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厂级监控信息系统(SIS)的现状及发展前景 |
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| 厂级监控信息系统(SIS)的现状及发展前景 |
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作者：佚名 文章来源：不详 点击数： 更新时间：2009-3-5 9:15:33  |
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作者：曹文亮，高建强，王兵树，马良玉
摘要：
前言
长期以来，在计划经济模式下，我国热力发电厂始终把机组的安全稳定运行作为生产管理的重点，而忽视提高机组运行经济性等方面的管理。随着电力工业的发展，九十年代后新建电厂的机组均采用了先进的分散控制系统，(Distributed Control System，简称DCS)，许多老厂也进行了机组的DCS改造，目前，我国电厂机组的自动控制水平已经达到或接近世界发达国家水平。然而，我国电厂的管理水平和经济运行指标与世界先进国家还存在明显的差距。
近年来，许多电厂相继建设了管理信息系统(Management lnformation System，简称MIS)为电厂的现代化管理与节能增效提供了良好的基础。MIS主要服务于事务管理，对象是办公自动化领域，以组织、交换和共享管理信息和数据为目的，数据通讯负荷一般具有大小不可预计和突发性的特点(如上班高峰)，并且其安全可靠性要求也并不很高，而相对来说，生产过程通讯网络如DCS网络则有很高的安全可靠性要求，并且生产过程信息及通讯负荷均具有相对连续稳定的特点，在这种情况下，倘若由于MIS大量的突发的数据请求，对生产过程通讯网络带来了大量突发性传输负荷的影响，从而无法有效地保证生产过程信息的传输带宽。为此，从保障安全生产的角度出发就必须将DCS和MIS进行隔离。
现在我国电厂基本实现了各单无发电机组的自动化控制，但一台机组的DCS与另一台机组的DCS之间彼此隔离，形成机组间的“控制(信息)孤岛”，使得生产管理者不能实时、全面、准确地掌握各机组的运行状况，更无法实现各单元机组间负荷的经济分配。理论上，DCS之间的互联是完全可以进行的。但是，一般情况下电厂都有多台机组，将多台机组DCS的操作管理层网络连接在一起，就会导致多个DCS通讯系统的直接耦合，形成一个非常复杂的直接耦合系统。同时，为了优化和管理的目的还要在该耦合系统中运行大量的应用软件，从而降低了单元机组的监控
可靠性和传输实时性。因此，实际电厂极少采用多台机组DCS直接连接而成的全厂操作管理层网络模式。
电力生产企业生产和管理一般分为三个层次，即下层的控制操作层，面向运行操作者；中间的生产管理层，面向生产和技术管理者；上层的经营管理层，面向行政和经营管理者。目前，我国许多电厂均建立了面向运行操作者的DCS和面向经营管理层的MIS，恰恰缺少了面向生产管理层的自动化网络，这是造成我国电力生产管理水平和运行经济指标不高的重要原因之一。
因此，基于以上分析，就非常有必要在DCS和MIS之间建立一套面向电厂生产管理层的厂级监控信息系统(SIS)，形成厂级综合自动化系统(包括SIS和MIS)。在国家电力公司2001-2015科技发展规划中也已经明确提出，将在我国的大型机组和老厂改造上建立厂级自动化系统，并将使其完善和推广应用。同时随着我国电力企业市场化的改革，“厂网分开、竟价上网”的实施，要求各电厂必须把电力生产的安全性和经济性并重，优化生产过程，降低生产成本和设备损耗，提高电厂的现代化管理水平，以适应电力市场发展的需要。
1 厂级信息监控系统功能
SIS正是面向生产管理层的自动化管理软件，它是实现厂内各个机组和全厂生产过程最优控制和管理的系统，也是一个联系发电厂各生产过程控制系统以及MIS的纽带。SIS可以综合全厂各单元机组、辅助车间有关实时信息，通过计算、优化和分析，对各单元机组的运行和设备维护提供在线的运行指导，并进行发电厂各单元机组间的负荷经济分配。通过其计算机和通讯设施，可以实现全厂各生产部门的实时信息上网共享。
目前，从国内外开发、应用的经验看，还没有清晰完整的SIS定义，其系统功能、监控方式、管理范围还需要不断的去发展和完善。SIS主要有如下功能：全厂各生产系统实时信息显示，机组的性能计算与经济性分析，机组在线性能监测与分析，预测与预防性维护，发电厂负荷经济分配等。
(1)全厂各生产系统实时信息显示
该功能以画面、曲线、棒状图等形式显示机组及其辅助设备的运行状态、参数、系统图，为厂级生产管理人员提供实时信息。同时记录生产过程的主要数据，生成各职能部门需要的全厂各类生产、经济指标统计报表。
(2)性能计算和经济性分析
该功能用于计算单元机组各主附设备的效率等性能参数。主要有：锅炉性能计算、汽机性能计算、凝汽器性能计算、给水加热器性能计算、锅炉给水泵及给水泵汽机性能计算、空预器性能计算、过再热器性能计算、泵与风机性能计算等。它以获得最佳发电成本为目标，对机组和辅助设备的当前各性能参数与理想值进行计算比较，将偏差以百分数的形式显示在屏幕上，使得运行人员对其性能进行评估并矫正偏差。
(3)在线性能监测与分析
该功能的主要目的，是通过收集和分析有用的、实时的运行数据，实现对电厂运行条件的优化，以增进电厂的性能和经济性。系统能够计算实际系统性能参数与性能参数的应达值之差，指出造成参数偏差的原因。还要计算这些偏差将造成设备异常或损耗并发出警报，且能提供长期记录，根据性能的偏差值，在CRT上显示给运行人员，使运行人员通过调整设备的可控参数减小偏差。运行人员的可控参数分为两类。第一类与运行人员的控制操作有直接的关系，如主汽温度、压力、再热气温、再热器喷水量、锅炉排烟温度、锅炉过剩氧量、空预器风温等。第二类除与运行人员的控制操作水平有关外，还与设备的运行工况等有关，如凝汽器背压，过热器喷水量、凝结水过冷度、锅炉给水温度、厂用电量、凝结水补水量、连排流量等。
(4)预测与预防性维护
火电厂设备管理软件在国外很早就有应用，但真正完善和深化是在90年代。随着自动化水平和企业管理水平不断提高，人们对设备维护的认识水平和管理水平也在提高。SIS是以工况为基础的预防性维护，这是目前最高层次的设备维护，即在生产过程中，对设备的多种性能指标进行实时检测和评估，再根据预先确定的数学模型，进行分析、计算和预测，确定设备维修时间。
(a)机组寿命管理
寿命监测和管理(包括给水泵)是通过启动曲线、运行曲线、寿命曲线和厂家提供的各种数据、图表去配置设备的预测与预防性维护方案，为了分析和比较，系统能根据每次启停去计算寿命损耗、并且累积最终寿命损耗，储存每次启停的寿命损耗率，同时系统根据各种运行参数和设备的运行时间，在CRT上为运行操作人员显示出对维护的预测和指令。
(b)状态监视和故障诊断
通过对过程各部分的变量进行逻辑评估来监视过程，并将过程的实际状态与动态过程模型进行比较，面向状态进行诊断和早期报警，使运行人员能在故障发生前对这一问题进行纠正，并将诊断出的问题以因果图的方式显示出来。并可自动提供高精度实时设备性能数据，供管理人员分析和编写报告时使用。通过对所采集的测点进行分析，并与标准模型进行比较，诊断出测点错误后对数据进行调整，调整后的数据发往过程信息管理系统或控制系统中参与生产过程的控制
(5)全厂负荷优化调度
在出现电力市场交易中心后，传统的“计划经济”模式改为通过电厂或机组的电量竞价模式来分配负荷，调度中心把实时负荷指令直接下达到电厂的监控系统。此时利用SIS可改变电网总调对电厂负荷控制方式，总调不再直接控制机组，而改为对全厂监控系统发出负荷指令，后者根据总调来的预测负荷曲线，结合机组负荷响应性能，去实现各机组的负荷最优分配，以获取全厂最大的经济效益，并可根据需要分别制定出实时优化、短期优化和中期优化。有利于电厂的经济运行，也有利于实行厂网分开、竞价上网的商业化运行方式的实现。
2 电厂厂级信息监控系统与全厂各控制系统的关系
SIS位于各部门生产设备控制系统之上，对全厂的生产设备的运行全面实施监控，总览各生产设备的运行情况、参数和设备状态；从全厂指挥的高度对电厂生产监视、分析判断并做出决策。SIS可以与单元机组DCS、公用DCS和配电网络500KVNCS(500kv-network computer monitoring and control system)实现双向通讯，通过SIS的用户终端可以获取DCS、NCS和公用DCS的信息。MIS可以从SIS获取所有的机组的实时数据，SIS还可以接受电网的预测负荷曲线，经SIS优化后，再把负荷实时分配到每台机组。为保证实时系统的安全性，电网调度系统来的负荷曲线指令、SIS与MIS之间的均采用单方向的数据通讯方式。同时，为了保障SIS的电厂负荷经济分配系统实时安全性及其与NCS通讯的可靠性，其所需的来自MIS的数据，以及与NCS和DCS通讯所需的重要过程参数均通过独立的I／O接口实现。
3 厂级监控信息系统应用情况
在软件方面，从目前情况看，为了提高电厂的整体管理水平和运行效率，增强电厂的市场竞争力，国外一些著名的生产厂商纷纷在实时控制的基础上不断向管理层面发展而进行了开发研究，开发了类似于SIS的一些软件包。这些软件在国外已有较多的应用业绩，且取得了良好的效果。其中应用较多且功能较为完善的有瑞士ABB公司开发的一体化产品OPTIMAX软件包、德国Siemens公司的Sienergy系统、HONEYWELL公司的全厂自动化系统TPS以及Foxboro公司的将过程控制和全厂管理相结合的信息管理系统I／ASeries等。但由于它们中的大部分模块是根据具体电厂的实际需求开发出来的，有的还在不断的改进与发展，且整套软件价格昂贵，如Bently公司的用于监视旋转机械工作状态的数据管理系统(DM2000)和机械状态管理系统(MCM2000)的价格分别为1万美元和4万美元左右。故而在国外也是根据不同电厂的具体要求而灵活选用一个或几
个模块。在国内火电厂优化软件的开发和应用还处于初级阶段，目前有能力开发这类软件的单位不少，有些已作了相当工作，但大多数处于开发研究和试验阶段，真正成熟的、能应用于市场的产品很少。华北电力大学开发的电站热力系统经济性分析在线监测预分析软件、锅炉吹灰优化软件等已经在几个电厂得到成功的应用。
在硬件方面，由于SIS是全厂实时监控和信息管理的中心，故SIS中实时数据库存储设备的容量要足够大，同时还应冗余配置。除了对安全有较高的要求外，对其与其它系统通讯接口也要有较高的要求。因为SIS最终将与发电厂的所有控制系统进行网络连接或数据通讯，接口较多，其接口方式应在安全可靠的前提下，力求标准和统一，相应的也要考虑控制系统侧接口的标准和统一的实现。
4 建立厂级监控信息系统的意义
(1)火电厂SIS软件全部以成本核算、经济管理功能得到了应用。将原来不可控或不清楚的能量损失全部量化，并帮助进行分析、查找故障，提出节能，降耗的优化措施，强化运行和管理人员的经济管理意识，可以促进观念的转变，提高电厂的经济效益和现代化管理水平。
(2)SIS提供了多种供生产管理人员分析、管理生产过程的手段和工具。可以最大程度地利用DCS和MIS的资源，使全厂计算机监控网络总体设计，合理配置，避免重复设置，减少工程量，节约投资。
(3)利用SIS可以使电厂的硬件接口、通讯协议规范化，有利于应用软件的开发和应用，为各种电厂运行、管理优化软件包的应用提供运行平台。可以把实时性不强的管理功能上移至厂级，提高了DCS的直接监控性，还可以降低综合投资费用。同时它还可以支持远程通信方式，使远程设备故障诊断、机组性能分析及信息监控功能成为可能。它可充分发挥火电厂及电力系统专家的作用，在机组运行中依靠优化软件提供的功能，对机组性能和设备状态进行异地远程监控和故障分析。专家可在短期内同时处理多个电厂的性能故障分析，对于偏远地区电厂的重大事故
分析具有典型意义。
(4)SIS的建立，解决了厂级生产，技术层的自动化问题，使火电厂形成完整的厂级经营层(MIS)，厂级生产技术层(SIS)和生产过程层(DCS)三层的有机联系的综合自动化系统。实现了火电厂电力生产流程的完全自动化过程。
5 小结
21世纪的工业控制系统将不仅仅实现控制功能，而必须考虑与设计、管理决策等系统的互联。建立SIS将有力地支持厂级生产管理人员对全厂生产管理，提高运行的安全性与经济性，实现信息的双向共享和自动化系统的集成。技术和管理是互相影响与促进的，DCS进入单元机组控制，引起了机组运行体制的变化，可以预见，建立厂级监控信息系统，也将促使电厂运行监控模式的变化
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