淺談火電廠輔助車間控制系統的智能化建設方向

國能智深控制技術有限公司 李蕭蕭 劉 虎

1 引言

輔控系統是電廠控制系統不可或缺的一部分，隨著我國電力行業的迅猛發展，火電廠單機容量日漸增大，輔控系統的規模也大幅度提升，故而輔控系統的控制范圍、控制方式和控制質量都值得深入討論。隨著電廠精細化管理的要求越來越強烈，電廠智能化、智慧化建設逐步深入，輔控系統的智能化建設也成為趨勢。

2 輔控系統

輔控系統的控制范圍包括輸煤系統、煙氣脫硫系統、除灰除渣系統以及水務系統等，其中水務系統主要包括鍋爐補給水、凝結水精處理、取樣系統、加藥系統、原水預處理系統、工業廢水處理、凈水站、污水處理等系統[1]。

2.1 PLC控制方案

早期火電廠輔控系統以PLC控制為主，各子系統單獨控制，控制室一般設置在生產系統附近。各子系統可能采用不同廠家、不同型號的PLC，服務器通信布置種類過多，經常性發生通信中斷，影響控制數據的實時性；另外，各子系統操作系統、組態軟件版本不統一，也造成輔控系統的畫面風格、組態方式和操作習慣等不一致。

2.2 一體化DCS控制方案

由于PLC技術在系統冗余性能、兼容性和可擴展性等方面相對較差，隨著網絡技術和自動化控制技術的發展，火電廠輔助車間控制室逐步由就地分散設置向集中設置轉變。近年來，一些新建火電廠輔控系統已采用一體化集中監控方式，已建成火電廠輔控系統也在逐步改造，主輔一體化控制已成為火電廠控制系統的發展趨勢。一體化輔控系統采用DCS控制，通過融合先進的計算機、通訊和控制技術，將相互獨立的各輔助子系統連接在一起，實現集中監控，在一個控制室完成各輔網子系統運行狀態的實時監控，實現真正的遠程一體化控制[2]。一體化輔網控制系統統一設計輔網各子系統的軟、硬件，做到監控界面和邏輯組態風格完全一致。與PLC控制方案相比，一體化DCS控制方案在設計原理和網絡結構方面更適合大型火電廠輔控系統，有效提高了系統的實時性、兼容性、安全性和經濟性。

3 輔控系統四機一控方案

在輔控系統一體化控制方案的基礎上，進一步減少備品備件種類和數量，節約人力、物力，降低能源消耗，優化全廠資源配置，一些多機組火電廠輔控系統設計了四機一控方案[3]。輔控系統四機一控方案是指四臺機組設置一個集中控制室，通過一套控制系統滿足全廠輔網系統的控制要求，對全廠化水系統、除灰系統、輸煤系統、脫硫系統等進行實時集中監控，部分電子設備間設置就地操作員站，滿足現場調試、檢修等需求。

3.1 應用實例

荊州某電廠現有一期2×330MW機組輔控系統現有三個控制室，其中機組集中控制室布置一期輔網精處理DCS操作員站；化學集控室布置一期輔網水務系統、供氫系統DCS操作員站，并單獨布置有一臺原水站PLC操作員站；脫硫集控室布置#1、#2機組脫硫DCS操作員站（含脫硫公用，獨立DCS），一期輔網除灰及空壓機系統DCS操作員站，灰渣磨細操作員站（PLC），濕除及電除塵通信接口站。

電廠新建二期2×350MW機組，為實現減員增效、便于對運行人員集中統一管理，二期擴建之后的輔控系統采用四機一控集中控制方式。由于輔控眾多控制系統類型及版本的不一致，集中監控不能單純地采用僅挪動運行員操作站的方式，須通過升級改造統一各控制系統及版本，同時二期輔控系統充分利用一期水系統、脫硫公用系統、尿素水解等工藝系統進行擴建，最終實現一、二期輔控深度融合，運行人員在二期集控室可對整個輔網（包括一二期）進行集中監控，歷史數據能統一存儲、分析，完成滿足全廠要求的四機一控方案。方案網絡結構圖如圖1所示，方案實施具體分為新增、升級、改造三個部分。

圖1 四機一控方案網絡結構圖

一是二期新增脫硫系統、精處理、制冷站空調、除灰、空壓機、電除塵、雨水泵、循環水排污水等系統，控制系統采用EDPF-NT+系統的V3.4版本。二是一期化水、脫硫、除灰等系統，原控制系統是EDPFNT+系統的V1.2版本，升級為EDPF-NT+系統的V3.4版本，并保持原系統與濕除和電除塵的通信形式不變。三是一期原水站、灰渣磨細等系統，原控制系統是PLC，改造為EDPF-NT+系統的V3.4版本。

改造之后的輔控系統設置一個集中監控室，在有效的域間隔離基礎上實現網絡數據互通，在有授權的基礎上，所有系統的畫面能夠在一體化集控室內任一臺操作員站上進行顯示，并在工程師站實現對所有控制系統的組態工作，且各就地控制站及工程師站僅保留本地系統的功能，實現輔控系統四機一控方案。

3.2 應用優勢

輔控系統四機一控方案通過網絡通信設備將全廠輔網各子系統連接到一起，實現輔控系統統一設計、統一實施、統一監盤、統一維護和統一管理，進一步提高控制系統自動化水平，為智能化建設提供平臺基礎。輔控系統四機一控方案的主要優勢體現在以下五個方面：一是避免了功能相似設備的重復布置，避免了各系統相互之間的各種信號通信和轉接，信號傳輸快速穩定，提高了系統的自動化水平、運行安全性和機組穩定性。二是實現在集中監控室統一監盤，四臺機組的運行值班人員可以互相協助，減少值班人員的配備，提高運行人員工作效率。三是熱工檢修人員不需要學習和適應不同控制系統，有利于提高工作效率和技術水平。四是電廠不需要為每個控制系統存放大量的備品備件，可以節約大筆資金。五是便于值長工作統一管理和指揮各機組的安全生產運行。

4 輔控系統智能化建設方向

輔控系統四機一控方案實現了全廠輔網一體化集中監控，形成了生產實時數據統一處理平臺，在此平臺上通過部署開放應用控制器、高級應用服務器、高性能時序數據庫、高級值班員站及網絡安全防護產品等部件，建立基本控制、智能控制和智能運行監控等層級之間的閉環聯系，縱向打通直接控制與運行監督控制的界限，提供開放的高級應用環境，將常規DCS系統升級成智能DCS系統，即智能輔控系統。通過水務、脫硫、燃料三部分智能模塊的布置，有效提升電廠輔網的經濟、管理、環保、社會效益；通過網絡安全防護產品，實現從內核到邊界，從主機到網絡的主動安全管控，全面提升控制系統的安全防護能力。

4.1 智能水務

火電廠作為用水和排水大戶，需要加強對水資源的有效利用和排放污染的重視，完善全廠取水計量設施和技術，精細化水務管理工作，屏蔽環境污染風險。建設智能水務模塊，做好水資源的高效管控十分必要。

在輔控系統的在線運行監控基礎上建立智能水務模塊，包含智能水平衡系統和在線運行監控與調度子系統。智能水平衡系統對電廠各水系統的水質、水量進行智能監測；對電廠耗水量、循環水濃縮倍率等關鍵指標進行分析、評價，建立評價體系，為梯級利用等提供依據。

運行監控與調度子系統通過全廠實時在線的水平衡分析和根據工況、季節進行智能化的調節管控，為電廠節水減排和智能水務管理提供了可行的解決方案。另外，智能水務模塊還可融合進出廠水質檢測子系統、水廠巡檢子系統、成本分析子系統、出入庫管理子系統、視頻監控子系統等管理系統，優化水處理過程，分析診斷設備故障，綜合管理水務經營業務，最終實現全廠水資源精準管控，降低發電綜合水耗，減少廢水排放，提高用排水系統安全運行等目標。

4.2 智能脫硫

二氧化硫是火電廠排放物里污染環境、破壞性大的化學物質，而脫硫數據又有關系復雜、數據量極大、數據實時性高的特點，所以亟須發展智能脫硫技術，開展脫硫智能控制技術、智能報警技術及智能巡檢系統研究。智能控制可以通過APS的實施，提高機組控制系統的自動化水平，減少運行人員的操作頻率和人員數量，實現減員增效[4]；通過氧化風機優化控制、循環泵優化控制、供漿系統優化控制等優化手段，有效提升脫硫效率，降低能耗。

針對當前脫硫系統報警功能存在的不足，可設計智能報警系統，提供滋擾報警抑制、參數預警、報警展示增強等功能，提高脫硫報警的可靠性、智能性、易用性。智能巡檢系統融合設備的優化檢修和巡檢、點檢、精密點檢、檢修觸發管理等系統，改變傳統的管控模式，提升電廠的管控水平。

4.3 智能燃料

火電廠燃料主要以煤炭為主，燃料成本占到火電廠總成本的比例最大，因此燃料系統的安全、有序、高效運行，是火電廠高質高效運行的重要保證。智能燃料模塊結合智能化技術手段，采取多種先進策略和舉措，提高燃料系統運行效率和管理水平，實現燃料系統標準化、自動化、智能化及無人化總體目標。

智能燃料模塊針對燃料驗收過程中所涉及的煤場、車輛、設備、人員等要素，實現無人值守、自動計量、自動采樣、自動制樣、自動存查樣、自動化驗、視頻監控、煤場三維監控等功能，對燃料全過程管理的每個環節進行詳細的分析，提出對所存在風險點的控制方法和策略，把現場各環節聯成一個可靠、高效、自動的智能系統。

智能燃料模塊還可融合燃料管理系統，以精細化管理思想為指導，應用物聯網、數據分析等技術，覆蓋燃料計劃、合同、調運、驗收、接卸、結算、統計等全過程管理，建設燃料管控統一平臺，對智能化各系統統一管理、統一監控和統一協同處理，提高經營決策能力，降低生產經營成本，實現燃料系統的安全、可控、經濟管理。

4.4 網絡安全防護

電力、能源行業控制系統一旦遭到入侵、喪失功能或者發生數據泄露，可能嚴重危害國家安全。隨著《中華人民共和國網絡安全法》的頒布，國家和行業對火電廠網絡安全防護等級的要求越來越高。構建網絡安全縱深防御體系，增加單向隔離網閘、網絡安全管理平臺、主機安全系統、安全審計系統、防入侵檢測系統、工控域防火墻等設備和系統，從根本上解決輔控系統的安全隱患。

一是單向隔離網關。從硬件上實現了網絡物理單向數據傳輸，保障工控系統的邊界安全不受外界任何干擾。二是網絡安全管理平臺。收集網絡安全防護產品終端的安全事件、系統事件、日志進行整體分析，基于網絡拓撲結構，分析攻擊過程，定位攻擊源頭，提升安全事件應急響應的能力。三是主機安全系統。加強主機的惡統意代碼防范能力，標識與識別、訪問控制、最小特權管理等安全機制，避免系統漏洞被利用的情況發生。四是安全審計系統。在保證原有網絡環境不受影響的前提下，對網絡中存在的所有活動提供協議審計、流量審計，生成完整記錄便于事件追溯。并根據監測結果，提供防御策略建議，幫助用戶構建專屬工業控制網絡安全防御體系。五是防入侵檢測系統。可檢測惡意行為、非法入侵行為等，惡意行為包含端口掃描，拒絕服務攻擊、緩沖區溢出攻擊等。流失工控域防火墻。采用白名單機制，有效凈化各域內的信息流，提高系統內部安全性。

綜上，輔控系統實施四機一控方案，可以有效提高全廠輔助系統的自動化水平和運行效率。與此同時，智能發電建設正在分階段、有序進行，輔控系統的智能化建設也在多元化發展，各火電廠根據自身實際情況結合技術成熟度，合理選擇輔控系統智能化建設方向，實現電廠各輔助車間的無人值守，保證機組更加安全、經濟、穩定運行。