火力发电厂主-辅控一体化DCS网络与应用

2014-08-03高玉玲王刚建郭献军

化工自动化及仪表 2014年7期

高玉玲王刚建郭献军

(河南省电力勘测设计院，郑州 450000)

20世纪90年代初，DCS开始应用于国内大型火电厂的自控系统中。随着人们生活和企业生产对电能供应的安全、可靠、经济及优质等指标的要求越来越高，也对电厂生产的自控水平提出了更高的要求[1,2]。而控制系统的骨架——系统网络，作为控制系统的核心和基础，也在不断地发展变化。笔者以国电荥阳一期火电厂生产装置为背景，将其单元机组的DCS公用网络与全厂辅助车间控制网络相连，构成了全厂DCS公用网络结构，实现主机-辅机DCS的一体化控制。

1 大型火电厂控制方案简介①

1.1 单元机组控制方式

单元机组采用炉、机、电集中控制方式，实现炉、机、电全能值班运行模式。每台机组按炉、机、电一体化配置单元机组DCS，机组公用系统设DCS公用控制网，通过通信接口与各单元机组的控制系统连接。公用系统可由任意一台机组DCS操作员站进行监视和控制，并有相应的闭锁措施，确保任何时候仅有一台机组DCS能发出有效操作指令。

1.2 辅助车间控制方式

辅助车间按水、凝结水精处理、煤、灰、电除尘分设置各自的控制网络。水、凝结水精处理、煤、灰控制系统采用DCS或PLC控制，并在此基础上搭建辅控网，辅控网的值班点可并入集中控制室也可单独设置辅网控制室。

2 主-辅控一体化网络方案

目前很多工程为了提高自动化水平，消除自动化“孤岛现象”，采用了全厂控制系统一体化，即全厂DCS硬件一体化的网络结构[3～8]。但其网络结构通常将主机DCS网络和全厂辅助车间控制网络分为两个独立的网络。

主-辅控一体化网络也是全厂DCS理念，不同的是将机组DCS公用网络和全厂辅助车间控制网络合并为一个全厂DCS公用网络。这种网络结构是一种全新的理念，鲜见于电厂的控制网络中，因此保证这种全新网络的可靠性是重中之重。

3 方案的可行性测试

3.1 测试模型

为了研究全厂主-辅控DCS一体化网络控制在超大型机组(4×1 000MW及6×600MW等)应用的可行性，以6×1 000MW全厂主-辅控网络一体化作为1∶1测试模型，该模型所有域的数据均来自同等规模机组实际组态项目，公用系统按照两台机组的辅控规模设计。测试主要研究主-辅控DCS一体化网络的信息传递和控制、各个节点网络的流量、值长站的网络连接和信息处理量以及历史站的配置、数据信息量和数据通信量。6×1 000MW机组的网络拓扑结构如图1所示，每两台单元机组建立一个单元机组公用域，包括有两机公用电气部分、工艺系统部分(空压机系统等)和脱硫部分；每两台单元机组公用的辅控根据功能设置成水和灰两个域，供煤的所有系统纳入全厂公用网络，脱硫部分单元机组纳入单元机组域，公用部分纳入两机公用部分，全厂公用电气部分建立一个域。全厂辅控根据功能分别建立水、煤和灰3个部分。域的规模见表1。

图1 6×1 000MW机组全厂主-辅控网络一体化拓扑

序号名称点数/个1单元机组101 6932单元机组公用8 1903单元机组水系统265 534单元机组煤系统9 5295单元机组灰系统78 9696单元机组脱硫系统21 0377全厂公用101 6938全厂水系统26 5539全厂煤系统9 52910全厂灰系统26 553合计1 207 320

3.2 可行性测试结果

当EDPF-NT+系统采用混合通信模式时，大量的实时数据由控制器自动发布到系统网络，因此当域的数量(多个机组)和域内信息(大型机组)增大时，网络开销增大。在6×1 000MW这种超大规模组网的情况下，值长站的信息处理量远大于合理范围(要求小于30%)，使得值长站的反应变慢。

当EDPF-NT+系统采取发布订阅的通信机制时，网络流量会根据订阅点数不同而变化。值长站的信息处理量处于合理范围(小于10%)。通过以上对比测试，证明EDPF-NT+系统采取发布订阅机制时，可以满足6×1 000MW全厂主-辅控网络一体化的应用要求。

当EDPF-NT+DCS系统采取发布订阅的通信机制时，其网络负荷随订阅点数量而变化。值长站连接在全厂的公用系统网络上比较合理，其信息处理量在小于10%的合理范围内。根据EDPF-NT+DCS数据报的管理方式，在网络负荷最极端的情况下，即6×1 000MW全厂主-辅控一体化网络的单元机组为6个域，每个域的DPU(Distributed Processing Unit)站点数量均为100个，单元机组公用系统为15个域(每个域的DPU站点数量为20个)，全厂公用系统为4个域(每个域的DPU站点为20个)。查询画面以大屏幕分为4个画面计算，每个画面均向所有DPU(含少数跨域)申请数据。DPU在2min内向画面发送数据。如果设定为每分钟更换4个画面(满足运行要求)，DPU发送数据量将成倍数增加，极端情况下值长站的数据通信量为9.1875MByte，约占网络负荷的9.2%。但上述情况在实际生产中不会存在。值长站不可能同时向一个域内的所有控制器发订阅请求，毕竟一个画面的内容有限。比较合理的估算是网络负荷为1%～2%。

通过以上对比测试，证明EDPF-NT+系统采取发布订阅机制时，可以满足6×1 000MW全厂主-辅控网络一体化的应用要求。

4 应用

国电荥阳一期(2×600MW)工程DCS采用国电智深公司的EDPF-NT+软/硬件一体化的分散控制系统。全厂DCS包括1#单元机组DCS、2#单元机组DCS和公用DCS，其网络结构如图2所示。

图2 2×600MW超临界机组DCS网络结构

两台单元机组的监控分别由两套DCS实现，纳入DCS控制的两台单元机组的公用系统和辅助车间控制系统均接入公用DCS网络。公用DCS网络与常规控制系统的不同之处在于，它是一套独立完整的网络设备，具有独立的操作员站、独立的数据库和网络管理功能。

两台单元机组的DCS对单元机组公用DCS系统的控制指令具有相互闭锁功能，防止同时在两于操作状态；利用软件手段对接入公用DCS网络中的系统进行“域”的管理。本工程设置5个域，分别为1#机单元域、2#机单元域、公用域、水系统域和灰系统域。通过“域”的权限管理，运行人员通过两台单元机组DCS的操作员站仅能对本机和公用DCS网络中的公用系统进行监视和控制；公用DCS网络设有辅助车间操作员站，辅控操作员站仅能对水和灰系统进行远程监控；气力输灰、凝结水和水处理就地电子间分别设置有就地工程站，用于调试期间使用，且仅能对本系统进行监控，不能操作其他域内的设备。

该项目组网规模和现在实际应用机组一致，根据现场实测数据，网络负荷在3.3%～5.9%，DCS公用网络负荷偶尔达到7.2%，NT+无论采用哪种方式都会满足要求。