【智能电厂】智能电厂解决方案

2018 年 11 月 19 日 产业智能官

杭州和利时自动化有限公司智能工厂业务部高级方案工程师费盼峰

和利时作为民族自动化企业的领军者，专注于自动控制、信息化、工业互联网、大数据、智慧城市等方面的技术研究和应用探索。经过20余年实践，和利时已成功开发出具有自主知识产权的DCS和PLC工业控制系统、智能仿真测试系统和生产管理软件系统，并大力发展基于工业互联网的智能工厂数据集成平台，成为业内领先的两化融合一体化解决方案供应商。电力能源行业一直是和利时的重要业务领域之一，近年来，和利时持续关注电力行业的发展，不仅为行业发展提供具有竞争力的产品，更针对不同客户新的需求、更高的标准，提供先进、优质的整体解决方案，深受用户信赖。本期记者采访了杭州和利时自动化有限公司智能工厂业务部高级方案工程师费盼峰，倾听和利时对于电力能源行业发展及未来趋势的解读。

自动化博览：和利时在电力能源行业提供的主要产品有哪几类？

费盼峰：面向新一代的数字化、信息化电厂建设，和利时推出了分布式控制系统HOLLiASMACS、汽轮机数字电液调节系统（T800S/T800F）、仿真系统HOLLiASSimuPlant、设备管理系统HOLLiASAMS、安全仪表系统HiaGuard、优化控制系统HOLLiASAPC、制造执行系统MES、和利时电气仪表等产品实现电站锅炉、汽轮机、辅机、脱硫、脱硝、热力网等全流程主设备和辅助设备的控制、保护和运营优化。

自动化博览：和利时在电力能源行业的竞争优势体现在哪些方面？

费盼峰：作为国内领先的自动化与信息技术解决方案供应商，和利时结合十几年的系统开发应用经验和国际主流DCS的系统功能，推出了HOLLiAS-MACS系统。该系统作为一套先进技术水平的DCS产品，具有信息化、混合控制、分散化、开放性和高可靠性等特点，已在电站控制工程领域得到了广泛应用。近年来已在20多台1000MW、40多台600MW以及200多台300MW以上大型火电机组上成功应用，实现了国产DCS在600MW、1000MW机组上的首台套应用。

和利时一直将电力能源行业视为最重要的业务领域之一，持续关注电力行业的发展，和利时的全厂一体化、孤网运行、燃烧优化、机组一键启停、现场总线控制及智能仪表设备管理等先进解决方案均得到了良好的应用。

和利时致力于不断提升客户的生产效率和产品品质，并保障企业的生产安全和降低环境污染。通过“集团化、产品化、国际化”的发展战略，搭建高效的集团管理平台，开发国际领先的自主技术和产品平台，全面推进国际化，实践“用自动化改进人们的工作、生活和环境”的企业宗旨。

自动化博览：您如何看待当下电力行业的信息安全问题？对此，和利时可提供哪些行之有效的产品或解决方案？

费盼峰：近年来，“互联网+”以及网络强国等国家战略的深入推进实施，信息技术和互联网的飞速发展，随之而来的病毒、木马、恶意攻击对工业控制系统的安全存在巨大威胁。全球能源互联，电网的规模不断扩大，复杂性增加，电网事故的影响范围更广，程度更深。鉴于此，防范和抵御网络攻击，需要对四个核心问题深入研究：一是构建“防火墙”，确保电网安全运行；二是健全网络与信息安全防护体系；三是严格遵循国家发改委2014年14号令《电力监控系统安全防护规定》、国家能源局《关于印发电力监控系统安全防护总体方案等安全防护方案和评估规范的通知》（国能安全〔2015〕36号）；四是行业、企业相关网络安全要求升级，优化信息安全顶层设计，建立健全全生命周期安全管理体系，严格落实网络隔离措施，深化智能可信技术手段，完善网络安全基础设施，打造“可管可控、精准防护、可视可信、智能防御”的信息安全防御体系。

和利时可提供以下信息安全产品：

（1）网络安全隔离网关HH800GS

该产品通过公安部认证，采用双CPU架构设计，内嵌通讯白名单，通过物理开关控制数据流向，并具有低功耗、全封闭特点，可适应工业现场复杂环境。单网关数据处理能力大于35,000点/秒，单网关远程操作站带载能力大于64。该产品可作为电力生产网络与管理及办公网络的有效隔离，在生产网络边界作为数据远程传输的硬件载体，并有效阻断对生产网络的恶意攻击。

（2）计算机防病毒卡HH800K

在生产网络中的计算机及服务器必须具有防病毒的能力，该产品是基于白名单机制的端防病毒终端。主要特点：主副卡机制，管理和运行分离，能够适合自动化系统软件运行方式，并支持Linux和Windows操作系统实现不停机部署。

此外，和利时目前在与高校和研究院合作，研究建立覆盖管理层、监控层、控制层与部件层，结合功能安全、信息安全、操作安全，实现贯穿设计、运行、服务等全生命周期的主动防御体系方案。

精彩案例

和利时智能热网解决方案助力供热运营企业节能提效

1 项目介绍

随着环保要求的不断提高，城市集中供暖小锅炉逐渐被关停，热网接入成为城市的主干网，由热电联产机组大型热源厂或专业热力公司负责热网系统的生产运营。随着热网的不断扩增，集中供热系统变得更加复杂，给热网在运行调节上带来了重重困难。

一方面，热网遍布广泛，用户规模庞大且类型众多，建筑的热特性、环境的变化、热网辅助机构等因素给运行调节负荷目标提出了更高的要求；另一方面，由于热网的特殊性，任何一处支路的调节，会对其它支路造成影响。当大量支路同时投入自动调节时，控制逻辑若选择不当，很容易使各支路的流量及压降出现不可预知的扰动甚至是震荡，造成系统失稳，能源浪费和加速调节阀等设备的冲击磨损。

和利时通过对热网生产运行企业进行调研，研制出具有自主知识产权的供热负荷计算、水力平衡控制模型与评价方法，形成智能热网解决方案中的核心产品，可应用于大型集中供热热网的实际生产运行，为企业带来可观的经济效益。

2 项目实施

和利时智能热网解决方案旨在基于实用的原则提出行之有效的方案，从当前大型热网运行调节中的决策、执行、评价三个主要环节入手，提供相应的产品，解决由于外部环境影响、管网结构复杂及回路间干扰带来的调节控制困难问题，助力供热运营企业提高生产运行效率，提升节能水平。

图1 决策、执行、评价三个主要环节

2.1 技术难点分析

2.1.1 供热负荷计算的难点

热网的调度任务决策系统的核心是计算当前及未来规定时间内系统所需的热负荷，只有准确计算出热负荷，才能进一步分解、调节控制目标，下发至执行层执行。若负荷计算不准确将造成能源浪费或欠供而导致供热质量下降。

当前，集中供热的负荷通常是根据环境温度计算获得，未考虑建筑物热惰性对实时负荷的影响。由于建筑物综合热惰性的存在，室外温度对室内的影响存在衰减和延迟性。由于太阳辐射的存在，建筑物的热量增加，所需的供热实时负荷会相应减少。如图2、3所示。

图2 典型日受太阳辐射影响建筑物各面供热量下降比例

图3 典型日受太阳辐射影响建筑物各面供水温度下降量

以齐齐哈尔某居民楼为例（室外温度-20℃/室内保持18℃），受太阳辐射的影响，南北两向供热量日平均下降可达8.26%，供水温度日平均下降可达2℃。同样的，以北京某居民楼为例，是否考虑建筑物的热惰性，两者计算负荷偏差约达10%，供水温度偏差3℃左右。如表1所示。

表1 建筑物热惰性对计算供热供水温度的影响

因此，如何综合考虑室外气温、太阳辐射及建筑物的热惰性以提高系统热负荷计算的准确性，是目前负荷计算面临的较大难点。

2.1.2 热网负荷调节目标控制执行的难点

热网系统是由数量庞大的管段串联或并联组成，任一管段或支路的调节变化，都将引起整个系统阻力状况的变化，从而影响各支路的流量变化。换热站自动化改造后，一次网各支路通常装有流量调节装置及控制器，各支路通过控制器调节此装置以实现所需的供回水温度。温度的调节本质上是对一次网流量的调节，目前普遍采用常规PID控制器进行自动调节。热网中大量支路投入自动后，各支路的控制目标变化时，自主调节系统平衡被打破，系统会产生长时间的扰动甚至震荡，造成失稳，使加快调节阀等设备受到磨损，降低设备的可靠性。如图4、5所示，仿真程序模拟了两个支路间控制目标改变而引起的系统失稳现象。由于管网阻力特性，当系统从一个平衡态切换到另一个态的过程中，任何支路的扰动都会对其它支路产生影响。当系统由几十甚至上百个支路组成时，系统的控制调节显然会更加困难。

图4 带二支路的管网流量PID控制仿真模型

图5 带二支路的管网流量调节流量震荡仿真

2.1.3 供热大数据实时评价计算的难点

对于大型的热网，其接带面积达到几百万甚至千万平米，覆盖城市各地区。热网产生的实时工艺数据量巨大，实时评价系统要求对热网的能耗、室温、控制的效果等进行流式计算及任意指定时间段内的追溯、分析及快速查询。但由于热网系统传感及计量网络是异构，既有光纤网络、也有3G、2G网络，从传感器到达系统的采集时间往往产生乱序，常常会发现滞后的数据收集，从而给数据的存储及数据处理带来不便。与此同时，对于实时控制效果、能耗的评价，系统必须连续计算成千上万的计量及传感器的数据，进行必要的长期存储，这些计算既包括一些简单的聚合，同时也有一些复杂的供热专业计算。

2.2 关键技术研究

2.2.1 考虑建筑物热惰性及太阳辐射影响的供热负荷计算研究克服现有技术中存在的不足，提供一种考虑建筑物热惰性及太阳辐射影响的动态负荷计算方法，可较为准确可靠地确定二网供回水控制目标温度，最终避免造成过供或者欠供。

2.2.2 基于模型的热网系统平衡调节控制算

法及相关控制策略的研究主要通过运用水力计算分析与数据挖掘技术相结合，构建热网水力平衡调节在线模型，并与热网SCADA系统进行数据通讯，通过模型的预测仿真进行控制参数的优化，最终实现平衡控制，控制目标的达成。

2.2.3 基于时序数据库等技术的实时评价系统研究

利用时序数据库技术及分布式流式计算框架对海量传感及计量数据进行计算处理，包括数据的聚合，以及不同空间不同时间段内的室温、水量、电量、热量等实时评价指标的计算、存储及实时动态窗口的数据查询。

2.3 项目创新点

本项目提供了一套从热网运行控制目标决策、执行到效果评价的完整解决方案。考虑太阳辐射等多因素的负荷预测方法，利用机理模型与数据挖掘技术相结合，构建热网平衡控制模型实现平衡控制，解决了传统控制算法系统不稳定性，提高控制层的可靠性，对运行决策及控制效果实时评价。

3 效益分析

和利时智能热网解决方案基于底层对集中供热网自动化改造之上进行部署，投运后，能起到明显的节能降耗效果，为直供电厂或供热企业带来显著的经济效益。

2016～2017年采暖季，某热力公司对该产品在热网系统上试用。试运行后，能耗明显降低，用户投诉率大幅减少。运行一段时间后，和利时通过能耗分析系统对节能情况进行评估与分析，经过初步测算，正常投入运行后，按该热力公司现有接带的1000万m2供热面积计算，使2016～2017年供热季实现单位面积耗热量从

0.51GJ/(m2·a)下降到0.467GJ/(m 2·a)，下降达10%以上，一个采暖季至少可节约热量66万GJ，每年可节标煤约2.6万t，实现减排CO 2为6.7万t， SO2为622t，NOX为181t，粉尘为1.8万t，为集中供热的发展和节能减排事业做出突出贡献。

摘自《自动化博览》2018年9月刊

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