智慧电厂设计方案及关键技术

第1页共143页智慧电厂设计方案及关键技术1.综述智慧电厂是通过采用先进的信息技术，实现生产信息与管理信息的智慧，实现人、技术、经营目标和管理方法的集成，是企业管理思想的一个新突破。智慧电厂信息系统管理是将信息技术贯穿于电厂的整体管理流程，可为管理者及时提供过去和现在的数据，并能够预测未来和引导企业人员的工作，使信息技术与电力工业技术、现代管理技术有机融合，全面提升电厂的生产技术和经营管理水平，提高企业经济效益，增强电厂的核心竞争能力。电厂信息化系统可以定义为：综合利用计算机技术、网络技术、软件技术等现代信息技术，融入先进的管理思想和技术策略，建立贯通发电企业生产经营管理各环节的信息网络，对企业各环节产生的信息数据进行采集、分析、处理、控制和反馈，通过生产实时系统与管理信息系统网络、集团信息网络相联，实现信息资源共享与管控一体化，为整个发电企业或集团的生产管理与经营管理服务。实现电厂生产经营管理的智能化和自动化。第2页共143页信息系统在智慧电厂中起着举足轻重的作用。一方面，生产信息系统采集并长期存储生产过程实时数据，建立了全厂统一的生产信息平台，为实现智慧电厂奠定了基础。同时，生产信息系统的性能计算与分析、故障诊断等功能为优化机组运行提供技术支持。另一方面，管理信息系统对电厂的设备状态信息、检维修过程信息、经营管理信息等数据进行整合挖掘和智能分析，实现对电厂的生产、经营和发展规划提出决策支持。2.建设思想与原则智慧电厂信息系统建设总体思想与原则：统一规划、融合设计、分步实施、控制造价。在具体设计当中，注重以下方面要求。2.1.1.标准性原则本方案在总体设计、规划上严格遵守国际、国家、电力行业及集团制定的有关规范和标准。系统能够满足在未来一定时期信息化发展要求和扩大升级的可能性，能够最大限度地利用现有应用系统，从而保护既有投资，节约信息化建设的总体成本。2.1.2.先进性原则信息系统是先进的管理思想、管理手段与软件系统的有机集成，融合了信息技术、设备管理理论、现代物流理论等先进的管理思想。系统架构方面系统采用国际领先的多层技术构架，全面集成生产信第3页共143页息、管理信息业务。实现在设计思想、系统架构、采用技术、选用平台上均要具有先进性、前瞻性、扩充性、开放性的总体目标。符合J2EE规范，支持中间件技术，实现了“服务器端控件”的思想，并贯穿了工作流技术，实现了系统快速开发、敏捷定制的特点，确保系统始终处于同类产品领先地位。主体程序采用多层纯B/S体系架构，对软件的升级与修改只在应用服务器端进行，对用户透明，保证用户随时享有最新版本的软件产品。系统在设计思想、系统架构、采用技术、选用平台上均要具有先进性、前瞻性、扩充性、开放性。尽可能采用当代先进、成熟和具备发展潜力的基础架构平台，采用模块化组件技术、面向对象开发技术及基于Web的门户技术等，实现企业应用及电子商务的灵活部署与扩展，可以全面集成系统内部及外部各系统，既要保证系统满足现在的要求，又要适应未来技术的发展。采用现代管理思想和理论，吸收国内外成功经验，帮助企业管理水平上一个新台阶。2.1.3.完整性原则智慧电厂信息系统规划设计遵循系统性和完整性原则，把整个电厂信息系统看作一个有机整体，全盘考虑，统一规划，避免信息孤岛的产生，避免局部系统优化时对总体目标的损害，争取达到整体最第4页共143页优化。功能模型全面覆盖智慧电厂业务需要，生产信息、管理信息充分融合设计，业务信息的重新整合，实现业务逻辑的统一和畅通。2.1.4.实用性原则遵循实用性原则，在硬件和系统软件平台的建设规划方面充分考虑电力企业特点，适合电力企业组织形式、业务要求和工作习惯，将生产信息与管理信息融合设计，便于数据信息的收集、存储、维护与更新，便于软件系统的升级维护。为适应电厂不同层次人员，使用简单、实用、人性化，提供灵活、方便、高效的工作平台。2.1.5.开放性原则遵循开放的设计思想，符合各种形式通讯标准及通用开发平台的接口标准，具有良好的可移植性、可扩展性、可维护性和互连性。按照分层设计，实现软件模块化实现。一是系统结构分层，业务与数据分离；二是以统一服务接口规范为核心，使用开放标准；三是模块语意描述要形式化；四是提炼封装模块要规范化。2.1.6.安全性原则遵循安全可靠性原则，硬件网络系统方面的安全防护规划设计，同时，在软件系统方面有一套完备的安全体系，切实可行的安全技术。数据库和网络具备跟踪功能，能根据记录追查到非法访问者；系统在数据级别上的权限分配和控制；第5页共143页提供可靠的数据备份策略和方案；基于日志的安全审计。2.1.7.经济性原则统一规划、分步实施的前提下，充分考虑经济性原则。最大限度地控制项目实施风险、节约投资。可以在当前条件下实施满足当前需求的功能模块，随着管理水平和管理素养的不断提高，在条件允许时再跟进实施扩展功能模块，而后续的功能模块可以无缝地与前期实施的功能模块进行集成，最大限度的保护了既有的费用投资和数据投资。软件功能融合设计，避免投资过度，有效使用信息投入资金，明确软件建设的目标方向，提高投资的效益。3.信息系统设计方案3.1.信息系统总体功能结构智慧电厂信息系统总体功能结构展示了功能设计的主要思想，指明了建设的具体内容、各个组成部分之间的关系以及它们在应用体系框架中的位置。功能结构如图所示：第6页共143页信息系统总体功能结构图总体功能是在“统一规划、融合设计、分步实施、注重实效”指导思想下，基于统一的硬件网络规划设计，搭建大集中的过程控制系统层，集成生产实时数据和管理关系数据库的数据层，在满足系统安全策略的前提下，应用功能分为以下五大部分：生产管理部分包括：运行工况监视与查询，运行统计与考核，性能计算，耗差分析，运行优化，负荷优化分配，控制系统优化，应力与寿命管理，设备状态监测与故障诊断，数据归类统计，设备可靠性管理，机组在线性能试验，参数劣化分析，短消息中心，机组运行故障诊断，控制系统故障诊断，金属安全监督，系统管理，氧化锆氧量分析，锅炉承压管泄漏在线检测，烟气排放连续监测，汽机第7页共143页振轮动在线监测与故障诊断，飞灰含碳在线检测，磨煤机CO监测系统，火焰检测系统，运行管理系统，安全监察管理系统，技术监督管理系统，班组管理系统。资产管理部分包括：设备管理系统，维修管理系统，工程项目管理系统，物资管理系统。经营管理部分包括：财务管理系统，计划统计管理，预算管理系统，燃料管理，综合查询。行政管理部分包括：办公自动化系统，企业网站，党群管理系统，人力资源管理，档案管理。3.2.其他部分包括：仿真研究系统，视屏监控，视屏会议，门禁管理系统，信息安全。3.3.信息系统硬件网络拓扑结构考虑全厂信息共享和网络安全的要求，采用两级或多级交换模式，将控制系统、厂级监控信息系统、仿真研究系统、管理信息系统分别设置成单独的局域网络。各个网络之间通过不同的网络安全防范机制确保网络安全与数据安全。网络系统支持数据、语音、视频等，提供短信、传真、电话、移动办公等的支持。电厂信息化总体网络拓扑如图所示。首先，控制系统在电厂中处于安全等级最高的层面，生产信息系统第8页共143页通过与各个控制系统分别设立接口机的方式实时采集生产数据；以确保各控制系统之间不发生相互影响，同时，接口机还可完成数据缓存功能，系统维护及故障时，保证实时数据完整不丢失。相对管理信息系统而言，厂级监控信息系统通过安全网络隔离装置，将实时生产信息发送至管理信息系统中相应的镜像服务器中。管理信息系统中所有关于生产实时信息可从访问镜像服务器处获取。仿真研究系统从生产系统中获取机组实时数据。最后，管理信息系统中设置必要的Web服务器，可将必要的信息在Internet上发布，以便于某集团对电厂生产经营情况的掌握，实现信息资源共享。视频监控系统采用数字IP技术，运行在MIS网络上。具体硬件及网络组成如下。第9页共143页(1)控制网络接口设备（采集接口机）提供信息系统采用的与下层控制网络（DCS、水、煤、灰渣、脱硫等）的数据接口设备，这些接口设备对于下层控制网络数据的读取应有严格的授权。信息系统不应对下层控制网络进行修改、组态或对工艺过程进行直接控制，不应影响下层生产控制网络的控制功能。(2)网络单向隔离装置为全厂过程控制计算机网络的安全，信息系统中的生产实时数据可按完全单向的由实时历史库流向生产管理信息系统原则设计方案，设置单向物理隔离装置(网闸)。（3）交换机第10页共143页生产信息部分：2台具有高度稳定性和可扩充性的核心交换机，具有全对称多处理器的硬件体系结构的交换机，交换机结构形式为机架式工业交换机，路由交换机具有IP优化的网络性能设计和优秀的网络划分功能，通过多条负载均衡的独立的并行总线互连，在任意一个处理器和网络接口模块出现故障时都不影响其它模块，所有的功能部件(电源、系统总线、处理器模块、风扇、网络接口模块等)均冗余热备和可热插/拔。管理信息部分：2台具有极高的性能和可靠性的网络核心交换机，交换机应支持1000MB和100MB双绞线、1000MB和100MB光纤模块。具有1000MB交换机所要求的高性能，高可靠性和组态灵活性。交换机可支持冗余引擎、冗余路由、冗余端口和冗余电源。（4）数据库实时数据库：保存电厂所有生产过程实时信息和计算、分析结果数据（2×300MW机组点数按6万点）的保存时间至少达到6年，经压缩的数据恢复的扫描时间应不大于15毫秒。数据包括与OPC定义相同的数值(V)、时间标记(T)与质量标记(Q)，其时间标记必须是数据在DCS或其他实时控制系统中原始采集的时间，而不是生产信息接受到数据的时间。实时历史数据库软件可通过分布式结构支持50万甚至更大的标签点个数，以满足集团级需求；支持网络中断时的数第11页共143页据缓冲功能；实时数据的读取可达2.5万/秒（单客户），并发访问时可达更高。关系型数据库：关系型数据库有一个很好的安全性。一个关系型数据库的访问权限，允许数据库管理员的实施需要为基础的权限来访问数据库表中的数据。关系型数据库支持的概念，用户和用户权限，从而满足数据库的安全需求。关系相关的特权，如创建权限，授予特权，选择，插入，删除权限，授权不同的用户对数据库的相应的操作。（5）服务器和工作站要求管理信息系统数据库服务器：配置两台UNIX或LINUX服务器（小型机）做数据库服务器，双机集群，配置高可靠性光纤存储、冗余电源，用于管理信息核心应用系统。应用服务器：配置六台PC服务器，用于办公自动化系统和业务系统等应用系统，2台作为关键应用服务器，4台作为普通应用服务器。存储系统：采用SAN存储体系，具有数据保护、高可用性、多平台支持等特性，利于投资保护；可进行RAID存储方式的设置，支持36drives(1.3TB)的存储。实时历史数据库服务器配置：方案1：配置2台服务器组成实时数据库服务器集群，共享一台普通外置磁盘阵列或设置存储局域网（SAN）第12页共143页系统，磁盘阵列做RAID5，磁盘阵列的容量至少能满足存储3年或者一个大修周期历史数据的要求。方案2：配置1台容错服务器，采用全硬件容错结构的机架式容错服务器，所有部件包括冗余的CPU及内存模件，冗余的I/O及硬盘模件，冗余电源和风扇，均应支持在线插拔。可靠性不低于99.999%。过程管理功能站服务器：功能站应采用安全、可靠、先进的机架式服务器，它们应可作为数据库服务器的客户机，从接口设备或数据库服务器中获取过程信息进行分析、计算和显示，并将计算分析结果存入数据库，供其它客户机或系统调用。Web应用服务器：从网络中获取实时过程数据和从数据库中获取过程信息和计算结果，对客户端服务请求进行响应，为生产运行管理人员提供过程画面监视、工艺参数查询、历史趋势、考核统计、报表生成等基本功能，采用B/S结构。镜像服务器：由于生产实时历史数据库与管理信息之间存在单向物理隔离装置，因此设置一台安全、可靠、先进的机架式服务器，用于向全厂信息系统提供生产过程实时数据（6）工作站要求网络管理维护工作站：提供网络管理维护工作站为网络管理和开发