中國儲能網訊：當前，大規(guī)模壓縮空氣儲能技術研究主要集中在系統(tǒng)設計、系統(tǒng)建模、運行特性、地下儲氣庫、應用場景等方面，而由于大規(guī)模壓縮空氣儲能電站投運案例較少，對于電站控制方面的研究較少，而電網對壓縮空氣儲能電站要求具有高靈活性、快速頻率響應、可雙向調節(jié)等控制特性，對其控制系統(tǒng)要求非常高。分布式（Distributed Control System，DCS）以其強大的高可靠性、豐富的接口和通信網絡等技術優(yōu)勢，在工業(yè)控制領域具有廣泛的應用，為壓縮空氣儲能電站的安全可靠運行提供系統(tǒng)保障。
近年來，隨著DCS系統(tǒng)一體化概念的提出，大型火電廠的主輔機系統(tǒng)都基本上實現DCS一體化控制，新建電站的熱工自動化建設采用DCS一體化控制方案已成為一種共識。通過DCS一體化技術研究，實現電站集中控制，優(yōu)化資源管理，提升電站管理水平，對壓縮空氣儲能電站的發(fā)展具有重要意義。
電站控制系統(tǒng)現狀
壓縮空氣儲能電站主要包括壓縮機組系統(tǒng)、空氣透平機組系統(tǒng)、儲換熱系統(tǒng)以及輔助系統(tǒng)等。目前，壓縮機和空氣透平的控制通常由設備自帶控制系統(tǒng)實現，而其他系統(tǒng)通常由DCS系統(tǒng)控制。壓縮機和空氣透平是壓縮空氣儲能電站兩大關鍵設備，其控制方式直接影響電站的控制效果。
● DCS系統(tǒng)應用現狀
DCS系統(tǒng)是以微處理器為基礎的集中分散型控制系統(tǒng)，綜合了計算機、通訊、顯示和控制等4C技術，由過程控制級和過程監(jiān)控級組成。DCS系統(tǒng)在電力行業(yè)的熱工自動化領域應用非常廣泛，其中常用的DCS系統(tǒng)基本采用雙冗余的控制架構。
當前，DCS系統(tǒng)主要有進口DCS和國產DCS兩大類。進口DCS控制系統(tǒng)主要有艾默生的OVATION、FOXBORO的I/ASeries、西門子的SPPA-T3000、霍尼韋爾的TDC3000以及ABB的SymphonyPlus等。國產的DCS集散控制系統(tǒng)是在20世紀80年代末開始技術引進、自主研發(fā)并逐漸普及，但國產DCS系統(tǒng)核心元器件仍使用進口品牌，國產化率較低。2019年后，國內高校、企業(yè)、科研院所通過艱苦攻關，逐步完成了元器件的國產化替代，控制系統(tǒng)軟件向Linux平臺的遷移，實現了軟件的全部自主可控，國內多數電廠也開始實現全國產化DCS的更新。目前國產品牌的DCS系統(tǒng)主要有和利時的HOLLiAS MACS-K系列，南京科遠的NT6000系統(tǒng)，浙大中控的ECS700P系列、上海新華的XDC800系統(tǒng)、國電智深的EDPF-NT系統(tǒng)等。
在當前全國產、自主可控趨勢的推動下，壓縮空氣儲能電站的DCS系統(tǒng)采用國產品牌，甚至是純國產、完全自主可控品牌，將是必然的趨勢。
● 壓縮機控制系統(tǒng)應用現狀
壓縮空氣儲能電站中壓縮機的控制主要由壓縮機廠家自帶的壓縮機控制系統(tǒng)（Compressor Control System，CCS）實現，CCS是以發(fā)電機組控制技術和多重化系統(tǒng)軟硬件平臺為基礎，內置相應的壓縮機控制算法，完成壓縮機組及其輔機設備的全部自動化控制。
CCS通常是工控廠家基于壓縮機組控制需求定制開發(fā)的專用控制系統(tǒng)。以往大型壓縮機多應用于石化和冶金行業(yè)，由于壓縮機使用場景不同，對壓縮機組控制系統(tǒng)的軟硬件可靠性要求也不同。
目前成熟的壓縮機控制系統(tǒng)軟硬件平臺有進口三重化系統(tǒng)、國產三重化系統(tǒng)、進口雙冗余系統(tǒng)、國產雙冗余系統(tǒng)和進口非冗余系統(tǒng)。由于CCS系統(tǒng)冗余程度越高，系統(tǒng)可靠性越高，所以大容量壓縮機組控制基本上不考慮非冗余系統(tǒng)方案。當前開發(fā)的壓縮機組控制系統(tǒng)主要針對石化和冶金領域，其采用的規(guī)范也都是該領域的規(guī)范。在石化和冶金領域，大型壓縮機組采用的控制系統(tǒng)都需滿足SIL等級認證。而壓縮空氣儲能電站中壓縮機系統(tǒng)不存在危險化學品介質，因此可以暫不強制要求滿足SIL等級認證，待以后壓縮空氣儲能領域相關的規(guī)程規(guī)范編制完善后，再參照相關規(guī)程規(guī)范指導壓縮空氣儲能電站控制系統(tǒng)的建設。
壓縮空氣儲能電站壓縮機組控制系統(tǒng)除具有過程控制（連續(xù)控制和離散控制）、操作、顯示記錄、報警、制表打印、信息管理、系統(tǒng)組態(tài)以及自診斷等基本功能外，還應包括一鍵啟/停、自動加載、防喘振控制、性能控制、解耦控制、串聯負荷分配控制、機組保護、輔助控制、機械狀態(tài)監(jiān)視等控制功能。
● 空氣透平控制系統(tǒng)應用現狀
壓縮空氣儲能電站的空氣透平與常規(guī)火力發(fā)電廠的汽輪機類似，其控制主要由廠家自帶的數字式電液調控制系統(tǒng)（Digital Electro-Hydraulic Control System，DEH）實現。
DEH主要由以計算機為基礎的數字控制系統(tǒng)、危急遮斷系統(tǒng)和液壓控制系統(tǒng)等組成。系統(tǒng)包括轉速和負荷控制、超速保護、負荷限制、閥門控制和管理、熱應力計算，氣門快關及協調控制等。DEH控制系統(tǒng)可以滿足空氣透平機械安全運行和啟停的所有要求。其主要分為兩大類即專用型控制系統(tǒng)和通用型控制系統(tǒng)：
專用型DEH系統(tǒng)：該種類型系統(tǒng)對于運行人員與熱控人員封閉，專用化程度高，運行人員和維護人員對系統(tǒng)了解較差，理解DEH控制系統(tǒng)邏輯比較困難。
通用型DEH系統(tǒng)：該種類型系統(tǒng)采用DCS實現空氣透平控制，運行人員與熱控人員對系統(tǒng)較為熟悉，易于理解，控制軟件采用與DCS系統(tǒng)組態(tài)方式，通信方式采用以太網通信。目前，大型空氣透平的控制系統(tǒng)主要采用的是通用型DEH。
通過對DCS系統(tǒng)、壓縮機控制系統(tǒng)、空氣透平控制系統(tǒng)研究現狀分析，得到如下表所示的DCS國內外技術現狀對比表：
↑ 電站不同控制系統(tǒng)國內外技術現狀對比表
通過分析，國內外DCS系統(tǒng)在軟硬件配置、系統(tǒng)性能等關鍵技術參數上存在一定的差異，國內DCS系統(tǒng)在近年來取得了顯著進步，但在某些方面仍與國際先進水平存在一定差距。隨著工業(yè)4.0、物聯網（IoT）以及人工智能（AI）的發(fā)展，智能化已成為DCS系統(tǒng)的未來方向。在當前全國產、自主可控浪潮推動下，國內DCS廠商需要不斷加強技術研發(fā)和創(chuàng)新，特別是在先進控制算法（如自適應控制、模型預測控制等）、人工智能和大數據分析等前沿技術領域。尤其在壓縮空氣技術領域，國內正領先全球300兆瓦級壓縮空氣儲能電站的建設工作，國內廠商應當更加重視國際認證和標準化的工作，確保研發(fā)的DCS系統(tǒng)、壓縮機控制系統(tǒng)及空氣透平控制系統(tǒng)能夠符合IEC、ISO、NEMA、UL等國際標準，滿足不同國家和地區(qū)的法規(guī)要求，提升其全球競爭力。
電站DCS一體化可行性分析
● DCS一體化思路分析
所謂DCS一體化是指全廠采用一套DCS系統(tǒng)將多個獨立但相互關聯的控制系統(tǒng)整合為一個整體，以簡化系統(tǒng)，實現對全廠主輔運行設備的集中監(jiān)視和分散控制。目前DCS一體化方式主要有以下3種：
（1）控制室一體化方式
示意圖如下圖所示，壓縮空氣儲能電站CCS系統(tǒng)、DEH系統(tǒng)、DCS系統(tǒng)分別設有獨立的控制系統(tǒng)，其上位機系統(tǒng)統(tǒng)一布置在集中控制室內，在集中控制室實現對全廠主輔系統(tǒng)的監(jiān)視和控制。
↑ DCS一體化：控制室一體化方式示意圖
在該種方式下，以DCS控制系統(tǒng)網絡為中心，實現整個電站的集中控制。DCS網絡交換機采用冗余配置，保證在任何一路網絡連接發(fā)生故障的情況下轉向備用網絡。根據壓縮空氣儲能電站的控制要求，設置1個集中控制點和若干輔助車間控制點，集中控制點設置在集中控制室，設有操作員站對全廠工藝系統(tǒng)的集中監(jiān)視和控制，工程師站對系統(tǒng)組態(tài)進行維護管理，輔助車間控制點配有操作員站及工程師站，用于現場調試。DCS控制器全部采用冗余配置，并按照工藝設備設置獨立控制器。
壓縮機組的控制通過壓縮機廠家提供的壓縮機控制系統(tǒng)實現，完成所有壓縮機組及輔機設備的自動化控制，通常設置一套三重冗余的控制系統(tǒng)，采用一控多方式。在集控室內，設有壓縮機操作員站和工程師站，實現對壓縮機組的過程控制。壓縮機控制系統(tǒng)品牌可與DCS品牌不一致。
空氣透平控制系統(tǒng)通過透平廠家提供的數字電液控制系統(tǒng)實現，用于完成空氣透平本體的自動化控制、監(jiān)視及保護。在集控室內，設有操作員站和工程師站，用于操作人員監(jiān)控、控制空氣透平?？諝馔钙娇刂葡到y(tǒng)品牌可與DCS品牌不一致。
該種方式僅僅是控制系統(tǒng)在物理空間位置上實現一體化，是控制系統(tǒng)一體化最初級的整合模式，實際各個控制系統(tǒng)仍互不關聯，全廠的自動化水平很低。在以往計算機網絡技術尚不成熟時期，或者不同系統(tǒng)通信比較困難時，采用此種模式。
（2）監(jiān)控網絡一體化方式
監(jiān)控網絡一體化方式是在控制室一體化基礎上，進一步將壓縮空氣儲能電站的各主、輔控制系統(tǒng)（CCS、DEH，以及DCS等）的監(jiān)控網絡進行一體化，通過將CCS、DEH等設備的控制系統(tǒng)數據以通信方式接入DCS，從而在DCS系統(tǒng)上實現對整個壓縮空氣儲能電站的各主、輔控制系統(tǒng)的集中監(jiān)視和控制。示意圖如下圖所示。
↑ DCS一體化：監(jiān)控網絡一體化方式示意圖
相比第一種方式，DCS控制系統(tǒng)、壓縮機控制系統(tǒng)和空氣透平控制系統(tǒng)在軟硬件配置、網絡配置等方面要求相同。在第一種方式基礎上，該方式各系統(tǒng)網絡之間設有冗余通信接口，實現各系統(tǒng)之間的互聯互通。壓縮機組控制系統(tǒng)和空氣透平控制系統(tǒng)都是通過冗余的通信接口與DCS系統(tǒng)進行雙向數據通信，重要信號采用硬件線方式直接接至DCS系統(tǒng)，可在DCS系統(tǒng)中實現壓縮機側系統(tǒng)、空氣透平側系統(tǒng)的控制。
該種方式在控制室一體化方式的基礎上，實現了監(jiān)控網絡層面上各獨立控制系統(tǒng)的交互，該方式比控制室整合更進一步，自動化水平也有顯著提升，在控制室DCS系統(tǒng)中即可實現對全廠主輔控制系統(tǒng)的集中監(jiān)控。該種方式各控制系統(tǒng)并沒有實現全面互通互聯，同時由于采取網絡通信，受限于網絡設備限制，存在一定的網絡延遲。
（3）軟硬件系統(tǒng)一體化方式
軟硬件系統(tǒng)一體化方式是將全廠主、輔機所有系統(tǒng)的控制統(tǒng)一納入到同一套控制系統(tǒng)平臺內，全廠主、輔控制系統(tǒng)采用相同的軟硬件、集中在同一網絡中，實現對整個壓縮空氣儲能電站的各主、輔控制系統(tǒng)的集中監(jiān)控。示意圖如下圖所示。
↑ DCS一體化：軟硬件系統(tǒng)一體化方式示意圖
該種方式下，DCS控制系統(tǒng)、壓縮機控制系統(tǒng)、空氣透平控制系統(tǒng)在軟硬件配置、網絡配置等方面，與前兩種方式是相同的。除此之外，該種方式下的3種控制系統(tǒng)的軟硬件也是相同的，并且在同一個網絡下。在集控室設置多個操作員站和工程師站，用于對壓縮機側系統(tǒng)、膨脹機側系統(tǒng)、其他輔機系統(tǒng)的控制。
在軟件層面上，該種方式所有系統(tǒng)均采用相同的操作系統(tǒng)、組態(tài)等軟件，在硬件層面上，所有系統(tǒng)均采用相同型號的控制器、I/O模塊等設備，控制系統(tǒng)簡單，通信方式可靠，全廠控制系統(tǒng)的自動化水平進一步提升。目前，國內火電廠的控制系統(tǒng)均采用該種模式。
通過上述3種方式分析，得到了如下表所示的3種DCS一體化思路對比分析表，通過表分析3種不同方式的技術難點。
↑ 3種DCS一體化思路對比分析表
綜上，第三種一體化方式最為徹底，也是壓縮空氣儲能電站DCS一體化最終目標和趨勢。
● 電站DCS一體化可行性分析
通過壓縮空氣儲能電站控制系統(tǒng)研究現狀分析，壓縮機和空氣透平作為電站兩大關鍵設備，其控制通常都是由專用的控制系統(tǒng)實現。所以，壓縮空氣儲能電站實現DCS一體化控制的難點在于壓縮機與空氣透平的控制是否能采用與DCS一致的軟硬件實現。
（1）壓縮機控制系統(tǒng)一體化分析
壓縮空氣儲能電站屬于大型壓縮機應用的全新場景，以往主要應用于冶金、石化等領域。目前世界主流壓縮機控制大部分使用獨立的PLC系統(tǒng)，但在火電領域，主控系統(tǒng)通常采用DCS，PLC通常用于小型控制設備。隨著自動化領域PLC和DCS實際上已經越來越向彼此靠攏，PLC和DCS之間的區(qū)分越來越模糊。因此，大型壓縮機控制系統(tǒng)采用DCS同樣可以實現。但壓縮機專用的壓縮機防喘振、性能控制及多臺壓縮機聯合運行的負荷分配算法等控制模塊需要在DCS中定制開發(fā)。同時，由于壓縮機CCS專用控制系統(tǒng)對控制器的性能要求比常規(guī)DCS處理器要高。因此，壓縮機控制系統(tǒng)在DCS上實現是可行的，但需要在DCS系統(tǒng)中開發(fā)高性能處理器且需要定制化壓縮機算法模塊。
（2）空氣透平控制系統(tǒng)一體化分析
空氣透平的控制主要采用DEH實現，由于大容量壓縮空氣儲能電站所用空氣透平采用全新研發(fā)機型，運行工況與以往的工程不同，DEH系統(tǒng)設計與原有成熟機型不一樣，對DEH控制系統(tǒng)要求也不同，所以需要在原有系統(tǒng)上進行優(yōu)化設計。但目前通用型DEH本身就是在DCS基礎上開發(fā)，空氣透平DEH實現DCS一體化在技術上是可行的。
● 電站DCS一體化優(yōu)點
相比非DCS一體化系統(tǒng)，實現DCS一體化存在諸多優(yōu)點，主要體現在以下幾點：
由于DCS一體化系統(tǒng)采用統(tǒng)一的軟件，大大減輕了熱控維護人員學習多種軟件的負擔，對DCS系統(tǒng)的軟件更熟悉，能更好地維護機組的運行。同時，熱控人員可隨時完成邏輯修改和參數設定，大大提高了熱控人員設備維護效率、方便和加快了控制系統(tǒng)的調試。
由于DCS一體化系統(tǒng)采用統(tǒng)一的硬件設備，能提高熱控人員處理問題的能力，降低設備故障率，從而減少設備維護量。此外還能減少相關設備的備品備件的數量和種類，減少電廠的資金積壓和在建項目的投資。
DCS一體化系統(tǒng)幾乎所有的控制對象都進入DCS，運行人員可以通過統(tǒng)一人機接口全面監(jiān)視全部系統(tǒng)工況，監(jiān)視操作簡單、可靠。
采用DCS一體化系統(tǒng)，不需要異構系統(tǒng)之間聯網，減少了各系統(tǒng)的通信接口，通信組網更加方便，增強了系統(tǒng)的整體性和可靠性。
DCS的一體化程度越高，所需要運行人員就越少，因而可以達到減人增效的目的。
電站DCS一體化配置方案
根據電站DCS一體化可行性分析，DCS一體化最關鍵在于將壓縮機和空氣透平兩大關鍵設備的控制系統(tǒng)接入DCS系統(tǒng)中，實現全廠DCS全過程監(jiān)視和控制。根據公開報道，現在尚不確定國內外已投運壓縮空氣儲能電站在實現DCS一體化上的進程，根據火電廠DCS一體化的經驗，對壓縮空氣儲能電站DCS一體化配置方案進行探究。
根據一體化分析過程，得到下圖壓縮空氣儲能電站DCS一體化系統(tǒng)網絡圖，包含壓縮側（含換熱）、空氣透平側（含換熱）、儲熱、電氣、APS、公輔等子系統(tǒng)的控制器，操作員站、工程師站、歷史站等人機界面以及通信的冗余網絡。下圖表明，壓縮空氣儲能控制系統(tǒng)和空氣透平控制系統(tǒng)作為控制子站直接關聯至DCS主干網上，并要求各系統(tǒng)DCS品牌、軟硬件配置一致，實現同網絡、同配置的一體化，進而實現全廠主輔系統(tǒng)的集中監(jiān)測和控制，提升全廠自動化管控水平。
↑ 壓縮空氣儲能電站DCS一體化系統(tǒng)網絡示意圖
隨著壓縮空氣儲能技術及DCS技術的發(fā)展，壓縮空氣儲能電站主輔機DCS一體化控制必將在壓縮空氣儲能電站中逐步推進。DCS一體化系統(tǒng)的選擇和運用，使壓縮空氣儲能電站自動化控制網絡的功能更加強大，并使機組的經濟效益和安全性能得到進一步的提升，提升機組管理運行水平。通過以上研究，得到以下結論：
將全廠主、輔機所有系統(tǒng)的控制均納入到同一套控制系統(tǒng)平臺內，全廠主、輔控制系統(tǒng)采用相同的軟硬件、采用同一套組網方式，從而實現對整個壓縮空氣儲能電站的各主、輔控制系統(tǒng)的集中監(jiān)控。
通過以上對DEH以及CCS實現DCS一體化問題分析，DEH和CCS實現DCS一體化在技術上是完全可行的。
隨著全國產化、自主可控浪潮驅動下，壓縮空氣儲能電站DCS一體化系統(tǒng)采用國產品牌，甚至是純國產、完全自主可控品牌，將是必然的趨勢。
