DCS：电力IT系统的“大脑”

DCS：电力IT系统的“大脑”

集散控制系统（DCS）作为电力IT系统的关键硬件组件之一，扮演着至关重要的角色。它通过集成分散的监控设备，形成了统一的系统，广泛应用于调度自动化、配网自动化等领域。DCS由终端设备、通信网络和主站组成，其中终端负责数据采集和初步处理，而主站则负责高级分析和决策。这种系统不仅提高了电力系统的稳定性和效率，还为未来的智能化发展奠定了基础。

DCS系统的发展历程见证了工业控制技术的进步。从早期的仪表就地控制、集中控制，已经发展到现在的集散控制系统。在过去的20年中，过程工业对DCS系统及相关的仪表装置进行了大量的投入，DCS系统的应用结果得到了用户的肯定。

然而，随着数字化和网络化成为当今控制网络发展的主要方向，传统的模拟量信号传输方式暴露出诸多问题。例如，信息量少、精度损失、易受干扰等。因此，现场总线技术应运而生，成为DCS系统的重要发展方向。

现场总线在智能现场设备与自动化系统之间提供了一个全数字化的、双向的、多节点、冗余的可靠通信链接。现场总线的出现促进了现场设备的数字化和网络化，并且使现场控制的功能更加强大；这一改进带来了过程控制系统的开放性，使现场总线系统成为具有测量、控制、执行和过程诊断的综合能力的控制网络。

以北京京能高安屯燃气热电有限责任公司为例，机组装机容量845MW，供热能力596MW，是目前国内现场总线覆盖率最大的电厂，总线设备涉及马达控制器，变送器，电动执行器，气动执行器，温度变送器，电磁阀岛，分析仪表等，总机数量近2500台，并通过使用AMS设备管理系统实现所有总线设备的智能管理。

非冗余的现场总线一般只能用于非重要的现场信号的采集，在有控制输出(DO/AO)或有重要的信号测点需采集的现场总线控制系统中，国家标准都有严格的冗余配置现场总线及供电的设计要求及对应的严格测试验收规定；

现在能做到市场面广、冗余的现场总线大概只有西门子的Profibus DP，尽管DP总线背景强大，并有各大DCS厂家的加持，但DP总线的缺点是内在的，即大包排队问答通信机制，这个缺点使DP通信的实时性差（轮询问答，DP和FF总线宏周期一般在100ms1s之间，做不到50mS或更小的控制周期[1]）、实际节点少（电厂设计要求不多于15个，实际设计控制在10个以内[2] [3]）、可靠性（包括丢包概率大、丢包检测及丢包重发困难）、中继（不同速度网络的连接困难）、不能全部冗余(大量PA仪表的使用，PA不支持冗余网络)成为槽点，DP的配线、接线、调试都需要特殊的培训[1][8]，另外DP总线通信部件、节点价格高昂[3]，注定了冗余的DP总线只能在不差钱的大项目中使用（FCS方案投资较同规模机组DCS高约2030％[1] [3]），研发并推广国产正真的平价、实时、冗余现场总线势在必行。

在智能电网中，DCS系统已经不仅仅是传统的控制系统，而是融合了云计算、大数据、人工智能等先进技术的智能化平台。它在以下几个方面发挥着重要作用：

1. 大数据驱动的运行优化：通过大数据驱动的方式建立火电机组模型，利用不断演化的火电机组数据实时的优化机组模型，提高模型精度，并设计基于模型的离在线学习相结合的火电机组模型构建机制，解决模型随着时间逐步失效问题。通过深度增强学习等算法实现火电生产过程中工艺参数参数的最优预测，根据机组性能运行要求，提示和指导运行人员进行操作，并结合DCS的常规控制实现关键回路的优化控制。

2. 机组灵活性控制优化：随着主要产业由能耗密集型向资本密集型和技术密集型转变，用电量增长明显放缓。可再生能源发电方式高速发展，盈利能力迅速增加。火电行业发展方向面临抉择。火电行业已经出现严重的产能过剩。火电机组在电力系统中的灵活性能力成为火电企业生存的重要能力。其价值表现在满足燃料性质及环保指标约束条件下发电负荷响应性能的提高方面，包括发电调节范围和调节速率。实现机组灵活性运行的关键在于其控制理念的转变，寻找多元控制输入与控制目标之间的能量传递及缓冲机制。

3. 设备诊断预测维护：基于物联网和大数据分析的设备诊断预测维护系统主要是针对电力行业重要的辅机设备例如磨煤机、一次风机、送风机、引风机、汽动给水泵、开闭式水泵、凝结水泵等大型转动设备，利用物联网、云计算、大数据等技术，再结合专家的设备机理，进行诊断，实现预测性维护，进一步保证设备的安全稳定运行，提高设备的检修维护效率。

4. 智能安防管理：智能安防管理系统基于高精度定位、人脸识别、视频分析、视频监控联动技术、无线网络等先进技术的应用。通过加强对进入生产现场的所有人员的管理，把电厂巡检系统、门禁、两票管理、考勤等系统原本的被动式管理模式变为主动预防式，达到提升安全管理方法的科技手段和现代化水平的目的，进而推动“安全第一，预防为主”的安全理念落地生根，确保本质安全的有效落实。

5. 智能燃料管理：燃料是火力发电企业的主要生产原料，据统计：燃料的成本约占一个火力发电企业的总成本的70%-80%左右，燃料管理的目标是在保证安全生产的基础上追求燃料成本最优经济。燃料智能化管理主要有燃料自动识别系统、数字化标准实验室系统、数字化煤场系统、智能配煤掺烧系统、燃料集中管控系统、燃料入厂验收监管系统、燃料过程与效能监督信息管理系统、燃煤发电成本实时系统、燃料网上采购系统。运用集中管控的思想，以燃料管理智能化、燃料信息实时化、燃料数据准确化、燃料异常管理主动化为目标，以必要的硬件设备为支撑，以数据采集技术、接口技术、图形化技术、网络技术为基础，以组态、流程方式直观展示燃料管理环节，逐渐形成燃料管理智能化、信息集成、业务主动反馈模式。

6. 智能热网管控：智能供热系统，是通过综合利用物联网、自动化、信息化、数据挖掘、智能控制等技术，并与先进的供热专业技术与管理知识相结合，从供热企业实际需求出发，为供热企业提供从底层设备到顶层决策管理的整体解决方案，是智能设备与传感、热网监控、负荷预测与实时调节、热用户智能温控、水力分析仿真、二网平衡管理、能源管理、设备状态监测等一系列系统的集成。利用智能供热解决方案可使供热企业在保证供热安全、满足供热需求的前提下，实现经济运行、最优管理。助力供热企业向数字化、信息化、智能化转型。

7. 智能管理决策：电力行业市场化后，机组的调频、调峰都与电厂效益息息相关。企业的生产和经营成本在电力市场的竞争中变得越来越重要，系统经营管理竞价上网模块整合调频调峰能力预测、调频调峰策略配置，节能调度、竞价上网效益寻优与机组快速灵活的发电技术，实现根据电力市场的运行规则和市场信息、结合电厂和机组的成本分析，为发电厂竞价上网提供决策分析，系统能够实时地计算出发电成本，能够正确地预测生产成本变化趋势，为控制成本提供准确的依据，为报价工作提供多种辅助决策信息。系统还包括基建管理、资产管理、生产管理、协同办公、SIS等功能模块，管控中心提供领导驾驶舱、经营驾驶舱、生产驾驶舱等个性化的辅助监控平台。

面对能源革命和数字化转型的双重挑战，DCS系统正朝着以下几个方向发展：

1. 虚拟化和云化：虚拟化控制技术的出现，使得实体控制器可以被软件化，运行在通用计算资源上。这不仅提高了系统的灵活性和扩展性，还降低了硬件成本。例如，和利时HiaVDCS V1.0虚拟化控制系统已经在中煤新集利辛板集电厂成功应用，实现了7200点I/O规模的控制。

2. 5G通信技术：5G技术的高带宽、低延迟特性，为DCS系统提供了更可靠的通信保障。同时，5G的便捷接入能力，使得远程监控和维护变得更加容易。

3. 人工智能和机器学习：通过集成AI技术，DCS系统可以实现更智能的决策和优化。例如，基于深度学习的预测性维护，可以提前发现设备故障，避免非计划停机。

4. 国产化替代：随着国际贸易环境的变化，国产化替代成为重要趋势。这要求国内企业加快技术创新，开发具有自主知识产权的DCS系统。

DCS系统作为电力IT系统的“大脑”，在提升电网运行效率、优化资源配置及增强供电可靠性方面发挥着不可替代的作用。随着技术的不断进步，DCS系统必将在构建新型电力系统、推动能源革命中扮演更加重要的角色。