电厂物联网建设解决方案

电 厂 物 联 网 建 设

解 决 方 案

目录

电厂物联网建设解决方案V3.0

第1章 综 述 ......................................................... 10

1.1 电厂信息化的定义 ............................................ 10 1.2 电厂信息化建设的目的和意义 .................................. 10

1.2.1迫切需要信息化建设 ...................................... 10 1.2.2 统一规划使得建设更具规范性 .............................. 2 1.2.3实现电力企业数据共享 ..................................... 2 1.2.4 降低信息化建设的总成本 .................................. 3 1.3 规划原则 ..................................................... 3

1.3.1 系统性和完整性 .......................................... 3 1.3.2 实用性和先进性 .......................................... 4 1.3.3 标准化和开放性 .......................................... 4 1.3.4 安全性和可靠性 .......................................... 4 1.3.5 经济性和灵活性 .......................................... 5 1.4 标准和依据 ................................................... 5 第2章 总体结构 ....................................................... 9

2.1 规划的总体目标 ............................................... 9 2.2 电厂信息化结构模型 ........................................... 9 2.3 电厂信息化总体功能结构 ...................................... 10

2.3.1 广义控制系统（广义 DCS） ............................... 11 2.3.2 厂级监控信息系统(SIS) .................................. 11 2.3.3 仿真研究系统(SIMU) ..................................... 11 2.3.4 管理信息系统(MIS) ...................................... 12 2.3.5 视频监控系统(VMS) ...................................... 12 2.4 硬件支撑环境 ................................................ 13 第3章 广义控制系统（广义 DCS） ...................................... 15

3.1 系统定义、范围 .............................................. 15 3.2 系统功能要点 ................................................ 15 第4章 厂级监控信息系统（SIS） ....................................... 17

4.1 定义和范围 .................................................. 17 4.2 系统建设原则 ................................................ 17 4.3 系统功能 .................................................... 18

4.3.1 数据采集与处理 ......................................... 18

4.3.2 运行工况监视与查询 ..................................... 19

4.3.2.1 过程监视 ......................................... 19 4.3.2.2 事件记录 ........................................ 20 4.3.2.3 实时趋势显示 .................................... 20 4.3.2.4 历史趋势显示 .................................... 20 4.3.2.5 数据查询 ........................................ 20 4.3.3 运行统计与考核 ......................................... 21

4.3.3.1 运行统计与考核 .................................. 21 4.3.3.2 生产日志 ........................................ 21 4.3.3.3 自动报表 ........................................ 21 4.3.4 性能计算与分析 ......................................... 22

4.3.4.1 性能计算 ........................................ 22 4.3.4.2 耗差分析 ........................................ 22 4.3.5 运行优化 ............................................... 23

4.3.5.1 工况分析 ........................................ 23 4.3.5.2 操作指导 ........................................ 23 4.3.5.3 吹灰优化 ........................................ 23 4.3.5.4 锅炉燃烧优化 .................................... 23 4.3.5.5 凝汽器冷端优化 .................................. 24 4.3.6 负荷优化分配指导 ....................................... 24 4.3.7 控制系统优化 ........................................... 24

4.3.7.1 控制系统诊断 .................................... 24 4.3.7.2 控制系统优化 .................................... 25 4.3.8 应力与寿命管理 ......................................... 25 4.3.9 设备状态监测 ........................................... 25 4.3.10设备可靠性管理 ......................................... 26

4.3.10.1 设备可靠性指标统计分析 ......................... 26 4.3.10.2 设备定期切换试验管理 ........................... 26 4.3.10.3 设备检修辅助决策 ............................... 26 4.3.11机组在线性能试验 ....................................... 27 4.3.12系统管理 ............................................... 27 4.4 系统组成和结构 .............................................. 27

4.4.1 系统总体要求 ........................................... 28

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4.4.2 实时/历史数据库系统 .................................... 29 4.4.3 硬件及系统配置 ......................................... 32

4.4.3.1 网络规划和配置 .................................. 32 4.4.3.2 交换机 .......................................... 33 4.4.3.3 数据库载体 ...................................... 33 4.4.3.4 数据采集接口设备 ................................ 34 4.4.3.5 功能站和客户机 .................................. 34 4.4.3.6 外围设备 ........................................ 34 4.4.4 软件要求 ............................................... 35

4.4.4.1 操作系统 ........................................ 35 4.4.4.2 数据接口软件 .................................... 35 4.4.4.3 数据备份软件 .................................... 35 4.4.4.4 应用软件开发和生存期环境 ........................ 36

4.5 系统实施 .................................................... 36 第5章 仿真研究系统（可选） .......................................... 38

5.1 定义和范围 .................................................. 38

5.1.1 定义 ................................................... 38 5.1.2 范围 ................................................... 38 5.2 系统功能 .................................................... 40

5.2.1 总体功能 ............................................... 40

5.2.1.1 完善的培训功能 .................................. 40 5.2.1.2 设计改造方案验证功能 ............................ 40 5.2.1.3 控制系统研究功能 ................................ 40 5.2.1.4 运行分析研究功能 ................................ 40 5.2.1.5 事故再现及事故预想功能 .......................... 40 5.2.2 仿真研究系统运行功能 ................................... 40

5.2.2.1 正常运行工况 .................................... 41 5.2.2.2 非正常运行工况 .................................. 41 5.2.3 教练员功能 ............................................. 41

5.2.3.1 工况选择/保存功能 ............................... 42 5.2.3.2 冻结／解冻 ...................................... 42 5.2.3.3 故障功能 ........................................ 42 5.2.3.4 外部参数设置功能 ................................ 42

5.2.3.5 回退功能 ........................................ 43 5.2.3.6 事件记录 ........................................ 43 5.2.3.7 重演功能 ........................................ 43 5.2.3.8 快存功能 ........................................ 43 5.2.3.9 模型的加速与减速 ................................ 43 5.2.3.10 学员成绩评定功能 ............................... 43 5.2.3.11 成组故障功能 ................................... 43 5.2.3.12 运行监视功能 ................................... 44 5.2.4 工程师站功能 ........................................... 44

5.2.4.1 面向工程技术人员的工程图形化建模环境 ............ 44 5.2.4.2 友好的图形界面 .................................. 44 5.2.4.3 友好的建模环境 .................................. 44 5.2.4.4 模型维护功能 .................................... 44 5.2.4.5 实时数据库功能 .................................. 45 5.2.4.6 图形组态功能 .................................... 45 5.2.4.7 开放的模型算法库 ................................ 45 5.2.4.8 各种教练员台功能构置扩充功能 .................... 45

5.3 组成和结构 .................................................. 45

5.3.1 培训环境 ............................................... 45 5.3.2 仿真机硬件系统 ......................................... 45

5.3.2.1 仿真服务器 .................................. 46 5.3.2.2 DCS 工程师站（虚拟 DPU 站） ................. 46 5.3.2.3 DCS 操作员站 ................................ 46 5.3.2.4 网络设备和外围设备 .......................... 46 5.3.3 仿真机软件系统 ......................................... 47

5.3.3.1 计算机系统软件 .................................. 47 5.3.3.2 仿真支撑系统软件 ................................ 48 5.3.3.3 模型软件 ........................................ 49 5.3.3.4 教练员站软件 .................................... 49 5.3.3.5 工程师站软件 .................................... 49 5.3.3.6 DCS 监控系统软件 ................................ 49 5.3.3.7 就地操作站软件 .................................. 50 5.3.3.8 盘台软仿真软件 .................................. 50

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5.3.3.9 通讯软件 ........................................ 50

5.4 网络和接口 .................................................. 51 第6章 视频监控及视频会议系统 ........................................ 52

6.1 视频监控 .................................................... 52

6.1.1 系统设计原则 ........................................... 52 6.1.2 集团公司对电厂监控点布设原则要求 ....................... 53

6.1.2.1 火电工程 ........................................ 53 6.1.2.2 水电工程 ........................................ 53 6.1.3 系统总体架构 ........................................... 53 6.1.4 组网方式及其功能要求 ................................... 54

6.1.4.1 集团公司总部 .................................... 54 6.1.4.2 基层单位 ........................................ 56 6.1.5 广域网络要求 ........................................... 57 6.1.6 与视频会议的集成 ....................................... 57

6.1.6.1 基建期到生产期的过渡 ............................ 57 6.1.6.2 监控位置的变动 .................................. 58 6.1.7 生产期电厂视频监控系统 ................................. 58

第7章 管理信息系统(MIS) ............................................. 61

7.1 定义和范围 .................................................. 61 7.2 建立以 EAM 为核心的信息系统 ................................. 61 7.3 系统建设原则 ................................................ 63 7.4 基建期模块 .................................................. 64

7.4.1 办公自动化管理 ......................................... 65 7.4.2 项目计划管理 ........................................... 66 7.4.3 项目费用管理 ........................................... 66 7.4.4 项目安全管理 ........................................... 67 7.4.5 项目质量管理 ........................................... 68 7.4.6 项目达标投产管理 ....................................... 69 7.4.7 财务管理系统 ........................................... 69 7.4.8 项目材料管理 ........................................... 70 7.4.9 项目设备管理 ........................................... 71 7.4.10工程文档管理 ........................................... 72 7.4.11综合查询与决策支持系统 ................................. 73

7.4.12系统管理与接口 ......................................... 74 7.5 生产期模块 .................................................. 74

7.5.1 办公自动化 ............................................. 75 7.5.2 设备管理 ............................................... 76 7.5.3 维修管理 ............................................... 76 7.5.4 运行管理 ............................................... 77 7.5.5 物资管理 ............................................... 78 7.5.6 财务管理 ............................................... 79 7.5.7 人力资源管理 ........................................... 80 7.5.8 燃料管理 ............................................... 81 7.5.9 技术监督管理 ........................................... 82 7.5.10安全管理 ............................................... 82 7.5.11计划统计管理 ........................................... 84 7.5.12生产技术管理 ........................................... 84 7.5.13工程项目管理 ........................................... 85 7.5.14档案管理 ............................................... 86 7.5.15班组建设管理 ........................................... 86 7.5.16党工团建设 ............................................. 87 7.5.17综合查询 ............................................... 87 7.5.18安全经济分析 ........................................... 88 7.5.19竞价上网辅助决策 ....................................... 89 7.5.20系统维护管理 ........................................... 89 7.6 MIS 网络及硬件环境 .......................................... 90 7.7 系统软件要求 ................................................ 91

7.7.1 操作系统 ............................................... 91 7.7.2 数据库 ................................................. 92 7.7.3 软件架构 ............................................... 92 7.7.4 平台要求 ............................................... 92 7.7.5 编码体系 ............................................... 93 7.8 管理信息系统从基建期到生产期的过渡 .......................... 93 7.9 数据规划 .................................................... 95

7.9.1 实时数据采集： ......................................... 95 7.9.2 实时数据的应用： ....................................... 95

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7.9.3 实时数据的镜像及数据发布： ............................. 95 7.9.4 MIS 业务数据的录入和生成 ............................... 96 7.9.5 通过数据抽取实现决策支持 ............................... 96 7.9.6 通过数据接口适配器来实现集团级数据接口 ................. 97 7.9.7 同集团业务系统的数据交换 ............................... 97 7.9.8 同分公司业务系统的数据交换 ............................. 97 7.9.9 生产实时数据的上报 ..................................... 98 7.9.10信息发布到门户 ......................................... 98

第8章 数据安全与系统防护 ............................................ 99

8.1 一般要求 .................................................... 99 8.2 安全网络结构（参见图 2-3） .................................. 99 8.3 网络防病毒和防非法入侵策略 ................................. 100 8.4 实时/历史数据库安全 ........................................ 100 8.5 应用软件的安全可靠性 ....................................... 101 8.6 数据安全备份 ............................................... 101 8.7 系统冗余措施 ............................................... 101 8.8 数据资源访问控制 ........................................... 101 8.9 安全管理和网络管理 ......................................... 101 第9章 分步实施 ..................................................... 103

9.1 实施进度的总体规划 ......................................... 103 9.2 实施步骤及工程概算 ......................................... 109

9.2.1 初步设计阶段 .......................................... 109 9.2.2 管理信息系统基建期部分 ................................ 109 9.2.3 管理信息系统生产期部分 ................................ 109 9.2.4 信息系统工程概算 ...................................... 109 9.3 出厂验收试验和要求 ......................................... 111

9.3.1 试验步骤 .............................................. 111 9.3.2 日程安排 .............................................. 112 9.3.3 设备 .................................................. 112 9.3.4 试验失败 .............................................. 112 9.3.5 现场验收和试验要求 .................................... 113 9.3.6 硬件系统验收 .......................................... 113 9.3.7 SIS/MIS 应用软件系统验收 .............................. 114

9.3.8 数据和文件 ............................................ 114 9.3.9 硬件资料 .............................................. 114 9.3.10软件资料 .............................................. 115 9.3.11用户手册 .............................................. 115 9.3.12软件文件 .............................................. 115 9.4 工程实施对开发商的要求 ..................................... 116

9.4.1 合作伙伴服务的评估 .................................... 117 9.4.2 合作伙伴的实施能力 .................................... 118 9.4.3 对实施方案进行评估 .................................... 118 9.4.4 合作伙伴对项目的商务报价 .............................. 119

第10章 规划的意义及经济性比较 ...................................... 120

10.1 提高投资的有效性 ......................................... 120

10.1.1目标明确避免盲目投资 .................................. 120 10.1.2统一规划平衡投资比重 .................................. 120 10.1.3分步实施有效利用资金 .................................. 120 10.2 提高集团化管理水平 ....................................... 121

10.2.1发挥集团化管理的优势 .................................. 121 10.2.2加强集团化管理意识和手段 .............................. 122 10.2.3提高集团总体效益 ...................................... 122

第1章 综 述

1.1 电厂信息化的定义

电厂物联网可以定义为：综合利用计算机技术、网络技术、软件技术等现代 信息技术，融入先进的管理思想和技术策略，建立贯通发电企业生产经营管理各 环节的信息网络，对企业各环节产生的信息数据进行采集、分析、处理、控制和 反馈，并通过信息网络实现信息资源共享，实现电厂生产经营管理的智能化和自 动化，达到提高企业现代化管理水平，提高企业经济效益，提高企业市场竞争能 力的目标。企业构建“信息化电厂”，将大大加快电力企业信息化的进程，全面 提升电力企业形象和市场竞争的综合实力，加速推进电力事业的飞速发展。

本《规划》提出了利用信息技术提升电厂竞争力即电厂物联网建设的规划方 案。在电厂先进控制系统和安全高效的网络平台、数据库平台基础上，用先进的 管理思想和信息技术对电厂的生产经营管理和生产系统进行统一规划，提出电厂 信息化建设的解决方案，使信息技术与工业技术、管理手段全面融合，从而提升 电厂的生产经营管理水平，增强企业核心竞争力。

1.2 电厂物联网建设的目的和意义

信息化的过程不是一个纯技术的工程，而与组织机构、管理模式、工作流 程、人员素质等多种非技术因素相关。应该将信息系统建设纳入企业战略的范畴 统一规划，从企业生存、市场竞争和客户服务需求角度看待信息化建设。规划的 缺失导致系统建设处于分散状态，分散的系统又导致企业管理层感受不到信息化 带来的效益。因此电厂物联网建设规划具有如下意义：

1.2.1迫切需要信息化建设

在当前的电力市场环境下，电厂物联网建设是要“充分利用电厂的生产和经 营数据，合理规划生产管理流程，实现计算机管理和辅助决策，为电厂的经营目 标服务”。从需求来看，要求电厂的管理信息系统以企业内部网为依托，以经济 分析、成本管理和报价辅助决策为目标，在对大量生产、经营、交易的实时和历 史数据信息进行有效组织和控制的基础上，运用最新的计算机技术、电力经济分 析方法和决策分析模型实现生产经营指标动态分析、投入产出比较、电价趋势分 析、预报以及报价方案分析、评估等功能。

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图 2-2 电厂物联网总体功能结构

2.3.1 广义控制系统（广义 DCS）

该系统是指生产过程的数据采集和直接控制，包括单元机组 DCS、DEH、NCS、 脱硫、水处理、输煤、除灰（渣、尘）等辅助设备的控制系统，该系统属于生产 范畴，直接与生产设备关联，随设备直接集成，主要提供设备的运行实时数据信 息，是其他系统的基础。

2.3.2 厂级监控信息系统(SIS)

SIS 基于生产过程信息实时/历史数据库，结合现代信息技术和电厂生产的专 业知识、经验，实现对生产过程的综合优化。SIS 以通讯方式采集电厂生产过程 DCS、PLC 等自动化系统的过程参数。SIS 对这些数据处理并按照需求送给仿真、 MIS 系统。SIS 功能包括：数据采集与处理，运行工况监视与查询，运行统计与考 核，性能计算与分析，运行优化，负荷优化分配，控制系统优化，应力与寿命管 理，设备可靠性管理，设备状态监测，机组在线性能试验，系统管理。

2.3.3 仿真研究系统(SIMU)

仿真研究系统采用计算机仿真支撑技术、仿真建模技术、图形图像多媒体技

术、通讯技术，实现对机组运行控制环境（控制室）及运行动态过程的仿真，再 现机组正常运行和事故情况下的各种现象。

仿真研究系统与电厂 SIS 共享生产过程历史数据，可以修正仿真研究系统的 数学模型，使仿真过程与实际机组更加逼近，更加真实；同时，电厂技术人员通 过仿真系统能够获得各种控制系统分析、运行分析、事故再现及事故预想等研究 结果。

2.3.4 管理信息系统(MIS)

管理信息系统按照电厂的生产建设周期，可以分为基建期部分和生产期部分。 基建期和生产期的应用系统解决方案应是一体化的，基建期部分的软件体系架构 应具有良好的开放性和可扩展性，应用系统进行扩充后应能平滑过渡到生产期使 用，基建期间相关数据应能转入生产期使用。

基建期的重点是实现工程项目安全质量目标和进度的优化平衡，包括：办公 自动化、项目计划管理、项目费用管理、项目安全管理、项目质量管理、项目达 标投产管理、项目材料管理、项目设备管理、财务管理、项目文档管理、综合查 询与决策支持和系统管理接口共 12 个功能模块。基建期结束后，基建期的数据可 转换过渡到生产期中。

进入生产期后，系统以安全、经济运行管理为重点，以设备检修为基础，以 完成发电量为目标，以电厂的资产管理为主线来优化电厂的机组性能指标，整个 生产计划和策略，协调各个部门的运转，实现全厂的安全、高效、经济运行。主 要规划建设的功能模块为：设备管理、维修管理、物资管理、运行管理、人力资 源管理、计划统计管理、燃料管理、生产技术管理、安全监督管理、工程项目管 理、档案管理等。

并在此基础上完成决策支持系统的建设，包括：安全经济分析、竞价上网辅 助决策等，实现成本控制，保证设备安全可靠运行，为竞价上网提供依据。

2.3.5 视频监控系统(VMS)

网络视频监控系统使用现有的网络系统，采用嵌入式的“网络视频服务器”， 实现从监控点前端、监控中心、监控工作站的数字化处理，是监控系统发展的必 然趋势。

视频监控系统硬件包括：前端监控点，如摄像机（或快球）、云台、解码器、 网络视频服务器/编解码器等。总控中心，如主控服务器、集中录像服务器、管理 服务器、网络解码器、显示器或大屏幕显示设备、网络客户端等。

视频监控系统软件包括：直播模块、点播模块、存储模块、WEB 访问、系统 管理、网络客户端软件。

视频会议系统主要由远程会议视频终端与集团公司已有视频会议系统建立连 接。鉴于集团公司已经有视频会议系统，因此规划电厂的视频会议终端设备配置 上采用与集团同样的配置和设备。

2.4 硬件支撑环境

考虑全厂信息共享和网络安全的要求，采用两级或多级交换模式，将控制系 统、厂级监控信息系统、仿真研究系统、管理信息系统分别设置成单独的局域网 络。各个网络之间通过不同的网络安全防范机制确保网络安全与数据安全。网络 系统支持数据、语音、视频等，提供短信、传真、电话、移动办公等的支持。电 厂信息化总体网络拓扑如图所示。

图 2-3 信息化管理网络拓扑

首先，控制系统在电厂中处于安全等级最高的层面，SIS 系统通过与各个控制 系统分别设立接口机的方式实时采集生产数据；以确保各控制系统之间不发生相 互影响，同时，接口机还可完成数据缓存功能，系统维护及故障时，保证实时数

据完整不丢失。相对管理信息系统而言，厂级监控信息系统网络结构相对简单， 主要有全厂生产实时/历史数据库服务器、各种功能站和部分必要的终端组成。厂 级监控信息系统通过安全网络隔离装置，将实时生产信息发送至管理信息系统中 相应的镜像服务器中。管理信息系统中所有关于生产实时信息可从访问镜像服务 器处获取。仿真研究系统从 SIS 系统中获取机组实时数据。最后，管理信息系统 中设置必要的 Web 服务器，可将必要的信息在 Internet 上发布，以便于国电集团 对电厂生产经营情况的掌握，实现信息资源共享。视频监控系统采用数字 IP 技术， 运行在 MIS 网络上。

第3章 广义控制系统（广义 DCS）

3.1 系统定义、范围

广义控制系统（广义 DCS）是电厂物联网的数据源，是电厂整个生产过程控 制层自动化系统的总称，用于各个生产过程的数据采集和控制。广义控制系统包 括：单元机组 DCS、DEH、ECS，化学水处理系统、输煤程控系统、除灰(渣、尘) 程控系统、烟气脱硫控制系统等全部主机、辅机，以及辅助车间控制的自动化系 统。

3.2 系统功能要点

除了实现传统的 DCS 功能外，还应实现下述功能： 1) 功能灵活的开放接口

应能以多种协议通过通用以太网与 MIS、SIS 等管理层计算机系统通讯； 应能以多种协议和接口方式通过控制器底层接口和各种 PLC 等第三方设备 通讯。

2) 现场总线技术 应能支持标准现场总线协议，连接标准现

场总线设备。

3) 远程 I/O 和远程控制技术

支持现场设备的就地控制，以远程 I/O 和就地控制器方式实现。 4) 虚拟 DPU 技术

应能采用虚拟 DPU 实现控制方案的模拟、仿真、调试等功能，方便控制 系统的实现和改进。

5) 一体化集中控制技术 应能采用专门智能卡件技术，实现电厂范围内更多的

专业控制功能，如： DEH、ECS 等。

6) 公用系统控制技术 目前大多机组采用两机一控方式，应采用完善的技术

实现公用系统的控 制功能。

7) 先进网络技术 通过软硬件技术的组合，实现网络的有效通讯和隔离，如

：采用交换机

技术、网络域管理技术等；

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