1.   方案背景与目标

中煤新集利辛发电有限公司位于安徽省亳州市利辛县胡集镇，于2008年12月成立，装机规模为3320MW，分二期建设，一期工程2×1000MW超超临界燃煤发电机组于2016年10月建成投产，基建期先后获得省部级以上奖项121项，2018年荣获国家优质工程金奖，被列为国家第一批煤电联营重点推进项目，实现了全国工期最短、质量最优、安全最好、造价最低，是我国首座“科技领先、指标先进、绿色环保”的百万千瓦级“煤电一体化”标杆项目；二期工程2×660MW超超临界燃煤机组于2021年1月获得核准，正在建设，将于2024年迎峰度夏前正式发电，是安徽省“十四五”规划建设重点项目，致力打造国际领先的新型智慧电厂。

1.1.      虚拟化控制系统研制和应用的意义

中煤新集利辛板集智慧电厂作为能源领域首台虚拟化控制系统的研制和应用具有重要意义。

首先，虚拟化控制系统可以实现智慧能源的管理和调度。通过将能源控制系统核心控制器的虚拟化，可以实现对能源系统的远程控制，实时监测分析和优化。虚拟化控制系统支持强大算力，可以通过智能算法和机器学习技术，根据能源需求、供需情况和环境条件等因素，自动调整能源系统的运行状态，提高能源利用效率，降低能源消耗和排放。

其次，虚拟化控制系统通过5G的互联，能够实现能源互联和合作。随着能源互联网的发展，能源系统不再是单一的能源供给和消耗系统，而是通过互联技术实现能源生产、储存、输送和使用的全面互联。虚拟化控制系统可以通过智能化和自动化的方式，实现不同能源系统的互联和协同运行，提高系统的稳定性和可靠性。

第三，虚拟化控制系统可以实现自主可控的能源管理。传统的能源系统通常由集中式的调度中心控制和管理，缺乏对系统的实时监测和响应能力。而虚拟化控制系统可以实现能源系统的分布式管理和控制，每个设备和组件都具备自主决策和调度功能。通过实时监测和分析能源系统的状态和性能，虚拟化控制系统可以快速响应能源需求和变化，实现更加灵活和可靠的能源管理。

最后，虚拟化控制系统的研制和应用将受益于5G技术的引入。5G技术具有高速传输、低时延和大规模连接等特点，能够为虚拟化控制系统提供强大的网络支持和数据传输能力。通过5G技术，虚拟化控制系统可以实现能源系统的实时监测和控制，提高系统的响应速度和精确度。

总之，能源领域首台虚拟化控制系统的研制和应用具有重要的意义。它将推动能源系统向智能化、互联化和自主可控的方向发展，提高能源利用效率和可靠性，实现可持续能源发展的目标。同时，虚拟化控制系统的应用还将受益于5G技术的引入，为能源系统提供强大的网络支持和数据传输能力。

2.   方案详细介绍

虚拟DCS控制系统是探索DCS产品未来新形态的关键技术，主要研究内容为：

（1）虚拟控制系统基础研究，基于电力生产指定运行环境部署的可行性研究。

（2）研究虚拟机下控制器底层操作系统选型，包括操作系统运行周期稳定性和准确性。

（3）研究虚拟控制器软件架构、模块化设计及可扩展性。

（4）研究控制网通信网络结构、可靠性、安全性和控制器、边缘网关与IO的高速通信技术。

（5）研究虚拟化后多个控制器的冗余技术，包括控制网链路冗余，多控制器冗余网对带宽的要求、网络负荷的影响。

（6）研究5G技术应用于工业控制场景的可行性及接口装置及测试验证。

（7）基于板集电厂废水处理、输煤、除灰工艺系统特点，完成基于虚拟化DCS控制系统的工程设计、软硬件配置、智能控制等应用研究。

2.1.      生产云平台整体架构设计

本项目在机组DCS、公用DCS网段之上构建生产云与厂级云两级云平台。利用生产云计算基础设施强大的算力构建智能计算服务平台，部署智能寻优控制、智能监盘、及锅炉数字孪生等智能应用，同时，通过一体化通讯机制与DCS控制系统进行高效安全数据双向通讯，实现闭环实时控制，这样，就共同组成了一套基于生产云计算的电厂一体化的智能DCS控制系统（以下简称：ICS），成为电厂实现智能化生产提供强有力的保障。

图 生产云平台技术架构

和利时在大型燃煤发电厂的ICS发电控制系统建设方面有着丰富的工程经验和众多的实施案例，可为电厂提供以和利时DCS系统网络为网络基础拓展出智能控制所需智能优化控制站、基于私有云部署的大数据分析环境、智能计算环境、智能控制环境、智能算法组态环境和开放的应用开发环境，其中开放的应用环境可以为第三方的智能模块提供组态工具，支持第三方开发的算法模型、高级应用置于统一的生产云平台资源环境下运行。将常规DCS系统无缝升级成ICS系统，并确保不影响原有DCS系统的安全性和实时性。

图 生产云平台界面示意图

和利时智能生产云平台采用以智能发电控制系统（ICS）为核心，在传统DCS配置基础上扩展智能优化算法库、智能控制器、高级值班员工作站、高性能服务器等资源，为实现发电过程的智能监盘、智能控制、智能寻优提供可靠的软硬件环境。在智能发电控制系统上，在系统的智能控制器及高性能服务器中预留了运行第三方高级应用的开放环境，具备吸收各种优秀智能应用资源能力，实现机组APS智能启停、在线寻优控制、智能监盘等智能化的应用，实现机组智能发电控制及辅助运行。

和利时智能生产云平台设计包含DCS实时控制网、生产云智能计算网等多层网络并接入生产视频网络实现综合泛在感知。本项目网络结构图如下：

图 板集电厂二期生产云平台网络架构图

2.2.      系统架构

图 虚拟控制器系统核心架构图

本虚拟控制系统核心架构包括上位监控、虚拟控制器、网关和I/O设备，其中：

（1）上位监控

上位监控系统采用和利时MACS6.5.4版本，具备工程师站、操作员站、历史站等功能，包含HAMS,支持新的虚拟控制器组态和监控等功能，保持与传统DCS软件整体功能基本一致。

（2）虚拟控制器

虚拟控制器部署在服务器中，由硬件资源、虚拟化平台软件、操作系统及应用软件组成，具备传统控制器功能。通过虚拟化技术，一台服务器可以部署多个控制器。虚拟控制器支持控制器冗余，和上位机软件通过双以太网进行通信。

硬件资源：支持X86架构的商用PC机部署；

虚拟化平台软件：支持自定义虚拟化软件部署，可以在商业虚拟机上运行；

操作系统：虚拟控制器的操作系统采用实时操作系统RSlinux+实时补丁方式，保证控制器能够完成实时控制；

应用软件：虚拟控制器软件（RTS）架构。

（3）网络

整个系统中包含三种网络，即系统网网络、控制网网络、冗余网网络。

系统网：DCS工程师站、操作员站、历史站、AMS软件等与控制器通信的网络。

控制网：控制器与IO模块进行数据通信的网络。

（4）网关

完成虚拟控制器与IO模块间的以太网和DP之间的协议转换，实现云化控制器和I/O模块的通信。单网关支持4条链路独立DP。与控制器之间通过以太网（UDP）通信，支持两条链路冗余；5G网络部署在虚拟控制器和网关之间，通过5G网关实现有线转无线透传。

（5）IO模块

保持和传统IO模块一致。

图 板集电厂云化控制系统应用网络

板集电厂二期项目首次在电力行业应用基于DCS虚拟化的辅助车间云平台控制系统，取消辅网DCS控制装置，通过部署在生产云系统的虚拟DCS控制器实现控制、远程操作、统一管理等功能。

虚拟DCS控制系统通过在VMware ESXi虚拟化平台上运行的硬实时操作系统（RT Linux），代替传统分散控制系统控制器I/O控制、逻辑运算的功能。

虚拟DCS控制创新将5G技术与云平台、虚拟化控制器系统深度融合，开放硬件平台、实现软件与硬件解耦，参用分布式设计，实现资源池的虚拟化、分时共享、动态调配、弹性伸缩。

虚拟DCS控制系统的实施将促使传统工业控制系统由软硬件绑定架构逐步转向云计算架构，解决工业控制系统平台封闭、软硬件捆绑、建设周期长、资源利用率低、数据孤岛、大数据应用开发门槛高等技术难题，实现控制系统硬件软件化，打破自动化领域的国外大型供应商主导的垄断局面，推进软件国产化的数字转型。

虚拟DCS控制系统采用通用虚拟化硬件平台，研发轻量化云平台、虚拟化控制技术等，可部署在电厂私有云计算平台的虚拟机上，利用云服务器的算力资源，通过云服务器提供的冗余虚拟机环境加载实时操作系统，实现DCS DPU在虚拟化环境中的运行，实现DCS控制逻辑、监视画面的虚拟化部署，最终达到数据的交互综合利用，资源的合理配置。

虚拟控制器为完全虚拟化控制器，虚拟控制器支持在单个虚拟机部署，可安装于云平台，由云平台分配虚拟机、用于安装云控制器、网络通讯及其依赖的环境。云控制器的逻辑组态以及数据存储均在虚拟服务器中实现，逻辑运算依托虚拟控制器，整个云平台虚拟控制器的扫描周期、信号回路的传输周期、可靠性应满足电厂辅助车间生产时延性要求（小于等于200ms）。该成果已在板集电厂一期化水系统进行试运行，系统性能良好、运行稳定；正在二期及其他项目推广应用，将进一步提高生产效率、降低煤耗，推动工业控制系统数字化转型升级。

3.   代表性及推广价值

3.1.      方案的自主创新情况、关键技术和创新点。

在以自主创新为核心的驱动力下，成功开发了国内首台电力虚拟化DCS控制系统。该系统基于先进的技术和创新点，具备独特的功能和优势，为工业领域的控制系统提供了新的解决方案。

首先，我们在虚拟控制系统的开发过程中，积极推动自主创新。通过引进国内外先进的技术和理念，以及自主研发的关键技术，成功地打破了国内虚拟控制系统领域的技术壁垒。我们注重技术的创新和升级，不断提高系统的性能和稳定性，为用户提供更好的使用体验。

其次，我们在关键技术方面取得了重要突破。虚拟控制系统是一个复杂的系统，需要涵盖多个方面的技术，如服务器虚拟化技术、控制系统网络通信技术、5G技术应用、人机交互技术等。我们对这些技术进行了深入研究和创新，成功地将它们融合在一起，形成了独特的虚拟控制系统。同时，我们还运用了智能算法和大数据分析技术，对系统进行优化和改进，提高了系统的智能化程度和自动化水平。

在创新方面，本系统主要创新点如下：

（1）研发了DCS控制器虚拟化技术，并可规模化应用于发电站控制系统（应用规模IO点达7200点），突破了现有DCS控制器受嵌入式工业芯片的算力限制而无法运行高复杂度人工智能等算法问题，为发电站的DCS控制系统智能化提供了技术保障。

（2）虚拟控制系统充分利用虚拟化技术可分配弹性算力、高可用、可动态配置等特点，结合电站自动化控制应用特点，实现了集ms级实时IO逻辑控制、s/min级高复杂度智能控制运算于一体的超级DCS控制系统。

（3）本系统原生支持5G 接入控制系统网的能力。可实现5G覆盖下的超远距离广域控制，为实现多电站甚至多电网的联合控制提供技术手段。

总之，通过研制单位及应用单位之间的团队合作和攻坚，我们在虚拟控制系统的自主创新方面取得了重要的成果，通过关键技术的突破和创新点的应用，我们成功开发了国内首台虚拟控制系统。这一创新为能源行业乃至其它工业控制系统的发展提供了新的方向，我们将继续致力于自主创新，为工业系统的发展做出更大的贡献。

3.2.      关键问题和难点

在国内能源领域，研制首台虚拟化控制系统并规模应用于电力控制系统，面临着一些关键问题和难点。其中一项关键问题是系统的实时性。工业控制系统要求实时性很高，虚拟化控制系统将原有实体控制器取消，并将实体控制器功能通过虚拟化软件进行实现，使得虚拟控制器离现场执行机构物理距离增加，信号系统由串口传输改为以太网传输，会对系统的实时性能带来挑战。

其次是系统安全性。虚拟化控制系统的核心是将传统的硬件和软件资源虚拟化，并在通用服务器的虚拟化主机上运行。这种虚拟化的方式使得系统面临着更多的安全威胁，如虚拟机逃逸、虚拟机间通信的安全性等。

此外，还有一项难点是系统的可靠性和容错性。虚拟化控制系统在运行过程中可能面临诸如物理服务器故障、网络故障等各种随机错误。因此，如何设计和实现具备容错能力的控制系统，能够自动检测和处理这些错误，保证系统的可靠性和稳定性，也是一个需要解决的难点。

最后，还有一个挑战是系统的扩展性和适应性。虚拟化控制系统需要能够适应不断增长和变化的能源需求，因此需要具备良好的扩展性和适应性。如何设计和实现一个灵活的虚拟化控制系统，能够方便地进行算力和网络配置，并能够自适应调整系统资源，以满足不同的系统需求，是一个具有挑战性的问题。

综上所述，国内能源领域首台虚拟化控制系统研制面临着系统安全性、系统的可靠性和容错性以及系统的扩展性和适应性等一系列关键问题和难点。解决这些问题和难点，将推动虚拟化控制系统在能源领域的应用和发展。

3.3.      方案所用产品的自主化率及关键零部件配套情况

本系统涉及的所有技术均为100%自主研发。在系统中，核心技术包括虚拟化技术、控制器冗余技术、网络通信技术、控制算法、人机交互等。关键环节则包括硬件设计、系统集成、测试验证等均为研制单位自主研发。

系统关键零部件配套情况，主要涉及的硬件有：通用型服务器，及5G网络，及IO模块，关键模块包括芯片均支持100%国有化部署，并能够确保可靠性和性能。

总结来说，国内首个虚拟控制系统的自主化率高和关键零部件为自主开发，并可适配国产化硬件，具有较强的核心技术保护能力，可以应对外部市场及国际环境的不确定性，保障本虚拟控制系统的可靠性和性能，提升市场竞争力。在国家的支持和鼓励下，相信我国虚拟控制系统的自主化率和关键零部件配套情况将不断提高，为我国虚拟控制系统的发展打下坚实基础。

3.4 客户价值和经济效益

首先，在中煤新集利辛板集智慧电厂中采用虚拟化技术构建的智能生产云平台通过虚拟化技术用虚拟控制器代替传统的实体控制器，不仅解决了传统火电厂在数字化、智慧化转型中面对的多系统多应用模块庞杂，且长期以来一直存在的信息孤岛和底层数据信息无法得到充分有效利用等问题。使得各生产运行和管理模块能够实现集中高效精准智能化控制。目前由于火电厂生产运行系统的复杂性较高，各生产环节涉及的生产设备和机器较多，且这些生产设备及机器通常采用DCS控制器来控制，且各个环节均处于各自相对独立的情况下运行，其结果是运行岗位人员设置过多，人员工效率低，系统设备间配合不协调、设备空转导致的电能损耗、设备磨损等损耗较大。现有的实体控制器在发电运行控制系统中的应用基本上限于设备级，各设备或系统处于各自的PLC或DCS控制之下，相互间基本独立，进一步导致了信息孤岛和系统资源的浪费。

其次，基于目前火电厂煤厂面积大、工作条件恶劣、人工作业通讯难以畅通等特点，目前大部分电厂采用的都是利用现代成熟的PLC和现代总线网络通讯实现其控制，用上位机软件来实现现场监控与操作，以达到自动化控制的目的。但火电厂的生产运行控制系统在控制过程中启动的各个环节的设备数量较多，通常在几十甚至上百台以上，且在各个设备的启动机停机过程中有非常严格的连锁及操作间隔时间要求。对自动化程度及系统稳定性的要求都非常高。为了保证系统的稳定可靠，通常使用一组PLC 来精确执行I/O控制，但每个PLC都需要通信端口和控制器单元，这样系统规模就比较大而且价格高昂。一旦部署完成，升级成本也很高。而虚拟控制器的出现使得控制器的逻辑功能（软件）与物理设备分离开来，取代了大量单独的控制器机箱及电子设备。减少目前大部分智能电厂普遍存在的智能发电控制系统对实体控制器的依赖问题，节省了控制柜的场地，节约投资成本，更好的形成逻辑控制与智能运维系统的融合。由虚拟控制器构建的生产云平台不仅显著降低了资本和运营支出，提高了系统的灵活性和可扩展性，同时还提高了IT的可靠性和性能。

3.5 社会效益

杭州和利时自动化有限公司为中煤新集利辛板集智慧电厂设计的超超临界660MW燃煤发电机组智能生产云平台整体方案的成功部署和实施应用，意味着业界可以真正规模化用于工业现场的虚拟控制系统问世，填补了国内空白。和利时虚拟DCS控制系统，可在保障控制系统安全、可靠和性能的前提下，将实体控制器虚拟化，提供了一套可运行于通用计算机资源的软件化智能控制器及高效冗余工业以太网通信系统并具有5G便捷接入能力，它不仅具备实体DCS控制系统的所有功能，更重要的是具有虚拟控制器算力的弹性扩展能力，可为基于机器学习、大数据寻优、智能控制等技术的智能应用算法落地提供一体化闭环控制运行环境。

和利时通过虚拟DCS控制系统技术构建的智能生产云平台的发布及规模化工程应用实施后，将为用户在控制区集成部署智能应用、缩短智能发电运行系统实施周期、节省专用硬件控制器投资和降低备件资产库存等方面带来显著价值，将引领智能控制向工业控制纵深深入的重要里程碑突破!

未来，作为国内领先的自动化与信息技术解决方案供应商，随着通信技术、计算机技术和控制系统技术的不断演进，为满足日益旺盛的工业用户智能化的需求，和利时在确保系统能够安全稳定运行基础上，充分利用以往工控系统设计经验，致力于电力行业虚拟化技术应用的不断迭代更新，将不断探索下一代DCS发展和行业应用解决方案。