★南京科远智慧科技集团股份有限公司门冉，方正，蔡宁宁

★中国电机工程学会何永君

★江苏省热工过程智能控制重点实验室章禔

★广东粤电花都天然气热电有限公司李贺延，余智健

电力行业的数字化、智能化发展已上升到国家战略层面。自2016年以来，国家陆续发布了多个促进能源和信息深度融合、鼓励能源企业运用大数据、智能化技术推广以及提高能源利用效率和安全稳定运行水平的指导文件^[1~2]。国家能源局还发布了推进能源数字化发展的指导意见，明确要求加快火电、水电等传统电源数字化设计建造和智能化升级，推进智能分散系统发展和应用。这些都对控制系统智能化发展起到了极大的推动作用。

1　控制系统概况

分散控制系统（Distributed Control System，DCS）是智能控制系统（Intelligent Control System，ICS）的基础。ICS在DCS基础上应用智能化技术，是DCS的高级应用拓展。ICS的研究、设计、研发和应用需深入了解DCS的特点及发展过程。

1.1　国内DCS现状

国产DCS经多年发展，在技术水平上与国外系统相当，能满足国内企业应用需求，且在自主可控方面有较大发展。我国DCS厂商包括国电智深、国电南自、华能瑞沃、南京科远、和利时、浙大中控和上海新华等^[3~4]。其中，南京科远NT6000、国电智深EDPF-NT及GD99、和利时HOLLiAS-MACS、浙江中控ECS、上海新华TISNET等控制系统在国内已有较多成果应用，涵盖了大容量火电机组、大型石化、大产量建材和冶金等流程工业^[3]。

1.2　国内ICS发展情况

近年来，国内控制系统已逐步向ICS发展，主流厂家相继推出了各自的ICS，如科远智慧ICS、国电智深iDCS、华能睿渥HNICS、中控InPlant MDS等^[5~8]。随着ICS的重要性越来越高，ICS行业标准也在起草编制中，预计明年公布出台。国内已有发电智能化、数字化和ICS的建设应用实践，如大唐北京高井热电、大唐南京热电、国电东胜、大唐姜堰热电、大唐南电、京能十堰电厂、国华京燃热电、江阴利港和华电莱州电厂等^[3~7]。

目前，ICS发展时间较短，在智能技术应用方面仍未有颠覆性突破，其整体上仍采用在DCS上搭建高级应用服务功能的架构^[3~7]。本文针对ICS在生产一区的实现阐述其研究和应用。

1.3　ICS技术特点

基于行业发展新情况、智能化发展需求以及在实践中的应用总结，ICS应具备以下特点：

（1）网络分层设计，在传统DCS网络（即实时控制网）基础上并行设计高级应用服务网；

（2）生产过程数据采集、存储及高级应用功能在高级应用服务网实现，实时控制网提供数据接口并接收高级应用运算结果；

（3）配置高级应用功能硬件，包括高级数据服务器、高级应用服务器和高性能控制器等；

（4）采用标准数据接口，与实时控制系统无缝融合，不对实时控制系统产生过大干扰，确保实时控制网安全可靠；

（5）支持主流先进控制功能，包括模糊控制、自适应控制、DMC、MPC和GPC等；

（6）人机交互性能更高，画面刷新速度更高，支持视频信号接入、三维模型展示、web数据交互、关系型数据交互等；

（7）实时控制网和高级应用服务网均应满足最新网络安全技术要求。

本文所述的ICS架构由两部分构成，包括实时控制系统和高级应用服务网系统。

2　ICS系统研究

ICS网络架构的研发及应用需要在考虑数据高效应用的同时兼顾实时控制系统安全稳定运行，以保证数据安全和网络安全^[3~7]。

2.1　硬件配置

ICS高级应用功能依赖于高性能应用服务器、高性能数据服务器、高性能控制器和相关网络设备等^[9~13]。ICS主要硬件配置的性能要求如表1所述。

表1 ICS硬件配置技术要求

以上配置为ICS高级应用服务网设备的参考配置，在实际应用中应当根据功能实现的需要进行调整，包括硬件性能和数量的调整。

2.2　网络设计

（1）高速冗余

高级应用服务网可实现ICS的数据采集、数据高效应用，以及与实时控制系统的数据交互，其配置关系到ICS的高级应用功能是否能正常实现。

高级应用服务网作为生产数据高速公路，需至少配置为千兆冗余网络，还应设计网络诊断功能，实时检测网络运行状况，在发生异常时及时发出告警。系统中无网络短板，所有网络设备必须均配置为千兆及以上设备，包括所有服务器、工程师站、历史站、操作员站和智能监盘站的网卡、交换机网口、光电转换设备、防火墙以及隔离网闸等^[3~7]。

（2）分层设计

高级应用服务网按机组级和厂级分层设计搭建，以实现不同层次功能。机组级数据通过高级应用服务网单向传输到厂级高级应用服务网，机组级高级应用服务网与厂级高级应用服务网之间配置单向网络隔离设备，如防火墙或隔离网闸等。机组级高级应用服务网数据在机组控制系统中展示和交互，厂级高级应用服务网数据在单独设置的智能监盘站或客户端中展示和交互。

（3）数据分流

ICS高级应用服务网应能适应极短时间内大批量数据的读取和处理。为保证整个网络负荷不至于过载，在原有控制网络上并行搭建高级应用服务网（C/D网）。高级应用功能的数据在CD网中传输和交互，可设置网络占用限制，当运算过程占用的网络带宽过大时能及时限制网络带宽增加，CD网网络异常不影响实时控制网络的稳定运行。

（4）数据交互

由于整套机组的生产运行数据是ICS高级应用功能的基础，因此设计研发合理的数据采集功能尤为重要。在ICS中，数据采集需兼顾采集效率以及对实时控制系统的影响。为提高数据利用效率，应根据应用场景的不同，设定不同数据采集周期。

高级应用服务网的计算结果，应当高效安全地传输至实时控制网（包括监视画面和控制器）。在数据传输设计中，应限制数据传输过程对实时控制网的资源占用，并应优化数据传输规则。

2.3　应用冗余

应用冗余包括数据采集及存储的冗余以及高级应用功能计算的冗余。在数据采集过程中，两台数据服务器分别从冗余实时控制系统站点进行数据采集并存储。两台数据服务器一运一备，软件配置保持一致。在高级应用功能计算方面，应用服务器冗余运行，一运一备。当正常运行服务器出现异常后，可自动切换为备用服务器运行。在异常服务器恢复正常后，能够自动同步地应用服务器的数据、软件配置、算法和模型。

2.4　智能控制

ICS设计配置连接实时控制网和高级应用服务网的高性能控制器。高性能控制器作为先进控制功能运行载体，支持C、C++和Python等常用编程语言，支持高级应用功能专用数据接口，支持模糊控制、自适应控制、MPC和GPC等先进控制算法运行，可以实现APS、气温控制、燃烧优化、脱硫脱硝控制等功能。

2.5　人机交互

ICS在优化提升传统操作员站功能的同时展示内容更加丰富。ICS应能支持关系数据库的数据查询、web页面调用、展示和交互、高级应用功能配置和查询、三维画面展示以及视频信号接入等。为适应以上人机交互需求，ICS需提升操作员站、工程师站和历史站配置，如配置高性能显卡、多块显卡，SSD盘及SAS盘等；ICS需要开发针对性数据接口，以实现在高效调用数据的同时，不产生过大的网络冲击；ICS还需优化设计数据请求、发送和缓存规则，避免画面卡顿^[3~7]。

2.6　网络安全

ICS的安全防护应从边界防护、检测审计防护、终端防护、管理平台中心等方面进行，并应严格按照最新信息安全技术网络安全等级保护技术要求进行安全策略配置^[8]。

在ICS的实时控制网络和智能应用服务系统网络边界部署工业安全网闸，可以保护ICS网络边界安全，实现边界防护。工业安全网闸不仅能够通过专用硬件在电路上切断网络之间的链路层连接，还能够切断由外部发起的连接，保护内部网络。

ICS的审计防护应包含工业入侵检测系统部署、工业网络审计部署、工业日志审计部署三部分。不仅能够对工业网络传输数据进行即时监视，在发现可疑流量时发出警报或者采取主动反应措施，还能对网络数据流量进行入侵检测和告警。

ICS通过白名单、主机加固等手段完成终端防护。能够实现对工控系统信息安全相关要求，防止入侵、病毒等恶意行为对主机文件的非法篡改，设置对USB口、网络端口管控+进程访问的控制，防止软硬件形式的非法接入并及时告警。

3　ICS整体架构设计

3.1　功能架构设计

ICS功能分层次设计，如图1所示，在整体上实现数据共享、应用集成、数据交互，并通过功能部署实现软硬件一体化集成，实现数据、算法、算力的深度融合。其可分为数据源层、数据处理层和数据应用层。数据源层涵盖生产现场系统、传感器及智能终端等生产数据，智能传感器和智能终端等边缘设备数据经处理后送到ICS应用层。数据处理层分为数据链接层、数据存储层和数据应用层三个子层，其中数据链接层主要是进行数据采集，并通过私有通讯协议传输到数据存储层中；数据存储层将数据进行高效存储和交互，形成ICS实时/历史数据库，对外提供统一接口；在数据应用层对数据进行读取、分析和特征提取，并调用专有算法库进行数据分析和数据建模。数据应用层实现人机交互层和功能实现，服务运行人员。

图1 ICS功能层次设计

3.2　网络架构设计

根据本文第二部分的研究结果和功能层次设计，本项目设计部署在生产一区的ICS网络架构。典型ICS网络架构原理图如图2所示。

图2 典型ICS网络架构图

在该网络架构中，A网和B网为冗余实时控制网，C网和D网为冗余高级应用服务网。单元机组部署高级应用服务网，若部署三层交换机，公辅系统高级应用功能可在机组高级应用服务网中实现。DCS各站点、服务器和高性能控制器均连接A、B、C和D网。机组高级应用服务网通过隔离装置向厂级高级应用服务网络单向传输数据。厂级高级应用服务网部署的客户端、高级工程师站、厂级数据服务器和厂级应用服务器连接C网和D网。

4　典型ICS应用

4.1　ICS应用典型架构

科远智慧作为国内较早提出并实践智能控制理念的先驱，有不少ICS的成功应用案例。其某2×9F联合循环机组ICS网络架构图如图3所示。

图3 某2×9F联合循环机组ICS网络架构图

该应用案例，按照本文所述研究进行ICS架构设计以及智能预警、智能控制、智能分析和智能监测功能的开发和应用。智能预警、智能分析和智能监测主要依托高级应用服务网实现，智能控制依托高性能控制器实现。图4~图11所示为某联合循环发电机组进行智能控制系统功能实现的展示画面。

图4 智能预警

图5 智能预警-燃机热部件预警

图6 智能分析-性能计算

图7 智能分析-耗差分析

图8 智能监测-换热器效率

图9 智能监测-调节品质评估

图10 智能控制-APS启动 

图11 智能控制-APS停机

4.2　ICS应用案例

基于本文发电机组智能控制系统的研究和应用，我们在国内实施了多个ICS项目，涵盖了燃机发电机组、燃煤发电机组和燃气发电机组等大中型发电机组类型，涉及电厂包括粤电花都、粤电永安、粤电滨海湾、深能源光明、大唐延安、大唐南电、国能舟山、内蒙古科右中和南京南钢等。在这些项目的应用过程中，ICS网络架构得到了实际验证，并实现了智能预警、智能监视、智能诊断和运行优化等功能，在提高机组运行经济性、安全性和智能化方面有显著作用。

5　总结

近年来，能源行业新的发展方向对电力行业提出了智能化的要求，智能化技术的发展为电力行业智能化的实现提供了技术支撑。经过各发电集团和DCS厂商在发电行业智能化探索和实践，发电机组智能控制系统架构日趋完善，能够实现的功能也日渐丰富，后续将在发电行业发挥越来越大的作用。

作者简介：

门　冉（1989-），男，河南南阳人，中级工程师，硕士，现就职于南京科远智慧科技集团股份有限公司，研究方向为发电机组优化控制、发电智能化技术研究和应用。

参考文献：

[1] 杨明, 杜萍静, 刘凤全, 等. 能源消费发展及预测方法综述[J]. 山东大学学报 (工学版), 2020, 50 (1) : 56 - 62.

[2] 中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要[N]. 人民日报, 2021 - 03 - 15(01).

[3] 胡波, 李响, 陈宏君, 等. 全国产分散控制系统组态软件框架的设计和实现[J]. 热力发电, 2021, 50 (12) : 13 - 20.

[4] 高耀岿, 王林, 高海东, 等. 火电厂智能控制系统体系架构及关键技术[J]. 热力发电, 2022, 51 (3) : 166 - 174.

[5] 刘吉臻, 胡勇, 曾德良, 等. 智能发电厂的架构及特征[J]. 中国电机工程学报, 2017, 37 (22) : 6463 - 6470.

[6] 崔青汝, 李庚达, 牛玉广. 电力企业智能发电技术规范体系架构[J]. 中国电力, 2018, 51 (10) : 32 - 36.

[7] 刘吉臻, 王庆华, 房方, 等. 数据驱动下的智能发电系统应用架构及关键技术[J]. 中国电机工程学报, 2019, 39 (12) : 3578 - 3587.

[8] GB/T 25070-2019, 信息安全技术 网络安全等级保护安全设计技术要求[S]. 北京: 国家标准化管理委员会, 2019.

摘自《自动化博览》2024年3月刊