自主可控分散控制系統在循環流化床機組一體化控制中的探索應用

陳玉年，于順良，馮澤強，許杰偉，譚志杰，段子怡，吳 科

（1.國電南京自動化股份有限公司 江蘇省基于自主可控技術的智能電廠工程技術研究中心，南京 210032；2.廣東華電坪石發電有限公司，廣東 韶關 512229）

0 引言

國內發電分散控制系統（Distribute Control System，DCS）長期依賴國外技術和產品，在當前復雜多變的國際形勢下面臨巨大的經濟、技術風險以及安全威脅[1]。近幾年來，疊加全球“新冠”疫情的影響，對產業鏈和供應鏈造成重大沖擊，進一步加劇這種風險和威脅，一個典型的例子是芯片的短缺問題越來越嚴重。

圖1 系統整體架構Fig.1 Overall architecture of the system

國內信息技術產業基礎軟硬件通過“核高基”等多個國家科技重大專項的支持，在過去幾十年中已經取得一系列重要成果。首先，在黨政軍等某些行業得到應用。在此基礎上，金融、能源、電信等國民經濟各重要行業領域的國產化進程也在加快，在銀行已有系列訂單落地，例如中國建設銀行的國產化辦公自動化系統在過內外分支機構全面部署上線，基于飛騰中央處理器+麒麟操作系統為核心的自主安全可控平臺，率先在國內金融業中實現了辦公自動化系統的軟硬件全國產化替代。在電力行業中，被稱為發電機組控制核心和大腦的分散控制系統，自主化進程也穩步推進。

中國華電集團有限公司依托國電南京自動化股份有限公司，較早開展了DCS 自主化研制工作[2]，與中國電子信息產業集團有限公司建立央企創新聯合體，經過兩年多的核心技術自主化聯合攻關，研制出maxCHD 自主可控發電分散控制系統。該系統已成功應用到300 MW、600 MW 和1000 MW 等級煤粉爐火電機組，本次實現了在循環流化床鍋爐機組DCS 一體化改造中的成功應用。

本文首先闡述了該套自主可控分散控制系統的軟硬件架構，然后介紹了該系統在300 MW 循環流化床機組控制系統一體化改造中的實際應用情況，最后對該系統推廣應用前景進行了分析。

1 系統基本架構及自主化特點

1.1 系統基本架構

本系統按照功能整體可分為3 個層次，包括現場層、實時控制層和監控層，分別完成現場信號采集與輸出，實時控制運算與通訊，監視與控制管理功能，在3 個層次上均實現了自主可控。系統還提供了對上層信息管理層的接口，系統架構如圖1。

監控層與實時控制層在物理上分隔，做到生熟數據分開，通過兩臺前置服務器完成實時控制層/裝置層數據采集以及向上層監控層的數據傳輸，監控層計算機采用基于大容量軟總線的實時庫進行數據同步，實現節點之間的高效、安全和可靠的毫秒級數據交互。監控系統采用“平臺+應用”的架構模式構建，平臺層通過高效的數據分發和通訊技術，可支持100 萬點以上規模的大型應用場合，應用層根據不同專業應用需求劃分個性模塊，包括畫面、告警、趨勢、報表、web 發布等功能模塊，通過固定的接口與平臺層交互，用戶可根據自身需要定制現有應用或開發新的應用，支持應用動態上線，滿足大型電站一體化控制功能和性能要求，以及未來應用擴展要求。

1.2 自主可控硬件系統

硬件系統實現了芯片級的自主可控。最核心的分散處理單元DPU 采用飛騰公司最新的FT2000/4 CPU[3,4]，研制了應用高云FPGA、紫光存儲器等全國產芯片和嵌入式Linux 操作系統的可復用的DPU 核心部件，突破了國產通用CPU 在DCS 應用的瓶頸。

開發了基于國產元器件的多主站并發I/O 數據通訊系統，每對控制器支持8 條高速通訊總線，可安裝96 個I/O模件。模件采用流行的無預制電纜的垂直插拔導軌結構，其通訊地址由安裝位置決定，無需人工設置。I/O 數據通訊系統與功能塊執行處理器互相獨立，采用自校驗和時序同步技術提高運算、通信的實時性和可靠性，以及長時間運行的精度。

系統在監控層采用基于飛騰FT2000/64 CPU 的國產長城服務器，在網絡層采用國產華為管理層交換機，實現了主機和外設的自主可控。

1.3 自主可控軟件系統

在過程控制站DPU 中采用基于開源Linux 4.x 內核的嵌入式操作系統，為了提高安全性和實時性，進行了深度裁剪，移除無需組件，安裝了實時性補丁，進行了操作系統加固以及調度策略的調整，還針對多核處理器提出了優化調度策略，充分利用國產飛騰CPU 四核優勢，將最重要的進程綁定到固定的核心獨占運行，將其他進程分在剩余的其他核心運行，實現運算、通訊和閑時任務的均衡執行，支持控制任務分周期執行，最快可達10 ms。

監控系統采用QT 平臺開發，運行于最新一代國產麒麟V10 服務器版操作系統上，適配國產達夢V7.0 企業版數據庫，進行了數據庫深度調優，引入了先進的時間序列數據庫完成海量歷史數據存儲功能，可實現高密度存儲和快速檢索，監控系統底層平臺程序及所有應用功能均自行開發完成，實現了監控系統源代碼級的完全自主可控。

1.4 系統安全性設計

系統采用基于國密算法的業務安全技術，構建了安全可信的主動防御體系，實現了敏感信息可信和核心算法可控，提升了系統整體信息安全水平。系統還對白名單主機加固軟件、工業防火墻、入侵檢測和網絡審計系統進行了兼容性適配和測試，可根據需要選配。

1.5 系統測試情況

為保證系統長期運行的可靠性，對系統進行了詳細的測試。通過與上下游企業的深度合作，提出了分級多態測試驗證方法，建立了基礎芯片、操作系統、數據庫、控制系統應用的完整測試及驗證方法，加速了采用國產基礎軟硬件構建的分散控制系統迭代和成熟。

系統通過了國網電力科學研究院有限公司實驗驗證中心、華電電力科學研究院有限公司、中國自動化學會發電自動化專委會等第三方測試機構的型式試驗、系統測試和現場驗收，結果表明：該分散控制系統功能完善，測試項目均符合國標和行業標準/規程要求[5]。

2 某廠300 MW循環流化床鍋爐機組控制應用實現

2.1 項目概況

某電廠共有2 臺在運300 MW 循環流化床燃煤發電機組。其中，汽輪機是由上海汽輪機廠有限公司負責設計制造的，型號為N300-16.7/538/538 型亞臨界、一次中間再熱、單軸、雙缸雙排氣、凝汽式汽輪機；鍋爐采用東方鍋爐有限公司制造的亞臨界參數自然循環單汽包、單爐膛循環流化床鍋爐，型號為DG1025/17.45-II16，汽水系統采用一次中間再熱，采用汽冷式旋風分離器，露天布置，固態排渣，受熱面采用全懸吊方式，爐架為雙排柱鋼結構。

其中，#4 機組原先采用的DCS 為和利時公司MACSV V5 分散控制系統，DEH 則采用艾默生公司的OVATION 3.0控制系統，ETS 采用了施耐德公司Modicon Quantum 雙機熱備雙網PLC 控制系統，A、B 小汽輪機MEH 與METS 采用與DCS 一體化，采用的是和利時公司MACSV V5，包含兩個控制單元。上位監控系統中的操作員站、工程師站等工控機以及服務器均采用了DELL 公司產品，操作系統為Windows 操作系統。自機組自投產以來，整臺機組包括了多套控制系統，且已經連續運行超過10 年，元器件存在一定的老化問題，維護成本和運行風險提高，影響機組持續安全穩定運行，亟需通過系統更新改造進行徹底解決。

本次對機組原有的多套控制系統進行了一體化國產改造，替代原有多個系統完成的全部功能，提供一致的維護和運行環境，降低了操作和維護工作量，同時還配套上線了工控安全系統。

2.2 控制系統配置

根據一體化控制以及生產工藝的需求，同時考慮重要主輔設備控制的分散度以提高可靠性，分系統對所有控制器進行了整體化重新分配、替換和新增，范圍包括DCS、DAS、SCS、FSSS、MCS、DEH、MEH、ETS、METS 和ECS 等系統，涵蓋MFT、給煤系統、排渣系統、啟動給煤機、一二次風、引風機、流化風機、吹灰器、疏水放氣、空預器、播煤風系統、啟動床料系統、汽機主汽系統、旁路系統、疏水系統等，改造后的系統可完成機組主輔機設備的一體化監視、控制與保護功能，同時一并消除了原來多套系統運行存在的一些問題。

硬件方面，整系統共配置了34 面機柜，其中包括24面控制柜（包含一對冗余的過程控制站DPU），1 面電源柜，1 面服務器網絡柜和1 面接地箱。系統I/O 總點數約為13000 點。

上位監控系統部分包括操作員站（OPR）、工程師站（ENG）、前置服務器、數據服務器、SIS 接口機（OPC）等。共配置了操作員站5 臺，為整個系統提供單元機組內的過程監控和相關管理功能；上位和下位工程師站各配置了2臺，完成系統設計、組態、調試、監視和維護功能；前置服務器和數據服務器各設置了2 臺，用于數據采集和通訊、數據庫存儲、運算等功能；配置SIS 接口機1 臺，采用104規約完成SIS 等其它系統的通訊功能。所有的操作員站、工程師站、服務器、SIS 接口機硬件均采用國產飛騰CPU的長城DF720 服務器。前置服務器和數據服務器均進行了雙機冗余配置，可在需要時進行切換，系統還配置有2 臺網絡打印機。

根據不同工藝設備的控制要求，利用過程控制站DPU的分周期執行功能，合理設置同一控制器內多種執行周期，根據數據流正確設置功能塊執行順序，提升控制與保護回路正確性、實時性和可靠性。對于所有重要的主、輔機保護信號均采用了軟硬件冗余配置與品質判斷，解決了鍋爐原有的一、二次風量保護測點單點配置問題，將多臺主/備運行的重要輔機（輔助）設備的控制，重新分配到在不同控制器中，提高運行可靠性；開發了自定義的特殊算法功能塊，提高易用性，同時滿足循環流化床工藝控制要求；根據用戶原有使用習慣，在國產監控系統平臺開發了清晰直觀的流程畫面和彈出操作面板畫面。

改造過程中還完善了與DCS 通訊接口的控制系統和設備，包括廠級實時監控系統SIS、DCS 信息防護系統、AGC輔助調頻監控系統、CEMS 在線監測診斷系統等。

2.3 電氣監控系統ECS

在電氣控制方面，本次改造同步完成了發變組及500 kV 母線保護裝置升級改造，500 kV 升壓站NCS 升級改造和直流系統改造，優化了系統配置和保護邏輯，提高電氣系統可靠性。

2.4 應用效果

項目將機組DCS 控制邏輯的控制性能優化和相關試驗也一并納入本次改造范圍，包括AGC、一次調頻、閥門流量特性、協調控制、汽溫控制、一次風量控制、二次風量控制、氧量控制、脫硝控制等關鍵模擬量控制系統優化及試驗，并配套進行就地測控設備改造，以及保護信號冗余優化等。根據循環流化床鍋爐NOx 生成和排放機理[6]，結合實際運行情況，提出了優化的運行方式和控制策略，優化后的SCR 出口NOx 波動從±30mg/Nm3降低到變負荷時偏差在±10mg/Nm3以內，穩態時偏差在±6mg/Nm3以內，控制曲線如圖2。

機組采用國產DCS 進行一體化改造后，經現場實際測試各項性能指標均達到優良水平，各項實際運行指標如測點投入率、準確率、自動投入率、保護投入率、動作正確率等均達到了100%。同時根據電網的調峰、調頻要求，對機組AGC、一次調頻等功能進行優化，試驗結果表明AGC投運效果符合電網調度考核要求，機組具有較強的變負荷能力。

3 結束語

圖2 優化后的脫硝曲線Fig.2 The optimized denitrification curve

實現能源領域電力核心控制裝備與系統的自主安全可控不僅符合國家發展戰略要求，而且對于化解核心控制系統“卡脖子”問題，保障電力可靠供應，提高能源安全性，促進上游國產基礎軟硬件生態構建都具有重要意義。

采用國產基礎軟硬件開發的maxCHD 自主可控分散控制系統首次在300 MW 循環流化床機組實現了一體化控制的成功應用。現場投運效果表明，該系統運行穩定可靠，各項性能指標優異，滿足電站機組控制功能和性能要求。

maxCHD 自主可控DCS 已具備對各種類型火電機組實施安全、可靠的一體化改造能力，解決了對國外品牌依賴嚴重，系統備品備件費用高，維護困難等難題，具備很高的推廣應用價值。