基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的太陽(yáng)能光熱解決方案

1、基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的太陽(yáng)能光熱解決方案基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的太陽(yáng)能光熱解決方案概述背景隨著國(guó)家大力推進(jìn)光熱產(chǎn)業(yè)的發(fā)展建設(shè)，首批光熱發(fā)電示 范項(xiàng)目的穩(wěn)步推進(jìn),中國(guó)企業(yè)開(kāi)始積極在世界舞臺(tái)上與海外廠商 角逐海外光熱發(fā)電項(xiàng)目，并贏得了多個(gè)項(xiàng)目。雖然中國(guó)正迎頭 追趕光熱發(fā)電的世界腳步，可中國(guó)的光熱發(fā)展畢竟滯后于國(guó)外， 存在一系列的困難和挑戰(zhàn)。光熱發(fā)電由于是利用太陽(yáng)的輻射進(jìn) 行聚光吸熱，為了形成產(chǎn)業(yè)化效益往往一個(gè)電廠會(huì)有成千上萬(wàn) 套的定日鏡、集熱器，傳熱儲(chǔ)熱介質(zhì)又都是高溫或者超高溫的 導(dǎo)熱油、熔鹽，中國(guó)國(guó)內(nèi)光熱的建設(shè)地環(huán)境氣象等環(huán)境相當(dāng)惡 劣又沒(méi)有可供借鑒的海外經(jīng)驗(yàn)，所以對(duì)于整個(gè)電廠的安全、高 效、精準(zhǔn)控制、穩(wěn)

2、定監(jiān)控提出了嚴(yán)苛的挑戰(zhàn)。實(shí)施目標(biāo)基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的高效互聯(lián)互通，依托本公司在光熱行業(yè)幾十年的經(jīng)驗(yàn)提出的光熱發(fā)電全廠監(jiān)控、校準(zhǔn)、優(yōu)化、模擬等全套解決方案。顯著提升命令執(zhí)行及狀態(tài)參數(shù)刷新時(shí)間，為電廠的精準(zhǔn)監(jiān)控提供保障。通過(guò)優(yōu)化控制，顯著提升電廠的發(fā)電量。適用范圍 213 本解決方案適用于槽式、塔式、菲涅爾式光熱發(fā)電廠。提供了從太陽(yáng)島鏡場(chǎng)控制、儲(chǔ)換熱控制、發(fā)電島控制、全廠運(yùn)行優(yōu)化控制、仿真模擬系統(tǒng)以及在塔式類(lèi)型電廠里的校準(zhǔn)控制等等。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)中的位置本解決方案在圖 1 中處在 1，3，4，5，6 的位置。此解決方案囊括了單個(gè)鏡子的控制；全鏡場(chǎng)控制；儲(chǔ)換熱控制以及發(fā)電島控制，以及全場(chǎng)的優(yōu)化

3、控制，廠務(wù)管理等等。所有的子控制系統(tǒng)均依托于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)互通。需求分析圖 1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)示意圖目前國(guó)內(nèi)光熱尚無(wú)一個(gè)符合“安、穩(wěn)、長(zhǎng)、滿(mǎn)、優(yōu)”運(yùn)行的商業(yè)化光熱項(xiàng)目，技術(shù)復(fù)雜，引進(jìn)吸收還需時(shí)日。而光熱電廠需要對(duì)成千上萬(wàn)個(gè)“鏡子”協(xié)同控制，系統(tǒng)的快速響應(yīng)及高穩(wěn)定，多模式的無(wú)擾切換，極端環(huán)境下的高可靠性，追日定日的高精度性，控制系統(tǒng)的開(kāi)放性及高可擴(kuò)展性、可復(fù)制性，極 214 端情況下的系統(tǒng)保護(hù)，關(guān)鍵設(shè)備快速解列等等現(xiàn)實(shí)需求。解決方案方案介紹基于物聯(lián)網(wǎng)的、 開(kāi)放的、 具有交互性的系統(tǒng)化架構(gòu)EcoStruxure，從安全性、可靠性、高效性、可持續(xù)性和互聯(lián)互通性方面為我們的客戶(hù)提升價(jià)值。在“創(chuàng)新無(wú)處不

4、在”的理念指導(dǎo)下，我們正在采用物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)、傳感、云、分析和網(wǎng)絡(luò)安全領(lǐng)域中的先進(jìn)技術(shù)，推動(dòng)從互聯(lián)互通的產(chǎn)品到邊緣控制， 再到應(yīng)用、分析與服務(wù)各個(gè)層級(jí)的全面創(chuàng)新。全廠依托工業(yè)以太網(wǎng)的最新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)安全性、穩(wěn)定性、冗余性、快速性、精確性的互融并舉，顯著提升光熱電廠的整體性能。系統(tǒng)架構(gòu)（全以太網(wǎng)）圖 2 光熱發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)架 215 圖 3 光熱發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)架解決方案光熱發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)架采用全以太網(wǎng)設(shè)計(jì)（設(shè)備層，控制層， 信息層均采用工業(yè)以太網(wǎng)構(gòu)架），依托于 EcoStruxure 先進(jìn)的技術(shù)，以滿(mǎn)足光熱電廠超大的即時(shí)信息采集處理及極高的安全可靠性能以及測(cè)控的高精度要求。在超大的即時(shí)信息處理方面：由于采用了工

5、業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，在數(shù)采數(shù)控的速率方面就達(dá)到了最低百兆。倚靠EcoStruxure 先進(jìn)的技術(shù)在數(shù)據(jù)建模及網(wǎng)內(nèi)、網(wǎng)際等通訊機(jī)制上采用優(yōu)化宏等等模式，完美實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、命令的真、準(zhǔn)、快。在安全可靠方面：由于光熱電廠自身熔鹽、導(dǎo)熱油的高 溫特性，熔鹽冷卻后不可逆的設(shè)備損傷，必須更換特性， 相關(guān)過(guò)熱回路設(shè)備的多雜特性，高安全、高可靠是整個(gè) 光熱電廠的重中之重。國(guó)外吸熱器融堆后鏡場(chǎng)損傷過(guò)半 的案例，熱罐受熱不均破損漏鹽等等案例歷歷在目，需 要中國(guó)引起重視。本方案依托工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的性能優(yōu)勢(shì)， 為電廠的安全測(cè)控，事故預(yù)防，事故追憶，應(yīng)急機(jī)制， 事故及時(shí)處理提供了全面保障。 216 測(cè)控高精度方面：聚光（散焦）準(zhǔn)確性

6、、快速性對(duì)于整個(gè)發(fā)電廠的發(fā)電效能（安全保護(hù)）是極其重要的。由于采用全以太網(wǎng)方案，設(shè)備級(jí)一次測(cè)量及控制在每幀速率上完全不存在總線通訊的速率，布局等頸瓶，并且抗干擾能力非常強(qiáng)。在電廠以后擴(kuò)容方面：全以太網(wǎng)方案，可以方便的“以搭積木”方式快速實(shí)施。在鏡場(chǎng)每個(gè) LOC 的控制網(wǎng)絡(luò)采用超五類(lèi)線，在鏡場(chǎng)區(qū)域控制節(jié)點(diǎn)采用多模/ 單模光纖與上層 Level2 級(jí)網(wǎng)絡(luò)鏈接。在Level2 與Level3 層級(jí)及以上層級(jí)均采用光纖鏈接的方式。如此方式的系統(tǒng)構(gòu)架比傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架可以節(jié)省大約 1/4 的網(wǎng)絡(luò)布線，及其相應(yīng)的輔材附件以及大量的人工時(shí)。鏡場(chǎng)由于系統(tǒng)構(gòu)架分區(qū)與實(shí)際物理分區(qū)存在高度的關(guān)聯(lián)， 并且發(fā)電島與太陽(yáng)島

7、以?xún)?chǔ)換熱做為系統(tǒng)的分界，依托工業(yè)以太網(wǎng)的構(gòu)架，可以快速的擴(kuò)容，并且在更換維護(hù)上實(shí)現(xiàn)即插即用的便利性。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)(全以太網(wǎng)冗余構(gòu)架，控制層百兆環(huán)網(wǎng)，信息層千兆環(huán)網(wǎng)，RSTP 環(huán)網(wǎng)構(gòu)架) 217 圖 4 全方位網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣鉀Q方案光熱解決方案的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：在設(shè)備LOC 層采用RSTP 機(jī)制的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)環(huán)網(wǎng)構(gòu)架。避 HYPERLINK /item/%E5%B1%80%E5%9F%9F%E7%BD%91 免局域網(wǎng)中的網(wǎng)絡(luò)環(huán)回，解決成環(huán) HYPERLINK /item/%E4%BB%A5%E5%A4%AA%E7%BD%91 以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的“ HYPERLINK /item/%E5%B9%BF%E6%92%

8、AD%E9%A3%8E%E6%9A%B4 廣播 HYPERLINK /item/%E5%B9%BF%E6%92%AD%E9%A3%8E%E6%9A%B4 風(fēng)暴”問(wèn)題，可以消除由于失誤或者意外帶來(lái)的“死循環(huán)”連接（環(huán)路網(wǎng)絡(luò)中的增生和無(wú)限循環(huán)）。也提供了為網(wǎng)絡(luò)提供 HYPERLINK /item/%E5%A4%87%E4%BB%BD 備份連接的可能，可與 SDH 保護(hù)配合構(gòu)成以太環(huán)網(wǎng)的雙重保護(hù)以及極快的收斂速度。在SCS 層采用VRRP 邊緣網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)，支持特定情況下IP 數(shù)據(jù)流量失敗轉(zhuǎn)移不會(huì)引起混亂，允許主機(jī)使用單路由器，以及及時(shí)在實(shí)際第一跳路由器使用失敗的情形下仍能夠維護(hù)路由器間的連通性，解

9、決了局域網(wǎng)中配置靜態(tài)網(wǎng)關(guān)出現(xiàn)單點(diǎn)失效現(xiàn)象。VRRP 還提供了優(yōu)先級(jí)搶占策略，照IP 地址大小順序選舉，高優(yōu)先級(jí)的備份路由器便會(huì)剝奪當(dāng)前低優(yōu)先級(jí)的主控路由器而成為新的主控路由器。在安全方面，提供了兩種安全認(rèn)證措施：明文認(rèn)證和 IP 頭認(rèn)證。在太陽(yáng)島層級(jí)采用 MRP 技術(shù)。在環(huán)網(wǎng)型拓?fù)錁?gòu)架中可設(shè)置多個(gè)主站，實(shí)現(xiàn)了通訊鏈路的榮譽(yù)與通訊設(shè)備冗余的 結(jié)合。其兼容節(jié)點(diǎn)可以是兼容交換機(jī)也可以是終端結(jié)點(diǎn)。每個(gè)兼容點(diǎn)都可以監(jiān)測(cè)或恢復(fù)交換機(jī)內(nèi)部的鏈路故障， 也能夠檢測(cè)或恢復(fù)相鄰節(jié)點(diǎn)的故障，實(shí)現(xiàn)了快速的網(wǎng)絡(luò) 恢復(fù)。在設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架的時(shí)候，為了保證控制的速度及精度。 218 需要充分考慮到上下行數(shù)據(jù)量、命令組、各種工況

10、以及網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷量，需要分散設(shè)置服務(wù)器以及定義各個(gè)冗余服務(wù)器、控制器的主要功能以及次要功能。充分模擬級(jí)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)最大負(fù)荷以及各種極端情況。由于光熱電廠的工藝類(lèi)型很多，規(guī)模及場(chǎng)地也不盡相同， 所以更迫切需要在工程實(shí)施前的充分論證及實(shí)驗(yàn)。本公 司在上海張江研發(fā)中心搭建了一套光熱測(cè)試平臺(tái)，不但 服務(wù)于國(guó)內(nèi)外的商業(yè)化項(xiàng)目論證也充當(dāng)各種新型工藝構(gòu) 架及特殊需求的實(shí)驗(yàn)論證。功能設(shè)計(jì)整個(gè)光熱電廠按照功能或者按照儲(chǔ)換熱系統(tǒng)為界分為兩個(gè)區(qū)域：太陽(yáng)島及發(fā)電島。儲(chǔ)換熱系統(tǒng)一般歸為發(fā)電島部分。鏡場(chǎng)部分按照區(qū)域劃分若干個(gè)片區(qū)，每個(gè)片區(qū)里分控各個(gè)定日鏡/集熱器。以以太網(wǎng)環(huán)形鏈路的方式接入核心交換機(jī)。每個(gè)定日鏡/集熱器的控制策略

11、/模式均受 SCS 控制系統(tǒng)（鏡場(chǎng)控制系統(tǒng)）統(tǒng)一調(diào)度管理比如大風(fēng)模式、緊急散焦模式、校準(zhǔn)（塔式）模式等等。氣象站等子系統(tǒng)掛接在 SCS 系統(tǒng)上。發(fā)電島以及儲(chǔ)換熱系統(tǒng)均由 DCS 系統(tǒng)控制，其中儲(chǔ)換熱系統(tǒng)使用三重冗余控制系統(tǒng)。發(fā)電島，儲(chǔ)換熱系統(tǒng)與鏡場(chǎng)控制集聯(lián)至中控室形成統(tǒng)一控制平臺(tái)。運(yùn)行人員通過(guò)鍵盤(pán)、鼠標(biāo)等手段發(fā)出的任何操作指令均在 1 秒或更短的時(shí)間內(nèi)被執(zhí)行。從運(yùn)行人員發(fā)出操作指令到被執(zhí)行完畢的確認(rèn)信息在 LCD 上反映出來(lái)的時(shí)間在 2 秒內(nèi)。 219 在數(shù)據(jù)流設(shè)計(jì)方面，由于 LOC 的數(shù)量很多，在考慮高速度的同時(shí)又要兼顧安全性。所以LOC 與SCS 以及SCS 站內(nèi)各個(gè)平行系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互需要

12、精確設(shè)計(jì)，遵循數(shù)據(jù)負(fù)荷的分散，冗余原則。在網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架方面，盡量減少層級(jí)，扁平化。安全及可靠性本解決方案已經(jīng)經(jīng)過(guò)很多商業(yè)化電站的驗(yàn)證，在業(yè)內(nèi)口碑 很多。同時(shí)使用了本公司先進(jìn)成熟可靠的一系列產(chǎn)品，在產(chǎn)品 及網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的時(shí)候充分考慮了冗余性，及糾錯(cuò)性。所有控制器， 網(wǎng)絡(luò)，電源以及服務(wù)器等等全部采用冗余設(shè)計(jì)方案。在儲(chǔ)換熱 系統(tǒng)使用三重冗余控制系統(tǒng)。采用優(yōu)化型 RSTP 環(huán)網(wǎng)技術(shù)；VRRP 邊緣網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)；MRP 技術(shù)，在滿(mǎn)足安全可靠的同時(shí)，帶來(lái)檢、測(cè)、控速度的飛躍！在信息安全方面通過(guò)了國(guó)際上及國(guó)內(nèi)的權(quán)威認(rèn)證。通過(guò)Achilles 網(wǎng)絡(luò)安全認(rèn)證(Level2)；符合 IEC62443 / ISA99；通過(guò)

13、中國(guó)電力科學(xué)研究院關(guān)于信息安全的測(cè)試。在工程設(shè)計(jì)之初就考慮到網(wǎng)絡(luò)安全的設(shè)計(jì)，做到邊界防護(hù)， 安全域服務(wù)器，集中管理，監(jiān)控預(yù)警，故障恢復(fù)，日志追溯， 安全更新等等。塔式光熱電廠 Aiming 策略?xún)?yōu)化最大限度地提高總的熱輸出和攝入潛力，實(shí)現(xiàn)均勻的吸熱器溫度，降低熱應(yīng)力并延長(zhǎng)吸熱器壽命。最大限度地加快吸熱器預(yù)熱時(shí)間，使電廠更快的啟動(dòng)。 220 圖 5 三個(gè)不同的季節(jié)和時(shí)間成功案例圖 6 使用優(yōu)化策略與常規(guī)控制的比較作為全球光熱發(fā)電控制系統(tǒng)的領(lǐng)導(dǎo)者，已積累大量槽式、塔式商業(yè)化項(xiàng)目的成功案例,如摩洛哥的 NOOR II&NOOR III，西班牙的 Gemasolar 等等。 221 圖 7 標(biāo)桿性成功案例摩洛哥 NOORo II 光熱工程槽式導(dǎo)熱油 200 MW (1700 集熱器)：太陽(yáng)島 1700 套MC80 + 6 套 M580 HSBY+ Citect Scada發(fā)電島及儲(chǔ)換熱系統(tǒng):8,900 IO，PES (5 套 M580 HSBY) + 207 IO, Triconex摩洛哥 NOORo III 光熱工程塔式熔鹽 150 MW (7400 定日鏡): 太陽(yáng)島 740