南省電力勘測設計院，鄭州 450000)

20世紀90年代初，DCS開始應用于國內(nèi)大型火電廠的自控系統(tǒng)中。隨著人們生活和企業(yè)生產(chǎn)對電能供應的安全、可靠、經(jīng)濟及優(yōu)質(zhì)等指標的要求越來越高，也對電廠生產(chǎn)的自控水平提出了更高的要求[1,2]。而控制系統(tǒng)的骨架——系統(tǒng)網(wǎng)絡，作為控制系統(tǒng)的核心和基礎，也在不斷地發(fā)展變化。筆者以國電滎陽一期火電廠生產(chǎn)裝置為背景，將其單元機組的DCS公用網(wǎng)絡與全廠輔助車間控制網(wǎng)絡相連，構成了全廠DCS公用網(wǎng)絡結構，實現(xiàn)主機-輔機DCS的一體化控制。

1 大型火電廠控制方案簡介①

1.1 單元機組控制方式

單元機組采用爐、機、電集中控制方式，實現(xiàn)爐、機、電全能值班運行模式。每臺機組按爐、機、電一體化配置單元機組DCS，機組公用系統(tǒng)設DCS公用控制網(wǎng)，通過通信接口與各單元機組的控制系統(tǒng)連接。公用系統(tǒng)可由任意一臺機組DCS操作員站進行監(jiān)視和控制，并有相應的閉鎖措施，確保任何時候僅有一臺機組DCS能發(fā)出有效操作指令。

1.2 輔助車間控制方式

輔助車間按水、凝結水精處理、煤、灰、電除塵分設置各自的控制網(wǎng)絡。水、凝結水精處理、煤、灰控制系統(tǒng)采用DCS或PLC控制，并在此基礎上搭建輔控網(wǎng)，輔控網(wǎng)的值班點可并入集中控制室也可單獨設置輔網(wǎng)控制室。

2 主-輔控一體化網(wǎng)絡方案

目前很多工程為了提高自動化水平，消除自動化“孤島現(xiàn)象”，采用了全廠控制系統(tǒng)一體化，即全廠DCS硬件一體化的網(wǎng)絡結構[3～8]。但其網(wǎng)絡結構通常將主機DCS網(wǎng)絡和全廠輔助車間控制網(wǎng)絡分為兩個獨立的網(wǎng)絡。

主-輔控一體化網(wǎng)絡也是全廠DCS理念，不同的是將機組DCS公用網(wǎng)絡和全廠輔助車間控制網(wǎng)絡合并為一個全廠DCS公用網(wǎng)絡。這種網(wǎng)絡結構是一種全新的理念，鮮見于電廠的控制網(wǎng)絡中，因此保證這種全新網(wǎng)絡的可靠性是重中之重。

3 方案的可行性測試

3.1 測試模型

為了研究全廠主-輔控DCS一體化網(wǎng)絡控制在超大型機組(4×1 000MW及6×600MW等)應用的可行性，以6×1 000MW全廠主-輔控網(wǎng)絡一體化作為1∶1測試模型，該模型所有域的數(shù)據(jù)均來自同等規(guī)模機組實際組態(tài)項目，公用系統(tǒng)按照兩臺機組的輔控規(guī)模設計。測試主要研究主-輔控DCS一體化網(wǎng)絡的信息傳遞和控制、各個節(jié)點網(wǎng)絡的流量、值長站的網(wǎng)絡連接和信息處理量以及歷史站的配置、數(shù)據(jù)信息量和數(shù)據(jù)通信量。6×1 000MW機組的網(wǎng)絡拓撲結構如圖1所示，每兩臺單元機組建立一個單元機組公用域，包括有兩機公用電氣部分、工藝系統(tǒng)部分(空壓機系統(tǒng)等)和脫硫部分；每兩臺單元機組公用的輔控根據(jù)功能設置成水和灰兩個域，供煤的所有系統(tǒng)納入全廠公用網(wǎng)絡，脫硫部分單元機組納入單元機組域，公用部分納入兩機公用部分，全廠公用電氣部分建立一個域。全廠輔控根據(jù)功能分別建立水、煤和灰3個部分。域的規(guī)模見表1。

圖1 6×1 000MW機組全廠主-輔控網(wǎng)絡一體化拓撲

序號名稱點數(shù)/個1單元機組101 6932單元機組公用8 1903單元機組水系統(tǒng)265 534單元機組煤系統(tǒng)9 5295單元機組灰系統(tǒng)78 9696單元機組脫硫系統(tǒng)21 0377全廠公用101 6938全廠水系統(tǒng)26 5539全廠煤系統(tǒng)9 52910全廠灰系統(tǒng)26 553合計1 207 320

3.2 可行性測試結果

當EDPF-NT+系統(tǒng)采用混合通信模式時，大量的實時數(shù)據(jù)由控制器自動發(fā)布到系統(tǒng)網(wǎng)絡，因此當域的數(shù)量(多個機組)和域內(nèi)信息(大型機組)增大時，網(wǎng)絡開銷增大。在6×1 000MW這種超大規(guī)模組網(wǎng)的情況下，值長站的信息處理量遠大于合理范圍(要求小于30%)，使得值長站的反應變慢。

當EDPF-NT+系統(tǒng)采取發(fā)布訂閱的通信機制時，網(wǎng)絡流量會根據(jù)訂閱點數(shù)不同而變化。值長站的信息處理量處于合理范圍(小于10%)。通過以上對比測試，證明EDPF-NT+系統(tǒng)采取發(fā)布訂閱機制時，可以滿足6×1 000MW全廠主-輔控網(wǎng)絡一體化的應用要求。

當EDPF-NT+DCS系統(tǒng)采取發(fā)布訂閱的通信機制時，其網(wǎng)絡負荷隨訂閱點數(shù)量而變化。值長站連接在全廠的公用系統(tǒng)網(wǎng)絡上比較合理，其信息處理量在小于10%的合理范圍內(nèi)。根據(jù)EDPF-NT+DCS數(shù)據(jù)報的管理方式，在網(wǎng)絡負荷最極端的情況下，即6×1 000MW全廠主-輔控一體化網(wǎng)絡的單元機組為6個域，每個域的DPU(Distributed Processing Unit)站點數(shù)量均為100個，單元機組公用系統(tǒng)為15個域(每個域的DPU站點數(shù)量為20個)，全廠公用系統(tǒng)為4個域(每個域的DPU站點為20個)。查詢畫面以大屏幕分為4個畫面計算，每個畫面均向所有DPU(含少數(shù)跨域)申請數(shù)據(jù)。DPU在2min內(nèi)向畫面發(fā)送數(shù)據(jù)。如果設定為每分鐘更換4個畫面(滿足運行要求)，DPU發(fā)送數(shù)據(jù)量將成倍數(shù)增加，極端情況下值長站的數(shù)據(jù)通信量為9.1875MByte，約占網(wǎng)絡負荷的9.2%。但上述情況在實際生產(chǎn)中不會存在。值長站不可能同時向一個域內(nèi)的所有控制器發(fā)訂閱請求，畢竟一個畫面的內(nèi)容有限。比較合理的估算是網(wǎng)絡負荷為1%～2%。

通過以上對比測試，證明EDPF-NT+系統(tǒng)采取發(fā)布訂閱機制時，可以滿足6×1 000MW全廠主-輔控網(wǎng)絡一體化的應用要求。

4 應用

國電滎陽一期(2×600MW)工程DCS采用國電智深公司的EDPF-NT+軟/硬件一體化的分散控制系統(tǒng)。全廠DCS包括1#單元機組DCS、2#單元機組DCS和公用DCS，其網(wǎng)絡結構如圖2所示。

圖2 2×600MW超臨界機組DCS網(wǎng)絡結構

兩臺單元機組的監(jiān)控分別由兩套DCS實現(xiàn)，納入DCS控制的兩臺單元機組的公用系統(tǒng)和輔助車間控制系統(tǒng)均接入公用DCS網(wǎng)絡。公用DCS網(wǎng)絡與常規(guī)控制系統(tǒng)的不同之處在于，它是一套獨立完整的網(wǎng)絡設備，具有獨立的操作員站、獨立的數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡管理功能。

兩臺單元機組的DCS對單元機組公用DCS系統(tǒng)的控制指令具有相互閉鎖功能，防止同時在兩于操作狀態(tài)；利用軟件手段對接入公用DCS網(wǎng)絡中的系統(tǒng)進行“域”的管理。本工程設置5個域，分別為1#機單元域、2#機單元域、公用域、水系統(tǒng)域和灰系統(tǒng)域。通過“域”的權限管理，運行人員通過兩臺單元機組DCS的操作員站僅能對本機和公用DCS網(wǎng)絡中的公用系統(tǒng)進行監(jiān)視和控制；公用DCS網(wǎng)絡設有輔助車間操作員站，輔控操作員站僅能對水和灰系統(tǒng)進行遠程監(jiān)控；氣力輸灰、凝結水和水處理就地電子間分別設置有就地工程站，用于調(diào)試期間使用，且僅能對本系統(tǒng)進行監(jiān)控，不能操作其他域內(nèi)的設備。

該項目組網(wǎng)規(guī)模和現(xiàn)在實際應用機組一致，根據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡負荷在3.3%～5.9%，DCS公用網(wǎng)絡負荷偶爾達到7.2%，NT+無論采用哪種方式都會滿足要求。

5 結束語

主-輔控一體化網(wǎng)絡與傳統(tǒng)DCS主-輔控一體化網(wǎng)絡結構相比，減少了一層網(wǎng)絡，網(wǎng)絡結構更加清晰。實驗和實際測試結果表明：單元機組DCS公用網(wǎng)絡與輔助車間控制網(wǎng)絡連接，構成全廠DCS主-輔控一體化控制網(wǎng)絡是可行的。這種全新的網(wǎng)絡結構將使火電廠的自動化控制水平得以提高。