塔式太阳能电厂SIS系统研究与应用*

郑瑞波 万定生

(河海大学计算机及信息工程学院 南京 210098)

1 引言

厂级监控信息系统(Supervisory information system,SIS),是实现电厂管理信息系统与各种分散控制系统之间数据交换的桥梁[1],是提高电厂整体效益,保障电厂稳定、经济运行的关键。近几年来,随着人们对能源需求的日益增加,提高生产效益成了如今电厂日益关注的话题。SIS系统也日益显示出其重要性。塔式太阳能热发电系统是一个复杂的热力系统,具有强非线性、大延迟、大惯性的特点,并且太阳能辐照具有很强的不确定性,镜场规模庞大,又易受外界环境影响,控制难度较大。因此,除了在热力系统设计中,设置储热装置等常规热发电站没有的设备外,在控制系统的硬件配置、网络通讯和控制策略等方面也有独特的要求[2]。塔式太阳能电厂生产效率比较低,热能利用率低,热电转化效率低,发电成本高,因此太阳能电厂目前尚处于实验阶段,如何提高塔式太阳能电厂的运行效率就显得尤为重要。本文就SIS系统在塔式太阳能电厂的实施和应用进行了研究。

2 塔式太阳能电厂SIS系统的总体设计方案

厂级监控信息系统总体设计中充分考虑技术的先进性、可靠性、可维护性、可扩展性等原则,整体规划、合理布局,充分考虑系统高性能和高可用性要求,切实保证过程自动化系统的安全性和可靠性。

2.1 总体要求

厂级监控信息系统应采用1000Mbps以太网或其它开放性高速网络作为信息传递和数据传输的媒体。主干网采用光纤连接,支干网采用双绞线连接。相应的网络设备、接口设备、数据库服务器、功能站、网络管理站、计算机终端设备和过程管理软件包等来完成全厂主辅生产过程的统一协调、管理。

厂级监控信息系统的设计应采用合适的网络配置和完善的自诊断功能,使其具有高度的可靠性。系统内任一部件发生故障均不应影响整个系统的工作。不能因为厂级监控信息系统故障或退出运行,使与其相连的DCS等实时生产控制系统的正常运行受到任何影响。不能因为厂级监控信息系统与实时生产控制系统以及与MIS的通讯而影响DCS等生产控制系统的实时处理能力,或使DCS等生产控制系统的通讯总线负荷率超过40%(若DCS等生产控制系统采用以太网作为通讯总线,则不应使其负荷率超过20%)。系统的各项功能应由各种功能软件以实时信息数据库为基础完成。

厂级监控信息系统应采取物理安全措施、访问控制、身份认证、入侵检测、积极防病毒和恢复与备份等手段作为网络安全的基本措施,防止各类计算机病毒的侵害、人为的破坏和厂级监控信息系统实时数据库的数据丢失,特别要防止通过接口对DCS、PLC等控制系统的干扰与入侵[4]。

2.2 网络结构

厂级监控信息系统的网络结构如图1所示。

图1 SIS系统网络结构

厂级监控信息系统网络结构采用了分层、分布式设计,整个SIS分为应用层和接口层两层。下层为SIS接口层网络,提供SIS与下层网络DCS控制系统(包括镜场控制系统,吸热器控制系统,热电转换系统,发电机控制系统,气象监测系统等)的数据接口。采用分布式采集策略,可以有效隔离网络上下的故障,还可以利用前置机的缓冲功能,防止数据服务器故障时丢失数据。上层为SIS应用层网络,挂接SIS层各服务器和客户端设备,并提供与上层网络MIS系统的数据借口。

通过分层设计,一方面便于分散通讯负荷,提高各层通讯效率和网络可靠性;另一方面可以通过数据服务器进行技术和通讯协议选择。上层技术选择强调开放性,选择交换式以太网技术比较合适;下层则更强调与各控制网络的互通性。实时/历史数据服务器可以根据重要性考虑冗余配置。在技术实现上,两层独立网络既可通过物理网络实现,又可通过虚拟网络(VLAN)实现。SIS和MIS的互连采用图2所示的防火墙策略,将SIS的应用层网络通过防火墙连接到MIS骨干网上,在防火墙上设置各种安全策略来限制SIS和MIS之间的数据交流。这种方法可以较好地满足SIS应用层安全性和可靠性的优点,也方便SIS的各种应用软件从MIS网上获取数据,同时还可以满足MIS网上用户访问实时数据的需要[3]。

3 SIS系统的功能设计

塔式太阳能电厂SIS系统的主要功能有:全厂系统实时信息显示、厂级性能计算、全厂运行模式调度以及故障诊断和寿命管理。

3.1 全厂各监控系统实时信息显示

该功能以画面、曲线等形式显示各个功能模块及其设备的运行状态和性能参数,为厂级生产管理人员提供实时信息。同时记录生产过程的主要数据,存入数据库,为以后统计、查询、分析等工作提供资料。同时,还可根据各职能部门需要生成各类生产、经济指标统计报表。下层设镜场系统、吸热器系统、热电转换系统和发电机系统四个子系统。

3.2 厂级性能计算

厂级性能计算平台是厂级监控信息系统的重要功能。该功能用于计算各分系统设备的效率等性能参数。主要给出镜场、吸热器、换热器、凝汽器、汽轮机、蒸汽蓄热器、除氧器等各设备效率、参数及性能分析。显示计算值和设计工况的之间的偏差值以及这些偏差值,提供给厂级监控人员进行调整,以提高发电效率,获得最佳发电成本。

镜场系统优化调度程序依据大气环境条件、吸热器内温度场分布、光功率、主蒸汽压力、给水流量、储热介质温度以及发电功率等参数,再根据现场调试试验得到的定日镜场优化调度规则库(包括各种参数关联曲线或模型,各种工况控制策略等),针对可以投入运行的各定日镜分别进行适应系统目标的调节控制,计算出发电量最大时所需调用的定日镜数量及分布,以及吸热器上的能流密度分布,并可通过调整各定日镜目标点(接收面上太阳光斑的位置)使吸热器上能流分布均匀,防止吸热器局部过热故障。镜场优化调度模型如图2所示。

图2 定日镜镜场优化调度模型

3.3 全厂运行模式优化调度

该功能根据发电计划,以高效率、低成本为目标,根据DCS采集的有关太阳能聚集子系统、太阳能吸热器、蓄能子系统和动力及辅助子系统中的关键设备,特别是热力设备的动态特性,包括吸热器、高低温储热器、换热器、蒸汽发生器、辅助锅炉与辅助加热器等提供的数据和信息,气候和光照条件自动产生运行模式调度建议,反馈给厂级监控站,经监控人员确认后传送到DCS控制机组协调控制运行模式切换。

对于太阳能电厂而言,一天内太阳高度的不断变化以及气候的影响,电量的产出也会受到影响,因此在不同的时段和气候条件下,选择一种最经济、最有效率的运行方式。依照当天早晨预测辐照信息、风速影响、镜场可用状况、前一天储能余量程度、电网用电需求,以及运行过程中的光照度变化等相关因素,将运行模式分为冷启动模式、无光照运行模式、部分光照运行模式、基本运行模式等9种模式。对以上各种运行模式的逻辑判断及转换控制如图3所示[5]。

图3 九种运行模式的控制逻辑

系统首先根据下层DCS控制系统采集的气候数据、光照强度等数据,根据建立的数学模型进行预测分析,确定启动模式。启动模式分为有光照冷启动模式和无光照冷启动模式。有光照冷启动模式启动后,太阳光经镜场反射集中进入吸热器,由吸热器产生的过热蒸汽全部输往储能系统。无光照冷启动模式启动后,由辅助锅炉给储能系统充热。

启动后的运行模式分为强光照运行模式、部分光照运行模式和基本运行模式。系统实时监测数据库中气候信息的改变,并对改变的气候数据进行分析,确定系统的运行模式。如遇到突发性的事件如冰雹、大雪等恶劣气候条件时,可以人工对系统进行操作,关闭系统,同时对镜子进行翻转。

3.4 故障诊断和寿命管理

塔式太阳能热发电站SIS系统故障诊断功能其主要功能包括:对设备运行状态进行实时监视,了解和掌握设备是否处于正常、异常和故障状态;提示事故早期征兆,预报事件后果;诊断故障类别,并给出相应的操作建议。

1)状态监测

通过实时监视和状态监测来配置设备的预测与预防性维护方案。系统根据每次启停和运行时间来计算寿命损耗且累积最终寿命损耗,对设备的运行状态进行评估,判断其是否处于正常、异常和故障状态,并对状态进行显示和记录。对异常状态作出报警,以便及时处理。

2)故障诊断

系统根据存储的设备运行状态,对处于故障状态的设备,根据状态监测所获得的信息,结合已知的结构特性和参数,与知识库中预先存储好的故障征兆表进行匹配。确定故障的性质和类别、程度、原因、部位,指出故障发生和发展的趋势,提出控制故障继续发展和消除故障的调整、维修的对策措施。并加以实施,使设备恢复到正常状态。

4 SIS系统实现

塔式太阳能电厂SIS系统包括四个子系统,分别为全厂系统实时信息显示子系统、厂级性能计算子系统、全厂运行模式调度子系统以及故障诊断和寿命管理子系统。具体软件体系结构设计如图4所示。

图4 SIS系统功能菜单

系统实现采用Client/Server体系结构,客户端提供一个人机可视化接口,用于信息界面的显示和用户交互数据的输入。服务器端进行数据的保存、维护、访问、计算和更新。系统将数据库存储在服务器端,并实现与DCS数据库服务器的同步,全厂系统实时信息显示子系统、厂级性能计算子系统、全厂运行模式调度子系统和故障诊断和寿命管理子系统放在客户端。服务器端和客户端通过协调运行、相互调用,完成各自的功能,构成一个有机整体。

系统运行后,根据数据库实时数据信息,自动选择运行模式;根据系统所需光功率计算需要投入的镜子数量,进行镜场调度。同时监控各设备的运行状态,自动对故障设备进行诊断。从而保障整个塔式太阳能电厂的高效安全运行。

5 结语

塔式太阳能热发电站的厂级监控信息系统是一个复杂的信息控制系统,其功能是将电站各控制单元联合集中成一个整体,实现各单元的性能协调和优化控制。文中根据SIS系统的发展趋势,借鉴火电厂SIS系统的研究成果,提出了塔式太阳能热发电站厂级监控信息系统的总体设计方案,设计了监控网络的结构,并对其应实现的功能进行了研究,为塔式太阳能电厂SIS系统研究开创了先河。

[1]侯子良.火电厂厂级自动化系统总体功能设计思路探讨[J].中国电力,2001,34(4):56～58

[2]李国欣.我国发展空间太阳能电站的必要性和相关技术基础分析[J].太阳能学报,1998,19(4):444～448

[3]闵旭,陈学广.火力发电厂厂级监控系统(SIS)设计与实现[J].计算机与数字工程,2007,35(3):128～131

[4]高原.厂级监控信息系统(SIS)的研究与应用[D].北京:华北电力大学,2003,12

[5]万定生,陈坚,刘德友,等.太阳能电站分布式控制系统的研究与应用[J].电力设备,2008,25(9):53～55