1、產(chǎn)品背景概述

在電力行業(yè)，隨著(zhù)自動(dòng)化、智能化技術(shù)的發(fā)展，智能控制、數據驅動(dòng)算法在電力工藝生產(chǎn)運行中不斷深入運用并取得成效，然而，這些智能控制及數據驅動(dòng)算法要求控制系統的控制器具有更強的算力、更大存儲，傳統的DCS系統實(shí)體硬件控制器由于計算及存儲資源局限性已經(jīng)難以滿(mǎn)足智能算法落地的需求，如果單獨開(kāi)發(fā)專(zhuān)用控制器又存在諸多缺點(diǎn)，比如成本高、維護困難、功能受限等等。而基于虛擬化技術(shù)的軟件定義的虛擬控制器則可以通過(guò)軟件方式實(shí)現控制功能，具有成本低、易維護、靈活性高等優(yōu)點(diǎn)。以虛擬化控制器為核心結合傳統DCS系統相關(guān)IO設備網(wǎng)絡(luò )技術(shù)組成虛擬化DCS系統，可以根據不同的控制任務(wù)定義控制器的計算算力，可適應多種規模的控制系統，具有廣泛的應用前景。越來(lái)越多的電力生產(chǎn)企業(yè)開(kāi)始關(guān)注虛擬化技術(shù)來(lái)優(yōu)化生產(chǎn)流程、提高生產(chǎn)效率和降低成本。

虛擬控制系統適用范圍廣泛，可以用于各類(lèi)發(fā)電廠(chǎng)，包括火力發(fā)電廠(chǎng)、水力發(fā)電廠(chǎng)、光伏及風(fēng)力發(fā)電站等。系統可以遠程監控和控制發(fā)電廠(chǎng)的各個(gè)子系統，包括發(fā)電機組、輸電線(xiàn)路、變電站等，實(shí)現對整個(gè)電力系統的全面控制。此外，虛擬控制系統還可以結合工藝模型，模擬各種異常情況和故障，并為操作人員提供相應的應急操作指導，提高發(fā)電廠(chǎng)的安全性和可靠性。

目前，國內應用于電力生產(chǎn)實(shí)際，且適應大規模生產(chǎn)場(chǎng)景的虛擬控制系統產(chǎn)品還非常少，虛擬控制系統的研發(fā)需要制造企業(yè)較強的工業(yè)控制系統技術(shù)研發(fā)實(shí)力和行業(yè)工程應用經(jīng)驗背景，產(chǎn)品研發(fā)難度非常大。應用于電力生產(chǎn)系統，能夠運行電力大型智能算法模型且可靈活編程的虛擬控DCS系統，作為一種新型的智能控制系統，將對電力生產(chǎn)的智能化和能源互聯(lián)，發(fā)揮巨大基礎支撐作用。

虛擬DCS輔助網(wǎng)絡(luò )配置圖

2、產(chǎn)品性能特點(diǎn)

（1）產(chǎn)品層面

虛擬DCS 控制系統,是基于原實(shí)體 DCS技術(shù)基礎上,將實(shí)體嵌入式控制器(DPU)取消，利用運行在IT通用服務(wù)器資源的虛擬機上的虛擬控制器軟件替代控制器功能，并通過(guò)冗余的以太網(wǎng)控制網(wǎng)絡(luò )于下位IOBUS網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通信，實(shí)現對IO模塊通信信號的讀取，邏輯和智能計算、并將控制指令轉遞到遠程IO的輸出模塊，實(shí)現閉環(huán)控制。

本虛擬DC控制系統，還支持5G網(wǎng)絡(luò )作為控制網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現無(wú)線(xiàn)傳輸，系統結構如下:

本虛擬控制系統核心架構包括上位監控、虛擬控制器、網(wǎng)關(guān)和IO設備，其中：

 a）上位監控

    上位監控系統采用和利時(shí)MACS6.5.4版本，包含工程師站，操作員站，歷史站等功能，還包含HAMS,需要支持新的虛擬控制器組態(tài)和監控等功能，保持與傳統 DCS軟件整體功能基本一致。

 b）虛擬控制器

部署在服務(wù)器中，由硬件資源，虛擬化平臺軟件，操作系統及應用軟件組成，完成和傳統控制器的相同功能。通過(guò)虛擬化技術(shù)，一臺服務(wù)器可以部署多個(gè)控制器。虛擬控制器支持控制器冗余，和上位機軟件還是通過(guò)雙以太網(wǎng)（128和129網(wǎng)）進(jìn)行通信。

硬件資源：支持X86架構的商用 PC機部署。

虛擬化平臺軟件：支持自定義虛擬化軟件部署，和商業(yè)虛擬機上運行。

操作系統：虛擬控制器的操作系統采用實(shí)時(shí)操作系統RSlinux+實(shí)時(shí)補丁方式，保證控制器能夠完成實(shí)時(shí)控制。

應用軟件：虛擬控制器軟件（RTS）架構。

 c）網(wǎng)絡(luò )

整個(gè)系統中包含三種網(wǎng)絡(luò )，系統網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )，控制網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )，余網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )。

系統網(wǎng)：DCS工程師站，操作員站，歷史站，AMS 軟件等與控制器通信的網(wǎng)絡(luò )。

控制網(wǎng)：控制器與IO模塊進(jìn)行數據通信的網(wǎng)絡(luò )。

d）網(wǎng)關(guān)IO-BUS

完成虛擬控制器與IO模塊間的以太網(wǎng)和標準ProfiBus-DP之間的協(xié)議轉換，實(shí)現虛擬化控制器和IO 模塊的通信。單網(wǎng)關(guān)支持 4 條鏈路獨立 DP。與控制器通信通過(guò)以太網(wǎng)通信，支持兩條鏈路冗余；5G網(wǎng)絡(luò )使用在虛擬控制器和網(wǎng)關(guān)之間，通過(guò)5G網(wǎng)關(guān)實(shí)現有線(xiàn)轉無(wú)線(xiàn)通信。

 e）IO模塊

保持和傳統 DCS,IO 模塊一致。支持 AI、AO、DI、DO、PI、SOE、RTD、RS232/RS485等多種適應電力生產(chǎn)的信號類(lèi)型進(jìn)行采集和處理。

和利時(shí)在控制器虛擬化以及軟件定義控制器領(lǐng)域深耕多年，始終堅持自主研發(fā)創(chuàng )新。歷時(shí)3年打磨、匯聚多名工程師心血，和利時(shí)虛擬化控制系統秉承安全設計理念，采用全冗余、多重隔離等可靠設計技術(shù)，通過(guò)了嚴苛的產(chǎn)品集成測試，并在中煤新集利辛板集電廠(chǎng)二期項目現場(chǎng)進(jìn)行國內首臺套規?；瘧?。

（2）技術(shù)實(shí)現線(xiàn)路

實(shí)現虛擬化 DCS系統，核心技術(shù)是實(shí)現可代替實(shí)體控制器的虛擬控制器，具有運行于通用IT服務(wù)器的能力，并保持系統的響應實(shí)時(shí)性、可靠性和安全性。虛擬化控制器結構如下:

虛擬控制器為完全虛擬化控制器，虛擬控制器支持在單個(gè)虛擬機部署，可安裝于私有云平臺分配的虛擬機。配套專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò )通訊及其依賴(lài)的環(huán)境。虛擬控制器的邏輯組態(tài)及智能算法、數據存儲均在虛擬服務(wù)器中實(shí)現，工藝系統的控制邏輯和運算依托虛擬控制器。

本電力虛擬DCS系統核心控制器實(shí)現功能：

支持虛擬控制器資源監測及診斷。支持傳統控制器冗余功能，實(shí)現控制器無(wú)擾切換?？刂破魈摂M化后借助高頻CPU運算能力比傳統控制器提高5倍數以上，可降低傳統控制器的運算負荷。支持運算和通信管理分核處理，獨自CPU核運算，提供強大運算能力。支持工藝模型仿真運行，模型數據使用現場(chǎng)數據的鏡像，可實(shí)現現場(chǎng)事故預測。支持工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò )與現場(chǎng)總線(xiàn)的統一。支持IEC61131-3 組態(tài)多任務(wù)運行。支持傳統控制器的IEC61131-3組態(tài)邏輯運算。支持C語(yǔ)言編制算法，擴展第三方智能優(yōu)化算法。

系統可靠性設計:

虛擬DCS 系統分為多級冗余設計確保系統可靠，包括系統網(wǎng)冗余，虛擬控制器冗余，控制網(wǎng)冗余，網(wǎng)關(guān)冗余，IO 模塊冗余。

可靠性方面，本系統全面對標常規DCS技術(shù)指標，并從電源、通信、虛擬控制器分配、云平臺環(huán)境等方面，具有提高系統整體可靠性的設計。

系統設計遵循以下故障安全準則：

a）單一故障不應引起系統的整體故障。

b）單一故障不應引起保護系統的誤動(dòng)作或拒動(dòng)作。

c)控制功能的分組劃分應使得某個(gè)區域的故障將只是部分降低整個(gè)控制系統的控制功能，此類(lèi)控制功能的降低應能通過(guò)運行人員干預進(jìn)行處理。

d)控制系統的構成應能反映電廠(chǎng)設備的冗余配置，以使控制系統內單一故障不會(huì )導致運行設備與備用設備同時(shí)不能運行。

為滿(mǎn)足上述故障安全準則，控制系統應包括各種可行的自診斷手段，以便內部故障能在對過(guò)程造成影響之前被檢測出來(lái)。此外，保護和安全系統應具備通道冗余或測量多重化以及自檢和在線(xiàn)試驗的手段。虛擬控制系統支持5G接入,虛擬控制器與IO 網(wǎng)關(guān)之間通信采用面向連接的可靠 TCP/IP通信方案,控制系統網(wǎng)元在私網(wǎng)內具有專(zhuān)有IP地址。采用5G無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)代替光纖通訊，實(shí)現虛擬主控和IO 網(wǎng)關(guān)基于IP尋址的點(diǎn)對點(diǎn)通信。首先，借助運營(yíng)商商業(yè)級虛擬專(zhuān)網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò )切片技術(shù)，實(shí)現網(wǎng)絡(luò )鏈路獨占可靠傳輸以及信息安全。其次，基于二層隔離（VLAN）技術(shù)，實(shí)現二層隔離隧道獨享，強化業(yè)務(wù)系統之間細粒度通信確定性控制能力。

虛擬化控制系統支持強大算力服務(wù)、全冗余高可用分布式系統架構、原生支持5G接入等多項創(chuàng )新技術(shù)，充分保障系統的實(shí)用性、安全性和便捷性，為能源行業(yè)控制系統智能算法落地和多能源聯(lián)動(dòng)控制提供切實(shí)可行的解決方案。

3、產(chǎn)品應用前景分析

發(fā)電廠(chǎng)虛擬控制系統是一種基于虛擬現實(shí)技術(shù)的電力系統控制系統。其研制背景是由于傳統的電力DCS控制系統只能提供算力有限的嵌入式控制器，只能運行簡(jiǎn)單的邏輯控制，無(wú)法運行數據驅動(dòng)的大型人工智能控制算法，使得發(fā)電控制系統的智能化遇到了瓶頸。而虛擬控制系統通過(guò)利用計算機虛擬化技術(shù)及先進(jìn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，可以將電力控制系統控制器算力大幅提高，并具有超遠廣域互聯(lián)能力，使得人工智能大模型、能源OT層級別的互聯(lián)成為可能，將極大提高電力系統的智能化基礎設施能力。

發(fā)電廠(chǎng)虛擬控制系統適用范圍廣泛，可以用于各類(lèi)發(fā)電廠(chǎng)，包括火力發(fā)電廠(chǎng)、水力發(fā)電廠(chǎng)、光伏及風(fēng)力發(fā)電站等。系統可以遠程監控和控制發(fā)電廠(chǎng)的各個(gè)子系統，包括發(fā)電機組、輸電線(xiàn)路、變電站等，實(shí)現對整個(gè)電力系統的全面控制。此外，虛擬控制系統還可以結合工藝模型，模擬各種異常情況和故障，并為操作人員提供相應的應急操作指導，提高發(fā)電廠(chǎng)的安全性和可靠性。

發(fā)電廠(chǎng)虛擬控制系統具有廣闊的應用前景。首先，隨著(zhù)電力系統的規模不斷擴大和復雜度增加，傳統的控制系統已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足電力系統運行和控制智能化的需求。而虛擬控制系統可以提供更直觀(guān)、靈活和智能的控制方式，可以幫助操作人員更好地理解和掌握電力系統的運行情況，提高操作效率和系統可靠性。

此外，虛擬控制系統還可以與人工智能技術(shù)相結合，實(shí)現電力系統的自動(dòng)化控制。通過(guò)對電力系統的實(shí)時(shí)監測和數據分析，系統可以自動(dòng)調整各個(gè)子系統的運行參數，優(yōu)化發(fā)電廠(chǎng)的運行效率和能源利用率。

綜上所述，發(fā)電廠(chǎng)虛擬控制系統在電力系統運行和智能化中具有重要的應用價(jià)值和發(fā)展前景，可以幫助提高電力系統的安全性、可靠性和效率，同時(shí)也可以為電力系統的能源互聯(lián)和自動(dòng)化控制提供新的解決方案和技術(shù)手段。

4、經(jīng)濟和社會(huì )效益分析

（1）國內外市場(chǎng)現狀和需求分析

在流程工業(yè)領(lǐng)域中，用戶(hù)對工業(yè)自動(dòng)化、工業(yè)軟件產(chǎn)品的安全性、可靠性、合規性、可用性要求非常高，且DCS 相關(guān)產(chǎn)品自誕生以來(lái)也不斷的隨技術(shù)發(fā)展迭代改進(jìn)。和利時(shí)虛擬DCS 控制系統的虛擬控制器結構、靈活性、實(shí)時(shí)性、系統兼容性等的先進(jìn)性都處于領(lǐng)先地位，產(chǎn)品的發(fā)布及規模應用領(lǐng)先國內同行，競爭優(yōu)勢十分明顯。隨著(zhù)更多項目成功實(shí)施投運，和電力行業(yè)智能化建設得需求持續旺盛，越來(lái)越多的對智能控制系統的應用需求，據初步統計預期再未來(lái)3~5年市場(chǎng)規模能夠達到10~15億元規模。

（2）經(jīng)濟效益和社會(huì )效益預測

a.經(jīng)濟效益：

經(jīng)過(guò)研制成功的虛擬控制系統用于發(fā)電站發(fā)電控制后，展現出了強大的產(chǎn)業(yè)化能力。首先，該系統具備穩定可靠的性能，能夠通過(guò)實(shí)時(shí)監測和控制發(fā)電站的各項參數，確保發(fā)電過(guò)程的穩定運行。其次，虛擬控制系統具有高度的自動(dòng)化程度，能夠實(shí)現發(fā)電過(guò)程中的自動(dòng)化操作，減少人工干預的需求，降低勞動(dòng)成本。此外，該系統還具備高度的靈活性和可擴展性，可以根據不同發(fā)電站的需求進(jìn)行定制化設計，并隨著(zhù)發(fā)電站的擴建或改造進(jìn)行無(wú)縫集成。此外，該系統還支持數據分析和預測功能，能夠通過(guò)對發(fā)電數據的分析和趨勢預測，提供發(fā)電站的效率優(yōu)化建議，進(jìn)一步提高發(fā)電效率。最后，虛擬控制系統還具備良好的安全性和可靠性，能夠有效應對各種故障和異常情況，保障發(fā)電站的運行安全，減少發(fā)生系統外掛系統通信故障等異常給企業(yè)帶來(lái)的經(jīng)濟損失。綜上所述，研制成功的虛擬控制系統在產(chǎn)業(yè)化過(guò)程中具備良好的能力，能夠為發(fā)電站提供高效、穩定、可靠的發(fā)電控制解決方案。

b.社會(huì )效益

電力虛擬DCS控制系統主要針對電力生產(chǎn)工藝過(guò)程的控制系統智能化。適用于火力發(fā)電、新能源等的發(fā)電系統的遠程集中智能控制也適用于智能化控制需要的其它流程工業(yè)領(lǐng)域，在我國能源領(lǐng)域及其它領(lǐng)域具有廣闊的應用市場(chǎng)。

近年來(lái)，無(wú)論是新建發(fā)電站還是已投運的發(fā)電站，均在尋求智能化的轉型，其中控制系統的智能化是發(fā)電企業(yè)必不可少的急迫需要。本裝備技術(shù)可極大滿(mǎn)足當前市場(chǎng)需求，給發(fā)電控制系統的智能化提供了有解決方案。

另外，在國家制定的“自主創(chuàng )新”的大環(huán)境下，隨著(zhù)中國流程行業(yè)國產(chǎn)化水平的不斷提高，大型重大項目呈現越來(lái)明顯的國內獨立自主建設、運維趨勢，國產(chǎn)流程控制系統技術(shù)在重大工程上推廣和應用是大勢所趨。在此基礎上采用虛擬 DCS控制系統，一方面可以大幅節省用戶(hù)運行維護成本，大幅縮短用戶(hù)項目工期，優(yōu)化用戶(hù)的備品備件管理維護；另一方面響應國家節能減排政策和綠色工廠(chǎng)策略，大幅降低材料和能源的消耗，因此具有廣闊的市場(chǎng)前景及推廣價(jià)值。

推薦理由：

產(chǎn)品創(chuàng )新性：

虛擬化控制系統支持強大算力服務(wù)、全冗余高可用分布式系統架構、原生支持5G接入等多項創(chuàng )新技術(shù)，充分保障系統的實(shí)用性、安全性和便捷性，為能源行業(yè)控制系統智能算法落地和多能源聯(lián)動(dòng)控制提供切實(shí)可行的解決方案。

產(chǎn)品特點(diǎn)：

（1）實(shí)時(shí)性：基于實(shí)時(shí)操作系統內核，通訊采用改進(jìn)的自定義快速協(xié)議，安全可控；

（2）可靠性：采用控制器、通訊、I/O系統全冗余，冗余鏈路采用兩路高速專(zhuān)網(wǎng)，快速無(wú)擾切換；

（3）安全性：動(dòng)態(tài)防御、主動(dòng)防御、縱深防御安全能力，基于國密算法的安全網(wǎng)絡(luò )通信；

（4）兼容性：對DCS的I/O卡件及實(shí)體DPU底座無(wú)縫兼容， 原生支持實(shí)體控制器和虛擬控制器混用；

（5）擴展性：配套提供專(zhuān)用全網(wǎng)授信5G終端解決方案，支持運營(yíng)商公網(wǎng)接入和獨立專(zhuān)網(wǎng)接入。

虛擬化DCS控制系統在保障安全和性能的前提下，提供一種運行于通用計算機資源的軟件化智能控制器,它不僅具備實(shí)體控制器的所有功能，更重要的是具有算力彈性擴展能力，可為基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )、大數據挖掘和先進(jìn)控制等技術(shù)的智能應用算法提供運行環(huán)境。此外，它還具有分站配置靈活、支持 5G 接入的能力。這些能力為發(fā)電用戶(hù)在控制區集成部署智能應用、縮短智能發(fā)電運行系統實(shí)施周期、節省專(zhuān)用硬件控制器投資和降低備件資產(chǎn)庫存等方面帶來(lái)顯著(zhù)價(jià)值，是引領(lǐng)火電控制系統向智能控制縱深深入的重要里程碑突破。

虛擬化DCS控制系統在保障安全和性能的前提下，提供一種運行于通用計算機資源的軟件化智能控制器,它不僅具備實(shí)體控制器的所有功能，更重要的是具有算力彈性擴展能力，可為基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )、大數據挖掘和先進(jìn)控制等技術(shù)的智能應用算法提供運行環(huán)境。此外，它還具有分站配置靈活、支持 5G 接入的能力。這些能力為發(fā)電用戶(hù)在控制區集成部署智能應用、縮短智能發(fā)電運行系統實(shí)施周期、節省專(zhuān)用硬件控制器投資和降低備件資產(chǎn)庫存等方面帶來(lái)顯著(zhù)價(jià)值，是引領(lǐng)火電控制系統向智能控制縱深深入的重要里程碑突破。

主要創(chuàng )新點(diǎn)如下：

1、研發(fā)了DCS控制器虛擬化技術(shù)，并可規?；瘧糜诎l(fā)電站控制系統（應用規模IO點(diǎn)達7200點(diǎn)），突破了現有DCS控制器受嵌入式工業(yè)芯片的算力限制無(wú)法運行高復雜度人工智能等算法問(wèn)題，為發(fā)電站的DCS控制系統智能化提供了技術(shù)保障。

2、虛擬控制系統充分利用虛擬化技術(shù)可分配彈性算力、高可用、可動(dòng)態(tài)配置等特點(diǎn)，結合電站自動(dòng)化控制應用特點(diǎn)，實(shí)現了集ms級實(shí)時(shí)IO邏輯控制、s/min級高復雜度智能控制運算于一體的超級DCS控制系統。

3、本系統原生支持5G 接入控制系統網(wǎng)的能力?？蓪?shí)現5G覆蓋下的超遠距離廣域控制，為實(shí)現多電站甚至多電網(wǎng)的聯(lián)合控制提供技術(shù)手段。與國外技術(shù)相比，國產(chǎn)虛擬化控制系統融合了云計算、大數據、5G、AI人工智能、高速通信等前沿技術(shù)，技術(shù)先進(jìn)性一直保持領(lǐng)先地位。

虛擬化控制系統算力強大、實(shí)時(shí)性更強，對于優(yōu)化控制及智慧工業(yè)等行業(yè)應用更契合，能有效提升行業(yè)產(chǎn)能和運行效率。

虛擬化控制系統能有效減少現場(chǎng)硬件資源部署，成本更低，實(shí)用性更強。

產(chǎn)品實(shí)用性：

虛擬化控制系統可以滿(mǎn)足智慧電廠(chǎng)及產(chǎn)業(yè)智能化需求，將控制系統基于虛擬化設計，依托云計算、大數據、5G、AI人工智能等前沿技術(shù)，實(shí)現控制系統虛擬化運行及應用，對未來(lái)各行業(yè)虛擬化DCS項目提供了一種創(chuàng )新的設計理念和前沿產(chǎn)品。

虛擬化控制系統依托前沿科技資源，通過(guò)簡(jiǎn)單技術(shù)培訓即可在現場(chǎng)部署應用。

相比常規DCS系統，虛擬化控制系統部署周期更短、更易用，成本更低，操作更方便、更智能、更靈活，可擴展性更強，可維護性更強，功能更強大。

該項目已成功應用于中煤新集利辛板集電廠(chǎng)二期輔網(wǎng)DCS項目，且運行狀況良好，深受用戶(hù)及行業(yè)好評。

產(chǎn)品可靠性：

產(chǎn)品技術(shù)應用安全可靠，未發(fā)生過(guò)重大安全事故。且虛擬化控制系統在板集二期新型智慧電廠(chǎng)輔網(wǎng)項目，已累計無(wú)故障運行已經(jīng)超過(guò)300天。