呂 強(qiáng)，王 宏，孫 靜

（1.國(guó)網(wǎng)技術(shù)學(xué)院，山東 濟(jì)南 250002；2.山東蓬萊東海熱電有限公司，山東 蓬萊 265609；3.華能威海發(fā)電廠，山東 威海 264205）

0 引言

目前國(guó)內(nèi)新建機(jī)組或者老機(jī)組的改造中已廣泛采用了分散控制系統(tǒng)（DCS），實(shí)現(xiàn)了在集中控制室內(nèi)對(duì)機(jī)組各項(xiàng)參數(shù)的集中監(jiān)視、控制和事故處理，形成了數(shù)據(jù)采集（DAS）、模擬量控制（MCS）、順序控制（SCS）、鍋爐爐膛安全監(jiān)控（FSSS）四大相互協(xié)調(diào)的系統(tǒng)，從而使得發(fā)電廠熱工自動(dòng)化的監(jiān)控水平躍上了一個(gè)新的臺(tái)階。相對(duì)于DCS自動(dòng)化技術(shù)水平的高速發(fā)展，電氣系統(tǒng)監(jiān)控的自動(dòng)化水平發(fā)展緩慢。盡管目前國(guó)內(nèi)許多大型機(jī)組電氣部分已進(jìn)入機(jī)組分散控制系統(tǒng)，但火力發(fā)電廠的DCS大都側(cè)重于機(jī)爐控制，對(duì)電氣系統(tǒng)考慮較少，電氣系統(tǒng)自動(dòng)化控制發(fā)展相對(duì)滯后。尤其是廠用電電氣系統(tǒng)的控制，相當(dāng)一部分仍停留在傳統(tǒng)的表計(jì)、光字牌、手操站，控制邏輯通過(guò)繼電器用硬接線方式實(shí)現(xiàn)的水平，或者雖然電氣的繼電保護(hù)裝置、安全自動(dòng)裝置等已逐步實(shí)現(xiàn)了微機(jī)化，但其自動(dòng)化的整體水平一直未能實(shí)現(xiàn)質(zhì)的飛躍，無(wú)法滿足機(jī)、爐、電統(tǒng)一協(xié)調(diào)發(fā)展。因此，提高廠用電電氣自動(dòng)化控制水平的要求日益增加，發(fā)展廠用電綜合自動(dòng)化成為迫切需求。近年來(lái)，關(guān)于用電綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的研究成為一個(gè)研究熱點(diǎn)[1-10]。

廠用電系統(tǒng)作為整個(gè)發(fā)電廠中的一個(gè)組成部分，其電氣控制方式能否與熱工DCS控制方式相協(xié)調(diào)，直接影響到火電廠建設(shè)的投資效益和電廠運(yùn)行的綜合經(jīng)濟(jì)效益。廠用電綜合自動(dòng)化是將廠用電的二次設(shè)備（包括測(cè)量?jī)x表、信號(hào)系統(tǒng)、繼電保護(hù)、和自動(dòng)裝置等）經(jīng)過(guò)功能的組合和優(yōu)化設(shè)計(jì)，利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代電子技術(shù)、通信技術(shù)和信號(hào)處理技術(shù)，實(shí)時(shí)采集廠用電系統(tǒng)運(yùn)行信息、設(shè)備狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)廠用電系統(tǒng)主要設(shè)備和饋線的自動(dòng)監(jiān)視、測(cè)量、自動(dòng)控制、微機(jī)保護(hù)和設(shè)備管理，以及與DCS、SIS等系統(tǒng)的協(xié)調(diào)自動(dòng)化功能，其目的是降低運(yùn)行費(fèi)用、減輕運(yùn)行人員勞動(dòng)強(qiáng)度，提高廠用電系統(tǒng)的可靠性，保障電廠的安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。

將高速以太網(wǎng)運(yùn)用于控制系統(tǒng)，己經(jīng)成為當(dāng)前國(guó)內(nèi)外流行的測(cè)控模式[11]。本文基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建廠用電綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。

1 廠用電綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的組成及特點(diǎn)

本文提出的廠用電綜合自動(dòng)化系統(tǒng)為C/S（客戶/服務(wù)器）模式，分層分布式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)分為站控層、網(wǎng)絡(luò)層、間隔層3層。保護(hù)功能由間隔層保護(hù)裝置提供，不受站控層和網(wǎng)絡(luò)層的影響，確保廠用電系統(tǒng)和網(wǎng)控系統(tǒng)的安全性和可靠性。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 典型配置

站控層、網(wǎng)絡(luò)層、間隔層既相互獨(dú)立又相互聯(lián)系。站控層功能的實(shí)現(xiàn)依賴于網(wǎng)絡(luò)層和間隔層的完好性；但是間隔層功能的實(shí)現(xiàn)，特別是繼電保護(hù)及安全自動(dòng)裝置的功能的實(shí)現(xiàn)決不能依賴于網(wǎng)絡(luò)層和站控層；遠(yuǎn)方主站監(jiān)控功能的實(shí)現(xiàn)應(yīng)不依賴于站控層設(shè)備。

站控層集中布置，實(shí)現(xiàn)整個(gè)廠用電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)收集、處理、顯示和監(jiān)視功能，經(jīng)過(guò)相應(yīng)授權(quán)能夠?qū)ο鄳?yīng)的設(shè)備進(jìn)行控制操作。網(wǎng)絡(luò)層完成信息傳遞和系統(tǒng)對(duì)時(shí)等功能。通過(guò)信息交換，實(shí)現(xiàn)信息共享，簡(jiǎn)化設(shè)備配置，從整體上提高電氣自動(dòng)化系統(tǒng)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。間隔層設(shè)備主要負(fù)責(zé)設(shè)備保護(hù)及遙測(cè)、遙信、遙控的數(shù)據(jù)采集和廠內(nèi)設(shè)備的遠(yuǎn)方控制，并收集廠內(nèi)保護(hù)設(shè)備、智能儀表、智能監(jiān)控設(shè)備等智能設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)和相關(guān)的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息，同時(shí)負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)廠站層或DCS所需的數(shù)據(jù)，執(zhí)行遙控遙調(diào)命令。

2 火電廠電氣綜合自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

黃島電廠三期工程5號(hào)、6號(hào)機(jī)組是我國(guó)首次自行設(shè)計(jì)、制造、投運(yùn)的超臨界660 MW的火電機(jī)組。主廠房廠用電高壓為6 kV，分為工作VA、VB、VIA、VIB段，公用A、B段。 低壓為400V/220V，動(dòng)力中心（PC）分為汽機(jī) VA、VB、VIA、VIB 段，鍋爐 VA、VB、VIA、VIB 段，保安 VA、VB、VIA、VIB段，公用A、B段，5號(hào)機(jī)、6號(hào)機(jī)照明各一段；電動(dòng)機(jī)控制中心（MCC）多段。直流控制操作電壓220 V，交流控制操作電壓220 V。

黃島發(fā)電廠廠用電綜合自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。該系統(tǒng)包括間隔層、網(wǎng)絡(luò)層、站控層三部分，其中間隔層為分布于現(xiàn)場(chǎng)的各種型號(hào)綜保裝置及各種型號(hào)智能儀表等，通信層包括通信總控單元裝置、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)以及通信網(wǎng)線，站控層包括操作員工作站、服務(wù)器等。該項(xiàng)目通信網(wǎng)絡(luò)采用雙網(wǎng)雙機(jī)模式，以提高網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性與可靠性。

間隔層：站控層應(yīng)用的系列綜保裝置與通信總控單元通過(guò)以太網(wǎng)通信連接。每臺(tái)保護(hù)測(cè)控裝置均具備兩個(gè)以太網(wǎng)通信接口，接口工作速率10/100 M自適應(yīng)，正常工作狀態(tài)下，裝置根據(jù)兩個(gè)端口工作狀態(tài)分配數(shù)據(jù)流量。當(dāng)某個(gè)端口停止工作后，裝置自動(dòng)把全部工作轉(zhuǎn)移到另一個(gè)端口上，能夠有效保證通信數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性與可靠性。

網(wǎng)絡(luò)層：間隔層裝置通信首先通過(guò)底層網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)匯聚，然后接入通信總控單元，通信總控單元對(duì)傳輸?shù)男畔⒄稀⒑Y選后，再經(jīng)上層交換機(jī)接入站控層。

底層網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)直接放置在高壓間，通信介質(zhì)選用超五類屏蔽雙絞線，RJ45接口，工作帶寬10/100 M，裝置與交換機(jī)之間線纜距離不大于100 m。工程設(shè)計(jì)要求考慮現(xiàn)場(chǎng)電磁環(huán)境干擾對(duì)通信影響，采取必要措施將影響減少到最小。間隔層裝置兩個(gè)以太網(wǎng)分別接入獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)，獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)線以及交換機(jī)不存在交叉連接現(xiàn)象，真正實(shí)現(xiàn)雙網(wǎng)運(yùn)行。

上層交換機(jī)與通信總控單元放置在電子間，與高壓間底層交換機(jī)之間通信介質(zhì)選用多膜光纖，工作帶寬10/100 M，線纜距離不大于1 000 m。通信總控單元采用雙機(jī)主備對(duì)等工作模式，根據(jù)運(yùn)行狀態(tài)自動(dòng)進(jìn)行工作模式轉(zhuǎn)變。

站控層工作站及服務(wù)器與上層交換機(jī)及通信總控單元通過(guò)雙以太網(wǎng)連接。

站控層：站控層包括工作站和服務(wù)器，均配置雙以太網(wǎng)卡，每個(gè)網(wǎng)卡分別連接到獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)中，通信介質(zhì)選用超五類屏蔽雙絞線，RJ45接口，工作帶寬10/100 M，裝置與交換機(jī)之間線纜距離不大于100 m。

圖2 ECMS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、時(shí)鐘同步、第三方智能設(shè)備數(shù)據(jù)的接收、數(shù)據(jù)處理、計(jì)算功能、操作控制、防誤閉鎖功能（選配功能）、歷史數(shù)據(jù)處理、事項(xiàng)處理、人機(jī)界面、轉(zhuǎn)發(fā)子系統(tǒng)、用戶管理功能、智能化的維護(hù)操作等功能。

系統(tǒng)投入使用后，展示了以下優(yōu)勢(shì)：

1）面向設(shè)備對(duì)象，基于工業(yè)以太網(wǎng)的分布、分層模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

面向電力一次設(shè)備，應(yīng)用圖模一體化技術(shù)，繪圖填庫(kù)，建立帶拓?fù)溥B接的電網(wǎng)模型。組態(tài)畫面上設(shè)備圖符通過(guò)彈性引線和拓?fù)涔?jié)點(diǎn)相連，直觀顯示一次設(shè)備的拓?fù)溥B接關(guān)系。

基于百兆工業(yè)以太網(wǎng)，測(cè)控保護(hù)裝置分布式安裝，節(jié)省大量通訊線，同一區(qū)域的保護(hù)測(cè)控裝置通過(guò)一臺(tái)或兩臺(tái)（主備）通訊管理機(jī)和后臺(tái)主站通訊，通訊速率高，實(shí)時(shí)性好。

主站軟件系統(tǒng)采用3層C/S架構(gòu)，支持?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)主備冗余，數(shù)據(jù)采集、應(yīng)用層邏輯處理、數(shù)據(jù)展示及用戶操作界面模塊相互分離，軟件模塊的部署數(shù)量可依照系統(tǒng)規(guī)模自由伸縮。

2）面向測(cè)點(diǎn)及設(shè)備的多維度建模。

傳統(tǒng)的電力SCADA監(jiān)控系統(tǒng)的模型有兩種，一是基于四遙測(cè)點(diǎn)建模，不考慮一次設(shè)備模型，不能描述測(cè)點(diǎn)間的關(guān)聯(lián)，應(yīng)用層邏輯處理困難；二是僅基于一次設(shè)備，所有測(cè)點(diǎn)人工映射到一次設(shè)備的參數(shù)，建模工作量大。系統(tǒng)通過(guò)對(duì)測(cè)控保護(hù)裝置的建模，自動(dòng)建立測(cè)點(diǎn)模型；通過(guò)繪圖填庫(kù)建立一次設(shè)備模型，兩個(gè)模型既相互獨(dú)立又有機(jī)結(jié)合，通過(guò)保護(hù)裝置與一次設(shè)備的關(guān)聯(lián)自動(dòng)建立測(cè)點(diǎn)與一次設(shè)備的關(guān)聯(lián)。

3）基于.Net Remoting，采用消息中間件技術(shù)的軟件模塊級(jí)主備冗余和即插即用，根據(jù)電力系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)安全性的特殊要求，廠用電綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的主要應(yīng)用模塊可運(yùn)行多個(gè)節(jié)點(diǎn)機(jī)上，基于通訊中間件，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用模塊的主備冗余運(yùn)行和即插即用，當(dāng)主模塊所在的節(jié)點(diǎn)機(jī)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，另一臺(tái)節(jié)點(diǎn)機(jī)同名模塊會(huì)自動(dòng)投入運(yùn)行，保障系統(tǒng)的不間斷運(yùn)行，極大地提高了運(yùn)行穩(wěn)定性。

4）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)主動(dòng)快速推送通道技術(shù)。

基于網(wǎng)絡(luò)通信中間件技術(shù)和變化數(shù)據(jù)的事件驅(qū)動(dòng)技術(shù)，可將變化的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)無(wú)延遲地推送到用戶界面，實(shí)現(xiàn)用戶界面的實(shí)時(shí)刷新。

5）歷史數(shù)據(jù)的無(wú)損壓縮存儲(chǔ)。

監(jiān)控系統(tǒng)中的遙測(cè)及遙控模擬量要求分鐘級(jí)采樣存儲(chǔ)，歷史數(shù)據(jù)通常要保存2年以上，按每個(gè)測(cè)點(diǎn)每分鐘存儲(chǔ)1條記錄計(jì)算，每個(gè)測(cè)點(diǎn)2年的記錄數(shù)將超過(guò)百萬(wàn)。而廠用電系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)數(shù)通過(guò)比變電站高一個(gè)到2個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)到數(shù)萬(wàn)點(diǎn)，按普通方式存儲(chǔ)，歷史數(shù)據(jù)庫(kù)的記錄數(shù)極為龐大，訪問(wèn)效率低。系統(tǒng)采用日數(shù)據(jù)塊壓縮存儲(chǔ)方式，將每個(gè)測(cè)點(diǎn)1天的數(shù)據(jù)壓縮成1個(gè)數(shù)據(jù)塊，作為一條記錄存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，每個(gè)測(cè)點(diǎn)兩年的記錄數(shù)不到800，將記錄數(shù)降低了3個(gè)數(shù)量級(jí)。

6）自動(dòng)建立設(shè)備拓?fù)溥B接關(guān)系；軟“五防”支持。

基于一次設(shè)備的連接規(guī)則，通過(guò)繪圖填庫(kù)，按順序繪制設(shè)備，自動(dòng)建立拓?fù)涔?jié)點(diǎn)，可視化地建立設(shè)備拓?fù)溥B接關(guān)系。實(shí)時(shí)處理模塊在運(yùn)行時(shí)通過(guò)建立設(shè)備模型和設(shè)備的拓?fù)溥B接關(guān)系，通過(guò)內(nèi)嵌的五防操作邏輯，可對(duì)用戶的遙控操作進(jìn)行五防判別。

7）保護(hù)測(cè)控裝置具有獨(dú)特機(jī)卡保護(hù)功能。保護(hù)測(cè)控裝置具有獨(dú)特機(jī)卡保護(hù)功能，能夠有效避免在進(jìn)行開關(guān)操作時(shí)，由于拒動(dòng)作引起跳合閘線圈長(zhǎng)時(shí)間帶電而導(dǎo)致線圈燒毀。

3 結(jié)束語(yǔ)

總結(jié)多年電力產(chǎn)品研發(fā)、工程調(diào)試和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合用戶實(shí)際需要，綜合運(yùn)用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、微機(jī)保護(hù)測(cè)控技術(shù)、通信技術(shù)和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)等，按照提出的設(shè)計(jì)思想和方案，研究開發(fā)出基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的廠用電綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。該系統(tǒng)適用于各種裝機(jī)容量及各種類型發(fā)電廠的新建和對(duì)已建老廠的技術(shù)改造，以及大型廠礦企業(yè)的廠用電系統(tǒng)的自動(dòng)化監(jiān)控。實(shí)現(xiàn)廠用電系統(tǒng)的運(yùn)行、保護(hù)、控制、故障信息管理及故障診斷等功能，并內(nèi)嵌“五防”支持及電氣操作指導(dǎo)專家系統(tǒng)。系統(tǒng)分為3層，分別為間隔層（系列微機(jī)保護(hù)測(cè)控裝置）、網(wǎng)絡(luò)層（工業(yè)以太網(wǎng)）、以及站控層（后臺(tái)主站系統(tǒng)）。

本文基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的廠用電綜合自動(dòng)化自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)用于山東黃島發(fā)電廠2×660 MW三期工程。在工程中，結(jié)合廠用電綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想，實(shí)現(xiàn)了ECS系統(tǒng)對(duì)5號(hào)、6號(hào)機(jī)組廠用電系統(tǒng)的監(jiān)控，提高了廠用電控制和運(yùn)行的自動(dòng)化水平，減少了運(yùn)行維護(hù)成本，提高了效率。