電站熱工優化控制平臺綜合測試技術的研究

尹 峰，孫 耘，李旭侃，周 佑，蘇 燁

（浙江省電力公司電力科學研究院，杭州 310014）

0 引言

TOP（Thermal Optimized-control Platform，電站熱工優化控制平臺）系統硬件包括1對冗余控制器、冗余電源、冗余內部交換機與通信網絡、1臺高性能服務器、IO端子、通信卡件、人機交互設備、繼電器及端子模組等，TOP系統通過IO端子、Modbus（總線協議）和OPC（用于過程控制的對象連接與嵌入技術）3種通信形式和DCS（分散控制系統）進行通信，其高性能嵌入式計算機采用專業實時操作系統，實時性強、功耗低、電源切換方便，上位工業級高性能控制服務器則具有高主頻、高內存、大存儲、人機接口友好的特點。

TOP系統與DCS實現立體數據交互，直接參與過程控制，因此對其硬件與通信系統的可靠性及系統運行安全性要求很高，應從設計理念上對平臺的安全可靠性作充分的考慮，對設備運行的性能與功能，則通過針對性、系統性測試技術的應用，獲得有效驗證。

1 TOP系統的基本性能測試

TOP系統的基本性能測試通過系統的軟硬件測試試驗完成。試驗目的在于檢測優化控制系統的系統可靠性，檢測的項目、內容與要求、實際測試結果如表1所示。

2 TOP系統的安全性能測試

TOP系統的安全性能測試，是為了驗證TOP系統在接入DCS后的安全穩定性，通過系統的模擬試驗來完成，包括裝置在DCS中運行模式的合理性測試、在DCS中安全層級測試以及極端通信能力測試等。

2.1 在DCS中運行模式的合理性測試

TOP系統在不同安全層級下有不同的權限，在通信連接正常、投切指令回路暢通的狀態下，權限設置應滿足：

（1）基礎模式下，TOP系統只單方面接收DCS數據，不向DCS發送任何數據和指令。

（2）指導模式下，TOP系統的控制指令不能送至DCS，TOP系統的優化建議通過畫面的形式提示運行人員。

（3）指導操作模式下，DCS可以手動選擇部分功能回路的運行，被DCS選擇后的部分功能回路指令才能被允許送至DCS。

（4）運行模式下，TOP系統在DCS允許的權限范圍內對設備進行自動操作。

經實際模擬測試，當TOP系統接入DCS后，各種模式下的權限設置均滿足預期要求。

2.2 在DCS中運行模式的合理性測試

安全層級應滿足下列要求：

（1）滿足所有安全邊界條件后，TOP系統才能進入在DCS中的下一安全層級。

（2）當任意安全邊界條件不滿足時，TOP系統自動退至底層的安全層級。

（3）運行人員在安全邊界條件滿足時，可以設置TOP系統在任意層級，運行操作優先。

（4）安全層級切換應無擾動。

經實際模擬測試，TOP系統進行安全層級切換正常，安全邊界條件對安全層級的切換滿足約束條件，切換過程無擾。

2.3 極端通信能力測試

針對不同的DCS，測試1塊通信卡件在不同通信點量以1 000 ms周期通信間隔下的系統響應能力。TOP系統正常運行時，單一卡件的實際通信點量應小于極端通信能力的30%。

經實際模擬測試，在針對OVATION系統的測試中，1024個模擬量點（該系統的模擬量和開關量通信耗費的資源是相同的）以1 000 ms的周期通信時，可以運行。在1536個模擬量點以1 000 ms的周期通信時，出現響應緩慢，達到能力極限。

3 TOP系統與DCS的通信測試方法

TOP系統與DCS的通信測試分為通信質量和通信壓力測試2個部分。通信質量測試的內容包括：Modbus通信和硬接線通信對比、Modbus通信響應測試；通信壓力測試則是通過巨大的通信量來找出TOP系統和DCS之間的通信極限。

3.1 Modbus通信和硬接線通信對比測試

在TOP系統側建立1路（比如正弦信號）輸出，分別通過硬接線和Modbus通信方式輸至DCS側，將2路信號放在趨勢上比較，并建立邏輯，統計2路輸入差別過大的次數。測試過程為：

（1）在DCS側根據上述提供的通信步驟，建立1個從TOP系統側通過Modbus通信方式送至DCS側的模擬量點組態邏輯。

（2）在同一控制器內建立AI卡件的組態邏輯，設置量程需與Modbus通信來的量度保持一致。

（3）用萬用表測量TOP系統側4～20 mA輸出，測試精度達到標準要求，具體數據如表2所示。

表1 TOP系統的基本硬件功能測試結果

表2 TOP系統硬件I/O測試結果

（4）同時從TOP系統側通過Modbus通信發正弦波信號，建立趨勢圖觀察兩者的差別。

實際測試結果顯示：DCS側的正弦波曲線不平滑，呈階梯狀；兩者之間最大精度偏差基本在1%左右，時間偏差在1 s左右，如圖1所示。

圖1 Modbus通信和硬接線通信對比

3.2 Modbus通信響應測試

在DCS側建立1路信號輸出，通過Modbus通信方式輸至TOP系統側，TOP系統將信號保持原樣，再通過Modbus通信方式返回DCS側，在DCS側建立發出和收到的信號趨勢，統計兩者差別過大的次數。測試過程如下：

（1）DCS側建立1個方波信號，隔10 s發5 s脈沖觸發1次模擬量切換：由1切換為4；DCS側掃描周期設置為0.5 s，TOP側執行周期設置為0.1 s；若兩者偏差超過1%延遲0.75 s視為兩者偏差過大。

（2）DCS側建立1個方波信號，隔10 s發5 s脈沖觸發1次模擬量切換：由1切換為4；DCS側掃描周期為設置0.25 s，TOP系統側執行時間為設置0.1 s；若兩者偏差超過1%延遲0.5 s視為兩者偏差過大。

實際測試結果顯示：第（1）項測試48 h未出現偏差過大；第（2）項測試24 h未出現偏差過大。測試說明：DCS側與TOP系統側通信時間不超過2個掃描周期，數據的精確度較高。

3.3 通信壓力測試

該測試是通過巨大的通信量，找出TOP系統和DCS之間的通信極限。首先在DCS側建立大量各類信號輸出，通過Modbus通信輸至TOP系統側后，對全部數據進行全面或者抽樣檢查，檢查DCS側和TOP系統側的數據是否一致。

DCS側在通信軟件設置中有最大寫組的長度、最大模擬量讀組的長度和最大數字量讀組的長度等參數，該參數設置的最大值分別為100字節、224字節、224字節。

根據1個數字量占用的長度為1/8字節，1個模擬量占用的長度為2字節和1個License（并發數）最大點數為500點的相應規則，在1個寫組內最多包含模擬量點50個，最多包含數字量點499個（組態要求必需有1個讀的數據點）；在1個讀組內最多包含模擬量點112個，最多包含數字量點500個。若有多個寫組，只有有數據變化的寫組才會打包發送，例如100個模擬量點分為2個寫組，若前50個點有數據變化則將前1個寫組打包發送，若后50個點有數據變化則將后1個寫組打包發送。

通信壓力測試內容包括：

（1）DCS側建立數字量信號輸入160個點，數字量信號輸出160個點，模擬量信號輸入10個點，模擬量信號輸出10個點；DCS側最大發包能力，每個周期發包數穩定在10個；數據保持一致。

（2）DCS側建立數字量信號輸入16個點，數字量信號輸出16個點，模擬量信號輸入1個點，模擬量信號輸出1個點；DCS側最大發包能力，每個周期發包數穩定在17個；數據保持一致。

（3）DCS側建立模擬量信號輸入100個點，模擬量信號輸出100個點；DCS側最大發包能力，每個周期發包數穩定在2個；數據保持一致。

（4）DCS側建立模擬量信號輸入50個點，模擬量信號輸出50個點；DCS側最大發包能力，每個周期發包數穩定在4個；數據保持一致。

實際測試的結果顯示：

（1）上述測試中發包通信時間以0.25 s為基數，所有發包盡量在0.25 s內完成，若掃描周期設置大于0.25 s，則在0.25 s后發包停止，直到掃描周期結束后再開始新一輪發包。所以掃描周期越大，通信控制負荷率就越小，成反比。掃描周期為0.25 s時的通信負荷率為90%左右，掃描周期為0.5 s時的通信負荷率為50%，掃描周期為1 s時的通信負荷率為25%。

（2）模擬量點占用字節比數字量點大，所以同樣的點數，模擬量通信所用時間要大于數字量。

（3）若測試內容（1）和（2）中的點共 4 組， 每個周期能發包數遠大于組數，在0.25 s內可全部發完；若測試內容（3）中模擬量點數量大，每個周期能發包數小于組數，在0.25 s內未全部發完，則要待到下一個掃描周期發送，數據會有一定延遲；所以為保證數據的實時性，需合理安排掃描周期和點的數量。

4 結語

通過對TOP系統的基本性能、安全運行能力，以及通信能力測試技術的研究與實際應用，驗證了系統的可靠性設計與最大工作能力，確保系統在運行中安全可靠，也為系統推廣應用提供了可靠數據與設計依據。

[1]尹峰，韋東良.火電廠DCS性能考核試驗與可靠性分析[J].熱力發電，2006（11）：65-67.

[2]黃勃，盧化，樊健剛.完善分散控制系統性能與應用功能測試方法的探討[J].浙江電力，2012，31（7）：50-53.