★南京科遠智慧科技集團股份有限公司門(mén)冉，方正，蔡寧寧

★中國電機工程學(xué)會(huì )何永君

★江蘇省熱工過(guò)程智能控制重點(diǎn)實(shí)驗室章禔

★廣東粵電花都天然氣熱電有限公司李賀延，余智健

電力行業(yè)的數字化、智能化發(fā)展已上升到國家戰略層面。自2016年以來(lái)，國家陸續發(fā)布了多個(gè)促進(jìn)能源和信息深度融合、鼓勵能源企業(yè)運用大數據、智能化技術(shù)推廣以及提高能源利用效率和安全穩定運行水平的指導文件^[1~2]。國家能源局還發(fā)布了推進(jìn)能源數字化發(fā)展的指導意見(jiàn)，明確要求加快火電、水電等傳統電源數字化設計建造和智能化升級，推進(jìn)智能分散系統發(fā)展和應用。這些都對控制系統智能化發(fā)展起到了極大的推動(dòng)作用。

1　控制系統概況

分散控制系統（Distributed Control System，DCS）是智能控制系統（Intelligent Control System，ICS）的基礎。ICS在DCS基礎上應用智能化技術(shù)，是DCS的高級應用拓展。ICS的研究、設計、研發(fā)和應用需深入了解DCS的特點(diǎn)及發(fā)展過(guò)程。

1.1　國內DCS現狀

國產(chǎn)DCS經(jīng)多年發(fā)展，在技術(shù)水平上與國外系統相當，能滿(mǎn)足國內企業(yè)應用需求，且在自主可控方面有較大發(fā)展。我國DCS廠(chǎng)商包括國電智深、國電南自、華能瑞沃、南京科遠、和利時(shí)、浙大中控和上海新華等^[3~4]。其中，南京科遠NT6000、國電智深EDPF-NT及GD99、和利時(shí)HOLLiAS-MACS、浙江中控ECS、上海新華TISNET等控制系統在國內已有較多成果應用，涵蓋了大容量火電機組、大型石化、大產(chǎn)量建材和冶金等流程工業(yè)^[3]。

1.2　國內ICS發(fā)展情況

近年來(lái)，國內控制系統已逐步向ICS發(fā)展，主流廠(chǎng)家相繼推出了各自的ICS，如科遠智慧ICS、國電智深iDCS、華能睿渥HNICS、中控InPlant MDS等^[5~8]。隨著(zhù)ICS的重要性越來(lái)越高，ICS行業(yè)標準也在起草編制中，預計明年公布出臺。國內已有發(fā)電智能化、數字化和ICS的建設應用實(shí)踐，如大唐北京高井熱電、大唐南京熱電、國電東勝、大唐姜堰熱電、大唐南電、京能十堰電廠(chǎng)、國華京燃熱電、江陰利港和華電萊州電廠(chǎng)等^[3~7]。

目前，ICS發(fā)展時(shí)間較短，在智能技術(shù)應用方面仍未有顛覆性突破，其整體上仍采用在DCS上搭建高級應用服務(wù)功能的架構^[3~7]。本文針對ICS在生產(chǎn)一區的實(shí)現闡述其研究和應用。

1.3　ICS技術(shù)特點(diǎn)

基于行業(yè)發(fā)展新情況、智能化發(fā)展需求以及在實(shí)踐中的應用總結，ICS應具備以下特點(diǎn)：

（1）網(wǎng)絡(luò )分層設計，在傳統DCS網(wǎng)絡(luò )（即實(shí)時(shí)控制網(wǎng)）基礎上并行設計高級應用服務(wù)網(wǎng)；

（2）生產(chǎn)過(guò)程數據采集、存儲及高級應用功能在高級應用服務(wù)網(wǎng)實(shí)現，實(shí)時(shí)控制網(wǎng)提供數據接口并接收高級應用運算結果；

（3）配置高級應用功能硬件，包括高級數據服務(wù)器、高級應用服務(wù)器和高性能控制器等；

（4）采用標準數據接口，與實(shí)時(shí)控制系統無(wú)縫融合，不對實(shí)時(shí)控制系統產(chǎn)生過(guò)大干擾，確保實(shí)時(shí)控制網(wǎng)安全可靠；

（5）支持主流先進(jìn)控制功能，包括模糊控制、自適應控制、DMC、MPC和GPC等；

（6）人機交互性能更高，畫(huà)面刷新速度更高，支持視頻信號接入、三維模型展示、web數據交互、關(guān)系型數據交互等；

（7）實(shí)時(shí)控制網(wǎng)和高級應用服務(wù)網(wǎng)均應滿(mǎn)足最新網(wǎng)絡(luò )安全技術(shù)要求。

本文所述的ICS架構由兩部分構成，包括實(shí)時(shí)控制系統和高級應用服務(wù)網(wǎng)系統。

2　ICS系統研究

ICS網(wǎng)絡(luò )架構的研發(fā)及應用需要在考慮數據高效應用的同時(shí)兼顧實(shí)時(shí)控制系統安全穩定運行，以保證數據安全和網(wǎng)絡(luò )安全^[3~7]。

2.1　硬件配置

ICS高級應用功能依賴(lài)于高性能應用服務(wù)器、高性能數據服務(wù)器、高性能控制器和相關(guān)網(wǎng)絡(luò )設備等^[9~13]。ICS主要硬件配置的性能要求如表1所述。

表1 ICS硬件配置技術(shù)要求

以上配置為ICS高級應用服務(wù)網(wǎng)設備的參考配置，在實(shí)際應用中應當根據功能實(shí)現的需要進(jìn)行調整，包括硬件性能和數量的調整。

2.2　網(wǎng)絡(luò )設計

（1）高速冗余

高級應用服務(wù)網(wǎng)可實(shí)現ICS的數據采集、數據高效應用，以及與實(shí)時(shí)控制系統的數據交互，其配置關(guān)系到ICS的高級應用功能是否能正常實(shí)現。

高級應用服務(wù)網(wǎng)作為生產(chǎn)數據高速公路，需至少配置為千兆冗余網(wǎng)絡(luò )，還應設計網(wǎng)絡(luò )診斷功能，實(shí)時(shí)檢測網(wǎng)絡(luò )運行狀況，在發(fā)生異常時(shí)及時(shí)發(fā)出告警。系統中無(wú)網(wǎng)絡(luò )短板，所有網(wǎng)絡(luò )設備必須均配置為千兆及以上設備，包括所有服務(wù)器、工程師站、歷史站、操作員站和智能監盤(pán)站的網(wǎng)卡、交換機網(wǎng)口、光電轉換設備、防火墻以及隔離網(wǎng)閘等^[3~7]。

（2）分層設計

高級應用服務(wù)網(wǎng)按機組級和廠(chǎng)級分層設計搭建，以實(shí)現不同層次功能。機組級數據通過(guò)高級應用服務(wù)網(wǎng)單向傳輸到廠(chǎng)級高級應用服務(wù)網(wǎng)，機組級高級應用服務(wù)網(wǎng)與廠(chǎng)級高級應用服務(wù)網(wǎng)之間配置單向網(wǎng)絡(luò )隔離設備，如防火墻或隔離網(wǎng)閘等。機組級高級應用服務(wù)網(wǎng)數據在機組控制系統中展示和交互，廠(chǎng)級高級應用服務(wù)網(wǎng)數據在單獨設置的智能監盤(pán)站或客戶(hù)端中展示和交互。

（3）數據分流

ICS高級應用服務(wù)網(wǎng)應能適應極短時(shí)間內大批量數據的讀取和處理。為保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò )負荷不至于過(guò)載，在原有控制網(wǎng)絡(luò )上并行搭建高級應用服務(wù)網(wǎng)（C/D網(wǎng)）。高級應用功能的數據在CD網(wǎng)中傳輸和交互，可設置網(wǎng)絡(luò )占用限制，當運算過(guò)程占用的網(wǎng)絡(luò )帶寬過(guò)大時(shí)能及時(shí)限制網(wǎng)絡(luò )帶寬增加，CD網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )異常不影響實(shí)時(shí)控制網(wǎng)絡(luò )的穩定運行。

（4）數據交互

由于整套機組的生產(chǎn)運行數據是ICS高級應用功能的基礎，因此設計研發(fā)合理的數據采集功能尤為重要。在ICS中，數據采集需兼顧采集效率以及對實(shí)時(shí)控制系統的影響。為提高數據利用效率，應根據應用場(chǎng)景的不同，設定不同數據采集周期。

高級應用服務(wù)網(wǎng)的計算結果，應當高效安全地傳輸至實(shí)時(shí)控制網(wǎng)（包括監視畫(huà)面和控制器）。在數據傳輸設計中，應限制數據傳輸過(guò)程對實(shí)時(shí)控制網(wǎng)的資源占用，并應優(yōu)化數據傳輸規則。

2.3　應用冗余

應用冗余包括數據采集及存儲的冗余以及高級應用功能計算的冗余。在數據采集過(guò)程中，兩臺數據服務(wù)器分別從冗余實(shí)時(shí)控制系統站點(diǎn)進(jìn)行數據采集并存儲。兩臺數據服務(wù)器一運一備，軟件配置保持一致。在高級應用功能計算方面，應用服務(wù)器冗余運行，一運一備。當正常運行服務(wù)器出現異常后，可自動(dòng)切換為備用服務(wù)器運行。在異常服務(wù)器恢復正常后，能夠自動(dòng)同步地應用服務(wù)器的數據、軟件配置、算法和模型。

2.4　智能控制

ICS設計配置連接實(shí)時(shí)控制網(wǎng)和高級應用服務(wù)網(wǎng)的高性能控制器。高性能控制器作為先進(jìn)控制功能運行載體，支持C、C++和Python等常用編程語(yǔ)言，支持高級應用功能專(zhuān)用數據接口，支持模糊控制、自適應控制、MPC和GPC等先進(jìn)控制算法運行，可以實(shí)現APS、氣溫控制、燃燒優(yōu)化、脫硫脫硝控制等功能。

2.5　人機交互

ICS在優(yōu)化提升傳統操作員站功能的同時(shí)展示內容更加豐富。ICS應能支持關(guān)系數據庫的數據查詢(xún)、web頁(yè)面調用、展示和交互、高級應用功能配置和查詢(xún)、三維畫(huà)面展示以及視頻信號接入等。為適應以上人機交互需求，ICS需提升操作員站、工程師站和歷史站配置，如配置高性能顯卡、多塊顯卡，SSD盤(pán)及SAS盤(pán)等；ICS需要開(kāi)發(fā)針對性數據接口，以實(shí)現在高效調用數據的同時(shí)，不產(chǎn)生過(guò)大的網(wǎng)絡(luò )沖擊；ICS還需優(yōu)化設計數據請求、發(fā)送和緩存規則，避免畫(huà)面卡頓^[3~7]。

2.6　網(wǎng)絡(luò )安全

ICS的安全防護應從邊界防護、檢測審計防護、終端防護、管理平臺中心等方面進(jìn)行，并應嚴格按照最新信息安全技術(shù)網(wǎng)絡(luò )安全等級保護技術(shù)要求進(jìn)行安全策略配置^[8]。

在ICS的實(shí)時(shí)控制網(wǎng)絡(luò )和智能應用服務(wù)系統網(wǎng)絡(luò )邊界部署工業(yè)安全網(wǎng)閘，可以保護ICS網(wǎng)絡(luò )邊界安全，實(shí)現邊界防護。工業(yè)安全網(wǎng)閘不僅能夠通過(guò)專(zhuān)用硬件在電路上切斷網(wǎng)絡(luò )之間的鏈路層連接，還能夠切斷由外部發(fā)起的連接，保護內部網(wǎng)絡(luò )。

ICS的審計防護應包含工業(yè)入侵檢測系統部署、工業(yè)網(wǎng)絡(luò )審計部署、工業(yè)日志審計部署三部分。不僅能夠對工業(yè)網(wǎng)絡(luò )傳輸數據進(jìn)行即時(shí)監視，在發(fā)現可疑流量時(shí)發(fā)出警報或者采取主動(dòng)反應措施，還能對網(wǎng)絡(luò )數據流量進(jìn)行入侵檢測和告警。

ICS通過(guò)白名單、主機加固等手段完成終端防護。能夠實(shí)現對工控系統信息安全相關(guān)要求，防止入侵、病毒等惡意行為對主機文件的非法篡改，設置對USB口、網(wǎng)絡(luò )端口管控+進(jìn)程訪(fǎng)問(wèn)的控制，防止軟硬件形式的非法接入并及時(shí)告警。

3　ICS整體架構設計

3.1　功能架構設計

ICS功能分層次設計，如圖1所示，在整體上實(shí)現數據共享、應用集成、數據交互，并通過(guò)功能部署實(shí)現軟硬件一體化集成，實(shí)現數據、算法、算力的深度融合。其可分為數據源層、數據處理層和數據應用層。數據源層涵蓋生產(chǎn)現場(chǎng)系統、傳感器及智能終端等生產(chǎn)數據，智能傳感器和智能終端等邊緣設備數據經(jīng)處理后送到ICS應用層。數據處理層分為數據鏈接層、數據存儲層和數據應用層三個(gè)子層，其中數據鏈接層主要是進(jìn)行數據采集，并通過(guò)私有通訊協(xié)議傳輸到數據存儲層中；數據存儲層將數據進(jìn)行高效存儲和交互，形成ICS實(shí)時(shí)/歷史數據庫，對外提供統一接口；在數據應用層對數據進(jìn)行讀取、分析和特征提取，并調用專(zhuān)有算法庫進(jìn)行數據分析和數據建模。數據應用層實(shí)現人機交互層和功能實(shí)現，服務(wù)運行人員。

圖1 ICS功能層次設計

3.2　網(wǎng)絡(luò )架構設計

根據本文第二部分的研究結果和功能層次設計，本項目設計部署在生產(chǎn)一區的ICS網(wǎng)絡(luò )架構。典型ICS網(wǎng)絡(luò )架構原理圖如圖2所示。

圖2 典型ICS網(wǎng)絡(luò )架構圖

在該網(wǎng)絡(luò )架構中，A網(wǎng)和B網(wǎng)為冗余實(shí)時(shí)控制網(wǎng)，C網(wǎng)和D網(wǎng)為冗余高級應用服務(wù)網(wǎng)。單元機組部署高級應用服務(wù)網(wǎng)，若部署三層交換機，公輔系統高級應用功能可在機組高級應用服務(wù)網(wǎng)中實(shí)現。DCS各站點(diǎn)、服務(wù)器和高性能控制器均連接A、B、C和D網(wǎng)。機組高級應用服務(wù)網(wǎng)通過(guò)隔離裝置向廠(chǎng)級高級應用服務(wù)網(wǎng)絡(luò )單向傳輸數據。廠(chǎng)級高級應用服務(wù)網(wǎng)部署的客戶(hù)端、高級工程師站、廠(chǎng)級數據服務(wù)器和廠(chǎng)級應用服務(wù)器連接C網(wǎng)和D網(wǎng)。

4　典型ICS應用

4.1　ICS應用典型架構

科遠智慧作為國內較早提出并實(shí)踐智能控制理念的先驅?zhuān)胁簧買(mǎi)CS的成功應用案例。其某2×9F聯(lián)合循環(huán)機組ICS網(wǎng)絡(luò )架構圖如圖3所示。

圖3 某2×9F聯(lián)合循環(huán)機組ICS網(wǎng)絡(luò )架構圖

該應用案例，按照本文所述研究進(jìn)行ICS架構設計以及智能預警、智能控制、智能分析和智能監測功能的開(kāi)發(fā)和應用。智能預警、智能分析和智能監測主要依托高級應用服務(wù)網(wǎng)實(shí)現，智能控制依托高性能控制器實(shí)現。圖4~圖11所示為某聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組進(jìn)行智能控制系統功能實(shí)現的展示畫(huà)面。

圖4 智能預警

圖5 智能預警-燃機熱部件預警

圖6 智能分析-性能計算

圖7 智能分析-耗差分析

圖8 智能監測-換熱器效率

圖9 智能監測-調節品質(zhì)評估

圖10 智能控制-APS啟動(dòng) 

圖11 智能控制-APS停機

4.2　ICS應用案例

基于本文發(fā)電機組智能控制系統的研究和應用，我們在國內實(shí)施了多個(gè)ICS項目，涵蓋了燃機發(fā)電機組、燃煤發(fā)電機組和燃氣發(fā)電機組等大中型發(fā)電機組類(lèi)型，涉及電廠(chǎng)包括粵電花都、粵電永安、粵電濱海灣、深能源光明、大唐延安、大唐南電、國能舟山、內蒙古科右中和南京南鋼等。在這些項目的應用過(guò)程中，ICS網(wǎng)絡(luò )架構得到了實(shí)際驗證，并實(shí)現了智能預警、智能監視、智能診斷和運行優(yōu)化等功能，在提高機組運行經(jīng)濟性、安全性和智能化方面有顯著(zhù)作用。

5　總結

近年來(lái)，能源行業(yè)新的發(fā)展方向對電力行業(yè)提出了智能化的要求，智能化技術(shù)的發(fā)展為電力行業(yè)智能化的實(shí)現提供了技術(shù)支撐。經(jīng)過(guò)各發(fā)電集團和DCS廠(chǎng)商在發(fā)電行業(yè)智能化探索和實(shí)踐，發(fā)電機組智能控制系統架構日趨完善，能夠實(shí)現的功能也日漸豐富，后續將在發(fā)電行業(yè)發(fā)揮越來(lái)越大的作用。

作者簡(jiǎn)介：

門(mén)　冉（1989-），男，河南南陽(yáng)人，中級工程師，碩士，現就職于南京科遠智慧科技集團股份有限公司，研究方向為發(fā)電機組優(yōu)化控制、發(fā)電智能化技術(shù)研究和應用。

參考文獻：

[1] 楊明, 杜萍靜, 劉鳳全, 等. 能源消費發(fā)展及預測方法綜述[J]. 山東大學(xué)學(xué)報 (工學(xué)版), 2020, 50 (1) : 56 - 62.

[2] 中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會(huì )發(fā)展第十四個(gè)五年規劃和2035年遠景目標綱要[N]. 人民日報, 2021 - 03 - 15(01).

[3] 胡波, 李響, 陳宏君, 等. 全國產(chǎn)分散控制系統組態(tài)軟件框架的設計和實(shí)現[J]. 熱力發(fā)電, 2021, 50 (12) : 13 - 20.

[4] 高耀巋, 王林, 高海東, 等. 火電廠(chǎng)智能控制系統體系架構及關(guān)鍵技術(shù)[J]. 熱力發(fā)電, 2022, 51 (3) : 166 - 174.

[5] 劉吉臻, 胡勇, 曾德良, 等. 智能發(fā)電廠(chǎng)的架構及特征[J]. 中國電機工程學(xué)報, 2017, 37 (22) : 6463 - 6470.

[6] 崔青汝, 李庚達, 牛玉廣. 電力企業(yè)智能發(fā)電技術(shù)規范體系架構[J]. 中國電力, 2018, 51 (10) : 32 - 36.

[7] 劉吉臻, 王慶華, 房方, 等. 數據驅動(dòng)下的智能發(fā)電系統應用架構及關(guān)鍵技術(shù)[J]. 中國電機工程學(xué)報, 2019, 39 (12) : 3578 - 3587.

[8] GB/T 25070-2019, 信息安全技術(shù) 網(wǎng)絡(luò )安全等級保護安全設計技術(shù)要求[S]. 北京: 國家標準化管理委員會(huì ), 2019.

摘自《自動(dòng)化博覽》2024年3月刊