塔式太陽能電廠SIS系統(tǒng)研究與應用*

鄭瑞波 萬定生

(河海大學計算機及信息工程學院 南京 210098)

1 引言

廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)(Supervisory information system,SIS),是實現(xiàn)電廠管理信息系統(tǒng)與各種分散控制系統(tǒng)之間數(shù)據交換的橋梁[1],是提高電廠整體效益,保障電廠穩(wěn)定、經濟運行的關鍵。近幾年來,隨著人們對能源需求的日益增加,提高生產效益成了如今電廠日益關注的話題。SIS系統(tǒng)也日益顯示出其重要性。塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)是一個復雜的熱力系統(tǒng),具有強非線性、大延遲、大慣性的特點,并且太陽能輻照具有很強的不確定性,鏡場規(guī)模龐大,又易受外界環(huán)境影響,控制難度較大。因此,除了在熱力系統(tǒng)設計中,設置儲熱裝置等常規(guī)熱發(fā)電站沒有的設備外,在控制系統(tǒng)的硬件配置、網絡通訊和控制策略等方面也有獨特的要求[2]。塔式太陽能電廠生產效率比較低,熱能利用率低,熱電轉化效率低,發(fā)電成本高,因此太陽能電廠目前尚處于實驗階段,如何提高塔式太陽能電廠的運行效率就顯得尤為重要。本文就SIS系統(tǒng)在塔式太陽能電廠的實施和應用進行了研究。

2 塔式太陽能電廠SIS系統(tǒng)的總體設計方案

廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)總體設計中充分考慮技術的先進性、可靠性、可維護性、可擴展性等原則,整體規(guī)劃、合理布局,充分考慮系統(tǒng)高性能和高可用性要求,切實保證過程自動化系統(tǒng)的安全性和可靠性。

2.1 總體要求

廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)應采用1000Mbps以太網或其它開放性高速網絡作為信息傳遞和數(shù)據傳輸?shù)拿襟w。主干網采用光纖連接,支干網采用雙絞線連接。相應的網絡設備、接口設備、數(shù)據庫服務器、功能站、網絡管理站、計算機終端設備和過程管理軟件包等來完成全廠主輔生產過程的統(tǒng)一協(xié)調、管理。

廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)的設計應采用合適的網絡配置和完善的自診斷功能,使其具有高度的可靠性。系統(tǒng)內任一部件發(fā)生故障均不應影響整個系統(tǒng)的工作。不能因為廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)故障或退出運行,使與其相連的DCS等實時生產控制系統(tǒng)的正常運行受到任何影響。不能因為廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)與實時生產控制系統(tǒng)以及與MIS的通訊而影響DCS等生產控制系統(tǒng)的實時處理能力,或使DCS等生產控制系統(tǒng)的通訊總線負荷率超過40%(若DCS等生產控制系統(tǒng)采用以太網作為通訊總線,則不應使其負荷率超過20%)。系統(tǒng)的各項功能應由各種功能軟件以實時信息數(shù)據庫為基礎完成。

廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)應采取物理安全措施、訪問控制、身份認證、入侵檢測、積極防病毒和恢復與備份等手段作為網絡安全的基本措施,防止各類計算機病毒的侵害、人為的破壞和廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)實時數(shù)據庫的數(shù)據丟失,特別要防止通過接口對DCS、PLC等控制系統(tǒng)的干擾與入侵[4]。

2.2 網絡結構

廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)的網絡結構如圖1所示。

圖1 SIS系統(tǒng)網絡結構

廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)網絡結構采用了分層、分布式設計,整個SIS分為應用層和接口層兩層。下層為SIS接口層網絡,提供SIS與下層網絡DCS控制系統(tǒng)(包括鏡場控制系統(tǒng),吸熱器控制系統(tǒng),熱電轉換系統(tǒng),發(fā)電機控制系統(tǒng),氣象監(jiān)測系統(tǒng)等)的數(shù)據接口。采用分布式采集策略,可以有效隔離網絡上下的故障,還可以利用前置機的緩沖功能,防止數(shù)據服務器故障時丟失數(shù)據。上層為SIS應用層網絡,掛接SIS層各服務器和客戶端設備,并提供與上層網絡MIS系統(tǒng)的數(shù)據借口。

通過分層設計,一方面便于分散通訊負荷,提高各層通訊效率和網絡可靠性;另一方面可以通過數(shù)據服務器進行技術和通訊協(xié)議選擇。上層技術選擇強調開放性,選擇交換式以太網技術比較合適;下層則更強調與各控制網絡的互通性。實時/歷史數(shù)據服務器可以根據重要性考慮冗余配置。在技術實現(xiàn)上,兩層獨立網絡既可通過物理網絡實現(xiàn),又可通過虛擬網絡(VLAN)實現(xiàn)。SIS和MIS的互連采用圖2所示的防火墻策略,將SIS的應用層網絡通過防火墻連接到MIS骨干網上,在防火墻上設置各種安全策略來限制SIS和MIS之間的數(shù)據交流。這種方法可以較好地滿足SIS應用層安全性和可靠性的優(yōu)點,也方便SIS的各種應用軟件從MIS網上獲取數(shù)據,同時還可以滿足MIS網上用戶訪問實時數(shù)據的需要[3]。

3 SIS系統(tǒng)的功能設計

塔式太陽能電廠SIS系統(tǒng)的主要功能有:全廠系統(tǒng)實時信息顯示、廠級性能計算、全廠運行模式調度以及故障診斷和壽命管理。

3.1 全廠各監(jiān)控系統(tǒng)實時信息顯示

該功能以畫面、曲線等形式顯示各個功能模塊及其設備的運行狀態(tài)和性能參數(shù),為廠級生產管理人員提供實時信息。同時記錄生產過程的主要數(shù)據,存入數(shù)據庫,為以后統(tǒng)計、查詢、分析等工作提供資料。同時,還可根據各職能部門需要生成各類生產、經濟指標統(tǒng)計報表。下層設鏡場系統(tǒng)、吸熱器系統(tǒng)、熱電轉換系統(tǒng)和發(fā)電機系統(tǒng)四個子系統(tǒng)。

3.2 廠級性能計算

廠級性能計算平臺是廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)的重要功能。該功能用于計算各分系統(tǒng)設備的效率等性能參數(shù)。主要給出鏡場、吸熱器、換熱器、凝汽器、汽輪機、蒸汽蓄熱器、除氧器等各設備效率、參數(shù)及性能分析。顯示計算值和設計工況的之間的偏差值以及這些偏差值,提供給廠級監(jiān)控人員進行調整,以提高發(fā)電效率,獲得最佳發(fā)電成本。

鏡場系統(tǒng)優(yōu)化調度程序依據大氣環(huán)境條件、吸熱器內溫度場分布、光功率、主蒸汽壓力、給水流量、儲熱介質溫度以及發(fā)電功率等參數(shù),再根據現(xiàn)場調試試驗得到的定日鏡場優(yōu)化調度規(guī)則庫(包括各種參數(shù)關聯(lián)曲線或模型,各種工況控制策略等),針對可以投入運行的各定日鏡分別進行適應系統(tǒng)目標的調節(jié)控制,計算出發(fā)電量最大時所需調用的定日鏡數(shù)量及分布,以及吸熱器上的能流密度分布,并可通過調整各定日鏡目標點(接收面上太陽光斑的位置)使吸熱器上能流分布均勻,防止吸熱器局部過熱故障。鏡場優(yōu)化調度模型如圖2所示。

圖2 定日鏡鏡場優(yōu)化調度模型

3.3 全廠運行模式優(yōu)化調度

該功能根據發(fā)電計劃,以高效率、低成本為目標,根據DCS采集的有關太陽能聚集子系統(tǒng)、太陽能吸熱器、蓄能子系統(tǒng)和動力及輔助子系統(tǒng)中的關鍵設備,特別是熱力設備的動態(tài)特性,包括吸熱器、高低溫儲熱器、換熱器、蒸汽發(fā)生器、輔助鍋爐與輔助加熱器等提供的數(shù)據和信息,氣候和光照條件自動產生運行模式調度建議,反饋給廠級監(jiān)控站,經監(jiān)控人員確認后傳送到DCS控制機組協(xié)調控制運行模式切換。

對于太陽能電廠而言,一天內太陽高度的不斷變化以及氣候的影響,電量的產出也會受到影響,因此在不同的時段和氣候條件下,選擇一種最經濟、最有效率的運行方式。依照當天早晨預測輻照信息、風速影響、鏡場可用狀況、前一天儲能余量程度、電網用電需求,以及運行過程中的光照度變化等相關因素,將運行模式分為冷啟動模式、無光照運行模式、部分光照運行模式、基本運行模式等9種模式。對以上各種運行模式的邏輯判斷及轉換控制如圖3所示[5]。

圖3 九種運行模式的控制邏輯

系統(tǒng)首先根據下層DCS控制系統(tǒng)采集的氣候數(shù)據、光照強度等數(shù)據,根據建立的數(shù)學模型進行預測分析,確定啟動模式。啟動模式分為有光照冷啟動模式和無光照冷啟動模式。有光照冷啟動模式啟動后,太陽光經鏡場反射集中進入吸熱器,由吸熱器產生的過熱蒸汽全部輸往儲能系統(tǒng)。無光照冷啟動模式啟動后,由輔助鍋爐給儲能系統(tǒng)充熱。

啟動后的運行模式分為強光照運行模式、部分光照運行模式和基本運行模式。系統(tǒng)實時監(jiān)測數(shù)據庫中氣候信息的改變,并對改變的氣候數(shù)據進行分析,確定系統(tǒng)的運行模式。如遇到突發(fā)性的事件如冰雹、大雪等惡劣氣候條件時,可以人工對系統(tǒng)進行操作,關閉系統(tǒng),同時對鏡子進行翻轉。

3.4 故障診斷和壽命管理

塔式太陽能熱發(fā)電站SIS系統(tǒng)故障診斷功能其主要功能包括:對設備運行狀態(tài)進行實時監(jiān)視,了解和掌握設備是否處于正常、異常和故障狀態(tài);提示事故早期征兆,預報事件后果;診斷故障類別,并給出相應的操作建議。

1)狀態(tài)監(jiān)測

通過實時監(jiān)視和狀態(tài)監(jiān)測來配置設備的預測與預防性維護方案。系統(tǒng)根據每次啟停和運行時間來計算壽命損耗且累積最終壽命損耗,對設備的運行狀態(tài)進行評估,判斷其是否處于正常、異常和故障狀態(tài),并對狀態(tài)進行顯示和記錄。對異常狀態(tài)作出報警,以便及時處理。

2)故障診斷

系統(tǒng)根據存儲的設備運行狀態(tài),對處于故障狀態(tài)的設備,根據狀態(tài)監(jiān)測所獲得的信息,結合已知的結構特性和參數(shù),與知識庫中預先存儲好的故障征兆表進行匹配。確定故障的性質和類別、程度、原因、部位,指出故障發(fā)生和發(fā)展的趨勢,提出控制故障繼續(xù)發(fā)展和消除故障的調整、維修的對策措施。并加以實施,使設備恢復到正常狀態(tài)。

4 SIS系統(tǒng)實現(xiàn)

塔式太陽能電廠SIS系統(tǒng)包括四個子系統(tǒng),分別為全廠系統(tǒng)實時信息顯示子系統(tǒng)、廠級性能計算子系統(tǒng)、全廠運行模式調度子系統(tǒng)以及故障診斷和壽命管理子系統(tǒng)。具體軟件體系結構設計如圖4所示。

圖4 SIS系統(tǒng)功能菜單

系統(tǒng)實現(xiàn)采用Client/Server體系結構,客戶端提供一個人機可視化接口,用于信息界面的顯示和用戶交互數(shù)據的輸入。服務器端進行數(shù)據的保存、維護、訪問、計算和更新。系統(tǒng)將數(shù)據庫存儲在服務器端,并實現(xiàn)與DCS數(shù)據庫服務器的同步,全廠系統(tǒng)實時信息顯示子系統(tǒng)、廠級性能計算子系統(tǒng)、全廠運行模式調度子系統(tǒng)和故障診斷和壽命管理子系統(tǒng)放在客戶端。服務器端和客戶端通過協(xié)調運行、相互調用,完成各自的功能,構成一個有機整體。

系統(tǒng)運行后,根據數(shù)據庫實時數(shù)據信息,自動選擇運行模式;根據系統(tǒng)所需光功率計算需要投入的鏡子數(shù)量,進行鏡場調度。同時監(jiān)控各設備的運行狀態(tài),自動對故障設備進行診斷。從而保障整個塔式太陽能電廠的高效安全運行。

5 結語

塔式太陽能熱發(fā)電站的廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)是一個復雜的信息控制系統(tǒng),其功能是將電站各控制單元聯(lián)合集中成一個整體,實現(xiàn)各單元的性能協(xié)調和優(yōu)化控制。文中根據SIS系統(tǒng)的發(fā)展趨勢,借鑒火電廠SIS系統(tǒng)的研究成果,提出了塔式太陽能熱發(fā)電站廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)的總體設計方案,設計了監(jiān)控網絡的結構,并對其應實現(xiàn)的功能進行了研究,為塔式太陽能電廠SIS系統(tǒng)研究開創(chuàng)了先河。

[1]侯子良.火電廠廠級自動化系統(tǒng)總體功能設計思路探討[J].中國電力,2001,34(4):56～58

[2]李國欣.我國發(fā)展空間太陽能電站的必要性和相關技術基礎分析[J].太陽能學報,1998,19(4):444～448

[3]閔旭,陳學廣.火力發(fā)電廠廠級監(jiān)控系統(tǒng)(SIS)設計與實現(xiàn)[J].計算機與數(shù)字工程,2007,35(3):128～131

[4]高原.廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)(SIS)的研究與應用[D].北京:華北電力大學,2003,12

[5]萬定生,陳堅,劉德友,等.太陽能電站分布式控制系統(tǒng)的研究與應用[J].電力設備,2008,25(9):53～55