阿城繼電器股份有限公司哈爾濱研發(fā)中心 吳勇波

華北電力大學(xué) 孫楚平

阿城繼電器股份有限公司哈爾濱研發(fā)中心 肖鵬翀

1.引言

隨著全球數(shù)字化信息技術(shù)的發(fā)展，火電廠在自動化技術(shù)也取得了飛速發(fā)展，在電力運(yùn)營市場化的環(huán)境下，通過采用自動化更高的的技術(shù)和產(chǎn)品來實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化和管理現(xiàn)代化成為火電廠生存和發(fā)展的必經(jīng)之路。目前國內(nèi)新建的火力發(fā)電廠一般都配備了集散控制系統(tǒng)DCS、廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)SIS、廠級管理信息系統(tǒng)MIS和輸煤、化水等輔助控制系統(tǒng)。火電廠電氣監(jiān)控系統(tǒng)ECS正是在這種背景下產(chǎn)生的，通過接入DCS，從而為實(shí)現(xiàn)火電廠機(jī)爐電一體化運(yùn)行監(jiān)控提供解決方案，本文從應(yīng)用角度出發(fā)，分析了國內(nèi)ECS的產(chǎn)生、發(fā)展和ECS接入DCS的不同模式在實(shí)際應(yīng)用中存在的問題，展望了ECS實(shí)現(xiàn)全通信的最終目標(biāo)。

2.ECS的產(chǎn)生

從20世紀(jì)80年代開始，我國單機(jī)容量300MW及以上的火電機(jī)組開始采用DCS，最初主要是控制汽機(jī)和鍋爐，但電氣控制仍采用硬手方式，使得機(jī)爐控制與電氣控制極不協(xié)調(diào)。20世紀(jì)90年代后期，隨著各種微機(jī)保護(hù)測控裝置的運(yùn)用，電氣系統(tǒng)開始逐步接入到DCS中，接入到DCS的主要系統(tǒng)有：發(fā)變組系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)、高壓常用電源系統(tǒng)。這種方式電氣信息通過硬接線接入DCS，如圖一。

接入信息主要包括遙信量輸入輸出和遙測量輸入，接入方式為空節(jié)點(diǎn)和4-20mA直流信號。采用這種方式后，通過DCS的CRT實(shí)現(xiàn)了電氣相關(guān)信息的顯示、報(bào)警以及對相關(guān)電氣設(shè)備的控制調(diào)節(jié)。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是：電氣量的I/O模件柜布局集中布置，方便管理；硬接線方式信號傳輸中轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)少，對信號的反應(yīng)快速可靠，連接電纜正確后，發(fā)生故障的幾率低，維護(hù)量小。雖然一次性投資高，但目前大部分電廠、設(shè)計(jì)院仍認(rèn)為硬接線是ECS接入DCS的最快速可靠的方式。因此，在通信方式逐步擴(kuò)大推廣應(yīng)用的環(huán)境下，目前對可靠性、實(shí)時性要求很高的電氣控制仍然保留了硬接線的方式。但硬接線在實(shí)際實(shí)施和運(yùn)行過程中也存在一些問題，例如：

(1)DCS需要配置大量的變送器、IO卡，機(jī)柜和連接電纜，施工復(fù)雜，成本高。

(2)接入DCS的信息量有限，系統(tǒng)擴(kuò)展性差。

(3)廠用電需配置單獨(dú)的電度表，但又不能實(shí)現(xiàn)自動抄表。

(4)無法完成事故追憶、定值管理、操作票等復(fù)雜的電氣維護(hù)和管理工作。

(5)客觀上造成硬件資源的重復(fù)配置。

鑒于硬件接入方式的上述不足，采用通信方式替代硬接線方式是很有必要的。近年來，以工業(yè)以太網(wǎng)為代表的網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)在電力自動化領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用并日趨成熟穩(wěn)定，為火電廠電氣系統(tǒng)接入DCS系統(tǒng)提供了成熟的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)保障。為了提高火電廠的自動化水平，一些電氣設(shè)備廠家陸續(xù)推出基于網(wǎng)絡(luò)通訊的電力監(jiān)控系統(tǒng)，火電廠ECS接入DCS的方式也變?yōu)椤坝步泳€+通信”的方式，目前，以通信方式部分取代硬接線已經(jīng)得到了國內(nèi)大部分電廠用戶和設(shè)計(jì)院的認(rèn)可。對于采用完全取消硬接線的全通信方式，不少電力設(shè)備廠家也在積極探索中。相比國內(nèi)，在歐美等發(fā)達(dá)國家的大中機(jī)組，DCS的應(yīng)用更加成熟，自動化程度更高，并且ABB、西門子等設(shè)備廠家能提供從繼電保護(hù)、間隔測控單元的到DCS的完整解決方案，而國內(nèi)DCS與繼電保護(hù)一般由不同的廠家提供，系統(tǒng)互連有一定難度。

3.“硬接線+通信”的方式的ECS構(gòu)成

“硬接線+通信”方式的ECS一般采用分布式分層體系結(jié)構(gòu)，一般分為站控層、通信層和間隔層三層，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖二。

圖一 硬接線方式結(jié)構(gòu)圖

站控層一般采用C/S的分布結(jié)構(gòu)，由服務(wù)器、工作站和通訊網(wǎng)關(guān)等組成，形成電氣監(jiān)控系統(tǒng)。目前雖然電氣系統(tǒng)的大量信息通過通信接入DCS，但主要是用于監(jiān)控功能，DCS并沒有開發(fā)爭對電氣的高級應(yīng)用軟件。通過ECS相對獨(dú)立的實(shí)現(xiàn)對電氣系統(tǒng)的監(jiān)控，不僅提供了DCS的后備控制手段，還能實(shí)現(xiàn)諸如保護(hù)定值管理、錄波分析等復(fù)雜的電氣維護(hù)操作，為電氣系統(tǒng)的維護(hù)、運(yùn)行提供專業(yè)的管理平臺，這也是ECS的核心價值之一。

通信層一般以通信管理機(jī)為核心，對信息起到分組與上傳下達(dá)的作用，通過以太網(wǎng)接入站控層的實(shí)時主干網(wǎng)，廠用電綜保裝置通過RS485或者現(xiàn)場總線接入通信管理機(jī)，對于第三方智能電器設(shè)備，一般通過通信管理機(jī)實(shí)現(xiàn)通信接口和規(guī)約轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)完整的電氣系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，同時通信管理機(jī)可經(jīng)過串行接口與DCS的分布式處理單元DPU相連，進(jìn)行信息交換。目前ECS與DCS的通信可通過站控層的通信網(wǎng)關(guān)與通信層的通信管理機(jī)兩種方式實(shí)現(xiàn)，通信網(wǎng)關(guān)一般采用100M以太網(wǎng)，通信量大，但需DCS開發(fā)專門的軟件模塊，受DCS的開放性限制大，通信管理機(jī)與DPU之間一般采用RS485接口、modbus通信協(xié)議，簡單易行，因而得到了廣泛應(yīng)用。

圖二 “硬接線+通信”方式結(jié)構(gòu)圖

圖三 全通信方式結(jié)構(gòu)圖

間隔層包括分散安裝的廠用電綜保裝置，如電動機(jī)保護(hù)裝置、變壓器保護(hù)裝置、發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置等，完成對電氣系統(tǒng)現(xiàn)場信息的采集、保護(hù)、控制和數(shù)據(jù)通訊的功能。

“硬接線+通信”的方式使得ECS第一次把網(wǎng)絡(luò)化的應(yīng)用引入到火電廠電氣系統(tǒng)，也使DCS中電氣信息的接入模式發(fā)生了根本改變，電壓、電流、功率和各種保護(hù)動作信號等大量電氣信息通過通信傳入DCS，與控制相關(guān)的開關(guān)量輸入輸出還保留硬接線。這種方式為火電廠的電氣運(yùn)行和維護(hù)提供了新的平臺，其與完全的硬接線方式相比具備下述優(yōu)點(diǎn)：

(1)接入DCS的電氣信息更加全面，系統(tǒng)擴(kuò)展性高。

(2)DCS取消了大量的變送器、機(jī)柜和連接電纜，成本降低。

(3)通過電氣系統(tǒng)后臺可實(shí)現(xiàn)事故追憶、保護(hù)定值管理、錄波分析等復(fù)雜的電氣維護(hù)工作，極大的提高了電氣系統(tǒng)的整體自動化水平。

近幾年來，在新建的容量在300MW以上的火電機(jī)組，電氣系統(tǒng)都實(shí)現(xiàn)了不同程度的聯(lián)網(wǎng)，并通過通信接口向DCS傳送相關(guān)電氣信息，在提高電氣自動化水平方面，給用戶帶來了確確實(shí)實(shí)的好處，但ECS在實(shí)施的過程中也存在一些問題：

1)對DCS廠家來說，取消了大量相關(guān)硬件，市場利益受到?jīng)_擊，還需對通信接入投入精力，難免會不積極甚至抵觸。

2)目前國內(nèi)大多數(shù)的DCS的相關(guān)設(shè)備均是進(jìn)口，而進(jìn)口DCS設(shè)備的通信開放性勢必會受到很大限制，對于DCS的通信信息、通信周期以及數(shù)據(jù)包長度等都會有限制。

3)與硬接線方式相比，信息中轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)多，在可靠性與實(shí)時性方面會差一些。

4)ECS節(jié)點(diǎn)多，分散性強(qiáng)，由于不同廠家的解決方案良莠不齊，網(wǎng)絡(luò)通信中斷，信息刷新慢的問題會偶爾出現(xiàn)，給系統(tǒng)的維護(hù)帶來工作量，并影響客戶的使用信心。

對于以上問題的解決，一方面需要ECS廠家根據(jù)用戶需求提供穩(wěn)定先進(jìn)的產(chǎn)品技術(shù)和完善的服務(wù)，特別是提高網(wǎng)絡(luò)通信的實(shí)時性和可靠性、提供豐富完善的電氣管理功能。另一方面也需要DCS廠家做好ECS與DCS的互連規(guī)劃設(shè)計(jì)，從軟硬件配置上滿足系統(tǒng)互連的開放性、實(shí)時性。

4.全通信ECS通信的展望

ECS系統(tǒng)從產(chǎn)生到現(xiàn)在的廣泛應(yīng)用，始終以提高電氣自動化水平，實(shí)現(xiàn)ECS與DCS的無縫連接為目標(biāo)，目前的通信信息基本上還是以監(jiān)測為主，不控制，離用戶真正期待的全通信還有一定的差距。目前一些國內(nèi)ECS廠家和電廠一起在全通信方面進(jìn)行了有益的探索，積累了一定經(jīng)驗(yàn)。對于目前投入工程應(yīng)用的全通信方式，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖三所示。

在這種方式下，通信管理機(jī)按照電廠的工藝配置需求，參與工藝聯(lián)鎖控制的通信管理機(jī)和相應(yīng)的DPU一對一進(jìn)行通信，由于每個工藝過程的綜保裝置數(shù)量較少，因而通信實(shí)時性較高，完全可以滿足電廠工藝聯(lián)鎖控制的要求，對于不參與工藝聯(lián)鎖的電氣信息，通過ECS站控層的通信網(wǎng)關(guān)接入DCS。

通過這種方式，電氣系統(tǒng)的控制和聯(lián)鎖全部通過網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)現(xiàn)，實(shí)時性和硬接線雖然有一定的差距，但都能滿足技術(shù)要求，在實(shí)現(xiàn)全通信的目標(biāo)過程中，是一種大膽有益的嘗試，但這種方式也存在下面一些困難：

1）在ECS、DCS中，控制都是通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的，但網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)一般都不大于三層，并且互聯(lián)的設(shè)備一般為一個廠家的產(chǎn)品和系統(tǒng)，在圖三中，控制信息的傳輸網(wǎng)絡(luò)為四層，DCS的開放性限制也影響了兩個系統(tǒng)之間的連接的緊密型，可靠性和實(shí)時性也受到較大制約。

2）通信管理機(jī)因工藝的過程來配置，因數(shù)量較多而使投資成本增加。

在未來應(yīng)用中，如果參與工藝聯(lián)鎖的綜保裝置能夠根據(jù)DCS和ECS的不同要求，把控制信息和非控制信息分開，分別通過獨(dú)立的接口接入DPU和ECS的通信管理機(jī)，這樣接入DCS信息的可靠性和實(shí)時性會有很大提高，但通信負(fù)荷的增加、控制的切換等對綜保裝置提出了新的技術(shù)要求，同時DCS廠家在市場利益受沖擊的情況下，接入不同通信接口和規(guī)約的裝置，勢必會有較大阻力。因此，在新模式的探索中，不僅需要DCS廠級與ECS廠家的全力配合，同時如何平衡市場利益的沖突，也是需要相關(guān)方面直面和解決的問題。

5.結(jié)語

隨著我國電力系統(tǒng)的快速發(fā)展，ECS在大中型火電機(jī)組中得到了廣泛應(yīng)用，“硬接線+通信”方式在目前條件下更好的解決了ECS接入DCS實(shí)現(xiàn)機(jī)爐電一體化控制的要求，隨著ECS的進(jìn)一步完善和通信技術(shù)的不斷發(fā)展，相信不久的將來完全取消硬接線的全通信方式將真正為用戶所接受和廣泛應(yīng)用。

[1]吳澤生,吳艷萍.數(shù)字化電氣監(jiān)控管理系統(tǒng)的探討[J].電力自動化設(shè)備,2004,24(1)94-97.

[2]錢可弭.新型發(fā)電廠電氣監(jiān)控系統(tǒng)的架構(gòu)與實(shí)現(xiàn)[J].廣東電力，2005,18(3):21-25.