基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡的太陽能光熱解決方案
施耐德電氣（中國）有限公司
網(wǎng)絡行業(yè)應用篇/智能化生產(chǎn)
1. 概述
1.1 背景
隨著國家大力推進光熱產(chǎn)業(yè)的發(fā)展建設，首批光熱發(fā)電示范項目的穩(wěn)步推進,中國企業(yè)開始積極在世界舞臺上與海外廠商角逐海外光熱發(fā)電項目，并贏得了多個項目。雖然中國正迎頭追趕光熱發(fā)電的世界腳步，可中國的光熱發(fā)展畢竟滯后于國外，存在一系列的困難和挑戰(zhàn)。光熱發(fā)電由于是利用太陽的輻射進行聚光吸熱，為了形成產(chǎn)業(yè)化效益往往一個電廠會有成千上萬套的定日鏡、集熱器，傳熱儲熱介質又都是高溫或者超高溫的導熱油、熔鹽，中國國內光熱的建設地環(huán)境氣象等環(huán)境相當惡劣又沒有可供借鑒的海外經(jīng)驗，所以對于整個電廠的安全、高效、精準控制、穩(wěn)定監(jiān)控提出了嚴苛的挑戰(zhàn)。
1.2 實施目標
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)驗提出的光熱發(fā)電全廠監(jiān)控、校準、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)刷新時間，為電廠的精準監(jiān)控提供保障。通過優(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。提供了從太陽島鏡場控制、儲換熱控制、發(fā)電島控制、全廠運行優(yōu)化控制、仿真模擬系統(tǒng)以及在塔式類型電廠里的校準控制等等。
1.4 在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡體系架構中的位置
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鏡子的控制；全鏡場控制；儲換熱控制以及發(fā)電島控制，以及全場的優(yōu)化控制，廠務管理等等。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
目前國內光熱尚無一個符合“安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)”運行的商業(yè)化光熱項目，技術復雜，引進吸收還需時日。而光熱電廠需要對成千上萬個“鏡子”協(xié)同控制，系統(tǒng)的快速響應及高穩(wěn)定，多模式的無擾切換，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)的開放性及高可擴展性、可復制性，極端情況下的系統(tǒng)保護，關鍵設備快速解列等等現(xiàn)實需求。
3. 解決方案
3.1 方案介紹
基于物聯(lián)網(wǎng)的、開放的、具有交互性的系統(tǒng)化架構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值。在“創(chuàng)新無處不在”的理念指導下，我們正在采用物聯(lián)網(wǎng)、移動、傳感、云、分析和網(wǎng)絡安全領域中的先進技術，推動從互聯(lián)互通的產(chǎn)品到邊緣控制，再到應用、分析與服務各個層級的全面創(chuàng)新。全廠依托工業(yè)以太網(wǎng)的最新技術，實現(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（全以太網(wǎng)）
圖2光熱發(fā)電系統(tǒng)構架
圖3光熱發(fā)電系統(tǒng)構架解決方案
光熱發(fā)電系統(tǒng)構架采用全以太網(wǎng)設計（設備層，控制層，信息層均采用工業(yè)以太網(wǎng)構架），依托于EcoStruxure先進的技術，以滿足光熱電廠超大的即時信息采集處理及極高的安全可靠性能以及測控的高精度要求。
1) 在超大的即時信息處理方面：由于采用了工業(yè)以太網(wǎng)技術，在數(shù)采數(shù)控的速率方面就達到了最低百兆。倚靠EcoStruxure先進的技術在數(shù)據(jù)建模及網(wǎng)內、網(wǎng)際等通訊機制上采用優(yōu)化宏等等模式，完美實現(xiàn)數(shù)據(jù)、命令的真、準、快。
2) 在安全可靠方面：由于光熱電廠自身熔鹽、導熱油的高溫特性，熔鹽冷卻后不可逆的設備損傷，必須更換特性，相關過熱回路設備的多雜特性，高安全、高可靠是整個光熱電廠的重中之重。國外吸熱器融堆后鏡場損傷過半的案例，熱罐受熱不均破損漏鹽等等案例歷歷在目，需要中國引起重視。本方案依托工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的性能優(yōu)勢，為電廠的安全測控，事故預防，事故追憶，應急機制，事故及時處理提供了全面保障。
3) 測控高精度方面：聚光（散焦）準確性、快速性對于整個發(fā)電廠的發(fā)電效能（安全保護）是極其重要的。由于采用全以太網(wǎng)方案，設備級一次測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。
4) 在電廠以后擴容方面：全以太網(wǎng)方案，可以方便的“以搭積木”方式快速實施。
在鏡場每個LOC的控制網(wǎng)絡采用超五類線，在鏡場區(qū)域控制節(jié)點采用多模/單模光纖與上層Level2級網(wǎng)絡鏈接。在Level2與Level3層級及以上層級均采用光纖鏈接的方式。如此方式的系統(tǒng)構架比傳統(tǒng)的網(wǎng)絡構架可以節(jié)省大約1/4的網(wǎng)絡布線，及其相應的輔材附件以及大量的人工時。
鏡場由于系統(tǒng)構架分區(qū)與實際物理分區(qū)存在高度的關聯(lián)，并且發(fā)電島與太陽島以儲換熱做為系統(tǒng)的分界，依托工業(yè)以太網(wǎng)的構架，可以快速的擴容，并且在更換維護上實現(xiàn)即插即用的便利性。
3.3 網(wǎng)絡拓撲設計(全以太網(wǎng)冗余構架，控制層百兆環(huán)網(wǎng)，信息層千兆環(huán)網(wǎng)，RSTP環(huán)網(wǎng)構架)
圖4全方位網(wǎng)絡拓撲解決方案
光熱解決方案的網(wǎng)絡拓撲結構：
1) 在設備LOC層采用RSTP機制的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)環(huán)網(wǎng)構架。避免局域網(wǎng) 中的網(wǎng)絡環(huán)回，解決成環(huán)以太網(wǎng) 網(wǎng)絡的“廣播風暴 ”問題，可以消除由于失誤或者意外帶來的“死循環(huán)”連接（環(huán)路網(wǎng)絡中的增生和無限循環(huán)）。也提供了為網(wǎng)絡提供備份 連接的可能，可與SDH保護配合構成以太環(huán)網(wǎng)的雙重保護以及極快的收斂速度。
2) 在SCS層采用VRRP邊緣網(wǎng)絡控制技術，支持特定情況下IP數(shù)據(jù)流量失敗轉移不會引起混亂，允許主機使用單路由器，以及及時在實際第一跳路由器使用失敗的情形下仍能夠維護路由器間的連通性，解決了局域網(wǎng)中配置靜態(tài)網(wǎng)關出現(xiàn)單點失效現(xiàn)象。VRRP還提供了優(yōu)先級搶占策略，照IP地址大小順序選舉，高優(yōu)先級的備份路由器便會剝奪當前低優(yōu)先級的主控路由器而成為新的主控路由器。在安全方面，提供了兩種安全認證措施：明文認證和IP頭認證。
3) 在太陽島層級采用MRP技術。在環(huán)網(wǎng)型拓撲構架中可設置多個主站，實現(xiàn)了通訊鏈路的榮譽與通訊設備冗余的結合。其兼容節(jié)點可以是兼容交換機也可以是終端結點。每個兼容點都可以監(jiān)測或恢復交換機內部的鏈路故障，也能夠檢測或恢復相鄰節(jié)點的故障，實現(xiàn)了快速的網(wǎng)絡恢復。
4) 在設計網(wǎng)絡構架的時候，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)絡負荷量，需要分散設置服務器以及定義各個冗余服務器、控制器的主要功能以及次要功能。充分模擬級計算網(wǎng)絡最大負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)模及場地也不盡相同，所以更迫切需要在工程實施前的充分論證及實驗。本公司在上海張江研發(fā)中心搭建了一套光熱測試平臺，不但服務于國內外的商業(yè)化項目論證也充當各種新型工藝構架及特殊需求的實驗論證。
3.4 功能設計
整個光熱電廠按照功能或者按照儲換熱系統(tǒng)為界分為兩個區(qū)域：太陽島及發(fā)電島。儲換熱系統(tǒng)一般歸為發(fā)電島部分。
鏡場部分按照區(qū)域劃分若干個片區(qū)，每個片區(qū)里分控各個定日鏡/集熱器。以以太網(wǎng)環(huán)形鏈路的方式接入核心交換機。每個定日鏡/集熱器的控制策略/模式均受SCS控制系統(tǒng)（鏡場控制系統(tǒng)）統(tǒng)一調度管理比如大風模式、緊急散焦模式、校準（塔式）模式等等。氣象站等子系統(tǒng)掛接在SCS系統(tǒng)上。
發(fā)電島以及儲換熱系統(tǒng)均由DCS系統(tǒng)控制，其中儲換熱系統(tǒng)使用三重冗余控制系統(tǒng)。
發(fā)電島，儲換熱系統(tǒng)與鏡場控制集聯(lián)至中控室形成統(tǒng)一控制平臺。
運行人員通過鍵盤、鼠標等手段發(fā)出的任何操作指令均在1秒或更短的時間內被執(zhí)行。從運行人員發(fā)出操作指令到被執(zhí)行完畢的確認信息在LCD上反映出來的時間在2秒內。
在數(shù)據(jù)流設計方面，由于LOC的數(shù)量很多，在考慮高速度的同時又要兼顧安全性。所以LOC與SCS以及SCS站內各個平行系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互需要精確設計，遵循數(shù)據(jù)負荷的分散，冗余原則。
在網(wǎng)絡構架方面，盡量減少層級，扁平化。
3.5 安全及可靠性
本解決方案已經(jīng)經(jīng)過很多商業(yè)化電站的驗證，在業(yè)內口碑很多。同時使用了本公司先進成熟可靠的一系列產(chǎn)品，在產(chǎn)品及網(wǎng)絡設計的時候充分考慮了冗余性，及糾錯性。所有控制器，網(wǎng)絡，電源以及服務器等等全部采用冗余設計方案。在儲換熱系統(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；VRRP邊緣網(wǎng)絡控制技術；MRP技術，在滿足安全可靠的同時，帶來檢、測、控速度的飛躍！
在信息安全方面通過了國際上及國內的權威認證。通過Achilles 網(wǎng)絡安全認證(Level2)；符合 IEC62443 / ISA99；通過中國電力科學研究院關于信息安全的測試。
在工程設計之初就考慮到網(wǎng)絡安全的設計，做到邊界防護，安全域服務器，集中管理，監(jiān)控預警，故障恢復，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，實現(xiàn)均勻的吸熱器溫度，降低熱應力并延長吸熱器壽命。最大限度地加快吸熱器預熱時間，使電廠更快的啟動。
圖5 三個不同的季節(jié)和時間
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)的領導者，已積累大量槽式、塔式商業(yè)化項目的成功案例,如摩洛哥的NOOR II&NOOR III，西班牙的Gemasolar等等。
圖7 標桿性成功案例
1) 摩洛哥 NOORo II光熱工程
? 槽式導熱油200 MW (1700 集熱器)：太陽島 1700 套MC80 + 6套 M580 HSBY+ Citect Scada
? 發(fā)電島及儲換熱系統(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): 太陽島7400套 MC80 + 35 套M580 HSBY + Citect Scada
? 發(fā)電島及儲換熱系統(tǒng):7,800 IO， PES (4套 M580 HSBY) + 492 IO, Triconex
3) 西班牙 Gemasolar塔式項目
? 世界上第一個采用塔式接收器和熔鹽儲熱技術的商業(yè)規(guī)模工廠，技術具有開創(chuàng)性及獨特性，開辟了新的太陽能發(fā)電技術的方式。
? 額定功率:19.9MW；年發(fā)電量:80 GWh/year；太陽島:2,650個定日鏡。