青岛发电厂SIS系统工程案例

　　自1997年电力行业热工自动化标准化技术委员会提出SIS概念以来，引起国内各电力研究院、设计院及相关软件厂商关注。SIS概念的推出顺应了发电企业生产实践的需求，青岛发电厂信息化建设的历程就是受到SIS的启发，青岛发电厂SIS系统的应用可以作为发电企业建立企业信息化建设理念的一个参考。
　　
　　一、对实时/历史数据库的需求
　　
　　1.1竞价上网决策支持系统
　　
　　该系统主要目标是在线计算机组运行实时成本，测算负荷与变动成本、固定成本以及边际电价等变量的对应关系，预测生产成本变化趋势，为控制成本提供准确的依据，能在统筹计算的基础上科学地为报价工作提供具有成本核算的报价建议。
　　
　　一个时间段的发电生产成本是该时间段的固定成本与变动成本之和。固定成本统计和计算相对容易，变动成本主要来自实时数据采集，采集的数据包括:给粉机转速，制粉系统状态，机组有功功率，高厂变有功功率，循环入水温度，循环出水温度，凝汽器真空，主蒸汽流量，低压缸排汽温度，炉烟氧量，热井凝结水出水温度，燃油进油流量，燃油回油流量等。由于青岛发电厂1、2号机组的WDPF系统没有燃煤流量测点，燃煤流量的采集和计算成了课题的难点之一。为解决燃煤流量的计算，我们借助了给粉机转速和实时投入运行的制粉系统的台数，其计算公式为　　
　　式中，Xi为给粉机转速（200i<1200）；a为三次风带入锅炉的煤流量（占进入锅炉煤量的10%～15%）。
　　
　　每台锅炉有16台给粉机,a=n×6.088（n为投入运行的制粉系统套数，共有4套），当1套制粉系统的磨煤机和排粉机都工作时（根据相应的开关量决定），三次风带入锅炉的煤流量为6.088t/h。此公式已经考虑了三次风通过再循环到磨煤机的煤量（约占30%）。但用上述公式计算的结果与生产日报中的"入炉煤量"、"煤耗率"对比，计算出的煤流量和煤耗率有明显偏差，认为估计系数0.137和6.088偏大。为解决这一问题，专门设立了1台数据采集微机，俐用原有的实时数据采集系统对相关数据进行了4个多月的高密度采集和存储，经过分析后将原系数进行了修正，使燃煤流量问题得以解决。
　　
　　因此，对实时数据进行存储可为今后的数据碴询、统计、计算提供原始数据，是非常重要的。
　　
　　1.2历史数据库
　　
　　1996年，青岛发电厂1、2号机组相继投入运行后，为方便生产管理人员对机组运行状况的监控，立项开发了WDPF实时数据向MIS传送系统。系统提供实时系统图、实时曲线、机组参数测点参数等显示功能，生产管理人员可在办公室监视发电现场各个系统的实时数据，通过实时数据对现场各个设备的运行情况有全面的了解。
　　
　　系统将WDPF实时控制数据以.DAT文件形式存放到服务器上，实现了在网络客户端对实时数据进行查询。由于WDPF系统中实时数据每分钟刷新一次，所以不能被其他系统直接利用。为了充分利用WDPF系统中的数据，必须将系统中的数据转换为Sybase数据库格式进行存储和统计。实施方案采用VISUALBASIC5.0把实时数据文件AI.DAT转换成AI.TXT纯文本文件，再用POWERBUILDER5.0对纯文本文件进行存储和统计，形成可直接利用的数据库文件。
　　
　　1.3建立SIS系统共享数据源
　　
　　青岛发电厂于1999年研究制定了信息化建设3年规划。规划中的重点之一就是建立厂级实时/历史数据库平台，以该平台为基础整合各自动化系统，为SIS各项应用提供集中的实时数据源，从而使电厂信息化建设走向“管控一体化”。
　　
　　选择了20000测点的PI实时数据库，采用C/S结构，PI的服务器端软件安装在RS6O0O/F80及磁盘阵列双主机系统上，磁盘阵列为PI系统分配空间为18GB，目标是存储3年以上数据。接口机采用一台双网卡工控机，其中一个网卡连接WDPF的报表站，另一个网卡接入PI服务器所在的MIS网络。在报表站装有基于TCP/IP协议的发包接口程序，PI服务器端装有接收程序。1号和2号机组的WDPF系统中共选取了8168个测点，定义了测点号，测点单位，测点位数，测点记录格式，测点的上、下报警界值。系统zui初定义刷新周期为1s，经实验运行基本稳定，但由于服务器时常处于过忙状态，接口机的Buffer缓存功能频繁被启动，报表站的事件记录会累计膨胀，经实验测试，刷新周期定为3s时，在长期运行中Buffer缓存功能处于零启动状态。鉴于实际需求，我厂将刷新周期定为5s。除WDPF系统中8168个测点外，目前接入PI数据库的测点还有36个关口表测点、82个厂用电表测点、600个状态检修测点和OPM、吹灰优化等系统的补充测点共计9000余个，数据刷新周期为5s一次时，每月平均占用存储介质23OMB左右，1年存储空间不满3GB。
　　
　　目前安装客户端软件的生产管理人员均能在系统上查看DCS系统图、实时趋势图和制作EXCEL报表，多数主管生产的总工和专工能在PI系统上自行建立个性化的系统图和趋势图。PI系统已经向TMMS设备维护管理系统、生产指标系统、竞价上网系统、状态检修系统、OPM运行优化系统、吹灰优化等系统等提供实时数据存取，各系统之间实现集成，数据传递准确、稳定。该系统实现了超限参数自动报警，能对异常的测点提供汇总表，系统还实现了与设备维护管理系统的接口，能为设备维护管理系统提供报缺依据。PI实时/历史数据库在青岛发电厂成功实施受到业内同行的关注，并在华电电力股份公司得以全面推广。
　　
　　二、青岛发电厂在SIS系统应用上的尝试
　　
　　2.lOPM性能在线监测及运行优化系统
　　
　　实施OPM所做的机组性能试验是在300、240、180、165MW4个工况负荷下进行，主要汁算项目包括:锅炉效率、汽机热耗、厂用电率、主要辅机电耗、机组发电煤耗、机组供电煤耗。实验摸清了导致机组煤耗偏高的具体原因及可能降低的范围，通过一系列的工况调整、设备消缺、局部改进，确定了各负荷下的*运行工况，并以此为基准，建立了耗差分析数学模型，并实现了计算机在线监测。
　　
　　青岛发电厂OPM系统根据机组性能优化管理系统的要求，加装了飞灰含碳量、循环水泵电流等测点，并将其接入PI数据库。系统实现了在线监测、报警查询、常数设定、异常查询、自动寻优等功能。特别是自动寻优等功能，系统在300、240、180、165MW负荷段动态记录*工况，并能自动替换优化基准值。系统还融入合理的经济性考评功能，使得机组在运行过程中实施动态考核，并建立机组运行考核的奖励机制。通过采用OPM在线监测系统对电厂运行采用可控耗差统计值进行考核及管理，提高了运行管理水平，降低了机组运行煤耗。提高了今后竞价上网时的竞争能力。
　　
　　2.2锅炉受热面污染监测及吹灰优化系统
　　
　　2002年10月，青岛发电厂委托上海泓奥电力科技有限公司，并会同国内多家科研院所共同展开了锅炉受热面污染监测及吹灰优化系统研发工程，以青岛电厂1号锅炉为实验点，于2003年10月正式投入运行。
　　
　　该系统通过对锅炉各受热面的污染状况进行量化处理，实现了对锅炉受热面污染程度实时在线监测，并且做到可视化，可作为运行人员判断锅炉受热面积灰污染程度和锅炉运行工况状态的依据。
　　
　　系统通过锅炉结构参数的数值化处理模块、实时数据预处理模块、锅炉各受热面热平衡和传热特性计算模块、用于消除负荷变化和参数扰动的模糊神经网络算法等模块，实时计算各受热面洁净因子，对锅炉受热面污染程度做了可视化处理。根据可视化界面，运行人员可及时了解锅炉各受热面的积灰污染程度，确定各受热面的吹灰需要，克服了以往盲人摸象式的吹灰模式。该系统给出了获取吹灰模式的方法，并按照该方法确定了青岛1号锅炉的相对*吹灰模式。以往锅炉受热面的吹灰模式单纯参照排烟温度或按照固定的时间间隔，没有考虑机组煤种的变化，该系统能适应不同煤种的需要，根据不同的煤种，通过积灰特性数据库和洁净因子统计模块对污染临界数值作出调整，实现动态吹灰优化。系统提出了在确保机组安全的前提下，以提高机组整体性能为主的吹灰优化思想。系统投入后不但提高了锅炉效率，汽轮机效率也得到提高。系统还具有锅炉性能的在线分析，实现了锅炉各受热面烟气温度分布、各项热损失、燃烧工况等性能的在线监测。运行人员可以此作为依据，直观地了解锅炉的运行状况，指导运行人员进行优化调整。为提高锅炉受热面污染状态监测的准确性，结合已有的测点，系统将增设和改造部分测点，并增设DAS数据采集前置机，完成信号点的数据采集和测点数据到DCS系统的传输，zui终进入PI实时数据库。
　　
　　2.3状态检修系统
　　
　　由于缺乏经验，缺乏可靠的数据支持，由目前的大、小修制向状态检修过渡还有相当的困难为早日实现状态检修目标，青岛发电厂于2001年初立项实施状态检修系统，以1号机组的主机和主要辅机做试点，实现设备健康状况在线与离线监测，辅助设备缺陷管理，并从中积累向状态检修制过渡的经验和数据。系统以恩泰克Enshare设备状态监测检修集成系
　　
　　统软件为核心，在WDPF系统原有测点的基础上补充油液监测、电机检测等测点，通过加装传感器、现场网络布线、安装采集装置等，建立一套参数采集系统。发电设备状态检修管理系统软件具有实时状态参数，和人工巡检参数录入二种数据收集。能定期汇总设备参数生成状态分析报告。能汇总各设备情况制定（或辅助制定）包括检修项目、检修时间和检修工期在内的检修计划。系统能准确的完成状态检测、参数收集、设备健康评估及检修计划制定。关键技术包括与完成状态检测的PI数据库的接口;远红外热成像、汽轮机振动、油液采样等检测方法;设备状态的专家诊断和检修计划的科学制定。
　　
　　状态检修系统于2002年初投入实验性运行，系统能为当前的检修工作提供参考数据，系统的补充测点为TMMS设备维护系统扩充了缺陷监测范围，也为今后全面实现状态检修积累着必要的数据。虽然目前该系统还不能实现真正的状态检修，但它是今后制定状态检修管理制度和流程，建立基础资料数据库，制作专家诊断数学模型，编制检修计划生成方案，提炼方法模板等工作的基础。
　　
　　2.4设备维护管理系统
　　
　　建立该系统的主要目标是能够降低设备检修维护费用、提高生产管理水平，尽早实现设备检修维护费用的成本核算，从而达到控制发电成本的目的。
　　
　　TMMS全面设备维护管理软件为鲁能软件公司的产品，该产品得到行业内众多用户认可。在实施TMMS全面设备维护管理软件的过程中，在产品原有的基础上，增加了物资管理经济活动分析，资金平衡表，部门领用明细，采购管理，计划领用与未领用明细查询，生产指标查询，委托加工，内部文档管理，指标管理，付款申请，安全措施标准化，缺陷管理实现红、黄牌考核，以及大修快讯、会议纪要、通知、车间信息、质监信息、环保管理、合理化建议管理等功能。系统实施中注重编码标准化，参照国家、电力行业的编码原则，力求管理方便和确切。为使本系统能与SIS各子应用集成，进一步挖掘TMMS系统功能，将PI数据库也纳入TMMS数据源，PI数据库中的测点上、下报警界值被用做工单自动触发，提高了系统自动化水平，TMMS软件得到大幅度完善。
　　
　　目前PI将1、2号机组的DCS数据、厂内各电表数据、关口表数据重组在一个数据源中，恩泰克状态检修系统、OPM运行优化管理系统扩充测点参数直接写入PI,TMMS设备维护管理系统、生产指标系统、竞价上网系统改为向由PI取数据，各系统以PI为纽带，取得了良好的集成效果。如:自动抄表系统中的数据送入PI后为竞价上网系统、生产指标管理系统提供了基础数据;WDPF系统数据、状态检修系统数据进入PI后不但为生产管理提供了实时/历史数据查询，还可在TMMS设备维护管理系统中辅助报缺，甚至直接触发工单;WDPF系统数据和补充的监测系统数据存入PI为OPM运行优化管理系统调用。各系统融为一体，有效提高了自动化程度，向"生产管控一体化"迈出了坚实一步。在PI实时/历史数据库及SIS功能应用的尝试中，我们体会到面向厂级的实时/历史数据源是整合SIS的基础，也是管控一体化的桥梁。SIS的数据来源于自动化系统，并向自动化系统反馈优化参数。同时，SIS向企业管理网络输送管理和决策极为关注的生产一线数据。
　　
　　2.5锅炉性能优化系统
　　
　　系统的目标是降低NOx排放水平，在提高锅炉效率的基础上降低供电煤耗。该系统通过对锅炉各受热面的污染状况进行量化处理，实现了对锅炉受热面污染程度实时在线监测，并且做到可视化，可作为运行人员判断锅炉受热面积灰污染程度和锅炉运行工况状态的依据。该系统以专家经验为指导，利用*的人工神经网络技术、统计回归分析和模糊数学等工具，找出多重输入和目标之间的多维交叉耦合关系，以实现对锅炉性能的多目标优化。系统于2004年2月进行了投运测试，测试结果效益显著。
　　
　　300、240、17OMW3个负荷点经性能优化后NOx排放浓度分别为667、656、657mg/m3。若以300MW电厂所给840mg/m3为基准，按每污染当量NOx收费0.6元（每污染当量为0.95kg）计算，则年节约NOx排放费为
　　
　　1.3×106×（840-667）×l0-6×l0×30×24×0.6/0.95=102.27万元
　　
　　性能优化后，300、240、170MW3个负荷点供电煤耗分别为322、330、345g/kWh。根据300MW负荷下基准试验中取得供电煤耗值325g/kWh，设锅炉可用率0.73、年运行10个月、优化后煤耗降低至322g/kWh、按煤价为300元/t十算，则年节约供电煤耗费为300×l03×0.73×l0×30×24×（325-322）×l0-3×0.3=141.9万元。
　　
　　三、应用中遇到的问题及其分析
　　
　　虽然在SIS应用功能上进行了多方面的尝试，并在各子系统的实施中提高了生产效率、管理质量，获得了良好的经济效益，但由于系统是建立在MIS系统之上，自然会受到MIS系统的影响。
　　
　　（1）病毒危害。MIS系统与Internet相连，Inter-net中泛滥的病毒与"黑客"对SIS和DCS产生威胁。虽然电厂局域网络的外网连接网关设有防火墙，SIS（或MIS）与DCS接口机关闭了网桥功能，由于防火墙抵御病毒的代码总是滞后于新型病毒，木马病毒能逐层扫描系统端口漏洞并逐级向内层渗透。Internet中的"黑客"可通过xscan、superscan、shadowsecurityscanner等扫描工具寻找操作系统端口漏洞，入侵后修改系统内部设置，并进一步向内核攻击。MIS系统中数百合用户PC机的软驱、光驱、USB口也是病毒入侵的端口。
　　
　　（2）MIS系统过于庞大，用户与SIS接口机争夺网络交换机带宽和争占服务器的CPU，易形成网络通道阻塞。
　　
　　（3）庞大的网络故障频繁，青岛电厂中的网络维护人员与大多数电厂一样，几乎每天为消除网络障碍忙碌着。从理论上讲网络可以采用冗余技术消除单点故障，但对于过于庞大的MIS网络，昂贵的造价使完善的冗余难以实现。
　　
　　以上种种问题使SIS的可信任性大打折扣，更严重的是各种不安全因素形成对DCS的隐患。又由于SIS概念自1997年诞生以来，在行业内还没有一个统一的规范，SIS与MIS没有一个明确的界线，功能混杂，责任不清。这些问题，在我厂常常引起设备责任划分、工作职责划分等方面的争执。另外，缺少SIS规范，电厂在实施SIS工程中寻找不到相应的验收标准，这使工程质量难以得到保证。
　　
　　四、青岛发电厂优化改造SIS系统的思路
　　
　　4.1积极投入SIS规范化研究
　　
　　华电SIS规划研究小组组织学习SIS理念，走访兄弟单位，收集*经验，紧跟电力行业热工自动化标准化技术委员会，认真制定本公司的SIS建设规划。
　　
　　4.2科学制定对SIS功能的需求
　　
　　SIS系统在发电企业迅速推广，各厂商竞相推出各自的SIS产品为争夺市场，产品功能趋向包罗万象。因此，在选择产品时，除关注产品质量、性价比、售后服务外，还要结合自身的实际需求，以应用为本，效益至上。
　　
　　4.3扎扎实实建设SIS网络平台
　　
　　SIS系统与MIS系统之间的确有很大的共性，但SIS与MIS无论在功能上和安全性、可靠性的需要上有着明显的不同，因此在SIS网络平台方案设计、产品选型等诸方面都要充分地考虑它的特殊性。SIS网络数据集中，密度大，实时性强，反映要求快，安全性、可靠性要求苛刻；MIS网络数据分散，结构复杂，用户多，以流程为主，外连Internet，安全性、可靠性要求相对较低。只有遵循系统的特点，才能合理设汁出实用、性价比好、可靠性高的网络平台。
　　
　　4.4网络平台建设应充分考虑SIS在数字化电厂中的定位
　　
　　SIS网络平台是由网络交换机、服务器、工作站、网关（接口机、路由器或隔离设备）、结构化布线系统、操作系统、数据库等多种硬件设备以及基础软件集成起来的结构化系统，它为SIS应用系统提供了必须的运行环境。
　　
　　SIS系统介于DCS、PLC自动化系统和MIS系统之间，功能是优化生产运行，为MIS提供生产数据，是管控一体化的桥梁，也是管控一体化的重要组成。数字化电厂的整体网络中包括各DCS、PLC等控制和采集网络，调度网络，SIS网络，MIS网络。各网络都具有独立性，均可视其为一个独立的局域网络，都具有网络通讯设备、网络服务器、网络工作站，都具有各自的数据平台。在电厂的生产流程中，这几种网络存在着不可分割的数据流向关系，因此网络间必须建立有条件限制的。为了网络的安全，网络间除了建立必要的数据传送外，期望截断各种开放的数据访问。
　　
　　4.5可靠性是SIS网络建设的要点
　　
　　SIS系统是一个实时性强，在线不间断工作，必须具备*的可靠性，因此SIS网络平台应是一个完善的容错骨干网，它必须保证不存在"单点故障"，网络链路必须具有充分的冗余备份保障手段。主交换机应支持双流电源、支持冗余、负载均衡，应使双交换机建立骨干双链路，系统应具有HSRP交换协议。
　　
　　SIS网络数据流量大，刷新周期小，数据展示相应快，通信主干应具有足够带宽。交换机背板带宽应大于所有端口容量数量之和的2倍。
　　
　　4.6SIS系统中的设备
　　
　　（l）SIS系统的主服务器。在SIS网络中，主服务器系统的主要任务是提供集中数据源运行平台。SIS系统数据量大，数据调用迅速，可靠性要求高，应建立双主机热备份及共享磁盘阵列系统。其中磁盘阵列应该是双电源、双引擎，支持READ5，全冗余设备。同时磁盘阵列虽然具有很高的可靠性，但毕竟是在线运行设备，在无限长的时间上难免还有隐患或意外事故。磁带备份和光盘刻录备份是长期保存数据，并提供灾难性恢复的有效手段。
　　
　　（2）工作站。用户工作站指管理员站以外的工作站，如值长站、运行操作员站等。为确保SIS网络环境净化和安全，各工作站必须有效封闭软盘驱动器、光盘驱动器和USB等端口。工作站采用全客户端解决方案或瘦客户端解决方案均可。工作站接入双链路采用双口冗余网卡。
　　
　　（3）接口机。接口机是DCS或PLC等系统向SIS网络提供数据的关口，实时数据是连续不断的数据流，为确保数据的完整性，接口机应具备数据缓存功能。当网络出现临时阻塞或中断，接口机应能将实时数据流缓存在本地硬盘，当网络恢复畅通后，能将数据流补送到SIS数据库服务期。接口机的数据缓存容量应大于168h。为提高接口机可靠性，接口机拟定采用Linux操作系统（OS）环境下多网卡（NIC）组合技术，以提高可用性和冗余特性。
　　
　　4.7网络安全
　　
　　SIS系统与DCS等电力一-次自动化系统紧密相连，甚至有可能将优化运行的指导数据直接反馈给DCS。因此SIS属于电力二次系统。SIS系统安全防护的重点是确保SIS本身及DCS的安全，目标是抵御黑客、病毒、恶意代码等通过各种形式对系统发起的恶意破坏和攻击，特别是能够抵御集团式攻击，防止由此导致一次系统事故或大面积停电事故及二次系统的崩溃或瘫痪，SIS系统与外网连接必须安装物埋隔离设备。
　　
　　4.8SIS运行管理
　　
　　虽然SIS网络在定位、设计、实施上均注重高可靠性，注重网络安全，甚至力求无单点故障，但要确保系统可靠运行依然需要人员监管。如单点故障出现后不能及时发现处理，系统就有可能故障甚至瘫痪。因此，SIS应该具有专责运行监管人员和严格的值班制度。
　　
　　五、结束语
　　
　　SIS系统应用正在走向规范化和实用化，其功能和技术需要我们在实践中不断摸索和总结，青岛发电厂在SIS系统应用方面获得了较明显的效益，但应用水平还处在初级阶段，所获得的体会具有很大局限性，我们希望与同行有更多的交流机会，共同为国内电力行业的SIS发展做出更多贡献。