火电厂实时监控信息系统sis架构研究及其功能设计

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上海交通大学硕士学位论文火电厂实时监控信息系统SIS架构研究及其功能设计姓名：王献伟申请学位级别：硕士专业：控制理论与控制工程指导教师：赵霞20050101 火电厂实时监控信息系统SIS架构研究及其功能设计摘要电力工业对各个国家的工业及国民经济发展起着至关重要的作用作为国民经济的关键部门与基础产业我国电力行业近年实行以厂网分开竞价上网打破垄断引入竞争等为核心内容进行了改革新的市场竞争机制逐步建立这对发电企业带来了严峻的挑战和机遇电力系统是一个具有庞大的输入输出的能量转换系统提高其运行效率争取其运行优化的必要性是毋庸置疑的针对新的电力市场运行模式和能源供应紧张的局面本论文以发电企业为研究对象根据电厂的实际生产运行特征和优化生产管理的需求采用CIM理论对火电厂综合自动化系统CIPS体系结构进行整体研究对CIPS体系架构中的核心功能层——火电厂全厂实时监控信息系统SIS进行详细的功能分析和设计在此基础上对SIS的核心子系统——全厂机组负荷优化调度系统LODS进行了详细的分析和研究本论文的主要内容如下一绪论部分给出当前发电企业的运行特征现状和亟待解决的问题二针对电厂生产综合自动化的需求阐述了基于CIM理论的流程行业CIPS的研究状况和流程行业CIPS的体系结构分析了目前火电厂生产运行的信息特征针对目前火电厂生产控制与管理之间信息鸿沟和电力系统实施厂网分开竞价上网的运行模式给出电厂生产控制管理一体化结构模型并给出火电厂 上海交通大学硕士研究生学位论文TPP-CIPS的集成体系结构的功能设计视图三为了填补电厂生产管理与控制之间的信息鸿沟SIS在发电企业控制管理信息化的TPP-CIPS起着桥梁和纽带作用针对SIS的特殊地位和电厂的实际需求在总结前人理论研究的基础上对SIS架构进行了系统的总体分析并在TPP-CIPS总体架构的基础上对SIS功能模块进行详细设计对SIS和MIS的支撑平台-实时/历史数据库在电厂CIPS中的应用进行分析和设计四基于实时监控信息系统SIS对发电厂内机组的优化组合和机组间负荷的优化分配两个方面的问题进行了研究和分析提出基于SIS整体架构下的全厂机组负荷优化分配算法在火电厂实时信息系统SIS对火电厂机组的性能分析和系统运行状态检测等的分析和研究的基础上给出单元机组煤耗特性曲线的拟合方法综合考虑机组启动寿命损耗功率平衡单元机组出力旋转备用和启停耗量等约束给出基于SIS整体架构下的全厂负荷优化调度LODS子系统的数学优化模型五对全厂机组负荷优化调度系统LODS进行总体设计结合电厂的实际运行状况和优化算法理论给出优化算法的程序设计的主要架构采用动态规划优化计算结果表明与值长根据经验进行机组间的负荷分配采用等微增率算法和优先顺序法等算法的计算结果相比基于SIS提供的实时数据而进行的负荷优化调度的实现明显提高了火电厂的优化运行状况降低供电煤耗量减少了发电成本论文最后指出在电厂综合自动化系统中电厂SIS和基于SIS平台上的全厂机组负荷优化调度系统LODS的实施对于提高电厂运行的经济性和稳定性有着明显的效果并对于电厂SIS和LODS在当前电力市场运行模式下的进一步研究进行展望关键词火电厂计算机集成生产系统CIPS实时监控信息系统II 上海交通大学硕士研究生学位论文SIS实时/关系数据库系统负荷优化调度系统(LODS)STUDYANDFUNCTIONDESIGNONARCHITECTUREOFTHERMALPOWERPLANTREAL-TIMESUPERVISORYINFORMATIONSYSTEMABSTRACTTheelectricpowerindustryplaysanimportantroleineverycountry’sindustryanddevelopmentofthenationaleconomy.Asthekeybranchandthefundamentalindustry,ourcountry’selectricpowerindustryhascarriedouttheinnovationbasedon“Separatepowerplantfromelectricnetwork,supplypowerbycompetition”,smashtheelectricmarketmonopolyimportthecompetitionandsoon.Andtheestablishmentofnewcompetitivesysteminelectricpowermarketwillbringtheseverechallengesandthemorechancetothepowerplant.Theelectricsystemisahugeenergytransformationsystemforitsinputandoutput,soitisundoubtedaboutthenecessarytoincreaseitsrunningefficiencyandoptimizeitsrunningperformance.Basedonthenewrunmodeoftheelectricforcemarketandthesevereshortagesituationofenergysources,thispaperlookthepowerplantuponstudyingobject.Accordingtopowerplant’sactualrunningcharactersandthedemandofoptimizingproducingmanagement,thisthesiswillstudyThermalPowerPlant’sComputerIntegratedProductionSystemTPP-CIPSbasedontheComputerIntegratedManufacturingCIMtheory,toanalyzeandtodesignthefunctionsoftheCIPSstructure’skernellayerwhichisthereal-timeSupervisoryInformationSystemSISofpowerplant.Basedontheseabove,thepaperanalyzestheSIS’skernelsubsystemindetailwhichistheLoadOptimizationDispatchSystemLODS.Theprimarycontentsofthethesisasfollows:Firstly,Theforewordpartwillgivetheintroductiondescribesthecurrentrunningcharactersofpowerplantanditspresentstate,andpresentstheproblemsthatshouldberesolvedrecentlyaccordingtodemandingofpowerplant.Secondly,Aimingattherequirementofthepowerplant’sintegratedproductionautomation,thethesisexpoundstheresearchsituationoftheflowindustryCIPSwhichisbasedontheCIMtheory,andanalyzesthepowerplant’sproductionrunninginformationcharactersatpresent.Aimingatthegreatgulffixedbetweentheinformationofproducecontrolandthatofmanagement,andaimingattherunningmodethatis“SeparatepowerIII 上海交通大学硕士研究生学位论文plantwithelectricnetwork,supplypowerbycompetition”carriedoutbytheelectricpowersystem,thepaperillustratesthearchitecturemodewhichistheintegrationofproduction,controlandmanagement,andpresentthefunctionviewdesigneroftheintegralsystemstructureofTPP-CIPS.Thirdly,Inordertofilltheinformationgapbetweentheproductioncontrolandproductionmanagementinformationsystem,theSISservesasabridgeofthem.AimingatthespecialpositionofSISandthepracticalneedsofthepowerplant,thispaperanalyzesthesystematicstructureofSISbasedontheprincipletheoryofpioneers.ItalsogivesthedetaileddesignofSIS’sfunctionalmodulewhichgroundsthegeneralstructureanalysisofTPP-CIPS.ThepaperalsoanalyzesanddesignsthesupportingplatformapplicationofTPP-CIPS-thereal-time/historicaldatabase.Fourthly,OptimizationalgorithmshavebeengivenforoptimizingtheloaddistributionofthewholepowerplantbasedonthewholearchitectureofSIS,afteranalyzingthecombinatorialoptimizationandassignmentoptimizationofgenerateunitsinpowerplant.Analyzingtheperformanceofthegenerateunitsandthedetectionofthesystem’srunningstate,fittingtheperformancecurveofthegenerateunitsusingsampledataofrealperformance,syntheticallyconsideringthebondageswithcostoflifelossandunits’start,powerbalance,units’supplypower,revolutionreservationandcostofunitsstartandhalt.GivethetotalmathematicoptimizationmodelofLODSunderarchitectureofSIS.Fifthly,ThethesisgivesthegeneraldesignofthewholeplantLODS.Accordingtothepracticaloperationperformanceandthetheoryofoptimizationalgorithm,themainstructureoftheprogramfortheoptimizationalgorithmisdesigned.Theoptimizationresultofunitcommitmentusingdynamicprogrammingalgorithmshowsthat,comparingthetraditionalloaddispatchundermonitorexperienceusingprincipleofequalincrementalproductioncostandprioritylistalgorithms,Theresultprovestheproposedloadoptimizationdispatchalgorithmbasedonthereal-timeequipmentsrunningdatainSIS,candistinctivelybettertheoperationperformanceandreducetheconsumptionofthecoalforpowergeneration,thuscutdownthecostofsupplypower.ThepaperlastpointsthattheimplementofpowerplantSISandLODSuponSISinpowerplantintegratedautomationsystemplayanimportanceroletoincreasetheoperationeconomicandstabilityofthepowerplant;ProspectthefurtherstudyonSISandLODSinpowerplantunderthecurrentenvironmentofelectricpowermarket.IV 上海交通大学硕士研究生学位论文KEYWORDSThermalPowerPlant,ComputerIntegratedProductionSystem(CIPS),SupervisoryInformationSystem(SIS),Real-time/RelationalDataBaseSystem,LoadOptimizationDispatchSystem(LODS)V 上海交通大学硕士研究生学位论文上海交通大学学位论文原创性声明本人郑重声明所呈交的学位论文是本人在导师的指导下独立进行研究工作所取得的成果除文中已经注明引用的内容外本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担学位论文作者签名王献伟日期2005年1月28日III 上海交通大学硕士研究生学位论文上海交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留使用学位论文的规定同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版允许论文被查阅和借阅本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索可以采用影印缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文保密在年解密后适用本授权书本学位论文属于不保密请在以上方框内打学位论文作者签名王献伟指导教师签名赵霞日期2005年1月28日日期2005年1月28日IV 上海交通大学硕士研究生学位论文第一章绪论1.1问题的提出电力工业对各个国家的工业及国民经济发展起着至关重要的作用作为国民经济的关键部门与基础产业我国电力行业近年实行以厂网分开竞价上网打破垄断引入竞争等为核心内容进行了改革新的电力市场竞争机制逐步建立这对发电企业带来了严峻的挑战和机遇电力系统是社会所需能源的主要供应者同时也是大量燃料的主要消耗者我国是一个以火电为主的国家火力发电约占发电总量的百分之七十左右它所消耗的煤炭占我国每年原煤产量的五分之一占整个工业用煤的百分之三十如此规模的能量转换也带来了巨大的能量损失到1998年底我国火力发电厂的平均标准煤耗供电煤耗为404g/kw.h平均厂用电率为7.71%与先进工业国家相比我国火力发电厂运行的经济性尚存在很大的差距这一差距不仅反映了我国在电厂范围内能量转换技术的不完善也反映了我国电厂运行的水平还很低因此改善电力系统的运行效率提高火电厂综合自动化的运行水平力争达到电厂安全经济稳定的运行将会带来巨大的经济利益和社会效益由于我国火电设备相对落后热效率低发电厂的输煤系统燃烧系统汽水系统和电气系统的自动化水平和运行优化水平相对较低单元机组的优化运行管理水平低所以如何降低供电标准煤耗减少能源浪费和环境污染成为发电企业迫切需要解决的关键问题要降低火电厂标准煤耗率一般有以下几个途径对于新建的电厂可以采用高参数高经济性能的大容量机组而对于已有的发电企业则需要挖掘现有设备的潜力对老的运行设备进行改造以提高其热效率有技术难度也需要大量的资金投入而且即使进行了技术改造依然存在经济和安全运行的问题所以提高整个发电厂的总体运行综合自动化控制和管理水平并通过科学的手段降低供电煤耗才是解决问题的关键我国的电力工作者一直为此进行着不懈的努力虽然有些理论已经提出但是效果不是十分明显因而有必要从整个发电厂运行的实际情况出发建立整个电厂的CIPS模型实施发电厂SIS来填补电厂管理信息系统MIS与底层过程控制系统PCS之间的信息鸿沟实现整个电厂的优化运行并对SIS的核心功能模块——全厂机组负荷优化调度系统LODS进行研究和设计从而达到提高热效率降低供电成本节约能源和保障系统安全稳定运行的目的1 上海交通大学硕士研究生学位论文1.2发电企业的运行特征火力发电厂是将燃料(煤油天然气等)的化学能变成电能的工厂原煤经过皮带运输到原煤仓加工成煤粉后通过燃烧器送到锅炉的炉膛中燃烧放出热能在锅炉的水冷壁管中的水吸收炉膛中的热量后变成饱和蒸汽饱和蒸汽同水形成的汽水混合物在汽包中分离饱和蒸汽流经过热器时进一步吸收烟气中的热量变成过热蒸汽并通过蒸汽管道送到汽轮机中过热蒸汽在汽轮机的喷管中将热能变成动能形成高速汽流高速汽流冲动叶轮带动汽轮机高速转动动能就转变为机械能汽轮机带动发电机旋转而发出电来机械能就转变为电能电能再通过变压器开关线路送到电力系统及用户由火电厂生产过程可以看到要不断地将热能转变为机械能就必须周而复始地完成上述蒸汽动力装置的循环不断地将热能转变为电能要保证热能转变为电能必须不断地供给燃料空气和循环的工质--水电能的特点是不能储存火电厂的生产过程必须是连续的火电厂的生产运行过程具有以下显著特点(1)生产过程连续性强要求能够提供充足的电力(2)火力发电厂的锅炉与汽轮机都有一个技术最小负荷锅炉的技术最小负荷因其类型和燃料类型等约为其额定负荷的25%~70%汽轮机的技术最小负荷约为其额定负荷的10%~15%(3)火力发电厂锅炉设备与汽轮机设备等的退出运行和再投入等需要耗费大量的能量既花费时间又容易损坏设备(4)火电厂生产运行过程负荷(干扰)变化幅度大而频繁生产的安全可靠和经济性要求高以便提供可靠的合格的廉价的电力(5)火电厂生产运行过程的自动化程度要求高即要求紧密结合对象的特性来设计自动化系统如根据电厂设备复杂程度工艺过程等有机联系情况采用协调控制策略以及在连续控制系统之上叠加安全保护连锁与互锁控制等火电厂底层控制系统的范围极其广泛它包括了单元机组控制系统辅助设备公用系统控制系统以及厂用电分散控制系统也纳入到DCS之中其中含有大量模拟控制回路的是锅炉汽轮机与发电机组构成的单元机组运行的控制系统最为复杂单元机组控制系统大致可分为四个基本内容(1)自动检测自动检测是对生产过程及设备的参数信号自动进行转换加工处理显示并记录下来(2)自动调节一般是指正常运行时操作的自动化即在一定范围内自动地2 上海交通大学硕士研究生学位论文适应外界负荷变化或其他条件变化使生产过程正常进行火电厂的自动调节主要有锅炉水位调节汽温调节燃烧调节辅助设备调节等(3)远方控制及程序控制远方控制是通过开关或按钮对生产过程中重要的调节机构和截止机构实现远距离控制程序控制主要是指机组(或局部系统设备)在启动停止增减负荷事故处理时的一系列操作的自动化(4)自动保护是利用自动化装置对机组(或系统设备)状态参数和自动调节进行监视当发生异常时送出报警信号或切除某些系统和设备避免发生事故保证生命和设备的安全火电厂的自动保护对象主要有锅炉汽轮发电机本身辅助设备局部工艺系统以及自动调节系统等1.3发电企业现状针对电力行业近年来逐渐实施以“厂网分开竞价上网”的竞争模式引入发电企业和煤电能源供应的危机以及计算机信息技术的飞速发展等火电厂的运行特征就决定了发电公司在商业化运行情况下必将面临着一些挑战目前发电行业面临着以下主要挑战一火电厂必将随着不可抗拒的竞争和技术潮流的加速而进入信息网络时代火电厂乃至电力系统和电力企业集团将形成生产过程自动化和管理现代化的信息网络迫使发电企业必需建立发电厂计算机集成生产系统CIPS的全厂综合自动化控制与管理系统实现整个企业的优化生产和管理调度CIPS的优化和管理层主要由厂级监控信息系统(Supervisoryinformationsysteminplantlevel,简写SIS)和厂级管理信息系统(Managementinformationsysteminplantlevel,简写MIS)组成SIS主要处理全厂实时数据完成厂级生产过程的监控和管理厂级故障诊断和分析厂级性能计算分析和单元机组的负荷优化分配等MIS主要为全厂运营生产和行政的管理工作服务主要完成设备和维修管理生产经营管理(包括电力市场报价子系统)财务管理等二目前各大发电集团已经纷纷上自己的MIS并且大型发电企业都拥有先进的DCS分散控制系统为进一步实现电厂SIS提供了可靠的基础然而目前我国的发电企业在控制和管理之间难以进行信息的实时交互形成了明显的自动化孤岛和信息鸿沟难以在整个发电企业实现真正的管控一体化SIS则正好填补了控制与管理之间的信息鸿沟可以实现整个企业的综合自动化系统和信息的无缝集成尤其近两年来电煤资源供应紧张发电成本明显增加如何挖掘电厂自身潜力通过优化生产降低煤耗和供电成本在有限的资源条件下发尽可能多的电成为电厂3 上海交通大学硕士研究生学位论文当前迫切关心的问题这些实际的电厂需求大大促使了电厂实时监控系统SIS系统的研究和开发三在目前电力系统实施厂网分开竞价上网的运行模式这对发电企业来说带来了机遇同时给电厂也带来了的技术控制和管理等整体优化运行的重大挑战在发电环节引入竞争机制以后发电公司要进一步对整个电厂进行优化运行以降低供电成本减少能耗为目的电厂实时监控信息系统SIS的核心功能模块就是要对整个电厂进行运行优化即电厂负荷优化分配负荷优化分配是指电厂在满足中调下达的负荷指令情况下在考虑到各个单元机组出力约束的前提下并结合本电厂内主机和辅助系统以及设备的运行状况等对厂内的机组进行负荷分配最合理的安排机组运行以期达到单元机组的最佳运行状况和最小的供电成本的优化分配和调度方法目前发电企业的负荷分配一般由值长根据中调下达的负荷指令对每台机组进行负荷分配或者由中调直接对单元机组进行指令下达所以这些负荷分配的手段并没有真正考虑单元机组的实际运行情况和设备的运行状态导致了能源的大量浪费和设备运行寿命的缩短通过科学的经济手段对机组负荷进行优化分配是解决这一问题的通用办法基本的方法是以数学极值理论为基础的等微增率调度方法近年来众多专家和学者结合电厂生产实际和操作人员的知识和经验等陆续提出了很多调度算法比如动态规划非线性规划模拟退火和禁忌搜索遗传算法神经网络和人工智能算法等但是这些算法仍旧停留在研究和仿真阶段如何更好的应用于实际的生产运行之中成为当前电厂优化运行降低能耗的关键1.4本文的主要内容针对新的电力市场运行模式和能源供应紧张的局面本论文以发电企业为研究对象采用CIM理论对火电厂综合自动化系统CIPS体系结构做了分析并对CIPS的核心功能层——全厂实时监控信息系统SIS进行详细的功能分析和设计在此基础上对SIS的核心功能子系统——全厂机组负荷优化调度系统LODS将进行详细的分析研究和设计主要工作如下一阐述了基于CIM理论的流程行业CIPS的研究状况和流程行业CIPS的体系结构分析了目前火电厂生产运行的信息特征针对目前火电厂生产控制和管理之间信息鸿沟以及电厂的复杂分散的工艺控制系统形成的“自动化孤岛”现状和电力系统实施“厂网分开竞价上网”的运行特征给出电厂生产控制管理一体化结构模型并给出火电厂TPP-CIPS的集成体系结构的功能设计视图二SIS在发电企业控制管理信息化的TPP-CIPS起着桥梁和纽带作用针对4 上海交通大学硕士研究生学位论文SIS的特殊地位和电厂的实际需求在总结前人理论研究的基础上对SIS系统架构进行了系统的总体分析在SIS总体架构分析的基础上对其系统功能模块进行了详细设计SIS系统功能模块主要包括生产过程信息监测和统计性能计算和优化经济性分析和优化设备寿命监测和管理设备状态监测和故障诊断全厂机组负荷优化调度等六个功能子系统基本上实现了发电企业对远程监控和整个系统运行优化的需求最后对实时/历史数据库支撑平台在电厂中的应用进行分析三针对新的电力市场运营模式在以电厂实时监控信息系统SIS为核心和纽带的整个电厂综合自动化体系架构下为了达到减少发电成本和降低煤耗的目的进行全厂机组负荷优化调度是实现这一目的关键所在本文在实时监控信息系统模式下对发电厂内机组间负荷的优化分配以及机组的优化组合两个方面的问题进行了研究和分析提出基于SIS下的单元机组负荷优化分配算法并基于电厂实时的生产运行数据对单元机组煤耗特性曲线进行精确的拟合在SIS下性能分析和系统运行状态检测等的基础上将机组启动寿命损耗折合为启动费用并考虑功率平衡单元机组出力旋转备用和单元机组启停耗量等约束建立了全厂机组负荷优化调度系统的优化计算数学模型四在基于发电厂SIS实施的基础上本文将对全厂负荷优化调度系统(LODS)算法进行了分析研究和设计结合电厂机组的实际运行状况和中调的负荷需求LODS算法功能模块首先对约束进行实时的处理在算法设计中加入了机组初始参数的处理强制指令的约束运行时间约束和启停费用的影响为动态规划算法的实现提供了基础在进行全厂负荷优化调度系统的实现中基于SIS平台上真实的机组负荷特性曲线采用动态规划算法和等微增率算法等对不同的约束情况的组合优化和负荷分配情况进行比较和分析并与传统的值长根据经验进行机组间的负荷分配和采用等微增率算法的计算结果进行了比较最后论文给出基于SIS平台上的全厂单元机组间优化组合和负荷优化分配的计算结果并对基于以SIS为核心的电厂综合自动化体系结构TPP-CIPS下的全厂机组负荷进行优化调度系统以后的发展和研究提出合理的设计方式对火电厂综合自动化的优化运行和信息化集成的进一步发展进行展望5 上海交通大学硕士研究生学位论文第二章火电厂控制管理一体化TPP-CIPS体系结构2.1流程企业CIPS理论研究状况2.1.1CIM理论自1973年哈林顿博士提出计算机集成制造CIM(ComputerIntegratedManufacturing)概念以来专家们从不同角度提出了数十种计算机集成制造系统CIMS体系结构和建模方法有面向CIMS生命周期的体系结构有面向CIMS功能构成和控制结构的体系结构也有面向CIMS集成平台的体系结构为企业信息化集成提供了理论依据和指导促使大量企业从控制向更高层次的信息化集成迈出了一大步取得了显著的经济效益其中较著名的参考模型有欧共体ESPRIT计划中的计算机集成制造开放体系结构(CIM-OSA)法国波尔多大学GRAI/LAP实验室提出的GIM-GRAI企业建模方法德国Saarland大学A.W.Scheer教授提出的集成信息系统体系结构(ARIS)和美国普渡大学的Purdue企业参考体系结构(PERA)等上述CIM理论的研究和CIMS工程开发实施等都是以离散制造行业为对象进行的CIMS的目标模型多集中在对计算机辅助设计(CAD)计算机辅助制造(CAM)企业资源计划(ERP)等的集成然而对流程行业中常见的分散控制系统(DCS)可编程控制器(PLC)以及远程终端设备(RTU)和智能终端等的集成模型的研究目前在国际学术界是一个方兴未艾的热门课题2.1.2流程企业CIPS理论研究现状流程企业CIPS是个复杂的大系统从控制和功能两个角度对其进行分解可以得出流程行业CIPS面向控制和功能的体系结构一面向控制层次的CIPS结构分层递阶控制适应信息技术和企业的管理方式在流程行业中被普遍采用流程工业的生产从上到下可以分为经营决策管理层信息管理层生产优化调度层过程控制层和设备控制层经营决策管理层是根据市场信息和订单需求决定企业发展方向制定企业战略计划进行投资管理和风险管理并制定财务政策市场销售政策和研究开发策略等信息管理层实现对生产信息和经营决策信息的集成管理6 上海交通大学硕士研究生学位论文为上层经营决策系统提供生产信息的支持同时为下层提供生产的优化调度信息生产优化调度层实施上层的决策计划组织优化生产协调资源优化分配对生产进行协调管理过程控制层实现对本地生产过程的监控和执行以确保过程优化及生产装置设备的正常和优化运行并完成对生产控制系统中的故障进行报警和故障诊断设备控制层是利用各种控制模型和控制算法通过执行机构对设备进行直接控制和操作采用分层递阶控制思想的流程行业CIPS体系结构如图2-1经营决策层集团经营决策管理层经营决策管理层信息管理层信息管理层生产优化调度层生产优化调度层过程控制层过程控制层设备控制层设备控制层图2-1流程行业CIPS体系结构Fig2-1ArchitectureofflowindustryCIPS二面向功能的CIPS结构从功能组成上看CIMS由经营管理系统工程设计系统车间自动化系统和质量保证系统以及计算机网络和数据库两个支撑系统组成由于离散工业产品结构复杂用户需求多变等工程设计任务繁重所以工程设计分系统(由CAD/CAPP/CAM组成)是CIMS中最重要的分支系统之一流程行业则不然其产品及工艺相对大多固定除了在规定的范围内对技术性能和工艺参数等方面进行调整外基本上不需要工程设计功能新产品开发过程是离线进行与正常的生产运行相分离过程控制系统计算机网络和数据库技术是流程行业和离散行业实现整个企业信息集成的基础和技术保证根据流程行业的工艺特征和生产运行要求可7 上海交通大学硕士研究生学位论文以得到流程行业面向功能的CIPS体系结构它由企业资源计划系统运行管理系统和底层过程控制系统以及计算机网络和数据库技术支撑系统构成三流程行业CIPS体系结构的特征流程企业与离散企业相比两者在财务采购资产和人力资源管理等方面是相似的但是在生产计划工程设计调度管理信息处理安全可靠性经营决策理论研究等方面存在较大差异因此有专家提出对于流程行业CIMS应称为计算机集成生产系统CIPS(ComputerIntegratedProductionSystem)或全厂综合自动化系统经过专家学者的不懈努力和研究目前在国内已经取得了一些成果如李从东等提出的流程工业企业集成化经营管理模式EIPM-ICM体系结构莫以为等提出的基于模型驱动的流程工业CIMS信息集成方法等对冶金电力化工炼油等流程企业具有一定的指导意义流程行业CIPS体系结构的开发重点(1)流程工业过程常常具有多变量强耦合特性而且难于建立数学模型因此常常无法以整个过程为对象建立多变量控制器因此工业界普遍采用集散控制系统进行系统控制如何合理地给定控制回路的控制量设定值使控制量作用于过程之后整个过程的最终控制结果达到预定指标使过程控制的重点和难点(2)流程型工业的生产特点是设备长时间不间断运行不易于频繁启停这就对实时监控企业整体优化故障预测和诊断以及紧急情况处理等提出较高的要求(3)流程工业中存在高度不确定性和强非线性并且运行环境较恶劣大多数控制变量不能直接进行测量因此先进控制技术和软测量技术就成为流程工业CIPS的关键技术(4)流程工业要求实时在线采集底层的生产运行数据工艺质量数据和设备运行状态数据等信息并且要处理大量的动态数据以图形图表的形式予以显示从而协助运行人员对生产过程进行优化管理和控制因此对计算机网络底层控制系统和实时数据库的实时性稳定性准确性提出了较高的要求2.2火电厂生产运行的信息特征目前世界上大多数国家都实行由电力公司垄断的电力供应制度用户在用电处获得电能并按统一价格支付电费在此模式下往往由一个独立的公司控制着从发电输电到配电的全过程从而在总体上使发电企业游历与市场竞争之外所以电厂CIPS的研究较少发电企业的信息化大多数仍旧停留在面向管理的MIS层次上使管理和底层的控制之间形成信息的鸿沟难以对整个电厂的运行进行优化和管理8 上海交通大学硕士研究生学位论文电力系统以“厂网分开竞价上网”的运行模式的提出和运行就迫使发电企业走向市场参与竞争也促使了发电企业CIPS的进一步研究和应用实施发电企业的生产特点是设备多且长时间不间断的运行并且设备运行启停耗量巨大生产运行实时数据量巨大且密集且运行环境较恶劣大多数控制变量不能直接进行测量因此与离散行业相比对测量技术实时控制器的冗余性故障预测与诊断紧急情况处理计算机网络和实时数据库等的实时性和稳定性等方面提出了严格的要求尤其是实时数据库系统在大型火电厂中起着联系底层控制系统与管理系统的桥梁是大型火电企业实施CIPS的基础和支撑发电企业的事故或停产常常会带来巨大的经济损失而整个单元机组和辅助设备的协调运行优化手段可以带来可观的经济效益因此安全生产节能降耗是赢得市场获得利润的关键设备运行状态管理和故障诊断寿命管理单元机组性能分析和全厂运行优化调度是整个CIPS的核心故而近几年在国外已经涌现出大量实施优化系统如对美国国内所有采用各类优化软件的300MW机组的统计资料看优化运行软件使机组热耗率平均降低约200KJ/(kWH),单元机组每年可以节省费用约50万美元可观的经济效益驱使火电厂逐渐形成一个独特的控制分析优化层面该层介于过程控制层与经营管理层之间它填补了底层控制信息和上层决策管理信息之间的信息鸿沟是整个电厂CIPS综合自动化系统的核心和纽带在物理结构上将具有高精度高速度和高可靠性要求的DCS等底层控制系统与非实时性的不影响电厂安全运行的管理信息系统(MIS)隔离开来该层面就是目前国内重点研究的热门课题-实时监控信息系统SIS作为流程行业的特例火电厂具有复杂的生产运行特征和对安全运行的高度要求与其它流程行业和离散行业具有明显不同的特点针对电厂的实际运行状况进行信息和控制的集成建立适合大型火电厂的CIPS综合自动化体系无疑将会给火电厂和社会带来很大的经济效益2.3火电厂层次结构模型层次结构模型是对CIMS工程的一种结构化描述是整个企业CIMS的构造模块和关系的结构化模型集合是设计和实现CIMS的基础大型火电厂CIPS是以过程控制监控分析运行优化性能分析和故障诊断等为主的企业综合自动化系统参照美国国家标准局的递阶控制结构和Purdue参考模型提出一种具有5个层次和2个支撑系统的CIPS综合自动化层次结构模型9 上海交通大学硕士研究生学位论文经营管理信息管理信息系统控制流实时计算机网络系统分析调度信息监控信息系统/关系数据库系统信息流运行控制信息车间控制系统能源流控制保护信息功能组控系统执行采集信息驱动控制系统图2-2大型火电厂层次结构模型Fig2-2Structuremodeloflargethermalpowerplant(1)现场控制层该层是电厂的基础自动化系统直接对电厂的生产过程进行检测和控制包括各种检测仪表执行机构等通过DCS和PLC等控制装置采集设备运行参数和机组工况相关的实时数据在厂级实时监控信息系统中可以进行复现并采用相关技术进行性能分析(2)过程控制层按照电网调度中心的发电计划进行机组的协调运行保证系统安全经济的运行该层主要对电厂的各个工艺过程进行实时控制包括主厂房DCS内的燃烧控制系统给水控制系统蒸汽控制系统等(3)机组控制层也称车间控制系统完成各单元机组和辅助公用系统的控制处理和执行上层决策信息如各单元机组DCS各辅助公用系统PLCSCADA等并且为上层实时监控信息系统和上层的管理信息系统提供信息(4)监控分析层该层为全厂实时监控信息层是建立在对底层实时运行情况的基层之上完成全厂的实时监控性能分析经济优化运行全厂机组负荷优化分配等与实时过程和实时信息相关的监控功能(5)管理决策层参与指导或决定前三层中按业务流程需要进行重要决策的事务如燃料计划以及机组的大中小修及技改计划和年度预算等并根据来自前三层的各种物流资金流控制信息流等信息的汇总在辅助决策工具报表工具OLAP工具成本分析工具的支持下制定电厂的中长期发展规划实现企业利润的最大化该层为全厂的信息管理层完成全厂的物资设备管理财务人事管理资源管理等非实时性的事务管理和决策功能是企业领导的“管理驾驶舱”10 上海交通大学硕士研究生学位论文2.4火电厂TPP-CIPS集成体系结构从以上层次结构模型看管理决策层的功能系统为管理信息系统MIS监控分析层的功能系统为监控信息系统SIS上面这两层都为厂级自动化系统庞大的过程自动化系统有功能群控层和机组控制层来共同组成发电厂的递阶控制视图和系统功能图之间存在着相互对应的映射关系根据层次结构模型进行各层次功能子系统的分解建模然后通过计算机网络和大型历史/实时数据库系统实现信息的集成形成以大型历史/实时数据库系统为实时平台的大型火电厂CIPS集成框架模型图2-3给出了大型火电厂CIPS综合自动化系统集成平台火电厂底层自动化系统是实现整个企业信息集成的基础底层自动化系统包括有电气分散控制系统(ECS)单元机组分散控制系统DCS(包括数据采集系统DAS模拟量控制系统MCS顺序控制系统SCS炉膛安全监控系统FSSS)汽轮机数字电液控制系统DEH旁路控制系统BPCS给水泵汽轮机控制系统MEH汽轮机检测仪表系统TSI危急跳闸系统ETS自动调压装置AVR自动同期装置ASS优化吹灰控制系统空气预热器漏风控制系统汽轮机故障诊断系统TDM炉管泄漏系统烟气连续监测系统CEMS及脱硫DCS火灾消防报警系统化学补给水控制系统凝结水精处理控制系统废水处理控制系统除灰渣控制系统输煤控制系统电除尘控制系统循环水泵房控制系统及其它控制系统电厂底层控制系统的所有运行实时数据通过不同的接口被采集到TPP-CIPS中的实时数据库和历史数据库系统以大型实时数据库/历史数据库为基层的SIS则是新近提出的电厂CIPS综合自动化系统的核心和纽带从功能上SIS通过采集底层控制系统PCS等控制系统的实时运行数据来实现电厂的运行优化负荷优化分配经济性能分析设备故障诊断设备状态维修以及设备寿命管理等SIS还可以将实时/历史数据上传给企业MIS中的设备财务档案人事和资源等管理系统起着承上启下的作用在物理结构上SIS既是一个过渡层面同时又起着隔离带的作用11 上海交通大学硕士研究生学位论文实时监控负荷分配决策管理信息发布性能分析运行优化财务管理安全管理故障诊断寿命管理设备管理资源管理实时监控信息系统RT-SIS管理信息系统MIS计算机硬件和网络系统计算机硬件和网络系统大型实时/历史数据库系统先进优化故障报警性能分析事件记录信号处理控制处理计算保护控制运行参数运行参数操作指导报表打印策略显示设置信息交换协议与接口规范111###炉给汽1其电辅脱#膛水1轮机1它气助硫#安泵旁机组机分设分机组E散备D散F全M汽B路统数D集组控C控控C控SS检E轮PC控D字C散SSSS测H机S制EH电S控C制制制制A控控系液制系系系系D制制统控系A统统统统系系制统统统系分布式异构数据库计算机网络支撑系统现场仪表设备装置和控制系统全厂生产运行过程图2-3火电厂CIPS集成体系框架模型Fig2-3ArchitecturemodelofthermalpowerplantCIPS12 上海交通大学硕士研究生学位论文2.5本章小结CIM理论已经广泛应用在离散制造行业并且显著提高了企业的运行效率和市场竞争能力本章简单阐述了基于CIM理论的流程行业CIPS的研究状况和流程行业CIPS的体系结构在此基础上分析了目前火电厂生产运行的信息特征针对目前火电厂生产控制和管理之间信息鸿沟以及电厂的复杂分散的工艺控制系统形成的自动化孤岛现状和电力系统实施厂网分开竞价上网的运行特征提出了电厂生产管理-控制一体化结构模型并给出了火电厂TPP-CIPS的集成层次结构的功能设计并指出在实施火电厂生产信息化集成的过程中结合电厂的实际运行情况可以按不同的功能模块进行分步实施是以火电厂底层先进的集散控制系统是实施为基础以实时数据库系统为实现信息集成的纽带和桥梁以火电厂实时监控信息系统SIS为实施电厂管理-控制一体化CIPS的核心13 t-海交通大学硕士研究生学位论文第三章火电厂实时监控信息系统SIS体系结构及其功能设计3．1SIS体系概述目前国内多数火电厂都装备了控制系统(DCS、PLC、RTU等)，管理信息系统MIS也逐渐建立起来，但基本上是管理归管理，控制归控制，各台机组运行监控方式仍停留在单元机组自动化阶段，使得效益的进一步提高受到限制。为了降低成本，减少风险，丁是管控一体化成为各发电企业考虑的一个重人课题，火电厂厂级实时监控信息系统SIS正是应这种要求而产生的。随着电力体制改革的深入和电厂信息化建设的开展，为了在保障电厂安全生产的前提下，最人限度发挥机组效能，提高生产管理水平，降低发电成本，取得上网优势，电厂厂级实时监控信息系统(Real-timeSupervisoryInformationSystem．SIS)近几年在国内得到快速发展。经过几年的摸索实践，国内对SIS系统的认识逐渐趋丁统一：“火电厂厂级监控信息系统是主要为火电厂全厂实时生产过程综合优化服务的生产过程实时管理和监控的信息系统。”2000年国家经贸委颁发的《火力发电厂没计技术规程》(DL5000—2000)第12．10条“厂级监控和管理信息系统”rr『明确规定，“当电厂规划容量为1200MW及以上、单机容量为300MW及以上时，可设置厂级实时监控信息系统。”尤其近两年来，电煤资源供应紧张，发电成本明显增加，如何挖掘电厂自身潜力，通过优化生产降低煤耗和供电成本，在有限的资源条件下发尽可能多的电，成为电厂当前迫切关心的问题，实际的电厂生产需求人人促使了电厂实时监控系统SIS的研究和开发。SIS属厂级生产过程自动化范畴，以分散控制系统DCS为基础，以安全经济运行和提高电厂整体效益为目的，是实现从DCS系统到管理信息系统MIS的桥梁，从而在全厂范围内实现信息共享和管控一体化。SIS在电厂自动化、信息化架构rr【所处位置如网3—1如示。一方而，SIS采集下层所有机组级／车间级控制系统的生产实时数据，实现性能优化、故障诊断、负荷分配等功能；另一方面，将机组状态信息和性能信息发送给上层的MIS。SIS处丁具有高精度、高速度、高可靠性要求的DCS与实时性要求不高的MIS之间，是电厂自动化、信息化架构rr【的过渡层而，起到隔离作用。从图3—1给出的SIS在电厂自动化、信息化架构rr【的位置，在整体系统架构上，SIS主要由下层数据采集、实时／历史数据库，以及基丁数据库之上的各种功能软件 上海交通大掌硕士研究生学位论文组成。对丁-SIS应该包含的主要功能，经过儿年的探索与实践，各方面意见基本趋向一致：即包括生产过程信息监测和统计、性能计算和监测、经济性分析和优化、设备状态监测和故障诊断、设备寿命监测和管理、优化运行调度等。而且，SIS功能软件的研制开发是根据监控和管理的需要、开发应用的实践，不断充实和完善的；电厂在实施SIS时也须根据本厂实际情况来确定所需功能。l决策小l系统hll管理儿梁梁梁梁梁嚓l厂级P陛uuu蔓＼～管瑚信．鼠系缔平台历中斯椐雇系统—一，、0i(I．儿印圈圈(、T图圈睡J级p、．，UUU一陲～_三、>、≮-‘吐：II．I嘛{伞信，且系统、卜f÷。丈II．J／7Jj殳数扒¨女／-s：缔—尹，