發布日期：2022-07-14 點擊率：52
摘要：隨著社會及電力工業的發展，電力自動化的重要性與日劇增。傳統的信息、通訊和自動化技術之間的障礙正在逐漸消失。最新的技術，包括無線網絡、現場總線、新型檢測及控制儀表、先進管理和控制軟件等，大大提升了過程系統的效率和安全性能。本文著重分析討論了國外電力過程自動化。
引言
電力是現代社會使用最廣泛的二次能源。電力的安全、穩定和充足供應是國民經濟全面、協調、可持續發展的重要保障條件，事關經濟發展、社會穩定和國家安全大局。自從1998年全國裝機容量超過277GW，躍居世界第2位以來，我國電力仍以較高的速度和更大的規模在迅猛發展，預計我國電力裝機總容量將在今年底至明年初突破800GW。
隨著電力需求的高速增長，發電裝機容量迅速擴大，大量燃用化石燃料和由此產生的污染排放與資源、生態環境的矛盾日益突出。
自動化的重要性近年來與日劇增。現今，創新的自動化系統控制著復雜的工藝流程，并確保過程運行的可靠及安全，為先進的維護策略也打造了相應的基礎。電力過程自動化技術的日新月異和控制水平的不斷提高，為電力工業解決能源資源和環境約束的矛盾創造了條件。
電力過程自動化是指綜合運用控制理論、電子設備、儀器儀表、計算機軟硬件技術及其他技術，對發電過程實現檢測、控制、優化、調度、管理和決策，達到增加發電量、提高發電生產效率和質量、降低消耗、確保安全等目的的一類綜合性技術。現今，我國發電廠基本上全部采用了分散控制系統或可編程邏輯控制器等計算機控制系統，系統裝備水平大大提升。但仍應清醒的認識到，我國目前的電力過程自動化水平總體而言，仍落后于國際先進水平。
本文將就國際上先進的電力自動化應用技術趨勢及進展分析研究，以期為我國電力自動化水平的發展提供借鑒。
二、電力自動化發展
按照瑞士Intechno咨詢公司的報告，世界過程自動化市場在2005至2010年期間將以每年平均5.1％的速度增長，到2010年可高達942億美元。其中尤以化工、電力、石化增長最為迅猛。
經濟、組織和技術的發展將在未來幾年內對自動化技術帶來深遠的變革。電力自動化近期的發展概括而言是充分利用IT（信息技術）及AI（人工智能）等先進技術，大量采用現場智能儀表及設備，整合控制與信息系統，融合測量、控制、診斷、檢修、維護、管理等數據，使電力生產合理化和最優化，并最終提升電廠的安全性、經濟性和生產力。
2.1 全方位管控一體化
為了增加勞動生產率，降低運行和維修成本，進一步提升市場競爭力，必需將貫穿整個組織的信息、通訊和自動化技術等價值創造鏈上的各個環節進行水平和垂直無縫整合與集成，即實現全方位管控一體化。集成控制系統和管理信息系統構成統一的控制信息網絡，一方面是過程計算機控制系統充分利用現場總線等先進技術全面挖掘生產過程的監控及檢修數據信息，在廠內和CMMS（計算機檢修維護管理系統）實現無縫聯接；另一方面是在企業級通過MES（即制造執行系統，類似于國內電廠的廠級監控信息系統SIS）和集團ERP（企業資源規劃系統）互聯，以實現在合適的地點和合適的時間，確保充分和成功地獲取合適的信息。
置于控制系統級和ERP之間的MES，用于優化電廠生產級的工作流程，改進生產質量，增加過程可靠性，營造了一個快速反應、有彈性、高效率、精細化的制造環境。國際上較為知名的MES產品有：ABB工業IT生產規劃、Honeywell ExPerion PKS－Optivision、Metso DNA MES、Tietoenator TIPS和Siemens Simatic IT系統等。
可見，過程自動化正從純粹的過程控制領域向過程和商業綜合控制領域過渡。自從計算機技術首次應用以來，自動化和IT分別是兩個獨立的領域，兩者各自互不相干地發展著，現如今正在逐漸打破這種傳統的分隔。當前最新發展趨勢是建立一個貫穿發電廠全過程的、直至商業企業級計算環境的單一控制管理系統，如Invensys公司的InFusion企業控制系統等，就是將諸如傳統狹義范圍內的過程自動化系統（包括DCS/PLC控制系統、安全保護系統、智能現場設備、全廠資源管理和優化系統）和商業性能管理（包括ERP和MES等）融合集成為一個廣義范圍內的單一企業控制管理系統，從而有助于工業企業整合其操作／運行和維修／維護資源，進一步優化企業的APM（資源性能管理）。
2.2 無線通訊邁入傳統電力工業
無線技術的出現及快速進步，正在賦予電力工業領域以一種嶄新的視角來觀察問題，并由此在電力流程工業領域及資產管理領域，開創一個激動人心的新紀元。
無線通訊技術因其不必在廠區范圍內進行繁雜、昂貴的布線，因而有著誘人的特質。位于現場的巡視和檢修維護人員借此可保持和集中控制室等控制管理中心的聯系。譬如位于海邊的與主廠房距離較遠的濱海泵房儀表與控制設備，可通過無線網絡與主廠區的控制系統相集成互聯，實現信息共享。此外，無線技術還具有高度靈活性、易于使用、通過遠程鏈接可實現遠方設備或系統的可視化、參數調整和診斷等獨特功能。盡管目前存在多種無線技術，但僅有幾種特別適用于電力流程工業。這是因為無線信號通過空間傳播的過程、搭載的數據容量（帶寬）、抗RFI（射頻干擾）/EMI（電磁干擾）干擾性、對物理屏障的易感性、可伸縮性、可靠性，還有成本，都因無線技術網絡的不同而不同。因此，很多用戶都傾向于“依據具體的應用場合，來選定合適的無線技術”。控制用的無線技術主要有 GSM/GPRS（蜂窩）、 9OOMHz Radios、wi－Fi(）、WIMAX(）、ZigBee(.4）、自組織網絡等，其中尤以Wi－Fi和WIMAX應用增長速度最快，這是因為其在帶寬和安全性能方面較優、在數據集中和網絡化方面具備卓越的安全框架、具有主機數據集成的高度靈活性、高的魯棒性及低的成本。
美國德州LCRA集團公司為了降低電廠運行維護成本，由一套電廠人員集中管理其下屬容量為650Mw的Sim Gideon電廠和容量為545MW的Lost Pines電廠，采用了Apprion公司的wiMAx無線網絡系統，以集成上述兩個電廠監控管理層的通訊和控制[l]。其無線網絡系統由APPrion的ION 系統和ION 服務構成。ION系統即工業無線應用網絡，包括IONosphere和集中應用軟件，后者具有數據服務、工作流程、安保、監視、維護和第三方應用集成的管理功能。IONosphere管理軟件連續監視整個無線網絡設施的工作性能、健康狀況和完整性，從而在共享數據環境下保證基于QOS 應用的性能最優化。ION 服務支持現場分析、技術選擇、基礎結構設計和實施、性能監視、安保管理、連續的網管及優化功能。在嘗到無線網絡的甜頭后，目前該公司正在實施將無線網絡應用延伸擴展至設備控制層的方案，其應用范圍覆蓋輔助設備上的一般閉環水位控制及報警、給水加熱器水位控制及報警、爐膛火焰視頻監視系統、各種溫度／料位及其它關鍵運行參數的報警、諸如振動監視分析等設備健康狀態監視系統、氨泄漏的實時檢測和通訊、遠方罐／箱料位監視等。借助臺式PC機，運行人員可以以無線、遠程方式分別訪問前述兩個電廠所用的Foxbor砰口westinghouse控制系統。
RFID，即射頻自動辨識，一些專家將其出現所帶來的影響等同于車輪的發明，因為通過無線射頻電波進行信息資料無線通訊達到自動辨識的觀念亦可啟發許多應用。導入 RFID 技術以后，可以讓很多工作簡化、自動化或是變得更精確，其典型應用有電子化的物品監控倉儲管理、出人口控制、人員監控、設備與資產的管理等。2004年德國西門子公司與Metro GrouP合作，將RFID導入了過程自動控制領域。
2.3 現場儀表／控制裝置數字化及智能化
數字化及智能化正在向著現場級儀表設備延伸，IEC61158 等現場總線國際標準的逐漸完善對現場儀表智能化起到了助推作用。以往電廠控制層和管理層已基本實現了數字化，電廠全面數字化的瓶頸在于現場級，而現場儀表的數字化為構建數字化電廠奠定了堅實基礎。HART、FF及PROFIBUS等現場總線已打開了現場儀表設備智能化的大門。智能化后，現場儀表不僅能更加智能地實現其監視和管理過程變量的功能，而且還可更加有效地診斷其自身健康狀況。下一步是將診斷功能擴展至擁有對儀表周邊的過程的診斷能力。如此發展下去，即可具有預測性智能功能，提早檢測出系統／設備潛在故障和運行低效工況，獲知更多的工藝過程健康信息，進而從異常狀態管理過度到異常狀態預防，由此電力工業就可從所實現的預測性智能功能中大大獲益。
目前，全球已安裝有超過24,000,000臺PROFIBUS現場儀表設備[2]。現場總線的應用正在成為主流，如于2003年1月正式交付營運的德國Niederaussem電廠K機組，其發電機組出力達1024MW，采用了基于西門子FUM（功能模件）和現場總線技術的TELEPERM XP系統，其中所采用的現場總線設備規模為約900個馬達／泵、1200個閥門執行器和400個氣動閥門電磁閥。執行器是通過冗余的PROFIBUS DP總線與控制系統互聯，氣動閥門電磁閥采用AS－i底層現場總線，并通過DP/AS－i鏈接設備實現與PROFIBUS DP總線的互聯。低壓電機采用西子SIMOCODE智能開關柜接口裝置，通過PROFIBUS－DP/Y-link建立與控制系統的通訊。其現場總線設備與控制系統的網絡結構示意圖詳見圖1。通過PDM（過程設備管理器）可在集中控制室完成全部現場設備的參數調整、整定等工作，借助現場總線的智能性，也可實現現場設備的集中故障診斷和維護，大大改善了營運的經濟性。
基于現場總線的巨大優勢及國外成功應用業績，國內正在實施的項目，如華能金陵電廠二期工程 2×1000MW 級超超臨界機組、九臺電廠新建工程2×600MW 級超超臨界機組等均大范圍采用了PROFIBUS 現場總線儀表及設備。
2.4 新型檢測儀表／裝置的應用
目前，在國內工業上應用的大多數傳感器技術，如溫度、壓力、流量等的測量，大都有著其自身難以克服的不足。這些傳感器技術已達其極限，可挖掘的潛力極其有限。較之與之相連的由電子和計算機設備組成的監控系統而言，現場傳感器和終端控制元件的技術進步相對落后。為使企業在市場經濟中更具競爭力，減少制造成本，國際先進電力企業在采用新型控制系統的同時，也對新型傳感器技術的開發及應用予以高度重視，其中應用較為成熟的有光纖測量技術、氣固兩相流體流量檢測技術、聲波高溫計等，以下分別介紹。
2.4.1 光纖測量技術
光纖測量技術具有分散測量的能力。對光纖的測量值進行濾波或輸出處理后，一根光纖整個長度均可作為一個傳感器，可提供優于點測量的斷面測量。此外，光纖傳感器還具有一些常規傳感器無可比擬的優點。例如，光纖傳感器具有靈敏度高、響應速度快、動態范圍大、防電磁場干擾、超高壓絕緣、無源性、防燃防爆、適于遠距離遙測、多路系統無地回路“串音”干擾、體積小、機械強度大、可靈活柔性撓曲、材料資源豐富、成本低等優點。
此外，光纖可實現的傳感信息量很廣。如光導纖維本身就對壓力和應變力極為敏感，這就意味著光纖可以同時作為壓力、溫度和應力傳感器而使用。目前，國外一些先進國家已將光纖用于測量磁、聲、力、溫度、位移、旋轉、加速度、液位、扭矩、應變、電流、電壓、傳像和某些化學量等。
現在，國外光導纖維溫度傳感器已進入全面商業化應用階段。光纖分布式溫度傳感器的最大優點之一，是能經濟地實現對大量地點的溫度監視。目前國外正逐漸將它用于對電站關鍵部件的溫度監視。如日本Wakamatsu增壓循環流化床電站已采用英國York傳感器公司的DTS（分布光導纖維溫度傳感器）測量氣體清潔過濾器的熱點表面溫度。采用長約4公里特殊設計的高溫光導纖維作為溫度傳感器。其光纖傳感器沿過濾器鋼表面敷設，每兩分鐘可以測量約3000點的溫度值，這是用常規點式溫度傳感器絕對不可能做到的。
DTS用光電元件測量出沿光纖整段長度的溫度信號值，并實現連續刷新。如此，DTS是少數能夠測量長距離溫度的最有效且最經濟的手段，這是固定點式溫度測量裝置所不能比擬的。運行人員可以在控制室內通過CRT屏幕觀察溫度的變化情況，并可在設備溫度惡化時作出相應的操作。另外，DTS具有抗EMI（電磁干擾）的能力。這是因為在數據從傳感器傳送至控制室時采用了光纜，并不存在電流信號。因此，DTS特別適合于在電站等有許多電磁或射頻干擾的惡劣環境中使用。
2.4.2 氣固兩相流量檢測
發電廠中存在著許多兩相流體的應用場合，如除灰系統中的飛灰氣力輸送、鍋爐燃燒系統中通過一次風將煤粉輸送至燃燒器的的輸粉管道系統、鍋爐汽水側的汽包或汽水分離器之前水冷壁等管道中的汽水混合流體等。為了提升電廠的生產效率、降低運行和維護成本、滿足日益嚴格的環保要求，急需有效解決相應的兩相流體流量測量難題。
為此，國際上眾多儀表制造商和研究機構對電廠內的兩相流量測量進行了大量的研發，已開發和生產出了不少的兩相流量檢測裝置。其中用于煤粉流量測量比較成熟的技術有：利用發射進煤粉管內的微波反向散射原理測量煤粉濃度和速度、基于脈沖超聲波束衰減量測量煤粉流速、依據煤粉對b射線或g射線的吸收測定煤粉流量、通過煤粉顆粒碰撞一列金屬棒而引起的金屬機械振動的監視來間接判定煤粉顆粒的分布、專用靜電探頭檢測煤粉顆粒大小及其分離、采用由低成本的CCD攝像機和激光片發生器構成的數字成像裝置判定煤粉顆粒分布。上述產品中應用較為廣泛的是新型的基于靜電檢測原理的ECT(Electrio Charge Transfer)煤粉流量在線檢測裝置，它可以實時、在線提供煤粉流速、煤粉顆粒流動速度和煤粉細度的檢測與測量。其制造商主要有ABB、英國PCME公司、芬蘭TR-Tech公司和南非ESKOM公司等。著名的鍋爐制造商FOSTER&WHEELER和TR-Tech合作推廣后者生產的ECT產品，已在國外20多個電廠中應用，其應用業績中單機容量最大的是美國 ARF電廠的950MW切向燃燒鍋爐。通過對至鍋爐燃燒器的各個風粉混合管內煤量的測量，可監視每個燃燒器的煤粉燃料和風的配比，為鍋爐實現以單個燃燒器為基礎的均衡、充分、高效燃燒提供有力手段，從而大大減少目前出于環保壓力而廣為采用的鍋爐低 NOx 燃燒系統所帶來的未燃燼碳和污染物排放量；通過所計算出的風粉混合管內煤粉流速值，可推導出各個風粉混合管內的絕對煤粉量，從而可以檢查一次風量是否適當，是否存在堵粉等現象；通過監視煤粉顆粒度的變化，可依此評判磨煤機工作性能的優劣；通過檢測各個粉管內煤粉傳輸中的諸如粉量突增、突減等非穩定煤流現象，可及時獲知燃燒性能劣化和壓力的波動。ECT流量測量裝置不受煤粉種類、濕度、灰份量等的影響。值得禪明的是，ECT測量的是風粉混合物固氣兩相流中由煤粉顆粒相對運動而引起的電荷值，故ECT也可用于其它固氣或固液兩相流體的流量測量。
2.4.3 聲波式高溫計
電廠鍋爐爐膛和后爐膛區的溫度，不僅直接反應出其內燃料燃燒強度大小，燃燒過程效率優劣，而且還間接影響鍋爐受熱面及后續流程（如脫硝、灰份控制等）的正常運行。從電廠安全、控制和效率角度來看，爐膛區的溫度是十分重要的需運行監視的關鍵參數。但由于爐膛燃燒區內惡劣的環境和較高的溫度，國內電廠一般采用的僅是通過熱電偶式煙溫探針來進行啟動過程的煙溫檢測，正常運行時不直接測量爐膛溫度，而是只測量相應的受熱面金屬壁溫。可見采用常規的溫度檢測手段是難以實現可靠、準確、連續、在線的爐膛溫度監視。
國際上一些發達國家在爐膛溫度測量方面的研發和應用取得了長足的進步，所采用的測量裝置可分為兩類，一類是與煙氣直接接觸的吸入式熱電偶高溫計，另一類是非接觸式基于發射光譜的幅射高溫計和聲波高溫計。其中應用較多、較成熟可靠的是聲波高溫計，其基本原理是利用在被測介質中聲音傳播速度和溫度的數學關系來測量介質溫度。較之其它測溫方式具有諸多優點：① 是一種可實時測量溫度的非接觸式測溫技術；② 所測量的是橫貫整個聲波傳輸過程的線式整體溫度值；③ 具有極佳的精度和誰確性；④ 其精度不受介質熱輻射率不確定性的影響。如美國所推出的聲波式高溫計，采用超過 170dB的高能量聲波，在O-3500F（約1927℃ ）溫度范圍其測量精度在土1％內，且基本不受噪聲的影響。通過這種新型聲波溫度計，輔之以內嵌先進軟件算法的微處理器，可實現大型鍋爐爐膛斷面的煙氣溫度測量，從而獲得瞬時的溫度分布數據，并可用于鍋爐的實時運行控制，最大程度地降低故障停爐的機率，同時減少了NOx形成量。此外，所獲知的溫度信息支持鍋爐清潔系統、燃燒器優化、后燃燒污染排放物還原系統，還可用于判定爐膛容積熱強度和鍋爐總效率等。
2.5 先進控制和管理軟件的應用
為了實現對集分布參數、非線性、多變量禍合為一體的流化床鍋爐或超／超超臨界機組等復雜對象的自動控制，提高機組運行管理水平，降低運行和維護費用，有效提高機組可用率和經濟性，國外對于此類輸入／輸出受限的多變量系統普遍采用了基于模型預測的MPC（模型預測控制）控制策略或DMC（動態矩陣控制）算法，也有的采用模糊控制、神經網絡等人工智能算法。對比而言，計算機控制系統在國內電廠已廣泛應用，大大改觀了電廠自動化面貌，但是計算機控制系統的潛能還沒有充分發揮出來。為此，需借鑒國外經驗，開發應用效益明顯、智能化程度高的優化控制管理軟件，以充分利用計算機控制系統的強大功能。
國外所采用的電站優化軟件主要包括實時過程控制參數釣優化控制軟件和保持設備、系統經濟高效運行的優化管理軟件兩類。第一類軟件的突出特點在于實時、在線和閉環控制功能，主要用于機組負荷變化過程，減少主要過程參數動態偏差和被調量的時間延遲；第二類軟件的特點在于它注重運行的經濟性、對設備或系統的開環分析能力及系統管理、決策支持功能。優化控制軟件主要有機爐協調優化控制、蒸汽溫度優化控制、DCS報警功能優化等。優化管理軟件主要有能量管理軟件、設備及系統性能優化軟件、過程信息統計分析軟件、設備資源管理軟件等。
目前，國外大部分DCS供貨商均可提供功能較完善并有應用業績的眾多電廠優化控制管理軟件。其中功能完善、應用較多的優化軟件有siemens公司的Sienergy 系統、ABB公司的optimax系統、Alstom公司的Optiplant＋等。雖然這些軟件包單項價格較高，但從取得的經濟效益和回報率看，增加這些投資是值得的。如西門子公司的凝結水節流控制模塊（COT）軟件包價格雖高達約人民幣200萬元，但采用該軟件包可提高機組熱效率0.5％~1.0％。對2臺600MW機組而言，年運行5500h ，發電標準煤耗(kW.h)，機組熱效率%，若機組參與電網調峰，每年可節煤2100t-4200t/每臺機組，煤價若按300元/t計，可節約燃料費63萬元～126萬元／每臺機組，約1年左右即可收回初投資；若是帶基本負荷并具有一定調峰能力，可望在2-3年收回初投資。另外如ABB公司的OPtimax實時優化軟件包，專用于改善電廠的運行和維護，據稱可降低電廠熱耗1%，提高電廠可利用率1％。pegasus技術公司的Neusight系統在一臺500MW 機組上應用時，在低負荷時可降低 55％的NOx排放，在滿負荷時可降低23％的NOx排放，同時可減少飛灰含碳量30%，雖然CO排放量從10ppm升到了210ppm。
2.6 其它趨勢
安全相關系統：隨著社會日趨進步、法律法規的日益嚴格，電力生產安全的重要性顯而易見，過程安全運行是電力自動化系統的首要目標。隨著IEC61508 、 IEC61511等安全標準的制訂，鍋爐爐膛安全保護系統和汽機緊急停機保護系統等開始愈來愈多的采用經過認證的SIS安全相關系統。
遠程I/O和分步式I/O：基于電子設備可靠性的提高和通訊技術的進展，為了節約工程建設投資，對未采用現場控制系統FCS的場合，大量應用現場遠程I/O和分步式I/O技術。
狀態檢修：采用AMS（設備資產管理系統），根據先進的狀態監視和診斷技術提供的設備狀態信息，判斷設備的異常，預知設備的故障，將設備故障檢修方式提升為設備狀態檢修這一先進科學的檢修管理方式，以有效克服定期檢修所帶來的問題，提高設備的安全性和可用性。
全IP結構：國際自動化領域正在向全IP結構過渡。一是為了滿足逐漸增多的數據吞吐量，工業控制系統上層網采用以以太網為基礎的網絡架構漸成潮流，如工業自動化網絡聯盟IAONA等多個國際組織正在倡導在工控環境下采用以太網；二是在較低的現場總線層也開始制訂基于以太網的現場總線標準，如在 IEc61784 標準中就包括 Ethernet/IP、Profinet、Interbus、Vnet/IP、TCnet、EtherCAT 、Powerlink、Modbus TCP和Sercosm等眾多基于以太網的工業網絡。
三、結論與展望
綜上所述，電力過程自動化技術發展的主流趨勢是：檢測控制智能化、測量信息數字化、控制管理集成化。
新型的過程自動化控制系統至少應當實現以下功能：信息訪問更加便利，增加自動化程度，減少操作失誤和主、輔機維修量，提高機組或設備可利用率；采用開放性、標準化、流行的硬件／軟件系統／網絡技術，有效地減少對專用產品的依賴，減少備品備件數量，盡可能利用廣泛使用的各種先進傳感器技術、通訊技術、計算機技術和實用的控制方法及策略，降低運行和維護（O&M）成本；降低生產過程的污染物排放量；縮短機組啟動時間；應當為提高企業的市場競爭力，創造良好的社會和經濟效益而不斷提高性能。
作者簡介：
男，張晉賓 山西陽城人，教授級高工，主任工程師，從事電廠自動化的設計、咨詢、研究及管理工作。
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