发电厂管控一体化系统设计与应用

王星光

（中油（新疆）石油工程有限公司 新疆维吾尔自治区克拉玛依市 834000）

1 概述

新疆某电厂始建成立于60年代，经过八期改扩建，现已成为以燃气—蒸汽联合循环发电业务为主，以循环水供热、余热回收供暖业务为辅的热电厂。作为自备电厂，一直肩负着某油田及炼油厂的生产、生活用电，保证供电可靠性和安全性。

目前，厂内各个DCS、PLC、ECS 等控制系统以分布式结构独立运行，形成了大量信息孤岛，给安全生产带来诸多隐患，降低了管理效率，增加了管理成本。为适应智慧电厂、降本增效的要求，克服人力资源紧缺，降低劳动强度，保证生产安全、平稳、有序，需要逐步建立一套全生产环节自下而上的数据采集，自上而下的管控一体化系统，即一体化的厂级监控信息系统（SIS）+管理信息系统（MIS），以便实时了解现场生产状况，实时掌握各种趋势曲线及机组的运行状况，为管理人员提供科学有力的决策依据。

2 总体设计目标

针对上述问题，本次主要采用以计算机为核心的数据采集系统及符合ISO 标准规定的开放型网络系统，新建基于SIS 系统+MIS系统发电厂管控一体化平台，结合实时/历史数据库开发电厂生产管理的主要功能，将安全生产诸多隐患降到最低，达到企业降本增效的目的。发电厂管控一体化系统总体结构框图如图1所示。

3 硬件设计

3.1 实时/历史数据库服务器

实时/历史数据库服务器主要承担了SIS 系统主要数据的存储和处理业务，其稳定性直接关系到整个系统的正常运转。因此，在硬件上，实时/历史数据库服务器采用冗余配置，并具备容错功能，可进行故障自动切换。

实时/历史数据库服务器的主要技术要求：

（1）互为备份：保证不间断处理。

图1：管控一体化系统总体结构框图

图2：发电厂管控一体化系统结构图

两台数据库服务器在各自工作的同时，不断向对方发出监测信息，随时检查对方各部分如CPU、内存及其它硬件等的工作状态，一旦发现对方出现如死机等问题，则按预定的处理方式将对方的任务切换过来。从而保证数据的完整性及可靠性，并可保证业务的正常进行。

（2）负载均衡：提高双机利用率。

在应用级上实现负载均衡，可将多个应用均衡地分布在每个集群主机上，从而保证各种应用的正常进行，提高了服务器的利用率，从而解决大量客户的并发访问的问题。

（3）工作方式灵活：并行处理和主机备份。

采用的技术须具有并行处理和主机备份两种工作方式。并行处理时，二台主机可以同时处理各自或共同的任务，即两台主机在同时工作，并且处理的是不同任务，在这种状态时，双机是共同承担了所有任务。主机备份方式即在同一时刻，一台主机在处理业务，而另一台仅仅是不停地检查对方的运行状态，在对方机发生问题时，随时准备将对方的任务切换过来，其自身不加入处理业务。这两种工作方式，为应用系统提供了一个连续的高性能的服务。

3.2 接口机

采用分布式架构实现SIS 系统与DCS 控制系统之间的数据传输，多台接口机分别采集不同控制系统的数据，确保单个接点故障不影响其它控制系统的数据采集。

（1）接口机应能与电厂内已建DCS 等生产过程控制系统连接，支持OPC、Modbus、UDP、IEC104 等主流通信规约。

（2）接口机与DCS 等生产控制系统采用分布式连接。规模较小的辅机设备监控系统应先集中到DCS，再与接口机连接。

（3）接口机应通过冗余网卡与交换机连接，确保其中一个数据通道故障时，不影响与数据库服务器的通信。

（4）接口机至少能缓存存储一周的生产过程信息。支持网络唤醒功能，当通信回复正常时，自动将缓存的数据发送至数据库服务器。

3.3 交换机

SIS 系统交换机主要包括了汇聚交换机和核心交换机。汇聚交换机用于DCS 接口机与SIS 系统实时/历史数据库服务器的数据交换，需要有良好的数据处理能力和容错功能，通信速率不小于100Mbit/s。核心交换机主要与数据库服务器、应用服务器组成主干通信网络，通信速率不小于1000Mbit/s，应具有组建容错以太网功能、故障在线自动切换功能和高度的稳定性、可扩充性。

3.4 应用服务器

应用服务器主要完成SIS 系统的性能分析、计算功能并对系统的各种功能软件进行管理和二次开发。根据相关要求，利用采集的生产数据，对电厂主要运行指标进行统计、分析、对比，对机组性能指标、污染物排放指标进行统计、分析。可基于大数据分析挖掘，实施高级故障诊断分析，预测潜在安全隐患，挖掘潜在的能耗根源等等。

4 软件设计

4.1 实时/历史数据库

实时/历史数据库可满足电厂生产过程海量数据的收集、存储、加工、发布需求，为发电厂提供统一的实时/历史数据平台。实时/历史数据库应支持浮点型、整型、布尔型与字符串等数据类型，在线存储时间应满足机组大修期的要求，并且不应小于6年。主要功能包括：

（1）标签点管理、维护：管理生产过程数据中的海量标签点，能定义生产过程所有数据类型、反映过程数据的全部属性，可单独或者批量进行标签组态。提供数据标签在线维护功能，包括创建、更新、删除、查询数据标签点等。

（2）数据压缩：提供海量过程数据的压缩和长期存储手段。（3）数据服务：提供对实时历史数据的各种写入和查询等功能服务。

（4）数据备份和恢复：系统能提供针对已有历史数据的移植和扩容方案。

（5）系统配置与管理：支持数据库的在线配置和维护。

（6）权限管理：系统应支持基于角色的用户权限管理，对数据访问权限设限。

（7）日志管理：系统提供对操作信息、警告信息、错误信息等登记、审计。

（8）镜像功能：系统提供跨越单向物理隔离装置通信的能力。

（9）应用编程接口：支持外部对本系统的二次开发接口，使系统具备足够的开放性。

（10）数据接口：提供采集底层控制系统及设备数据的采集接口，提供规范的ODBC/JDBC/OLE DB 等开放式数据库互联接口、基于组件对象模型技术、基于API 和软件开发工具包（software development kit，SDK）所具有的函数调用接口等脚本编程语言，以支持应用软件的开发。

（11）数据二次计算：提供可组态的计算引擎，支持各种复杂二次计算和统计。

（12）信息发布功能：提供画面报表组态与发布、数据查询、趋势分析、数据回放、数据报警、用户角色管理等集成的信息发布和应用平台，完成实时/历史信息的发布和应用。

4.2 数据采集软件

DCS 系统的控制网络上配置具有OPC 协议的通信设备。主要完成以下工作：

（1）数据采集。OPC 通讯设备上的通讯软件负责数据的采集，不同的DCS 系统可能采用不同的方法。

（2）数据通信。数据采集软件同时作为OPC Server 对外发布数据。

实时数据库的接口软件作为OPC Client 与DCS 控制网络中的OPC Server 通过OPC 协议进行通讯，采集到的数据写入实时/历史数据库中。

4.3 应用软件

利用实时/历史数据库平台，结合电力生产管理实际完成管理信息系统（MIS）的开发、应用，从而形成发电厂管控一体化系统。应用软件涵盖发电厂生产管理的主要功能，如生产实时管理、生产运行管理、设备资产管理、安全管理、综合管理等，提供覆盖供生产技术部的各个工作环节，实现信息从源头管理，将工作管理与其它部门有机结合，通过对业务管理的规范化、流程化、网络化，实现管理的现代化，更好地为安全生产服务。

5 安全策略

SIS 系统安全策略的目标是抵御黑客、病毒等以各种形式对系统的恶意破坏和攻击，以确保系统的运行安全。系统安全从技术、管理上采取综合防护措施，保证网络信息的保密性、完整性和可用性。

5.1 网络结构安全策略

按照网络不同安全级别，保护SIS 系统网络和生产控制的安全。在SIS 与控制系统之间用单向物理隔离装置（正向型），用于安全区Ⅰ到安全区Ⅱ单向数据传递；在MIS 与管理信息区之间用硬件防火墙，用于安全区Ⅱ到安全区Ⅲ/Ⅳ的网络防护。单向物理隔离装置和硬件防火墙必须是国产的并经过国家或电力系统有关部门认证。

5.2 网络防病毒、防非法入侵策略

设置独立的防病毒服务功能，并安装经过国家计算机安全部门认证的防病毒软件。管理员定期升级防病毒软件及病毒定义码或通过内部网络自动更新病毒代码。

5.3 软件的安全策略

选用的操作系统和数据库系统应稳定、可靠、有正式授权；应用软件应经过严格的测试，应具备相关软件认证部门的测试报告，并在保证系统安全的前提下组态、开发应用功能。应用软件具备对人工输入内容的合法性进行判断的功能，可采取有效措施防止非正常输入情况下的程序故障和失控现象。

5.4 网络运行安全

系统服务器设置授权登录机制，自动记录登录信息及操作过程。配备网络管理功能，主要包括性能参数据实时监测、异常指标净高与故障预警、历史数据分析、日志与报表等，可主动监视网络、自动收集网络关键信息、障碍报警处理，用户能准确、快速地查看网络运行中所发生的事件，迅速发现、解决问题。

6 发电厂管控一体化系统

根据行业相关规定，MIS、SIS 系统无明显系统界限，按照功能属性进行模块化处理，有机结合，实现SIS 与MIS 的无缝衔接，从而组成发电厂管控一体化系统。该系统同时具备SIS 和MIS 的功能，对生产过程、生产管理等信息的处理、分析、优化、整合、存储、发布。具体功能体现在：

（1）实时管理。电厂生产流程实施监控、数据回放、性能计算、能耗分析、综合报表、运行故障诊断等。

（2）生产运行管理，主要包括运行管理和两票管理。

（3）设备资产管理。建立全生命周期管理理念，建立合理的设备分级管理目录，通过对设备的定期检查鉴定，深入掌握设备技术状况，以利设备改造，不断提高设备完好率，保证电力生产的安全、经济。

（5）综合管理。提供电子化的工作环境，通过可视化的工作流系统和知识挖掘机制建立企业知识门户。

（6）移动应用。主要包括移动信息发布、移动流程业务办理、移动生产实时数据发布、移动管理数据发布等。基于虚拟VPN 网络，建立一体化应用平台，通过App 服务器、Internet 及客户端实现移动应用功能。

发电厂管控一体化系统结构图如图2所示。

7 结束语

管控一体化系统在该发电厂成功应用，对机组经济、可靠运行有了一个整体、实时、有效的分析与监控，达到了以下效果：

（1）该系统是统一的生产管理平台，消除了系统直接的信息孤岛，整合了各DCS、ECS 等控制系统的资源，为企业的安全生产提供了决策的依据。

（2）该系统在保证生产安全、平稳、有序的前提条件下，降低工人劳动强度，提升了企业的生产管理水平，适应了智慧电厂的发展要求，具有较高的经济社会效益。