电力企业自备电厂在线监测系统实施方案总体设计方案三版.docx

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电力企业自备电厂在线监测系统实施方案总体设计方案三版

企业自备电厂在线监测系统

实施方案

第一章项目概述

1.1系统建设背景

近年来，随着经济的快速发展，企业对供热需求逐渐增加，同时受到国家鼓励资源综合利用政策、各地电力供需平衡紧张以及企业自身利益驱动等多种因素的影响，电力企业自备电厂发展十分迅速。

由于对企业自备电厂的机组发电以及并网运行缺乏有序管理，自备电厂机组大多存在开停机随意性大以及发电水平偏低或是超备用容量等现象，对主网安全稳定运行的影响越来越大。

与此同时，部分自备电厂往往违反国家环保及能源政策，浪费资源，甚至擅自扩大供电范围对外供电。

为解决上述问题，切实贯彻国家的能源政策和资源优化配置的要求，坚持“以热定电，热电联产”的原则，加强和完善对热电厂的管理是非常有必要的，这对优化能源结构，提高电网的经济和社会效益都具有十分重要的意义。

项目可行性分析

本系统自动采集全省范围内自备电厂的发电量、供热量、供电量和热电比数据，为经贸委和电力调度、营销等主管部门加强对自备电厂的管理提供详实的数据分析，提高管理效率，经济与社会效益意义重大，系统的威慑力大于经济运行效率。

具体分析如下：

1）该项目投资效益分析符合国家产业政策，满足国家对投资项目盈利能力的最低要求；

2）我所目前具备该系统所涉及信息、热工、锅炉、汽机等多种专业的相关技术人才及同类系统的建设经验；

3）系统现场采集设备集现代计算机技术、测控技术、网络技术、通信技术于一体，充分满足现场实时采集、分析和传输的要求；

4）系统主站软件系统架构先进、功能设计完善，硬件选型优化、运行稳定可靠、具有很高的稳定性和冗余度，方便今后的扩展；

◆《电力企业自备电厂在线监测系统可行性研究报告》

◆《中华人民共和国节约能源法》

◆《关于发展热电联产的规定》计基础（2000）1268号

◆《关于进一步落实差别电价及自备电厂收费政策有关问题的通知》发改电（2004）159号

◆《国家鼓励的资源综合利用认定管理办法》发改环资（2006）1864号

◆《电气装置安装工程电缆线路施工及验收规范》GB50168-2006

◆《计算机软件开发规范》GB8566-88

◆《计算机软件产品开发文件编制指南》GB8566-87

◆《计算机信息系统安全保护等级划分准则》GB17859-1999

◆《电力二次系统安全防护规定》

◆《电力二次系统安全防护总体方案》

1.4系统建设目标

◆节能环保、促进资源综合利用、缓解电力供需平衡的压力；

◆提升电力公司市场占有率，抑制自备电厂的盲目发展；

◆降低购电成本，维护电力企业利益；

◆防范企业自备电厂逃避地方、国家相关税收。

1.5系统实施范围

电力企业所有自备电厂。

包括软件系统实施、硬件系统实施和数据通讯链路实施。

1.6系统实施指导思想

本系统是电力公司为贯彻国家可持续发展和科学发展观的要求，利用高新信息化技术手段对发电企业的供热、发电进行实时在线监控的信息化管理系统。

利用该系统可以按照国家政策合理调度发电机组发电生产，维护全省电网安全稳定运行大局，把电力企业建设成资源节约型社会和环境友好型社会，所以系统建设具有很高的社会和经济效益，是电力公司对相关电厂管理的有力工具，系统的建设的必要性很大。

1.7系统实施原则

企业自备电厂在线监测系统建设始终坚持以下几个基本原则：

统筹规划，分步实施；应用主导，突出重点；统一标准、保证安全；决策支持、服务社会。

（1）、统筹规划，分步实施

整合工程建设应结合自身实际情况，坚持统一规划，确定各阶段的计划并组织实施。

要根据规划和资金筹措情况，按照轻、重、缓、急，分阶段实施。

要充分利用现有资源和设备，优化资源配置，打破部门和地区界限，确保资源的充分共享。

（2）、应用主导，突出重点

整合工程建设应紧扣三个服务的应用，着重数据资源的整合、各业务系统协同应用的整合和对内对外信息服务的整合。

（3）、统一标准、保证安全

统一标准是整合工程建设的基本要求。

在建设过程中要严格按照有关规范进行规划和设计，严格遵循各项规定及建设规范；要加强网络信息资源的安全保护，增强网络的可靠性，要在实现资源共享的同时确保信息的安全。

（4）、决策支持、服务社会

决策支持和服务社会是整合工程建设一以贯之的目标。

整合工程建设就是通过整合数据、整合应用、整合服务，更加科学地为全省电网安全稳定运行奠定基础，更为有效地为社会公众的提供服务，全面树立和提升电力系统的服务形象。

第二章硬件系统实施方案

2.1硬件系统概述

整套系统由三部分组成：

数据采集系统、网络传输系统、数据分析系统。

数据采集系统包括：

数据采集终端、隔离器、数据无线发送设备等。

网络传输系统包括：

防火墙、数据交换机等网络设备。

数据分析系统包括：

数据采集服务器、数据库服务器、应用服务器、WEB服务器、磁盘阵列、维护终端等。

2.2参考标准及依据系统功能分析

美国防火协会（NFPA）ANSI/NFPA70国家电气规范

美国电子工业协会（EIA）EIARS-232-C数据终端设备与使用串行二进制数据进行数据交换的数据通讯设备之间的接口EIARS-485、RS-422

美国仪器学会（ISA）ISA数字处理计算机硬件测试

美国科学仪器制造商协会（SAMA）SAMAPMS仪表和控制系统功能图表示法

除上述标准外，可能涉及到的还有下列组织颁布的相关标准或与之相当的其它国际组织相关标准：

IEC国际电工学会

AIEE美国电气工程师协会

ACGIH美国政府工业卫生联合会

ANSI美国国家标准化协会

MSS制造标准化协会

ASME美国机械工程学会

ASNT美国非破坏性试验学会

ASTM美国材料试验学会

AWS美国焊接学会

ICEA绝缘电缆工程师协会

NEBB美国国家环保局

NEC美国国家电气标准

ISO国际标准化组织

TCP/IP网络通讯协议

IEEE802局域网标准

2.2硬件系统实施

2.2.1数据采集硬件系统

数据采集硬件系统主要由隔离器、数据采集终端、嵌入式计算机、数据无线发送设备、电源等部分组成。

自备电厂数据测量信号采用变送器输出，输出信号为4～20mA标准信号，在测量回路中串接一个隔离器（一进二出）；对于投产较早的电厂，如果测量信号输出为非4～20mA标准信号（主要针对温度及功率信号），则需增加相应的信号隔离器将测量信号转换为4～20mA标准信号，再将所需信号接入本系统。

2.2.1.1数据采集终端

经反复选型及比对，针对产品性能、产品质量、项目经验、价格、实施成本、售后服务等方面的考虑，选定EF-11111测量前端及数据无线发送设备。

其主要参数如下：

*基本通道：

差分模拟量输入通道:

三端子20路，4路两端子开关量输入（选件）；

*输入信号类型：

   直流电压，

   直流电流，

   热电偶B、E、J、K、N、R、S、T、EA-2，

   开关状态测量（选件），

   脉冲计数（选件），

   频率测量（选件）；

EF-X111型前端的外形如下图：

技术特点：

1、高速冗余、总线型、分布式的结构

◇分布式的结构使得接线和硬件减少，大大提高了工作效率；

◇智能测控前端采用的平衡差动传输方式及针对工业现场环境恶劣特点而设计的箱体结构，具有非常强的抗干 扰能力，使前端可以就近现场安装；

◇系统中的各个前端现场安装、独立编程、独立工作、数据就地显示，实现算法分散、危险分散；

◇降低维护、移动和更换设备的成本；

◇模块化功能设计使系统可大可小、应用面广；

◇网络中可以挂多台主机，独立完成数据采集和控制工作。

2、 先进的生产工艺和高精度、灵活的测量功能

◇生产技术和工艺手段的先进性，以及现代化的集成芯片，使得产品的性能不断增强；

◇A/D分辩率达到17位，事件捕获精度达到1ms，完全满足绝大多数工业现场的高精度测量要求；

◇通过简单的工作模式设置，可实现对标准或非标准信号的高精度测量。

3、  产品种类齐全，功能强大

◇EF工业网络系统现场级核心---分布式测控前端目前拥有三大系列数十种产品。

设计者可按照不 同用户不同设备所需测控要求，配置相应功能的数据采集和控制前端，实现对各种直流模拟量、工频交流量及各种数字量信号的采集和控制；

◇前端具有自检、自诊断、自复位、自校正、量程自动转换、工程函数运算，以及非线性补偿等功能；

◇前端可装载组态程序，由用户实现所需的运算（如流量累计、模出开出的控制、分时电度等），从而最大限度地降低了系统对上位机的依赖；

4、广泛的兼容性和可扩展性

◇系统的模块化结构使得其扩展性极佳，可根据用户要求增加测控站点，也可以与本公司老产品联网；

◇多种通信波特率；

◇系统软件支持Dos/Win9x/NT/2000/UNIX等操作平台和Internet、Intranet网络服务功能，并提供了API供二次开发使用。

2.2.1.2信号隔离器

现场电源（配电）信号隔离器，是向现场的变送器提供隔离的电源电压，并将变送器产生的4～20mA信号经隔离器转换成所需的直流信号至采集装置或其它智能仪表。

2.2.1.3数据传输终端

数据传输终端（以下简称DTU）是以GPRS数据传输为原理的数据传输设备，通过对DTU的设置，可以使前端设备采集的数据经由无线网络远程传送到服务器中心。

2.2.1.4传输故障数据备份计算机

传输故障数据备份计算机为嵌入式计算机主要负责数据的存储，数据的传送；一个电厂配置一台。

2.2.1.5系统电源

系统电源采用二路供电。

2.2.2网络传输硬件系统

网络传输硬件系统包括：

硬件防火墙、交换机。

2.2.2.1交换机

本方案中，数据采集服务器、数据库服务器、WEB服务器等多台服务器采用冗余双线的方式接入交换机。

为防止设备电源损坏或CPU损坏带来的网络通讯故障，我们采用CISCO高性能二层交换机，核心交换机使用三层，充分保障网络通讯高速、高效、高可靠性。

2.2.2.2硬件防火墙

本方案中，电力内网中的数据采集终端通过防火墙发送数据到数据监控网服务器中，电力内网终端用户也通过防火墙查询数据监控网中的数据。

防火墙在这里扮演重要的角色，保障数据监控网的安全。

2.2.3数据中心硬件系统

数据处理硬件系统包括：

数据采集服务器、数据处理和数据管理维护服务器、数据库服务器、WEB服务器、磁盘阵列。

2.2.3.1数据库服务器

鉴于电厂发电机组信息采集及分析系统业务特点：

估计约130台发电机组采集到的信息，导入数据中，建立“结构化数据库”，以方便数据查询、分析、报表生成等，是属于典型的“数据挖掘”类业务。

数据挖掘类业务常常需要进行数据库的在线分析，因此服务器需对数据库进行整表查询、遍历等操作，这种操作对服务器、存储及网络的I/O要求较高，而对CPU的处理性能并不敏感。

采用性能较高的服务器

2.2.3.2磁盘存储系统

由于电厂信息分析系统需要存储的数据量较大（数据的累计性所致），维护的索引非常多，对于存储的性能要求很高。

存储推荐采用EVA虚拟化存储技术，可实现数据的条带化分布，消除了I/O热点，提高了系统吞吐能力。

EVA存储优势

◆系统应用类型的需求

电厂发电机组信息分析应用，对存储的压力大。

因此，需要充分利用存储资源

导入数据时对索引盘的写入压力巨大，但是当查询时对数据盘的读取压力巨大，需要能够自动均分存储热点的存储系统

◆避免存储热点

所有对于数据库的操作可使用所有的硬盘，充分利用EVA盘阵的性能

2.2.3.3数据采集服务器

数据采集服务器主要负责对数据采集终端送回的机组数据进行收集。

2.2.3.4数据处理和数据管理维护服务器

应用服务器主要对所有数据进行计算、分析、整理、生成报表、类型比对等工作，处理后数据存入数据库。

2.5ＷＥＢ服务器

ＷＥＢ服务器主要对进行分析整理后的数据结果及相关图表通过远程发布向相关用户展示，并支持远程用户对数据库的查询分析。

自备电厂在线监测项目硬件系统设备列表

类别

名称

备注

数据采集硬件系统

数据采集终端

前端数据采集设备

信号隔离器

数据传输终端

GPRS数据传送设备

数据传输计算机

嵌入式，存储备份前端数据

网络传输硬件系统

硬件防火墙

病毒防护

交换机

数据交换，网络发布

数据分析硬件系统

数据采集服务器

数据收集

数据库服务器

数据库处理，数据挖掘

应用服务器

数据分析，报表作业

WEB服务器

数据远程发布

磁盘阵列

数据冗余备份

第三章软件系统实施方案

3.1软件系统概述

本系统是采用GPRS实现先进的远程分布式数据采集管理功能，为电厂远程监控管理提供了便捷、安全、可行的一体化解决方案。

本项目中心站软件系统由数据采集系统、数据库管理系统、业务流处理模块、数学计算模型和Web信息发布管理系统构成，实现了对热电机组（自备电厂）运行实施全方位精确监控，在电厂数学模型基础上对其进行精确评估，为各级管理部门提供准确的决策支持信息。

3.2参考标准及依据

Ø《中华人民共和国节约能源法》

Ø《关于发展热电联产的规定》计基础（2000）1268号

Ø《关于进一步落实差别电价及自备电厂收费政策有关问题的通知》发改电（2004）159号

Ø《国家鼓励的资源综合利用认定管理办法》发改环资（2006）1864号

Ø《电气装置安装工程电缆线路施工及验收规范》GB50168-2006

Ø《计算机软件开发规范》GB8566-88

Ø《计算机软件产品开发文件编制指南》GB8566-87

Ø《计算机信息系统安全保护等级划分准则》GB17859-1999

Ø《电力二次系统安全防护规定》

Ø《电力二次系统安全防护总体方案》

Ø中华人民共和国标准化法

Ø标准体系表编制原则和要求

Ø电子政务标准化指南（第一版）

Ø数据处理词汇02部分算术和逻辑运算GB/T5271.2-1988

Ø数据处理词汇03部分设备技术GB/T5271.3-1987

Ø信息技术词汇第4部分数据的组织GB/T5271.4-2000

Ø数据处理词汇05部分数据的表示法GB/T5271.5-1987

Ø信息技术词汇第6部分数据的准备和处理GB/T5271.6-2000

Ø数据处理词汇07部分计算机程序设计GB/T5271.7-1986

Ø信息技术词汇第8部分安全GB/T5271.8-2000

Ø信息技术词汇第9部分数据通信GB/T5271.9-2001

Ø数据处理词汇10部分操作技术和设施GB/T5271.10-1986

Ø信息技术词汇第11部分处理器GB/T5271.11-2000

Ø信息技术词汇第12部分外围设备GB/T5271.12-2000

Ø数据处理词汇13部分计算机图形GB/T5271.13-1988

Ø数据处理词汇14部分可靠性、维修和可用性GB/T5271.14-1985

Ø数据处理词汇15部分程序设计语言GB/T5271.15-1986

Ø数据处理词汇16部分信息论GB/T5271.16-1986

Ø数据处理词汇18部分分布式数据处理GB/T5271.18-1993

Ø数据处理词汇19部分模拟计算GB/T5271.19-1986

Ø数据处理词汇20部分系统开发GB/T5271.20-1994

Ø信息技术词汇第23部分文本处理GB/T5271.23-2000

Ø信息技术词汇第25部分局域网GB/T5271.25-2000

Ø信息技术词汇第27部分办公自动化GB/T5271.27-2001

Ø术语工作原则与方法GB/T10112-1999

Ø分类编码通用术语GB/T10113-1988

Ø软件工程术语GB/T11457-1995

Ø数据处理词汇21部分过程计算机系统和技术过程间的接口GB/T12118-1989

Ø电子数据交换术语（EDI）GB/T14915-1994

Ø电子政务主题词表编制规则GB/T征求意见

3.3系统体系结构总体设计

3.3.1系统技术架构

系统在整体软件开发上采用分布式应用程序开发模式把不同的模块运行在不同的服务器上已达到最佳的服务器效率应用.

项目中使用面向对象的多层结构进行开发，可以使系统结构和功能逻辑清晰明了，便于系统模块的拆分组合，让项目组成员容易明确项目目标，获得清晰的分工和责任，使整个程序开发过程有序可控，同时清晰的架构分层和模块划分，也是各对象间相互独立，保证了系统的可维护性和可扩展性，也便于开发人员在开发过程中及时发现错误原因，迅速明确错误位置，保证单元模块的开发质量，降低了导致系统集成错误的因素。

3.3.2应用架构

在应用架构设计上把整个项目分为5个子系统，子系统之间都是通过数据进行数据交互，这样大大减少了数据交互任务，使程序结构更加灵活。

系统结构图如下：

✓数据采集子系统

数据采集系统负责对热电数据进行采集。

✓数据库管理子系统

数据库管理系统是对数据库进行备份还原以及冲突处理进行管理。

✓数学计算模型

把采集到的热电机组数据进行数据模型计算，统计出热效率及发电量数据。

✓业务流处理模块

业务流处理模块主要实现了热电机组管理、能源综合评估、自备电厂数据处理。

✓Web信息发布管理子系统

Web信息发布管理系统是把系统中采集到的热电机组数据、电站状态数据以及经过计算统计的数据经过计算处理，将查询结果通过Web的方式进行远程发布。

3.4系统功能分析

在项目中根据不同的功能需求分为了数据采集系统,数据处理和数据管理维护系统、BS数据显示查询系统.

系统功能框图：

3.4.1数据采集

3.4.1.1原始数据采集

✓锅炉部分

参数1.锅炉出口主蒸汽压力

参数2.锅炉出口主蒸汽温度

参数3.锅炉出口主蒸汽流量

✓全厂部分

参数1.对外供热母管蒸汽流量（t/h）

参数2.供热母管蒸汽温度（℃）

参数3.供热母管蒸汽压力（MPa）

参数4.上网功率（MW）

✓背压机组

参数1.汽轮机进汽量（t/h）

参数2.排汽温度（℃）

参数3.排汽压力（MPa）

参数4.机组电功率（MW）

✓一次抽汽机组

参数1.汽轮机进汽量（t/h）

参数2.抽汽量（t/h）

参数3.抽汽温度（℃）

参数4.抽汽压力（MPa）

参数5.机组电功率（MW）

✓二次抽汽机组

参数1.汽轮机进汽量（t/h）

参数2.一次抽汽量（t/h）

参数3.二次抽汽量（t/h）

参数4.一次抽汽温度（℃）

参数5.二次抽汽温度（℃）

参数6.一次抽汽压力（MPa）

参数7.二次抽汽压力（MPa）

参数8.机组电功率（MW）

✓抽背机组

参数1.汽轮机进汽量（t/h）

参数2.抽汽量（t/h）

参数3.抽汽温度（℃）

参数4.排汽温度（℃）

参数5.抽汽压力（MPa）

参数6.排汽压力（MPa）

参数7.机组电功率（MW）

3.4.2数据处理和数据管理维护系统

3.4.2.1基础数据人工录入

.2采集数据有效性验证

3.4.2.3数据冲突检测

.4数据备份即恢复

3.4.2.5计算及数据统计

实现热电机组运行管理系统、自备电厂信息管理系统、资源综合利用电厂信息管理系统的业务流管理，并针对不同的机组类型进行以下数据模型的计算及数据统计:

✓热电比

✓实际总热效率

✓汽轮发电机组热效率

✓热电厂总热效率

以下部分暂未统计（经调查，以下数据现场无法采集）：

✓煤矸石、煤泥资源综合利用机组入炉燃料比（重量比）

✓煤矸石、煤泥资源综合利用机组入炉燃料低位发热量

✓垃圾资源综合利用机组入炉燃料比（重量比）

✓垃圾资源综合利用机组入炉燃料低位发热量

3.4.4BS数据显示查询系统.

实现原始数据及计算统计数据的远程发布并提供相应变化报表查询系统。

3.5系统功能设计

按照系统应用架构及系统功能分析对系统的划分，系统以模块方式进行功能设计，对于相应的模块进行详细的功能划分，并实现数据在各模块间的交互，使整个系统实现对自备电厂所需数据信息的实时在线监控，达到项目设计要求。

以下为系统功能详细需求：

3.5.1数据采集系统

电厂现场数据通过隔离器送入终端，终端与系统主站前置机之间通过GPRS或ADSL等通信方式建立基于TCP/IP协议的点对点连接，按照相关协议报文格式，终端将采集数据经加密打包后，实时传输到系统主站供其它子系统分析使用。

本子系统负责与终端建立通讯通道，并根据相关参数抄收终端数据，供管理系统进行分析处理使用。

GPRS通讯是主要应用于等移动设备上通讯的一种技术在设计上专门针对设备开发的一种通讯方式，当我们在设备中使用GPRS进行实时通讯的时候存在中心无法真实确定设备在线状态的问题。

所以加入了GPRS数据链接检测模块可以对通讯状态进行真实有效的检测，这样大大提高了数据传输的稳定性和实时性。

数据采集模块

数据采集模块主要是对热电实时数据进行采集。

主要功能如下：

Ø可配置设备类型对不同来源的数据进行采集。

Ø不间断对设备状态进行检测，确保数据的可靠和有效性。

Ø可以对设备设置巡检方案可以任意的时间间隔方式对数据进行采集处理。

3.5.2数据处理和数据管理维护系统

数据处理和数据管理维护系统是整个软件的核心部分，所有数据的处理都由本系统完成，系统的实现

数据处理可分为热电机组运行管理、自备电厂运行管理和电厂资源综合利用运行管理。

数据管理和维护是指针对数据及数据库的数据管理，数据优化，备份恢复等。

3.5.2.1数据处理

热电机组运行管理

热电机组运行管理是对所有监控的热电机组进行数据分析处理。

数据采集系统从监控设备上采集到现场实时数据而热电机组运行管理系统把采集回来的数据进行计算加工处理，变成直观的热电效率等数据。

1、机组数据分析处理模块

在机组数据采集完成后，进行数据的进一步加工以前，需要对指标数值间的逻辑关系进行一定的审核，这部分在统计系统中被称为审核关系式。

系统根据审核关系式对指标数值间的逻辑关系进行检查。

检查完成后在对机组数据进行统计计算。

Ø背压式热联机组数据统计分析模块。

Ø一次抽凝热联机组数据统计分析模块。

Ø二次抽凝热联机组数据统计分析模块。

Ø抽背热联机组数据统计分析模块。

2、热电比计算处理模块

通过用户设定的计算关系和参数设置，热电比计算负责对不同指标的数据进行统计计算任务，该模块可以让用户自己定义计算公式，该模块将对采集回来的热电机组数据进行处理，计算出热电效率。

Ø总热效率计算模块。

Ø汽机热效率计算模块

Ø汽轮发电机组热效率计算模块

Ø热电厂总热销计算模块

以上两个数据处理模块基本功能如下：

1、统计数据子系统

1）指标数据收集

统计数据需要的指标数据来源于数据库，指标数据的生成分为自动和人工两种。

自动生成是由系统根据用户设定的数据生成公式自动按统计周期计算指标数据；人工生成是由各协作部门按上报周期进行数据填报的方式，这部分指标主要是现有系统中无法生成的数据。

因此，在这部分需要定义指标录入单和指标自动生成单。

统计系统建立一套指标自动生成语义，用户根据指标可以自行修改和设定自己的数据生成关系式。

2）指标数据处理

指标体系：

所有的管理指标以原始指标的形式出现，指