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

施耐德電氣（中國(guó)）有限公司

網(wǎng)絡(luò)行業(yè)應(yīng)用篇/智能化生產(chǎn)

1. 概述

1.1 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)定監(jiān)控提出了嚴(yán)苛的挑戰(zhàn)。

1.2 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。

1.3 適用范圍

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)以及在塔式類型電廠里的校準(zhǔn)控制等等。

1.4 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。

圖1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)示意圖

2. 需求分析

目前國(guó)內(nèi)光熱尚無(wú)一個(gè)符合“安、穩(wěn)、長(zhǎng)、滿、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。

3. 解決方案 

3.1 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提升價(jià)值。在“創(chuàng)新無(wú)處不在”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。

3.2 系統(tǒng)架構(gòu)（全以太網(wǎng)）

圖2光熱發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)架

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。

1) 在超大的即時(shí)信息處理方面：由于采用了工業(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。

2) 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。

3) 測(cè)控高精度方面：聚光（散焦）準(zhǔn)確性、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)。

4) 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)島以儲(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。

3.3 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)

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)：

1) 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。避免局域網(wǎng) 中的網(wǎng)絡(luò)環(huán)回，解決成環(huán)以太網(wǎng) 網(wǎng)絡(luò)的“廣播風(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。

2) 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。

3) 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)。

4) 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。需要充分考慮到上下行數(shù)據(jù)量、命令組、各種工況以及網(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。

5) 由于光熱電廠的工藝類型很多，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。

3.4 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/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)。

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。

3.5 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)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。

3.6 塔式光熱電廠Aiming策略優(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)。

圖5 三個(gè)不同的季節(jié)和時(shí)間

圖6 使用優(yōu)化策略與常規(guī)控制的比較

4. 成功案例

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。

圖7 標(biāo)桿性成功案例

1) 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

2) 摩洛哥 NOORo III光熱工程

? 塔式熔鹽150 MW (7400 定日鏡): 太陽(yáng)島7400套 MC80 + 35 套M580 HSBY + Citect Scada

? 發(fā)電島及儲(chǔ)換熱系統(tǒng):7,800 IO， PES (4套 M580 HSBY) + 492 IO, Triconex

3) 西班牙 Gemasolar塔式項(xiàng)目

? 世界上第一個(gè)采用塔式接收器和熔鹽儲(chǔ)熱技術(shù)的商業(yè)規(guī)模工廠，技術(shù)具有開(kāi)創(chuàng)性及獨(dú)特性，開(kāi)辟了新的太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)的方式。

? 額定功率:19.9MW；年發(fā)電量:80 GWh/year；太陽(yáng)島:2,650個(gè)定日鏡。