电站热工优化控制平台综合测试技术的研究

尹 峰，孙 耘，李旭侃，周 佑，苏 烨

（浙江省电力公司电力科学研究院，杭州 310014）

0 引言

TOP（Thermal Optimized-control Platform，电站热工优化控制平台）系统硬件包括1对冗余控制器、冗余电源、冗余内部交换机与通信网络、1台高性能服务器、IO端子、通信卡件、人机交互设备、继电器及端子模组等，TOP系统通过IO端子、Modbus（总线协议）和OPC（用于过程控制的对象连接与嵌入技术）3种通信形式和DCS（分散控制系统）进行通信，其高性能嵌入式计算机采用专业实时操作系统，实时性强、功耗低、电源切换方便，上位工业级高性能控制服务器则具有高主频、高内存、大存储、人机接口友好的特点。

TOP系统与DCS实现立体数据交互，直接参与过程控制，因此对其硬件与通信系统的可靠性及系统运行安全性要求很高，应从设计理念上对平台的安全可靠性作充分的考虑，对设备运行的性能与功能，则通过针对性、系统性测试技术的应用，获得有效验证。

1 TOP系统的基本性能测试

TOP系统的基本性能测试通过系统的软硬件测试试验完成。试验目的在于检测优化控制系统的系统可靠性，检测的项目、内容与要求、实际测试结果如表1所示。

2 TOP系统的安全性能测试

TOP系统的安全性能测试，是为了验证TOP系统在接入DCS后的安全稳定性，通过系统的模拟试验来完成，包括装置在DCS中运行模式的合理性测试、在DCS中安全层级测试以及极端通信能力测试等。

2.1 在DCS中运行模式的合理性测试

TOP系统在不同安全层级下有不同的权限，在通信连接正常、投切指令回路畅通的状态下，权限设置应满足：

（1）基础模式下，TOP系统只单方面接收DCS数据，不向DCS发送任何数据和指令。

（2）指导模式下，TOP系统的控制指令不能送至DCS，TOP系统的优化建议通过画面的形式提示运行人员。

（3）指导操作模式下，DCS可以手动选择部分功能回路的运行，被DCS选择后的部分功能回路指令才能被允许送至DCS。

（4）运行模式下，TOP系统在DCS允许的权限范围内对设备进行自动操作。

经实际模拟测试，当TOP系统接入DCS后，各种模式下的权限设置均满足预期要求。

2.2 在DCS中运行模式的合理性测试

安全层级应满足下列要求：

（1）满足所有安全边界条件后，TOP系统才能进入在DCS中的下一安全层级。

（2）当任意安全边界条件不满足时，TOP系统自动退至底层的安全层级。

（3）运行人员在安全边界条件满足时，可以设置TOP系统在任意层级，运行操作优先。

（4）安全层级切换应无扰动。

经实际模拟测试，TOP系统进行安全层级切换正常，安全边界条件对安全层级的切换满足约束条件，切换过程无扰。

2.3 极端通信能力测试

针对不同的DCS，测试1块通信卡件在不同通信点量以1 000 ms周期通信间隔下的系统响应能力。TOP系统正常运行时，单一卡件的实际通信点量应小于极端通信能力的30%。

经实际模拟测试，在针对OVATION系统的测试中，1024个模拟量点（该系统的模拟量和开关量通信耗费的资源是相同的）以1 000 ms的周期通信时，可以运行。在1536个模拟量点以1 000 ms的周期通信时，出现响应缓慢，达到能力极限。

3 TOP系统与DCS的通信测试方法

TOP系统与DCS的通信测试分为通信质量和通信压力测试2个部分。通信质量测试的内容包括：Modbus通信和硬接线通信对比、Modbus通信响应测试；通信压力测试则是通过巨大的通信量来找出TOP系统和DCS之间的通信极限。

3.1 Modbus通信和硬接线通信对比测试

在TOP系统侧建立1路（比如正弦信号）输出，分别通过硬接线和Modbus通信方式输至DCS侧，将2路信号放在趋势上比较，并建立逻辑，统计2路输入差别过大的次数。测试过程为：

（1）在DCS侧根据上述提供的通信步骤，建立1个从TOP系统侧通过Modbus通信方式送至DCS侧的模拟量点组态逻辑。

（2）在同一控制器内建立AI卡件的组态逻辑，设置量程需与Modbus通信来的量度保持一致。

（3）用万用表测量TOP系统侧4～20 mA输出，测试精度达到标准要求，具体数据如表2所示。

表1 TOP系统的基本硬件功能测试结果

表2 TOP系统硬件I/O测试结果

（4）同时从TOP系统侧通过Modbus通信发正弦波信号，建立趋势图观察两者的差别。

实际测试结果显示：DCS侧的正弦波曲线不平滑，呈阶梯状；两者之间最大精度偏差基本在1%左右，时间偏差在1 s左右，如图1所示。

图1 Modbus通信和硬接线通信对比

3.2 Modbus通信响应测试

在DCS侧建立1路信号输出，通过Modbus通信方式输至TOP系统侧，TOP系统将信号保持原样，再通过Modbus通信方式返回DCS侧，在DCS侧建立发出和收到的信号趋势，统计两者差别过大的次数。测试过程如下：

（1）DCS侧建立1个方波信号，隔10 s发5 s脉冲触发1次模拟量切换：由1切换为4；DCS侧扫描周期设置为0.5 s，TOP侧执行周期设置为0.1 s；若两者偏差超过1%延迟0.75 s视为两者偏差过大。

（2）DCS侧建立1个方波信号，隔10 s发5 s脉冲触发1次模拟量切换：由1切换为4；DCS侧扫描周期为设置0.25 s，TOP系统侧执行时间为设置0.1 s；若两者偏差超过1%延迟0.5 s视为两者偏差过大。

实际测试结果显示：第（1）项测试48 h未出现偏差过大；第（2）项测试24 h未出现偏差过大。测试说明：DCS侧与TOP系统侧通信时间不超过2个扫描周期，数据的精确度较高。

3.3 通信压力测试

该测试是通过巨大的通信量，找出TOP系统和DCS之间的通信极限。首先在DCS侧建立大量各类信号输出，通过Modbus通信输至TOP系统侧后，对全部数据进行全面或者抽样检查，检查DCS侧和TOP系统侧的数据是否一致。

DCS侧在通信软件设置中有最大写组的长度、最大模拟量读组的长度和最大数字量读组的长度等参数，该参数设置的最大值分别为100字节、224字节、224字节。

根据1个数字量占用的长度为1/8字节，1个模拟量占用的长度为2字节和1个License（并发数）最大点数为500点的相应规则，在1个写组内最多包含模拟量点50个，最多包含数字量点499个（组态要求必需有1个读的数据点）；在1个读组内最多包含模拟量点112个，最多包含数字量点500个。若有多个写组，只有有数据变化的写组才会打包发送，例如100个模拟量点分为2个写组，若前50个点有数据变化则将前1个写组打包发送，若后50个点有数据变化则将后1个写组打包发送。

通信压力测试内容包括：

（1）DCS侧建立数字量信号输入160个点，数字量信号输出160个点，模拟量信号输入10个点，模拟量信号输出10个点；DCS侧最大发包能力，每个周期发包数稳定在10个；数据保持一致。

（2）DCS侧建立数字量信号输入16个点，数字量信号输出16个点，模拟量信号输入1个点，模拟量信号输出1个点；DCS侧最大发包能力，每个周期发包数稳定在17个；数据保持一致。

（3）DCS侧建立模拟量信号输入100个点，模拟量信号输出100个点；DCS侧最大发包能力，每个周期发包数稳定在2个；数据保持一致。

（4）DCS侧建立模拟量信号输入50个点，模拟量信号输出50个点；DCS侧最大发包能力，每个周期发包数稳定在4个；数据保持一致。

实际测试的结果显示：

（1）上述测试中发包通信时间以0.25 s为基数，所有发包尽量在0.25 s内完成，若扫描周期设置大于0.25 s，则在0.25 s后发包停止，直到扫描周期结束后再开始新一轮发包。所以扫描周期越大，通信控制负荷率就越小，成反比。扫描周期为0.25 s时的通信负荷率为90%左右，扫描周期为0.5 s时的通信负荷率为50%，扫描周期为1 s时的通信负荷率为25%。

（2）模拟量点占用字节比数字量点大，所以同样的点数，模拟量通信所用时间要大于数字量。

（3）若测试内容（1）和（2）中的点共 4 组， 每个周期能发包数远大于组数，在0.25 s内可全部发完；若测试内容（3）中模拟量点数量大，每个周期能发包数小于组数，在0.25 s内未全部发完，则要待到下一个扫描周期发送，数据会有一定延迟；所以为保证数据的实时性，需合理安排扫描周期和点的数量。

4 结语

通过对TOP系统的基本性能、安全运行能力，以及通信能力测试技术的研究与实际应用，验证了系统的可靠性设计与最大工作能力，确保系统在运行中安全可靠，也为系统推广应用提供了可靠数据与设计依据。

[1]尹峰，韦东良.火电厂DCS性能考核试验与可靠性分析[J].热力发电，2006（11）：65-67.

[2]黄勃，卢化，樊健刚.完善分散控制系统性能与应用功能测试方法的探讨[J].浙江电力，2012，31（7）：50-53.