錢可弭
(廣東省電力設計研究院，廣東 廣州510600)
摘 要：電氣系統(tǒng)設備的運行管理水平將直接關系到發(fā)電廠運行的安全經(jīng)濟性，從而影響發(fā)電廠的市場競爭力。通過對電氣系統(tǒng)控制特點的分析，指出了在設計電氣監(jiān)控系統(tǒng)時必須注意的關鍵性問題，在此基礎上提出了一種發(fā)電廠電氣監(jiān)控系統(tǒng)的可行性方案，論述了其結構體系和一些實現(xiàn)細節(jié)。
關鍵詞：電氣監(jiān)控系統(tǒng)；DCS；電氣運行管理；廠用電
A new structure of electric control system and its implementation
QIAN Kemi
(Guangdong Electric Power esign Institute,Guangzhou 510600,China)
Abstract：The operation and management level of electric system directly influences the operation security and economiDCS of a power plant and its competition capability in power generation market.The control characteristiDCS of electric system are analyzed firstlyAnd then some critical problems needing attention are indicated to design a well performed electric control system (ECS).On the basis of the above,a new scheme of the system is provided,and its structure and implementation details are given
Key words：electric control system (ECS); distributed control system (DCS); electric operation management; auxiliary power
火力發(fā)電廠的自動化包括熱工自動化和電氣自動化兩大部分。由于新建機組和老機組的更新改造中廣泛采用了分散控制系統(tǒng)(distributed control system，DCS)實現(xiàn)對機、爐的監(jiān)控，形成了數(shù)據(jù)采集(data acquisition station，AS)、模擬量控制(modulating control system，MDCS)、順序控制(sequence control system，SDCS)、鍋爐爐膛安全監(jiān)控(furnace safety supervisory system，FSSS)這四大相互協(xié)調(diào)的系統(tǒng)，從而使得發(fā)電廠熱工自動化的監(jiān)控水平躍上了一個新的臺階。反觀電氣系統(tǒng)的監(jiān)控，相當一部分電廠仍然停留在依靠常規(guī)的儀表、光字牌，采用繼電器、控制開關及其接點組成的控制邏輯來實現(xiàn)的水平，或者雖然電氣的繼電保護、勵磁調(diào)節(jié)、自動同期等裝置已逐步實現(xiàn)了微機化，但其自動化的整體水平一直未能實現(xiàn)質(zhì)的飛躍，主要表現(xiàn)為：電氣系統(tǒng)中，保護裝置、安全自動裝置基本獨立運行，與DCS間通過硬接點方式進行有限的控制和信號交換；電氣系統(tǒng)的控制，基本上采用常規(guī)控制手段，電氣系統(tǒng)的測量、保護動作、定值整定、事故追憶、電量和潮流報表等電氣運行參數(shù)在DCS/FDCS系統(tǒng)無法完整反應。因此，盡管電氣系統(tǒng)個體裝置的自動化程度已達到一定水平，但從電氣系統(tǒng)的整體自動化水平來看，還有待進一步提高。
針對這種狀況，近年來，各電廠及相關設計部門對提高發(fā)電廠電氣自動化水平表現(xiàn)出極大的興趣，提出了各種將電氣系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)形成電氣監(jiān)控系統(tǒng)(electric control system，ECS)后接入DCS的方案［ 1-2 ］，并在部分電廠進行了相應試點。普遍的觀點認為：電氣系統(tǒng)接入DCS是一個趨勢，而且，在接入方式上，越來越多地考慮用通信方式部分取代按“點”收費的“硬連接”方式。
1電氣系統(tǒng)監(jiān)控的特點
電氣系統(tǒng)與熱工自動化系統(tǒng)相比在運行過程和控制要求上有著很多不同之處，我們有必要首先對本文的研究對象有深入的了解。發(fā)電廠電氣系統(tǒng)的主要特征可歸結為以下幾點：
a)電氣設備相對于熱工設備而言控制對象較少，操作的頻率低，有的系統(tǒng)或設備在正常運行狀態(tài)下，時常幾個月或更長時間才操作一次。但電氣設備的操作準確性要求很高，特別是發(fā)電機–變壓器組(以下簡稱發(fā)變組)及廠用電源，一旦出現(xiàn)問題后果將非常嚴重。因此，對于發(fā)變組及廠用電源斷路器，特別是發(fā)電機并網(wǎng)、廠用電源的切換等，必須充分考慮操作的安全可靠性。
b)電氣設備的保護裝置或自動裝置，其可靠性要求非常高，動作速度快。例如，發(fā)變組保護動作速度要求在40 ms以內(nèi)；自動準同期(ASS)采用同步電壓方式，轉(zhuǎn)速、電壓調(diào)整和滑壓控制要求在5 ms以內(nèi)；電壓自動調(diào)整裝置(AVR)快速勵磁要求時間極短；廠用電快切裝置快速切換時間一般小于60～80 ms，同步鑒定相位差為5°～20°。這些都對電氣監(jiān)控系統(tǒng)的性能提出了較為苛刻的要求。
c)300 MW及以上機組一般每臺機組共用1臺起動–備用變壓器，任一臺機組檢修都不能影響另一臺機組的正常運行，因此在ECS聯(lián)入DCS時，DCS控制應考慮其控制方式，以確保只能有1臺機組的DCS實現(xiàn)對共用部分的控制，同時另一臺機組的DCS能夠?qū)崿F(xiàn)實時監(jiān)視，并且這兩種不同的監(jiān)控權限能夠在兩臺機組間實現(xiàn)切換。
d)電氣設備電氣系統(tǒng)的聯(lián)鎖邏輯較為簡單，但電氣設備本身的操作機構卻十分復雜。
總結以上特點，可以得出這樣一個具有普遍意義的結論：構建發(fā)電廠電氣監(jiān)控系統(tǒng)并與DCS連接，其系統(tǒng)結構和聯(lián)網(wǎng)方式要確保系統(tǒng)具有很高的可靠性。除了能實現(xiàn)正常起停和運行操作外，尤其要求能夠?qū)崿F(xiàn)實時顯示異常運行和事故狀態(tài)下的各種數(shù)據(jù)和狀態(tài)，并提供相應的操作指導和應急處理措施，保證電氣系統(tǒng)在最安全合理的工況下工作。
2 設計電氣監(jiān)控系統(tǒng)需要注意和解決的問題
電氣監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)以及接入DCS也存在一些問題和困難。從DCS廠家看，廠家對接入如此多的通信數(shù)據(jù)存在疑問，一是DCS主要關心機爐系統(tǒng)的安全，側(cè)重點不同，所以并不需要“無關”的數(shù)據(jù)；二是通信接口沒有規(guī)范，需要具體工程具體實施，存在DCS廠家與電氣系統(tǒng)廠家的配合問題，系統(tǒng)連接困難。因此造成目前電氣系統(tǒng)的現(xiàn)狀是：控制命令和位置信號仍由DCS通過硬接線方式傳送，通過現(xiàn)場總線送至DCS的只有測量值、動作信號等很少的信息。從電廠角度看，電氣系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)后，如果只在DCS中有監(jiān)視測量、動作情況等簡單功能，不能在深層次的數(shù)據(jù)挖掘中提高電氣系統(tǒng)的運行維護管理水平，也無法表現(xiàn)出電氣系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)的必要性［ 3］。
因此有必要指出設計一個實用高效的發(fā)電廠電氣監(jiān)控系統(tǒng)所必須著重考慮的幾個問題：
a)系統(tǒng)接入問題。目前，電氣系統(tǒng)接入DCS一般采用所謂的“硬連接”方式。硬連接方式的主要缺點是投資過大，DCS按“點”收費，每增加一個量，都要額外地增加一路電纜與DCS直接相連，造成DCS的投資隨著接入量數(shù)目的增加而增加。
b)通信數(shù)據(jù)問題。發(fā)電廠電氣部分的保護測量控制裝置很多，其所需傳輸?shù)乃倪b(遙測、遙信、遙控、遙調(diào))通信信息必然也很多，這些數(shù)據(jù)中大部分是DCS不關心的，如果不加區(qū)分將所有數(shù)據(jù)都提交給DCS處理，必然造成網(wǎng)絡繁忙，影響DCS的穩(wěn)定性，因此，廠家對接入如此多的通信數(shù)據(jù)存在疑問。
c)通信接口問題。DCS與ECS的通信接口并沒有統(tǒng)一的規(guī)范，需要根據(jù)具體工程決定實施方案，這就存在DCS廠家與電氣系統(tǒng)廠家的配合問題，系統(tǒng)連接困難。
d)電氣聯(lián)鎖問題。發(fā)電廠中存在很多聯(lián)鎖回路，盡管聯(lián)鎖的邏輯比較簡單，但是電氣設備本身操作復雜，以往基于RS-485/RS-232的通信并不十分穩(wěn)定，容易出現(xiàn)通信中斷，從而造成聯(lián)鎖失效，因此在聯(lián)鎖的通信方式上都采用了硬接線方式。
e)功能問題。電氣系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)后，如果只在DCS中有監(jiān)視、測量、動作等簡單功能，并不能在深層次上提高電氣系統(tǒng)的運行維護管理水平，也無法體現(xiàn)出電氣系統(tǒng)接入DCS實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)自動化的優(yōu)越性。
本文所提出的新型發(fā)電廠電氣監(jiān)控管理系統(tǒng)體系較好地考慮到了這些問題。
3新型發(fā)電廠電氣監(jiān)控系統(tǒng)的總體框架
一個完整而可靠的發(fā)電廠電氣監(jiān)控系統(tǒng)其作用在于：應用計算機、測量保護與控制、現(xiàn)場總線技術及通信技術，實現(xiàn)發(fā)電廠電氣系統(tǒng)的運行、保護、控制、故障信息管理及故障診斷、電氣性能優(yōu)化等功能的綜合自動化。它應用現(xiàn)場總線技術，將電氣系統(tǒng)連接成電氣監(jiān)控網(wǎng)絡，一方面接入DCS，完成必要的控制功能及與DCS進行相關數(shù)據(jù)的交換；另一方面，通過接入電氣主站系統(tǒng)，充分利用電氣系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)后信息全面的優(yōu)勢，加強電氣信息的應用，完成較為復雜的電氣運行管理工作，實現(xiàn)電氣“綜合自動化”，并實現(xiàn)與發(fā)電廠MIS和SIS的無縫連接，從而提高發(fā)電廠電氣系統(tǒng)的自動化及運行管理水平，提高電廠在發(fā)電市場上的競爭能力［ 4–5］。
系統(tǒng)采用分散式就地安裝的集保護、測量、控制、通信于一體的智能前端設備(如電動機測量控制及綜合保護裝置、變壓器測量控制保護裝置、微機廠用分支保護裝置、微機同期合閘裝置、微機備備用電源自動投入裝置等)，用現(xiàn)場總線將這些前端設備的通信接口連接起來構成電氣監(jiān)控網(wǎng)絡；通過以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)庫服務器、電氣運行工作站、維護工程師站、遠動工作站等設備連接，構成電氣監(jiān)控管理上位機系統(tǒng)；通過通信管理機與DCS連接；通過服務組件與電廠的MIS、SIS、Internet等互聯(lián)。
為更好地實現(xiàn)上述功能，可以采用先進的分層分布式系統(tǒng)結構，將整個電氣監(jiān)控系統(tǒng)劃分為3個層次。
a)保護測控層。由眾多的保護和自動裝置構成，這些裝置具有測量、控制、保護、信號、通信等基本功能，可完成各自的特殊功能。該層裝置數(shù)量眾多且分散，應利用現(xiàn)場總線技術予以連接。主要應包括：發(fā)電機保護；主變壓器保護；勵磁調(diào)節(jié)裝置；廠用電快速切換裝置；自動準同期裝置；6 kV廠用電綜合保護測量控制裝置(含電動機、變壓器、饋線等)；380 V智能脫扣器(或智能斷路器)；直流系統(tǒng)的監(jiān)控；UPS系統(tǒng)的監(jiān)控。
考慮到電壓等級、設備類型、安裝地點、現(xiàn)場總線標準等可能不同，應將所有裝置分組成幾個子系統(tǒng)，如6 kV測量控制子系統(tǒng)、380 V測量控制子系統(tǒng)、公用段子系統(tǒng)、發(fā)電機保護等智能設備子系統(tǒng)等，以便于聯(lián)網(wǎng)和管理。
b)通信管理層。由于各保護測量控制裝置間通信協(xié)議的多樣性，各種裝置之間無法實現(xiàn)信息的直接交互。為了解決這些問題，可以加入通信主控單元(前置機)完成通信控制和規(guī)約的轉(zhuǎn)換功能，實現(xiàn)不同裝置之間以及裝置和DCS、電氣主站之間的信息交互。通信主控單元完成信息的接收、發(fā)送、規(guī)約的轉(zhuǎn)換，將DCS對保護測量控制層的控制命令或電氣主站系統(tǒng)的查詢及修改定值等命令，向下發(fā)至各有關裝置，同時將各裝置上傳信息送至電氣主站系統(tǒng)。
通信主控單元的設計必須滿足以下兩個方面：硬件上，應采用單片機或嵌入式PC、電子硬盤，支持多種硬件接口，如RS3/485、以太網(wǎng)口、PROFIUS等其他現(xiàn)場總線接口，保障高可靠性和通用性；軟件上，應采用嵌入式實時操作系統(tǒng)(ROS)，模塊化設計，可支持多種通信規(guī)約，如MOUS、PROFIUS、CP/IP等，保障實時性、標準性和可擴展性。
c)系統(tǒng)監(jiān)控層。系統(tǒng)監(jiān)控層包括數(shù)據(jù)庫服務器、應用和Web服務器、工作站及通信、監(jiān)控、應用等各種軟件，以及其他網(wǎng)絡設備、GPS和打印機等。這種分層分布式的電氣監(jiān)控系統(tǒng)結構如圖1所示。
采用此架構的優(yōu)點在于：設備就地安裝，與DCS間通過通信線連接，可節(jié)省大量控制電纜；電氣信息量的交換不受限制，與系統(tǒng)投資基本無關；省略電能表、變送器等。電氣工作站除實現(xiàn)畫面顯示、報表生成、打印、人機接口、事件記錄、報警、事故追憶、分析和系統(tǒng)維護等功能外，還可以充分利用電氣系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)后信息全面的優(yōu)勢，加強電氣信息的應用，完成較為復雜的電氣運行管理工作，如實現(xiàn)自動抄表、小電流接地選線、故障信息管理和設備管理等高級應用功能。
4電氣監(jiān)控系統(tǒng)的組網(wǎng)方式
本文所提出的發(fā)電廠ECS采用了先進的分層分布式系統(tǒng)結構。系統(tǒng)監(jiān)控層、通信管理層和現(xiàn)場保護測量控制單元層，三層自上而下相互協(xié)調(diào)。如前所述現(xiàn)場保護測量控制單元層的裝置數(shù)量眾多，為了保證系統(tǒng)的實時性和可靠性，一般需要將這些裝置分為若干組，再通過現(xiàn)場總線分別組網(wǎng)至對應的通信管理裝置，通信管理裝置通過高速以太網(wǎng)和上位機系統(tǒng)監(jiān)控層進行通信。常用的分組原則有以下兩種：
a)根據(jù)廠用電氣主接線組網(wǎng)。根據(jù)電廠廠用電系統(tǒng)主接線分段對各種測量控制設備和保護設備進行分組，通過現(xiàn)場總線分別組網(wǎng)至對應的通信主控單元。各通信主控單元再聯(lián)網(wǎng)至ECS后臺系統(tǒng)。以1臺單元機組ECS組網(wǎng)方案為例，其示意圖如圖所示。無公用段，有兩段6 kV廠用母線。當然也可以把6 kV的 A、段分別對應2臺通信主控單元，即1號主控下帶6 kV的 A段及其對應的380 V廠用保護測量控制裝置，2號主控下帶6 kV的 段及其對應的380 V廠用保護測量控制裝置。發(fā)變組、高壓備用變壓器的保護測量控制設備、快切屏、同期屏、勵磁調(diào)節(jié)控制屏等智能設備分別接入這2臺主控單元中。
根據(jù)電廠廠用電系統(tǒng)主接線分段對各種測量控制設備和保護設備進行分組的ECS組網(wǎng)方案特點是：方案簡單實用，現(xiàn)場總線布線容易，間隔分明，便于維護，且成本相對較低；缺點是與DCS工藝流程控制關聯(lián)不大，無法與DCS的PU一對一通信，與DCS交換數(shù)據(jù)的速度受到制約，因此DCS對電氣設備的控制一般仍需通過硬接線實現(xiàn)。
b)根據(jù)DCS的模式組網(wǎng)。本方案根據(jù)DCS的PU的配置配備ECS的通信主控單元，即把與熱工生產(chǎn)流程密切相關的6 kV和380 V電動機等負載的保護、測控設備分在同一組接入通信主控單元，通信主控單元與PU一一對應；進線、低壓變壓器等與生產(chǎn)流程關聯(lián)不大的保護測控設備單獨聯(lián)網(wǎng)。發(fā)電機變壓器組、高壓備用變壓器的保護測控設備、快切屏、同期屏、勵磁調(diào)節(jié)控制屏等也接入這些通信主控單元。如圖3所示，圖中n為DCS的PU數(shù)量，OM取決于進線、變壓器以及發(fā)電機–變壓器組保護等智能設備的數(shù)量和通信主要控制單元的通信接入能力。
根據(jù)DCS的PU的配置配備ECS組網(wǎng)方案特點是：與DCS工藝流程控制密切關聯(lián)，通信主控單元可以與DCS的PU一對一通信，實時性和可靠性得到了提高，DCS對電氣設備的控制可以通過通信實現(xiàn)，從而可以取消所用硬接線。缺點是系統(tǒng)相對復雜，通信主控單元數(shù)量較多，因而成本較高；另外現(xiàn)場總線布線在電氣間隔有交叉。
5電氣監(jiān)控系統(tǒng)與DCS的聯(lián)接方式
以前，電氣量是通過硬接線接入DCS的。電氣模擬量如電壓、電流、功率是通過變送器送至DCS模擬量采集板，開關、保護狀態(tài)等開關量通過硬接線接入DCS的開入板，對電氣的控制則由DCS的開出板接至電氣系統(tǒng)的開關控制回路。這種方法的缺點是DCS成本，特別是模擬量采集部分很高，變送器及信號電纜費用也很高，設計、施工復雜，且很多與ECS重復，浪費嚴重，而且擴展性很差。現(xiàn)在，上述電氣量在ECS中均已采集，可以通過網(wǎng)絡通信送至DCS，從而克服上述缺陷。因此，實現(xiàn)ECS聯(lián)網(wǎng)以及和DCS實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，已成為發(fā)展趨勢。
ECS接入DCS方案也有多種方式，本文介紹兩種：
a)ECS通信主控單元直接接入DCS的PU或通信工作站。本方案中每個通信主控單元均提供與DCS的通信接口，可以是串行接口(RS232/422/485)，也可以是以太網(wǎng)。見圖4.
本方案的特點是ECS和DCS相對獨立，簡單易行，與DCS協(xié)調(diào)容易，因此，目前采用該方案的電廠較多。
b)ECS通過以太網(wǎng)橋(Gateway)接入DCS以太網(wǎng)。本方案通過1臺以太網(wǎng)網(wǎng)橋把ECS以太網(wǎng)和DCS以太網(wǎng)連成一體，實現(xiàn)ECS與DCS所有的數(shù)據(jù)交換和命令傳遞，參見圖5。
本方案的特點是ECS和DDCS相對獨立，簡單易行，與DDCS協(xié)調(diào)容易。
6結束語
近幾年來發(fā)電廠電氣設備綜合自動化水平的提高，以及現(xiàn)場總線技術的發(fā)展，為建立新型的電氣監(jiān)控系統(tǒng)(ECS)奠定了技術上的基礎。發(fā)電廠電氣監(jiān)控管理系統(tǒng)是進一步提高電廠自動化水平，特別是電氣運行管理水平的有力保證。本文所提出的新型ECS的體系與實現(xiàn)方案特別適用于當前的發(fā)電廠電氣系統(tǒng)運行現(xiàn)狀，具有很強的實用價值，可供工程借鑒。
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