1、产品背景概述

在电力行业，随着自动化、智能化技术的发展，智能控制、数据驱动算法在电力工艺生产运行中不断深入运用并取得成效，然而，这些智能控制及数据驱动算法要求控制系统的控制器具有更强的算力、更大存储，传统的DCS系统实体硬件控制器由于计算及存储资源局限性已经难以满足智能算法落地的需求，如果单独开发专用控制器又存在诸多缺点，比如成本高、维护困难、功能受限等等。而基于虚拟化技术的软件定义的虚拟控制器则可以通过软件方式实现控制功能，具有成本低、易维护、灵活性高等优点。以虚拟化控制器为核心结合传统DCS系统相关IO设备网络技术组成虚拟化DCS系统，可以根据不同的控制任务定义控制器的计算算力，可适应多种规模的控制系统，具有广泛的应用前景。越来越多的电力生产企业开始关注虚拟化技术来优化生产流程、提高生产效率和降低成本。

虚拟控制系统适用范围广泛，可以用于各类发电厂，包括火力发电厂、水力发电厂、光伏及风力发电站等。系统可以远程监控和控制发电厂的各个子系统，包括发电机组、输电线路、变电站等，实现对整个电力系统的全面控制。此外，虚拟控制系统还可以结合工艺模型，模拟各种异常情况和故障，并为操作人员提供相应的应急操作指导，提高发电厂的安全性和可靠性。

目前，国内应用于电力生产实际，且适应大规模生产场景的虚拟控制系统产品还非常少，虚拟控制系统的研发需要制造企业较强的工业控制系统技术研发实力和行业工程应用经验背景，产品研发难度非常大。应用于电力生产系统，能够运行电力大型智能算法模型且可灵活编程的虚拟控DCS系统，作为一种新型的智能控制系统，将对电力生产的智能化和能源互联，发挥巨大基础支撑作用。

虚拟DCS辅助网络配置图

2、产品性能特点

（1）产品层面

虚拟DCS 控制系统,是基于原实体 DCS技术基础上,将实体嵌入式控制器(DPU)取消，利用运行在IT通用服务器资源的虚拟机上的虚拟控制器软件替代控制器功能，并通过冗余的以太网控制网络于下位IOBUS网关进行通信，实现对IO模块通信信号的读取，逻辑和智能计算、并将控制指令转递到远程IO的输出模块，实现闭环控制。

本虚拟DC控制系统，还支持5G网络作为控制网络，实现无线传输，系统结构如下:

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IO设备，其中：

 a）上位监控

    上位监控系统采用和利时MACS6.5.4版本，包含工程师站，操作员站，历史站等功能，还包含HAMS,需要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。

 b）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，完成和传统控制器的相同功能。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，和上位机软件还是通过双以太网（128和129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，和商业虚拟机上运行。

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。

 c）网络

整个系统中包含三种网络，系统网网络，控制网网络，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。

d）网关IO-BUS

完成虚拟控制器与IO模块间的以太网和标准ProfiBus-DP之间的协议转换，实现虚拟化控制器和IO 模块的通信。单网关支持 4 条链路独立 DP。与控制器通信通过以太网通信，支持两条链路冗余；5G网络使用在虚拟控制器和网关之间，通过5G网关实现有线转无线通信。

 e）IO模块

保持和传统 DCS,IO 模块一致。支持 AI、AO、DI、DO、PI、SOE、RTD、RS232/RS485等多种适应电力生产的信号类型进行采集和处理。

和利时在控制器虚拟化以及软件定义控制器领域深耕多年，始终坚持自主研发创新。历时3年打磨、汇聚多名工程师心血，和利时虚拟化控制系统秉承安全设计理念，采用全冗余、多重隔离等可靠设计技术，通过了严苛的产品集成测试，并在中煤新集利辛板集电厂二期项目现场进行国内首台套规模化应用。

（2）技术实现线路

实现虚拟化 DCS系统，核心技术是实现可代替实体控制器的虚拟控制器，具有运行于通用IT服务器的能力，并保持系统的响应实时性、可靠性和安全性。虚拟化控制器结构如下:

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，可安装于私有云平台分配的虚拟机。配套专用网络通讯及其依赖的环境。虚拟控制器的逻辑组态及智能算法、数据存储均在虚拟服务器中实现，工艺系统的控制逻辑和运算依托虚拟控制器。

本电力虚拟DCS系统核心控制器实现功能：

支持虚拟控制器资源监测及诊断。支持传统控制器冗余功能，实现控制器无扰切换。控制器虚拟化后借助高频CPU运算能力比传统控制器提高5倍数以上，可降低传统控制器的运算负荷。支持运算和通信管理分核处理，独自CPU核运算，提供强大运算能力。支持工艺模型仿真运行，模型数据使用现场数据的镜像，可实现现场事故预测。支持工业控制网络与现场总线的统一。支持IEC61131-3 组态多任务运行。支持传统控制器的IEC61131-3组态逻辑运算。支持C语言编制算法，扩展第三方智能优化算法。

系统可靠性设计:

虚拟DCS 系统分为多级冗余设计确保系统可靠，包括系统网冗余，虚拟控制器冗余，控制网冗余，网关冗余，IO 模块冗余。

可靠性方面，本系统全面对标常规DCS技术指标，并从电源、通信、虚拟控制器分配、云平台环境等方面，具有提高系统整体可靠性的设计。

系统设计遵循以下故障安全准则：

a）单一故障不应引起系统的整体故障。

b）单一故障不应引起保护系统的误动作或拒动作。

c)控制功能的分组划分应使得某个区域的故障将只是部分降低整个控制系统的控制功能，此类控制功能的降低应能通过运行人员干预进行处理。

d)控制系统的构成应能反映电厂设备的冗余配置，以使控制系统内单一故障不会导致运行设备与备用设备同时不能运行。

为满足上述故障安全准则，控制系统应包括各种可行的自诊断手段，以便内部故障能在对过程造成影响之前被检测出来。此外，保护和安全系统应具备通道冗余或测量多重化以及自检和在线试验的手段。虚拟控制系统支持5G接入,虚拟控制器与IO 网关之间通信采用面向连接的可靠 TCP/IP通信方案,控制系统网元在私网内具有专有IP地址。采用5G无线传输技术代替光纤通讯，实现虚拟主控和IO 网关基于IP寻址的点对点通信。首先，借助运营商商业级虚拟专网和网络切片技术，实现网络链路独占可靠传输以及信息安全。其次，基于二层隔离（VLAN）技术，实现二层隔离隧道独享，强化业务系统之间细粒度通信确定性控制能力。

虚拟化控制系统支持强大算力服务、全冗余高可用分布式系统架构、原生支持5G接入等多项创新技术，充分保障系统的实用性、安全性和便捷性，为能源行业控制系统智能算法落地和多能源联动控制提供切实可行的解决方案。

3、产品应用前景分析

发电厂虚拟控制系统是一种基于虚拟现实技术的电力系统控制系统。其研制背景是由于传统的电力DCS控制系统只能提供算力有限的嵌入式控制器，只能运行简单的逻辑控制，无法运行数据驱动的大型人工智能控制算法，使得发电控制系统的智能化遇到了瓶颈。而虚拟控制系统通过利用计算机虚拟化技术及先进网络技术，可以将电力控制系统控制器算力大幅提高，并具有超远广域互联能力，使得人工智能大模型、能源OT层级别的互联成为可能，将极大提高电力系统的智能化基础设施能力。

发电厂虚拟控制系统适用范围广泛，可以用于各类发电厂，包括火力发电厂、水力发电厂、光伏及风力发电站等。系统可以远程监控和控制发电厂的各个子系统，包括发电机组、输电线路、变电站等，实现对整个电力系统的全面控制。此外，虚拟控制系统还可以结合工艺模型，模拟各种异常情况和故障，并为操作人员提供相应的应急操作指导，提高发电厂的安全性和可靠性。

发电厂虚拟控制系统具有广阔的应用前景。首先，随着电力系统的规模不断扩大和复杂度增加，传统的控制系统已经无法满足电力系统运行和控制智能化的需求。而虚拟控制系统可以提供更直观、灵活和智能的控制方式，可以帮助操作人员更好地理解和掌握电力系统的运行情况，提高操作效率和系统可靠性。

此外，虚拟控制系统还可以与人工智能技术相结合，实现电力系统的自动化控制。通过对电力系统的实时监测和数据分析，系统可以自动调整各个子系统的运行参数，优化发电厂的运行效率和能源利用率。

综上所述，发电厂虚拟控制系统在电力系统运行和智能化中具有重要的应用价值和发展前景，可以帮助提高电力系统的安全性、可靠性和效率，同时也可以为电力系统的能源互联和自动化控制提供新的解决方案和技术手段。

4、经济和社会效益分析

（1）国内外市场现状和需求分析

在流程工业领域中，用户对工业自动化、工业软件产品的安全性、可靠性、合规性、可用性要求非常高，且DCS 相关产品自诞生以来也不断的随技术发展迭代改进。和利时虚拟DCS 控制系统的虚拟控制器结构、灵活性、实时性、系统兼容性等的先进性都处于领先地位，产品的发布及规模应用领先国内同行，竞争优势十分明显。随着更多项目成功实施投运，和电力行业智能化建设得需求持续旺盛，越来越多的对智能控制系统的应用需求，据初步统计预期再未来3~5年市场规模能够达到10~15亿元规模。

（2）经济效益和社会效益预测

a.经济效益：

经过研制成功的虚拟控制系统用于发电站发电控制后，展现出了强大的产业化能力。首先，该系统具备稳定可靠的性能，能够通过实时监测和控制发电站的各项参数，确保发电过程的稳定运行。其次，虚拟控制系统具有高度的自动化程度，能够实现发电过程中的自动化操作，减少人工干预的需求，降低劳动成本。此外，该系统还具备高度的灵活性和可扩展性，可以根据不同发电站的需求进行定制化设计，并随着发电站的扩建或改造进行无缝集成。此外，该系统还支持数据分析和预测功能，能够通过对发电数据的分析和趋势预测，提供发电站的效率优化建议，进一步提高发电效率。最后，虚拟控制系统还具备良好的安全性和可靠性，能够有效应对各种故障和异常情况，保障发电站的运行安全，减少发生系统外挂系统通信故障等异常给企业带来的经济损失。综上所述，研制成功的虚拟控制系统在产业化过程中具备良好的能力，能够为发电站提供高效、稳定、可靠的发电控制解决方案。

b.社会效益

电力虚拟DCS控制系统主要针对电力生产工艺过程的控制系统智能化。适用于火力发电、新能源等的发电系统的远程集中智能控制也适用于智能化控制需要的其它流程工业领域，在我国能源领域及其它领域具有广阔的应用市场。

近年来，无论是新建发电站还是已投运的发电站，均在寻求智能化的转型，其中控制系统的智能化是发电企业必不可少的急迫需要。本装备技术可极大满足当前市场需求，给发电控制系统的智能化提供了有解决方案。

另外，在国家制定的“自主创新”的大环境下，随着中国流程行业国产化水平的不断提高，大型重大项目呈现越来明显的国内独立自主建设、运维趋势，国产流程控制系统技术在重大工程上推广和应用是大势所趋。在此基础上采用虚拟 DCS控制系统，一方面可以大幅节省用户运行维护成本，大幅缩短用户项目工期，优化用户的备品备件管理维护；另一方面响应国家节能减排政策和绿色工厂策略，大幅降低材料和能源的消耗，因此具有广阔的市场前景及推广价值。

推荐理由：

产品创新性：

虚拟化控制系统支持强大算力服务、全冗余高可用分布式系统架构、原生支持5G接入等多项创新技术，充分保障系统的实用性、安全性和便捷性，为能源行业控制系统智能算法落地和多能源联动控制提供切实可行的解决方案。

产品特点：

（1）实时性：基于实时操作系统内核，通讯采用改进的自定义快速协议，安全可控；

（2）可靠性：采用控制器、通讯、I/O系统全冗余，冗余链路采用两路高速专网，快速无扰切换；

（3）安全性：动态防御、主动防御、纵深防御安全能力，基于国密算法的安全网络通信；

（4）兼容性：对DCS的I/O卡件及实体DPU底座无缝兼容， 原生支持实体控制器和虚拟控制器混用；

（5）扩展性：配套提供专用全网授信5G终端解决方案，支持运营商公网接入和独立专网接入。

虚拟化DCS控制系统在保障安全和性能的前提下，提供一种运行于通用计算机资源的软件化智能控制器,它不仅具备实体控制器的所有功能，更重要的是具有算力弹性扩展能力，可为基于神经网络、大数据挖掘和先进控制等技术的智能应用算法提供运行环境。此外，它还具有分站配置灵活、支持 5G 接入的能力。这些能力为发电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，是引领火电控制系统向智能控制纵深深入的重要里程碑突破。

虚拟化DCS控制系统在保障安全和性能的前提下，提供一种运行于通用计算机资源的软件化智能控制器,它不仅具备实体控制器的所有功能，更重要的是具有算力弹性扩展能力，可为基于神经网络、大数据挖掘和先进控制等技术的智能应用算法提供运行环境。此外，它还具有分站配置灵活、支持 5G 接入的能力。这些能力为发电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，是引领火电控制系统向智能控制纵深深入的重要里程碑突破。

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。与国外技术相比，国产虚拟化控制系统融合了云计算、大数据、5G、AI人工智能、高速通信等前沿技术，技术先进性一直保持领先地位。

虚拟化控制系统算力强大、实时性更强，对于优化控制及智慧工业等行业应用更契合，能有效提升行业产能和运行效率。

虚拟化控制系统能有效减少现场硬件资源部署，成本更低，实用性更强。

产品实用性：

虚拟化控制系统可以满足智慧电厂及产业智能化需求，将控制系统基于虚拟化设计，依托云计算、大数据、5G、AI人工智能等前沿技术，实现控制系统虚拟化运行及应用，对未来各行业虚拟化DCS项目提供了一种创新的设计理念和前沿产品。

虚拟化控制系统依托前沿科技资源，通过简单技术培训即可在现场部署应用。

相比常规DCS系统，虚拟化控制系统部署周期更短、更易用，成本更低，操作更方便、更智能、更灵活，可扩展性更强，可维护性更强，功能更强大。

该项目已成功应用于中煤新集利辛板集电厂二期辅网DCS项目，且运行状况良好，深受用户及行业好评。

产品可靠性：

产品技术应用安全可靠，未发生过重大安全事故。且虚拟化控制系统在板集二期新型智慧电厂辅网项目，已累计无故障运行已经超过300天。