发电厂

作者：毕建惠    

 

单位：西北电力设计院  

 

摘要：本文主要从硬件配置、接口的实现及软件应用等方面，阐述了基于西门子公司分散控制系统TELEPERM(r) XP的电厂IT（Technology Information）系统在国华内蒙古准格尔发电厂的应用效果。实践证明通过网络信息技术，将一些异构子系统集成的IT系统，为电厂的运行和管理提供 了有效的支持，取得了令人满意的效果。

关键词：IT　SIS　MIS　实时数据库

1　引言

 

近年来随着控制技术、计算机技术和网络通讯技术的飞速发展，控制系统的作用已不仅仅局限于保证机组和工艺系统的安全、正常运行，而是在此基础上通过优化的 控制和管理使整个电厂主辅机设备的潜力充分发挥出来，使整个电厂运行保持在最佳、最稳定、最经济的状态，并且通过改善主辅机设备的可控性和控制系统本身的 性能，达到减少运行值班人员和运行检修维护费用，提高经济效益的目的。

基于上述因素设立一个融控制技术、计算机与信息工程、管理与决策科学、人工智能技术等于一体的IT信息系统的设想便诞生了。

作为第一个体现2000年燃煤示范电站设计思想的准格尔发电厂，设立了先进的厂级监控信息系统（SIS）和厂级管理信息系统(MIS) ，将各独立的子系统整合，建立统一应用平台，对企业资源实现统一规划，实现信息资源共享，收到了良好的效果，成为热工自动化系统设计的亮点。

本文仅从应用的角度就国华内蒙古准格尔发电厂二期工程2x330MW机组，基于西门子分散控制系统TELP-XP的厂级监控信息系统（SIS）和厂级管理信息系统(MIS)功能合一的IT系统的应用效果进行分析。

2　IT系统的结构

 

2.1　IT系统的网络构架

 

图1　IT系统的结构 

1. 1. 它是一个基于CIMS原理，将一些异构子系统集成的系统。自动化网络分为两个层次，上层是以IT系统为核心的生产经营管理网络，下层是以DCS和水、灰、煤为代表的过程控制网络，两层网络之间通过100Mbps以太网通讯方式进行连接。

上层的生产经营管理网络又分为厂级监控和厂级管理信息系统两大部分。该层通过电厂的厂级监控系统，将存储的大量数据，进行计算和分析，并将结果方便地提供 给值长、各车间技术专业负责人或总工等生产管理者，为生产管理者提供优化运行的相关数据，实现对电厂的优化管理，如厂级性能计算和分析、主辅设备故障诊 断、设备寿命计算和分析、设备磨损和泄露的检测等功能；同时，厂级监控系统还为厂级信息管理系统提供大量数据，还可以通过下层的机组分散控制系统 （DCS），实现电网调度自动发电控制，本层具有对外的开放性和存储容量大等特点；本层还通过厂级管理信息系统，为电厂的各职能部门提供所需的信息，实现 电厂的现代化管理。例如，通过分析机组的运行状况、燃料和其他费用等，计算出当时上网电价，根据赢利期望和经营策略提出竞价上网方案等。另外，还可建立全 厂的财务会计核算系统、各类人才资源库以及与INTERNET网相连，为领导层提供适时的财务信息和人力资源信息；并为与上级领导层沟通提供了有效的通 道。该层的主要任务是监视，沟通信息，实现电厂内部的经营管理，为领导层的管理和决策提供及时准确的依据和支持。对于常规的厂级管理信息系统(MIS)的 应用本文不详述。

下层过程控制网络以DCS和水、灰、煤为代表，运行人员通过监控设备，实现对各工艺设备的实时监控，该层强调的是DCS系统等监控设备的可靠性、专用性、高速性和实时监控，该层的任务是保证电厂主、辅设备和工艺过程安全可靠的运行。本文不再详述。

2. 2　IT系统的主要接口

西门子的分散控制系统（TELP-XP）的总线系统采用遵循国际标准IEEE802.3/ISO8802.3的工业以太网。数据探访方式为CSMA /CD(载波侦听多路访问/冲突检测)。机组DCS系统采用专用接口单元XU与PC接口计算机采用光纤连接，保证系统的安全可靠性，机组DCS中的实时数 据通过接口计算机传输到IT系统的实时/历史数据库。传输介质为光缆，通讯协议为TCP/IP协议，它通过认证方式、重发机制等来保证数据的可靠性。由于 XU作为DCS虚拟环网上的一个站点，可以实时采集到DCS中所有信息，同时完成数据的初步压缩、缓存和发送等工作。水、灰、煤PLC控制系统采用标准的 第三方接口OPC技术将实时过程系统的数据采集传输到IT系统的实时/历史数据库。通过开放数据库接口（ODBC）将集成的过程数据在终端上显示，并从用 户的数据库提取数据。

3　电厂IT系统的应用分析

 

3.1　电厂IT系统的配置

电厂IT系统由IT网络上的实时信息数据库服务器、各功能服务器、IT网络与控制系统网络接口设备以及网络上的客户机构成。IT系统的硬件并不复杂，重点是软件部分。

3.1.1　电厂IT系统的核心部分由SIEMENS公司提供，主要包括：

a) 实时信息数据库服务器（PI）及其与下层控制系统的接口计算机；

b) BFS++服务器；

c) OPTlpro服务器；

d) Cockpit数据服务器；

e) 以上服务器的系统和功能软件。

3.1.2　电厂IT系统的其它部分主要包括：

a) IT系统网络以及网络上的交换机等设备；

b) IT系统其它功能服务器；

c) IT系统客户机；

d) IT系统外围和自行开发的功能软件。

3.2　电厂IT系统的主要功能及优化软件应用效果分析

根据本工程实际情况，电厂IT系统按照长远规划，分步实施的原则进行设计，在目前主要完成了IT系统的总体网络框架和部分主要功能的实施。

3.2.1　SIEMENS公司提供的各模块的应用

IT系统的功能主要是通过软件实现的，IT系统的核心软件包括实时信息数据库服务器（PI）软件， BFS++服务器软件，OPTlpro服务器软件，Cockpit数据服务器软件，Cockpit终端服务器软件。

a) 实时信息数据库服务器（PI）系统

根据电厂对数据库的要求，采用高性能实时信息数据库PI。它支持开放数据库接口(ODBC)，具有良好的开放性和可扩展性，支持多服务器多客户机的传输结 构，当扩建机组的数据接入时，只需增加数据库服务器即可；记录所有电厂生产数据并作为电厂历史数据；支持其他子系统的多路调用和数据同步；通过ODBC将 集成的过程数据在终端上显示，并从用户的数据库提取数据；支持多平台结构：包括WindowsNT、Unix/Sun、Unix/IBM、Unix/HP 等的，采用具有共享磁盘阵列的两台64位处理器小型机作为实时数据服务器系统。

机组DCS系统采用专用接口单元XU与PC接口计算机采用光纤连接，保证系统的安全可靠性，机组DCS中的实时数据通过接口计算机传输到IT系统的实时/ 历史数据库。传输介质为光缆，通讯协议为TCP/IP协议，它通过认证方式、重发机制等来保证数据的可靠性。由于XU作为DCS虚拟环网上的一个站点，可 以实时采集到DCS中所有信息，同时完成数据的初步压缩、缓存和发送等工作。水、灰、煤PLC控制系统采用标准的第三方接口OPC技术将实时过程系统的数 据采集传输到IT系统的实时/历史数据库。

实时信息数据库服务器（PI）通过与下层控制系统的接口计算机，完成与下层各控制系统的连网，从下层各控制系统获取实时信息、数据并进行存贮和处理。PI 系统内所有数据均带时标存储。 IT网络上的各种服务器利用PI中的数据进行计算、分析从而完成IT系统的各种功能。生产和经营管理者通过IT系统客户机获取各种过程参数和功能服务器的 计算分析结果。准格尔电厂购买的PI系统标签点为20000，目前PI系统内定义了大约12000点。

PI主要完成下列功能。

(1) 实时图形显示

根据用户需求用PI系统中的用户界面软件Process Book制作DCS、水、煤、灰控制系统的运行工况图形显示，使运行管理人员能及时了解生产过程信息并作历史查询。

图形画面约80幅。包括运行工况图、运行参数实时值、棒图、参数的实时和历史趋势曲线等。

(2) 调度下达的发电负荷曲线显示

内蒙中调根据电厂可用容量及现货电价和年度期货发电计划向准格尔电厂下达次日发电调度计划，内容包括：计划发电的有功、无功及可参与竞价上网的有功曲线。

调度下达的数据以文本文件的格式存放。为了让运行人员能够较好地参照调度计划完成当日的发电任务，将调度下达数据转存到PI系统中长期保存，利用开发的负 荷曲线显示软件，运行人员可以在一张图上查看调度下达的发电负荷曲线及电厂实际发电负荷曲线。在同一张画面中最多可显示8条曲线。

(3) 运行日报表和点检工作记录表

电厂在生产运行中的实时参数都存放到了PI系统中长期保存，因此可以方便地将PI数据库中存放的数据取出生成用户需要的各种报表。

由于电厂中的生产运行报表种类繁多，为每个用户开发一套报表系统既不经济也不便于管理，因此利用MS Excel作为平台，开发了一套通用的日报表生成工具，让用户能够在Excel中定制自己的报表格式，并快速、简便地提取任一时刻的历史数据生成报表。报 表查询、打印工作可以在任一天进行。

(4) 报警值的实时和历史显示

采用PI系统的PI-Alarm View组态工具实现实时和历史报警值显示。根据用户需求，将需报警数据按机、电、炉等专业进行分组定义，使各级管理人员能够及时了解生产过程的异常情况。

(5) 参数越限和设备状态的查询、统计

用户可以查询过去任意时间段的某个参数的越限时间或设备运行及停运时间，并进行统计。该软件可以由用户自由设置想查询的子系统，并通过输入KKS码及上限、下限值等定制想查询的参数或设备。不同的用户可以按自己的不同需求作一次性定制。

(6) 技术经济指标日报表和月报表

电厂的技术经济指标包括电量指标、煤油燃料指标、水耗指标、汽机指标、锅炉指标、辅机电耗指标等。主要用作计划管理人员及时了解生产过程的主要参数，以便制定相应策略优化生产、提高设备性能，确保全年全厂供电煤耗率指标的完成。

日报表中的数据需要从PI系统中取出全天数据作累加、算术平均、加权平均等统计计算或二次计算。部分数据从其他系统，如燃料管理或电能量系统中直接获得。月报表中的数据利用日报表中的数据进行计算，日报表中没有的数据采用手工方式录入。

日报表和月报表的格式及每一项的生成公式都可由用户自主设计，具有极大的灵活性。

b) BFS++系统

BFS++系统完成电厂检修维护管理、运行管理、操作票管理、备品备件管理、文档管理等功能。

(1) 准电引进的BFS++生产管理软件主要涉及发电厂运行与维修管理两大部分。其中运行管理部分相对简单，主要为记录功能；维修管理部分则涉及缺陷管理、工单管理、工作票管理三大部分，软件功能也主要体现在这一部分。

(2) 据了解在德国的电厂，除电气、热控部分维修工作由本厂维修人员负责外，其余维修工作都是由专业检修公司完成；另外为了鼓励竞争，降低成本，一般电厂都至少 选择两家检修公司作为长期合作伙伴。准电目前的维修管理体制与国外情况基本相同，为应用BFS++创造了有利的条件。

(3) BFS++维修管理模块是以缺陷单为基础，隔离单为辅助，工单为核心的消缺管理模块。其中工单包括工作任务安排，成本计划与核算，人员、工具、备件安排，工作条件许可等内容。通过工单与隔离单的有效连接，即可完成设备维修的全方位、全过程管理。

4) 国内传统维修管理是以“工作票”、“动火票”为核心的检修运行一体化管理模式，适合检修人员全部由电厂自行管理的体制。“工作票”、“动火票”内容与 BFS++中隔离单和工单中工作任务安排、工作条件许可的内容基本相同，而成本、人员、工具、备件安排等工作，都由检修人员根据具体情况实行“按需分配 ”，没有体现在“工作票”、“动火票”流程中。

(5) “工作票”、“动火票”制度实施的目的，主要是为了有效控制维修工作的安全性，它要求维修人员既要有设备维修技能，又要懂发电厂的热力系统和电气系统，而 且不同类型的维修工作审批流程也不同。而BFS++维修管理模块针对所有维修工作的审批流程都完全相同，相比较而言，它简化了安全审批手续，降低了对维修 人员的要求，同时增加了成本核算功能。

(6) 国内“工作票”、“动火票”工作流程中，要求维修工作人员填写安全隔离措施，运行操作人员进行审批和执行。在德国则是由维修管理人员提出安全隔离申请，运行管理人员编制安全隔离措施，运行操作人员执行安全隔离措施。

(7) 在BFS++本地化过程中，为了满足国电公司《安规》的要求，把隔离单流程进行了改造，转化实现了工作票流程。但由于动火票审批程序非常复杂，目前BFS++无法实现其流程，需BFS++开发商专门另行设计。

c) OPTlpro系统

完成电厂能量管理、运行成本管理和运行优化功能。该系统可在线分析，也可离线分析、优化。

OPITIPRO作为电厂实时计算发电成本的基础软件，其目的是为了科学地管理发电过程，降低发电的可变成本，为将来“厂网分开，竞价上网”的电力改革作 好准备。该系统以单元机组为对象，通过对发电机组设计数据、设备状况及运行参数的分析，找出机组在实际运行工况下的运行优化曲线，使机组在各种工况下保持 最优，实现了机组的经济运行，同时可以成功地实现机组实时成本计算。

在运行初期根据OPITIPRO计算原理，对它提出了更高的要求，不仅仅要求它的计算结果要正确，还可以根据计算得出期望值，并且可以和实际值进行比较分 析，为运行分析测点误差，分析运行人员操作问题；根据电厂经济指标的要求，结合西门子公司的计算结果，将所有参加计算的设备和过程的计算数据大约70多 个，在系统和设备的WEB页面上显示；根据每个使用者关注点的不同做个性化的趋势，进行历史数据和相关数据之间的分析、比较；下载数据进行理论分析；增加 WEB的锅炉页面，在锅炉页面上可方便的看到锅炉的效率，也可方便的看到锅炉各部分的损失，可以知道锅炉的有效利用热、过热器的焓升、当前锅炉需要的煤量 等等；对汽机的页面、高低加的页面也提出要求，不仅仅显示测量的汽水参数，而将对应的计算情况显示出来；根据这70多个计算数据不再是仅仅了解运行参数， 而是更进一步了解其当前的物理状态。使运行人员对自己的操作距离目标值的差距一目了然，通过对设备的健康状况的数据分析，使管理人员对发电过程心中有数。 它不仅是为经营提供决策的软件，而且将其功能拓展到发电过程管理、设备状态诊断、运行操作帮助等多个领域。

d) Cockpit系统

可将PI、BFS++、OPTlpro系统的画面和计算分析结果综合在客户机上显示，为经营决策者提供依据和帮助。

CockPit系统是德国西门子公司开发的一个决策支持软件，是IT系统的四大核心软件（BFS++/PI/COCK PIT/OPTIPRO）之一。前期（2.0版以前）的CockPit主要是一个具有子系统数据采集功能和子系统导航功能的系统集成平台，从2.0版开始 CockPit系统增加了实时报价系统部分的内容，并且在后续的版本中不断对整个系统的功能进行调整，它不象BFS++和PI系统已经是一个成熟的软件， 还处在不断完善的过程中。要做好CockPit系统的实施工作，首先要充分借鉴国外同行几十年先行的管理经验和管理思想，再结合电厂的实际情况，做好 Cockpit系统的应用实施工作。在保障数据的准确性的前提下，以生产成本预算为核心目标，建立电厂各系统组态图，完成Cockpit系统的实施工作， 投入生产运行。

CockPit系统是为了高层领导了解电厂各方面主要情况和数据信息，以便辅助领导进行决策而设计的。该系统可使公司领导能随时了解公司当前和未来一段时 间内每个时段的预测发电成本，为竞价上网提供决策参考依据；同时使公司领导能随时了解当前和未来一段时间各发电机组的运行状况及发电能力（最大、最小负荷 能力），查询各设备目前的状态等等。因此决策者最关心和主要需要了解哪方面的情况和哪些数据信息，就成了制定CockPit实施方案的主要依据。

3.2　过程实时控制优化软件PROFI系统

本工程除了为管理系统引进上述四大核心软件外，还引进了SIEMENS公司的实时控制优化软件PROFI系统中的新机组协调控制、自学习温度控制模块。PROFI系统是通过在机组分散控制系统T-XP中加入PROFI控制站实现过程实时优化控制。

在使用PROFI后，电厂的过程控制品质和特性得到了显著的提高，机组运行更加平滑，负荷响应更迅速，同时，大大减少了机组运行中运行人员的干预和设备的 动作频率。机组能够较好地运行在定/滑压模式下，以4％MCR的负荷升降速率进行自动升降负荷，同时该过程中各种参数都比较稳定。

例如投入PROFI前主汽温的变化范围在528℃～544℃之间，再热汽温的变化范围在514℃～541℃之间，投入PROFI后主汽温的变化范围在539℃～543℃之间，再热汽温的变化范围在539℃～544℃之间。

在投入PROFI前，每当磨切、投时，运行人员一般解除协调模式，即锅炉主控和汽机主控均采用手动方式，而且给煤机转速控制也切手动；优化后，不仅给煤机转速控制采用自动方式，而且机组主控仍在协调模式，同时压力和负荷的波动均很小且很快得到控制。

投入PROFI后机组负荷以4%/2%/1%速率变化时，整个负荷变化过程中，压力和负荷跟随设定值的变化而变化，迅速且平缓，基本没有过调。在上述变化率下，主汽温的变化范围为±4℃，再热汽温的变化范围为±5℃。

投入PROFI后，当频差阶跃扰动 (2.5%)时，压力变化为±1.5Bar，主气温变化为±3℃，再热气温也为±3℃。

当负荷变化100MW时，投入PROFI前汽包水位波动为±50mm，投入PROFI后汽包水位波动为±15mm。

通过上述分析，PROFI系统改善机组的调节特性，运行稳定，提高机组的快速反应能力是不容置疑的。

4　结束语

 

准格尔电厂IT系统的建立对提高电厂管理水平，保证设备安全运行，适应厂网分开的市场需求，实现最佳经济运行，获得更高的经济效益和社会效益都起着良好的 作用，而且已经收到了可喜的回报。这也是我国电站生产、管理逐步实现与国际先进水平接轨的重要措施。准格尔电厂的IT系统其核心软件和实时控制优化软件均 为引进西门子公司的产品，由于国内外规程、规范或标准的不同，对其中个别软件包的二次开发存在一定的困难，在运行初期对其中个别软件包还不能完全开发出 来，还不能充分利用其丰富的功能，因此在使用上和二次开发上还有待于进一步的努力。在以后的投入过程中，还要努力提高全员的参与、使用意识，认识到信息技 术对经济的帮助、指导作用；提高人员的技术水平和综合素质，使其得心应手地通过信息来驾驭发电过程；结合软件建立健全相应的管理制度，做到用者得益，公司 受益。以现代信息技术和传统生产的结合，实现经济效益的最大化。

OPITIPRO具有强大、完善的计算和分析功能，相当于把实验室搬到现场，它可以对运行的各个状态进行着效率分析。相对照仅仅在投产或大修后的性能实验 而言，OPITIPRO对机组状况全过程进行着分析和实验。在系统评价机组状态的信息中，不仅仅是传统的测量数据，而有了以往只有在实验室和学校才可以得 到的分析数据。但目前还没有充分开发出它的全部功能，在今后的运行过程中将对OPITIPRO功能继续拓展进一步实现以下三点：

1）将可变成本的计算结果提供给经营决策高层，为决策者评估公司的经营状况提供信息，同时也是决策者衡量发电过程管理部门工作绩效的有力依据，是发电过程中管理部门追求的目的。

2) 发电过程管理部门利用期望数据和实际数据的比较完成对下属班组的评价和管理，也是下属班组完成的具体目标。而班组根据管理者的要求总消耗指标分解到各个设 备的具体操作人员，各设备操作人员承担由OPITIPRO计算得出的分设备指标，如：锅炉值班人员对锅炉效率负责，汽机值班人员对汽机效率负责等，而各值 班人员根据各设备的效率的实际值和期望值的差距，不断调整使设备运行在最佳状态。从而使全厂始终处于最经济的生产过程中，设备处于最健康的工作环境下。

3) 各分项计算结果为评价各设备的健康状况提供了有力的数据，成为运行人员进行运行安全分析、设备管理人员进行设备状态诊断的有力工具，保证了安全的生产前提。

准电工程引进的IT优化软件系统，大约200多万美元，相当于现在2*300MW机组引进1套DCS系统的造价，这不是每个发电公司都愿意投资的。因此在其他工程建设中，如果国内能有先进的软硬件会进一步降低投资，必将获得更高的效益。

参考文献：

 

[1] 火电厂厂级自动化系统总体功能设计思路探讨《热工自动化信息》2000.4侯子良

[2] 网络系统集成技术及其应用，黎洪松、裘晓峰编著，科学技术出版社1999。

[3] 内蒙古国华准格尔电厂(二期扩建2×330MW机组)工程后评价报告，北京华建联造价工程师事务所2003年5月。

 

信息来源：全国火电大机组（600MW级）竞赛第9届年会

来源：　http://hvdc.chinapower.com.cn/membercenter/autocenter/viewarticle.asp?user=auto&tempname=%B5%E7%C1%A6%D7%D4%B6%AF%BB%AF&articleid=10010929

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