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1、產品背景概述

在電力行業(yè)，隨著自動化、智能化技術的發(fā)展，智能控制、數據驅動算法在電力工藝生產運行中不斷深入運用并取得成效，然而，這些智能控制及數據驅動算法要求控制系統的控制器具有更強的算力、更大存儲，傳統的DCS系統實體硬件控制器由于計算及存儲資源局限性已經難以滿足智能算法落地的需求，如果單獨開發(fā)專用控制器又存在諸多缺點，比如成本高、維護困難、功能受限等等。而基于虛擬化技術的軟件定義的虛擬控制器則可以通過軟件方式實現控制功能，具有成本低、易維護、靈活性高等優(yōu)點。以虛擬化控制器為核心結合傳統DCS系統相關IO設備網絡技術組成虛擬化DCS系統，可以根據不同的控制任務定義控制器的計算算力，可適應多種規(guī)模的控制系統，具有廣泛的應用前景。越來越多的電力生產企業(yè)開始關注虛擬化技術來優(yōu)化生產流程、提高生產效率和降低成本。

虛擬控制系統適用范圍廣泛，可以用于各類發(fā)電廠，包括火力發(fā)電廠、水力發(fā)電廠、光伏及風力發(fā)電站等。系統可以遠程監(jiān)控和控制發(fā)電廠的各個子系統，包括發(fā)電機組、輸電線路、變電站等，實現對整個電力系統的全面控制。此外，虛擬控制系統還可以結合工藝模型，模擬各種異常情況和故障，并為操作人員提供相應的應急操作指導，提高發(fā)電廠的安全性和可靠性。

目前，國內應用于電力生產實際，且適應大規(guī)模生產場景的虛擬控制系統產品還非常少，虛擬控制系統的研發(fā)需要制造企業(yè)較強的工業(yè)控制系統技術研發(fā)實力和行業(yè)工程應用經驗背景，產品研發(fā)難度非常大。應用于電力生產系統，能夠運行電力大型智能算法模型且可靈活編程的虛擬控DCS系統，作為一種新型的智能控制系統，將對電力生產的智能化和能源互聯，發(fā)揮巨大基礎支撐作用。

虛擬DCS輔助網絡配置圖

2、產品性能特點

（1）產品層面

虛擬DCS 控制系統,是基于原實體 DCS技術基礎上,將實體嵌入式控制器(DPU)取消，利用運行在IT通用服務器資源的虛擬機上的虛擬控制器軟件替代控制器功能，并通過冗余的以太網控制網絡于下位IOBUS網關進行通信，實現對IO模塊通信信號的讀取，邏輯和智能計算、并將控制指令轉遞到遠程IO的輸出模塊，實現閉環(huán)控制。

本虛擬DC控制系統，還支持5G網絡作為控制網絡，實現無線傳輸，系統結構如下:

本虛擬控制系統核心架構包括上位監(jiān)控、虛擬控制器、網關和IO設備，其中：

 a）上位監(jiān)控

    上位監(jiān)控系統采用和利時MACS6.5.4版本，包含工程師站，操作員站，歷史站等功能，還包含HAMS,需要支持新的虛擬控制器組態(tài)和監(jiān)控等功能，保持與傳統 DCS軟件整體功能基本一致。

 b）虛擬控制器

部署在服務器中，由硬件資源，虛擬化平臺軟件，操作系統及應用軟件組成，完成和傳統控制器的相同功能。通過虛擬化技術，一臺服務器可以部署多個控制器。虛擬控制器支持控制器冗余，和上位機軟件還是通過雙以太網（128和129網）進行通信。

硬件資源：支持X86架構的商用 PC機部署。

虛擬化平臺軟件：支持自定義虛擬化軟件部署，和商業(yè)虛擬機上運行。

操作系統：虛擬控制器的操作系統采用實時操作系統RSlinux+實時補丁方式，保證控制器能夠完成實時控制。

應用軟件：虛擬控制器軟件（RTS）架構。

 c）網絡

整個系統中包含三種網絡，系統網網絡，控制網網絡，余網網絡。

系統網：DCS工程師站，操作員站，歷史站，AMS 軟件等與控制器通信的網絡。

控制網：控制器與IO模塊進行數據通信的網絡。

d）網關IO-BUS

完成虛擬控制器與IO模塊間的以太網和標準ProfiBus-DP之間的協議轉換，實現虛擬化控制器和IO 模塊的通信。單網關支持 4 條鏈路獨立 DP。與控制器通信通過以太網通信，支持兩條鏈路冗余；5G網絡使用在虛擬控制器和網關之間，通過5G網關實現有線轉無線通信。

 e）IO模塊

保持和傳統 DCS,IO 模塊一致。支持 AI、AO、DI、DO、PI、SOE、RTD、RS232/RS485等多種適應電力生產的信號類型進行采集和處理。

和利時在控制器虛擬化以及軟件定義控制器領域深耕多年，始終堅持自主研發(fā)創(chuàng)新。歷時3年打磨、匯聚多名工程師心血，和利時虛擬化控制系統秉承安全設計理念，采用全冗余、多重隔離等可靠設計技術，通過了嚴苛的產品集成測試，并在中煤新集利辛板集電廠二期項目現場進行國內首臺套規(guī)模化應用。

（2）技術實現線路

實現虛擬化 DCS系統，核心技術是實現可代替實體控制器的虛擬控制器，具有運行于通用IT服務器的能力，并保持系統的響應實時性、可靠性和安全性。虛擬化控制器結構如下:

虛擬控制器為完全虛擬化控制器，虛擬控制器支持在單個虛擬機部署，可安裝于私有云平臺分配的虛擬機。配套專用網絡通訊及其依賴的環(huán)境。虛擬控制器的邏輯組態(tài)及智能算法、數據存儲均在虛擬服務器中實現，工藝系統的控制邏輯和運算依托虛擬控制器。

本電力虛擬DCS系統核心控制器實現功能：

支持虛擬控制器資源監(jiān)測及診斷。支持傳統控制器冗余功能，實現控制器無擾切換。控制器虛擬化后借助高頻CPU運算能力比傳統控制器提高5倍數以上，可降低傳統控制器的運算負荷。支持運算和通信管理分核處理，獨自CPU核運算，提供強大運算能力。支持工藝模型仿真運行，模型數據使用現場數據的鏡像，可實現現場事故預測。支持工業(yè)控制網絡與現場總線的統一。支持IEC61131-3 組態(tài)多任務運行。支持傳統控制器的IEC61131-3組態(tài)邏輯運算。支持C語言編制算法，擴展第三方智能優(yōu)化算法。

系統可靠性設計:

虛擬DCS 系統分為多級冗余設計確保系統可靠，包括系統網冗余，虛擬控制器冗余，控制網冗余，網關冗余，IO 模塊冗余。

可靠性方面，本系統全面對標常規(guī)DCS技術指標，并從電源、通信、虛擬控制器分配、云平臺環(huán)境等方面，具有提高系統整體可靠性的設計。

系統設計遵循以下故障安全準則：

a）單一故障不應引起系統的整體故障。

b）單一故障不應引起保護系統的誤動作或拒動作。

c)控制功能的分組劃分應使得某個區(qū)域的故障將只是部分降低整個控制系統的控制功能，此類控制功能的降低應能通過運行人員干預進行處理。

d)控制系統的構成應能反映電廠設備的冗余配置，以使控制系統內單一故障不會導致運行設備與備用設備同時不能運行。

為滿足上述故障安全準則，控制系統應包括各種可行的自診斷手段，以便內部故障能在對過程造成影響之前被檢測出來。此外，保護和安全系統應具備通道冗余或測量多重化以及自檢和在線試驗的手段。虛擬控制系統支持5G接入,虛擬控制器與IO 網關之間通信采用面向連接的可靠 TCP/IP通信方案,控制系統網元在私網內具有專有IP地址。采用5G無線傳輸技術代替光纖通訊，實現虛擬主控和IO 網關基于IP尋址的點對點通信。首先，借助運營商商業(yè)級虛擬專網和網絡切片技術，實現網絡鏈路獨占可靠傳輸以及信息安全。其次，基于二層隔離（VLAN）技術，實現二層隔離隧道獨享，強化業(yè)務系統之間細粒度通信確定性控制能力。

虛擬化控制系統支持強大算力服務、全冗余高可用分布式系統架構、原生支持5G接入等多項創(chuàng)新技術，充分保障系統的實用性、安全性和便捷性，為能源行業(yè)控制系統智能算法落地和多能源聯動控制提供切實可行的解決方案。

3、產品應用前景分析

發(fā)電廠虛擬控制系統是一種基于虛擬現實技術的電力系統控制系統。其研制背景是由于傳統的電力DCS控制系統只能提供算力有限的嵌入式控制器，只能運行簡單的邏輯控制，無法運行數據驅動的大型人工智能控制算法，使得發(fā)電控制系統的智能化遇到了瓶頸。而虛擬控制系統通過利用計算機虛擬化技術及先進網絡技術，可以將電力控制系統控制器算力大幅提高，并具有超遠廣域互聯能力，使得人工智能大模型、能源OT層級別的互聯成為可能，將極大提高電力系統的智能化基礎設施能力。

發(fā)電廠虛擬控制系統適用范圍廣泛，可以用于各類發(fā)電廠，包括火力發(fā)電廠、水力發(fā)電廠、光伏及風力發(fā)電站等。系統可以遠程監(jiān)控和控制發(fā)電廠的各個子系統，包括發(fā)電機組、輸電線路、變電站等，實現對整個電力系統的全面控制。此外，虛擬控制系統還可以結合工藝模型，模擬各種異常情況和故障，并為操作人員提供相應的應急操作指導，提高發(fā)電廠的安全性和可靠性。

發(fā)電廠虛擬控制系統具有廣闊的應用前景。首先，隨著電力系統的規(guī)模不斷擴大和復雜度增加，傳統的控制系統已經無法滿足電力系統運行和控制智能化的需求。而虛擬控制系統可以提供更直觀、靈活和智能的控制方式，可以幫助操作人員更好地理解和掌握電力系統的運行情況，提高操作效率和系統可靠性。

此外，虛擬控制系統還可以與人工智能技術相結合，實現電力系統的自動化控制。通過對電力系統的實時監(jiān)測和數據分析，系統可以自動調整各個子系統的運行參數，優(yōu)化發(fā)電廠的運行效率和能源利用率。

綜上所述，發(fā)電廠虛擬控制系統在電力系統運行和智能化中具有重要的應用價值和發(fā)展前景，可以幫助提高電力系統的安全性、可靠性和效率，同時也可以為電力系統的能源互聯和自動化控制提供新的解決方案和技術手段。

4、經濟和社會效益分析

（1）國內外市場現狀和需求分析

在流程工業(yè)領域中，用戶對工業(yè)自動化、工業(yè)軟件產品的安全性、可靠性、合規(guī)性、可用性要求非常高，且DCS 相關產品自誕生以來也不斷的隨技術發(fā)展迭代改進。和利時虛擬DCS 控制系統的虛擬控制器結構、靈活性、實時性、系統兼容性等的先進性都處于領先地位，產品的發(fā)布及規(guī)模應用領先國內同行，競爭優(yōu)勢十分明顯。隨著更多項目成功實施投運，和電力行業(yè)智能化建設得需求持續(xù)旺盛，越來越多的對智能控制系統的應用需求，據初步統計預期再未來3~5年市場規(guī)模能夠達到10~15億元規(guī)模。

（2）經濟效益和社會效益預測

a.經濟效益：

經過研制成功的虛擬控制系統用于發(fā)電站發(fā)電控制后，展現出了強大的產業(yè)化能力。首先，該系統具備穩(wěn)定可靠的性能，能夠通過實時監(jiān)測和控制發(fā)電站的各項參數，確保發(fā)電過程的穩(wěn)定運行。其次，虛擬控制系統具有高度的自動化程度，能夠實現發(fā)電過程中的自動化操作，減少人工干預的需求，降低勞動成本。此外，該系統還具備高度的靈活性和可擴展性，可以根據不同發(fā)電站的需求進行定制化設計，并隨著發(fā)電站的擴建或改造進行無縫集成。此外，該系統還支持數據分析和預測功能，能夠通過對發(fā)電數據的分析和趨勢預測，提供發(fā)電站的效率優(yōu)化建議，進一步提高發(fā)電效率。最后，虛擬控制系統還具備良好的安全性和可靠性，能夠有效應對各種故障和異常情況，保障發(fā)電站的運行安全，減少發(fā)生系統外掛系統通信故障等異常給企業(yè)帶來的經濟損失。綜上所述，研制成功的虛擬控制系統在產業(yè)化過程中具備良好的能力，能夠為發(fā)電站提供高效、穩(wěn)定、可靠的發(fā)電控制解決方案。

b.社會效益

電力虛擬DCS控制系統主要針對電力生產工藝過程的控制系統智能化。適用于火力發(fā)電、新能源等的發(fā)電系統的遠程集中智能控制也適用于智能化控制需要的其它流程工業(yè)領域，在我國能源領域及其它領域具有廣闊的應用市場。

近年來，無論是新建發(fā)電站還是已投運的發(fā)電站，均在尋求智能化的轉型，其中控制系統的智能化是發(fā)電企業(yè)必不可少的急迫需要。本裝備技術可極大滿足當前市場需求，給發(fā)電控制系統的智能化提供了有解決方案。

另外，在國家制定的“自主創(chuàng)新”的大環(huán)境下，隨著中國流程行業(yè)國產化水平的不斷提高，大型重大項目呈現越來明顯的國內獨立自主建設、運維趨勢，國產流程控制系統技術在重大工程上推廣和應用是大勢所趨。在此基礎上采用虛擬 DCS控制系統，一方面可以大幅節(jié)省用戶運行維護成本，大幅縮短用戶項目工期，優(yōu)化用戶的備品備件管理維護；另一方面響應國家節(jié)能減排政策和綠色工廠策略，大幅降低材料和能源的消耗，因此具有廣闊的市場前景及推廣價值。

推薦理由：

產品創(chuàng)新性：

虛擬化控制系統支持強大算力服務、全冗余高可用分布式系統架構、原生支持5G接入等多項創(chuàng)新技術，充分保障系統的實用性、安全性和便捷性，為能源行業(yè)控制系統智能算法落地和多能源聯動控制提供切實可行的解決方案。

產品特點：

（1）實時性：基于實時操作系統內核，通訊采用改進的自定義快速協議，安全可控；

（2）可靠性：采用控制器、通訊、I/O系統全冗余，冗余鏈路采用兩路高速專網，快速無擾切換；

（3）安全性：動態(tài)防御、主動防御、縱深防御安全能力，基于國密算法的安全網絡通信；

（4）兼容性：對DCS的I/O卡件及實體DPU底座無縫兼容， 原生支持實體控制器和虛擬控制器混用；

（5）擴展性：配套提供專用全網授信5G終端解決方案，支持運營商公網接入和獨立專網接入。

虛擬化DCS控制系統在保障安全和性能的前提下，提供一種運行于通用計算機資源的軟件化智能控制器,它不僅具備實體控制器的所有功能，更重要的是具有算力彈性擴展能力，可為基于神經網絡、大數據挖掘和先進控制等技術的智能應用算法提供運行環(huán)境。此外，它還具有分站配置靈活、支持 5G 接入的能力。這些能力為發(fā)電用戶在控制區(qū)集成部署智能應用、縮短智能發(fā)電運行系統實施周期、節(jié)省專用硬件控制器投資和降低備件資產庫存等方面帶來顯著價值，是引領火電控制系統向智能控制縱深深入的重要里程碑突破。

虛擬化DCS控制系統在保障安全和性能的前提下，提供一種運行于通用計算機資源的軟件化智能控制器,它不僅具備實體控制器的所有功能，更重要的是具有算力彈性擴展能力，可為基于神經網絡、大數據挖掘和先進控制等技術的智能應用算法提供運行環(huán)境。此外，它還具有分站配置靈活、支持 5G 接入的能力。這些能力為發(fā)電用戶在控制區(qū)集成部署智能應用、縮短智能發(fā)電運行系統實施周期、節(jié)省專用硬件控制器投資和降低備件資產庫存等方面帶來顯著價值，是引領火電控制系統向智能控制縱深深入的重要里程碑突破。

主要創(chuàng)新點如下：

1、研發(fā)了DCS控制器虛擬化技術，并可規(guī)模化應用于發(fā)電站控制系統（應用規(guī)模IO點達7200點），突破了現有DCS控制器受嵌入式工業(yè)芯片的算力限制無法運行高復雜度人工智能等算法問題，為發(fā)電站的DCS控制系統智能化提供了技術保障。

2、虛擬控制系統充分利用虛擬化技術可分配彈性算力、高可用、可動態(tài)配置等特點，結合電站自動化控制應用特點，實現了集ms級實時IO邏輯控制、s/min級高復雜度智能控制運算于一體的超級DCS控制系統。

3、本系統原生支持5G 接入控制系統網的能力。可實現5G覆蓋下的超遠距離廣域控制，為實現多電站甚至多電網的聯合控制提供技術手段。與國外技術相比，國產虛擬化控制系統融合了云計算、大數據、5G、AI人工智能、高速通信等前沿技術，技術先進性一直保持領先地位。

虛擬化控制系統算力強大、實時性更強，對于優(yōu)化控制及智慧工業(yè)等行業(yè)應用更契合，能有效提升行業(yè)產能和運行效率。

虛擬化控制系統能有效減少現場硬件資源部署，成本更低，實用性更強。

產品實用性：

虛擬化控制系統可以滿足智慧電廠及產業(yè)智能化需求，將控制系統基于虛擬化設計，依托云計算、大數據、5G、AI人工智能等前沿技術，實現控制系統虛擬化運行及應用，對未來各行業(yè)虛擬化DCS項目提供了一種創(chuàng)新的設計理念和前沿產品。

虛擬化控制系統依托前沿科技資源，通過簡單技術培訓即可在現場部署應用。

相比常規(guī)DCS系統，虛擬化控制系統部署周期更短、更易用，成本更低，操作更方便、更智能、更靈活，可擴展性更強，可維護性更強，功能更強大。

該項目已成功應用于中煤新集利辛板集電廠二期輔網DCS項目，且運行狀況良好，深受用戶及行業(yè)好評。

產品可靠性：

產品技術應用安全可靠，未發(fā)生過重大安全事故。且虛擬化控制系統在板集二期新型智慧電廠輔網項目，已累計無故障運行已經超過300天。