电站热工优化控制平台的开发与安全架构研究

朱北恒，尹 峰，陈 波，罗志浩，张永军

（浙江省电力公司电力科学研究院，杭州 310014）

0 引言

目前大型火力发电机组运行的自动化控制依靠DCS（分散控制系统）完成，传统的DCS控制方式已经可以满足机组的常规控制需要，是保障机组安全稳定运行的基础。但是随着节能、环保、高效控制要求的提高，各种控制的高级算法和应用方式对控制技术提出了新的要求：一方面要求控制系统能完成常规的实时控制功能，分散控制风险；另一方面则要求控制系统能进行大量复杂的计算、分析、建模等工作，提高运算能力。因此常规的DCS控制方式难以两者兼顾，需要考虑新的控制优化方式。

在计算机技术快速发展的带动下，包括推断控制、软测量技术、基于模型的预测控制、纯滞后补偿控制、解耦控制、自适应控制和鲁棒控制、智能控制、容错控制等先进控制和人工智能技术进步很快，在工业上逐步具备了实际应用的条件。将先进控制和人工智能技术直接应用于电力生产过程，可以有效提高机组运行的可靠性和经济性，更好地满足电网对机组负荷调节的需求。智能控制平台系统和先进控制软件的开发是未来热工控制发展的重要方向。

TOP（Thermal Optimized-control Platform，电站热工优化控制平台）集成与整合系统现有的各类优化模块，通过先进控制算法和技术的应用、积累、模块化及可持续开发，将显著提升发电厂的运行控制水平，全面提高运行的安全性与经济性。

1 TOP系统的总体架构与设计特点

1.1 总体架构

TOP系统采用上位在线建模、下位实时控制、底层多元接口的数据分级管理与实时交互架构，如图1所示，将数据分为信息数据、控制数据和交互数据，其中，信息数据用于建模计算、特征分析、数据挖掘；控制数据用于生产过程实时控制；交互数据用于内部层级定期或实时传递特征参数与优化指令，以及TOP系统与DCS间安全等级较高的数据交互。采用独立的安全式数据处理模式与递进式安全控制机制保证数据与控制过程的安全性要求。

图1 TOP系统总体架构

1.2 TOP系统的功能需求和实现方式

整体架构方案应该是满足功能需求的最佳实现方式。TOP系统主要是为提高机组控制性能、满足热工人员开发需要，对系统应具备的功能进行分析，确定功能需求和实现方式之间的关系后再进行整体架构的设计。对所有功能的要求进行分析与梳理后，得出功能需求和实现方式之间的关系，如表1所示。

表1 TOP系统功能需求分析

从表1中可以看出，系统一方面需要实时性强、功耗低、电源切换方便的控制站，同时也需要计算性能强大、存储空间大、人机接口丰富的计算站。根据目前现状，嵌入式计算机可以采用实时性强的专业操作系统，其本身也具备接口标准，具有实时性强、功耗低、电源切换方便的特点。而传统的工业控制计算机则具有高主频、高内存、大存储、人机接口友好的特点。因此，将嵌入式计算机和传统工业控制计算机相结合是TOP系统整体架构设计的关键。

1.3 TOP系统的架构设计特点

TOP系统的总体架构设计首先要符合安全性要求，同时应发挥效能的最大化。从系统数据流的角度出发，TOP系统和DCS之间存在大量的数据交互，TOP系统将这些数据分成了信息数据、控制数据和交互数据，分别用于复杂运算、实时控制与内外部数据传递。

TOP系统具有上位建模、下位控制、底层接口独立的安全式数据处理模式，从机制上满足了各种数据的安全性要求。因此TOP系统的总体架构被设计为：上位计算机完成建模分析、神经网络计算等高级功能，并将关键参数定期通过内部冗余网络传递给下位冗余计算机，下位冗余计算机则通过实时控制的方式对机组完成实时优化控制过程。这样的整体结构具有如下特点：

（1）采用数据分类处理，实现了TOP系统与DCS之间的安全式信息交互与控制，从基础上保障了安全和效能的统一。

（2）所有实时通信和控制计算的功能均在冗余下位计算机中完成，涉及到实际生产过程的控制将更为可靠。

（3）下位冗余计算机可选用标准的工业总线形式，驱动I/O设备和通信接口更为稳定高效。

（4）下位冗余计算机的电源可与I/O设备中继电器的驱动电源共用，不用单独配置冗余电源。

（5）下位冗余计算机可采用专业实时操作系统，计算方式可与DCS保持一致，提高运算兼容性和控制的可靠性。

（6）上位计算机负责高级计算功能，计算机性能可以根据需要扩充。计算机主频的升高不会影响系统程序的开发。

（7）上位计算机只负责定期传送关键参数，如模型结构特点、神经网络阀值等，并不要求高的实时性和冗余性，上位计算机的状态不会影响下位计算机的实时优化控制计算。

（8）上位计算机具备良好的人机接口，便于工程人员设计和调试。

（9）上位计算机可配备海量存储设备，便于工程人员分析和挖掘数据。

（10）TOP系统对DCS的优化控制不是取代式而是附着式，不改变DCS原有控制方式，系统可用性好。

综上所述，这种上位建模、下位控制、底层多元独立接口的安全式数据处理和控制机制是一种创新的优化控制方式，它充分利用了不同控制设备的特点并将其有机结合，最终满足了优化控制系统实时控制计算和高级算法计算之间的不同要求，使整个优化控制平台具有强大的计算性能、可靠实时的计算输出，成为发电厂优化控制的基础。

2 TOP系统的安全性导则

2.1 TOP系统的递进安全式控制理念

DCS作为实时生产控制系统，其安全性要求很高。TOP系统通过无扰并入DCS完成相关优化控制任务时就必须将安全性放置首位。在TOP系统的研发和应用过程中，首先对优化控制平台建立严谨的安全性导则，充分考虑TOP系统并入DCS后的安全措施，然后进行严格的综合测试。

TOP系统装备的安全机制分为2个部分：安全性导则和安全措施。其中安全性导则是主动性的安全机制，安全措施是防御式的安全机制。

TOP系统的安全性导则主要针对硬件配置、通信能力和安全等级设置等方面设定相关原则。

2.2 硬件配置原则

（1）TOP系统的所有硬件均采用成熟产品，在出厂前必须经过30天以上的带负荷运行试验。

（2）对于接入DCS运行，并直接参与生产环节实时控制的TOP系统硬件单元必须采用双冗余的硬件配置要求。涉及硬件包括：下位运算控制单元、实时网络交换机、系统电源和通信接口单元。

（3）对于参与DCS中投切的TOP系统硬件通道均采用独立的三通道设置。

（4）TOP机柜应置于DCS电子室内，电气接地要求并入DCS接地网、接地电阻小于5 Ω；由UPS（不间断电源）和保安段分别供电。

2.3 通信能力要求

（1）TOP系统与DCS之间的通信接口应为冗余配置。

（2）TOP系统与DCS之间的通信间隔时间不大于 1000 ms。

（3）在TOP系统出厂前通信卡件必须经过与DCS的通信能力测试，实际通信量不得超过极限通信能力的30%，若所通信数据大于极限通信能力的30%，则必须增加通信卡件。

（4）在控制指令的通信中，通信连接失去后指令保持不变。如果相应的DCS侧不能满足该要求，则应将指令改为脉冲形式。

2.4 安全层级设置原则

TOP系统和DCS之间的交互运行方式设定递进式安全层级，系统只有通过相应的安全验证，才能允许更高层级的安全接入。一旦本级安全边界条件不满足，则应无扰回退至更低的安全层级。图2为TOP系统安全层级的定义示意图。

3 TOP系统并入DCS后的安全措施

在安全导则的指导下，TOP系统最终接入DCS时还需要做好安全措施，经过实践，有效的安全措施可以总结为如下几条。

图2 TOP系统安全层级的定义

3.1 指令信号的处理

TOP系统到DCS的开关量指令采用脉冲指令，静态时无指令交互。TOP系统到DCS的模拟量指令采用偏差式无扰并入，静态工况无偏差，等同于无指令交互；此外，还在DCS侧采用速率验证，一旦速率变化超限，则认为指令无效。

3.2 通信信号的压缩

为减小通信点的数量，提高通信可靠性，可以采用将16位数字量点打包为1个16位精度的模拟量进行传输，在TOP系统和DCS侧进行相应的编码和解码。

3.3 控制设备的选择连锁

尽量保证按需对设备进行控制，不需要时释放设备的控制权。以磨组智能启停优化组件为例，TOP系统在同一时间段内只会对1台磨组的设备产生操作指令，因此可以增加逻辑闭锁，保证在同一时间段内只有1台磨组的操作指令能到达DCS侧。设备的自动操作指令从顺控回路接入，权限低于超驰回路，不影响设备正常联锁保护回路的工作。

3.4 TOP系统的投入

将TOP系统的允许投入条件作为DCS逻辑的判断条件，增加重要模拟量信号投入前的偏差检查等。优化系统的投入过程采用硬接线交互和通信授权认可的方式，即：在DCS侧运行人员授权投入后的2 s内，得到硬件卡件的相应确认信号才能将优化控制系统接入DCS运行。

4 结语

TOP系统整合了下位DCS实时控制技术、上位高性能优化算法站技术和多元接口与安全控制技术进行独立开发，与DCS，PLC（可编程逻辑控制器）和工控机相比，其系统可靠性高，功能完善，系统开发与扩展能力强，发电企业的认可度高。同时还开发了有特色且有针对的智能控制算法组件，规模小、扩展灵活，可通信、也可采用硬接线，相比目前应用较广的进口优化系统，可靠性更高，功能更强，且可以结合生产中的优化应用成果不断扩展功能，是可对发电厂热工控制系统开展长期优化完善工作的优秀控制平台。

作为完全自主知识产权国产化的TOP系统和先进控制软件的开发应用，具有巨大的市场潜力和市场竞争力，可替代同类进口产品，应用前景非常广阔，一旦实现相关产品的市场化，将获得巨大的经济效益与社会效益。

[1]朱北恒，尹峰，孙耘，等.火电厂热控系统的容错设计[J].浙江电力,2007，26（5）∶3-7.

[2]孙长生，朱北恒，王建强，等.提高电厂热控系统可靠性技术研究[J].中国电力，2009（2）∶56-59.