趙艷 柯慧 高敏

【摘 要】 發(fā)電廠主要分為電廠廠區(qū)內(nèi)和升壓站部分，整個電廠的電氣監(jiān)控系統(tǒng)ECS（ElectricControlSystem）由廠區(qū)內(nèi)各輔助車間程控、主廠房控制系統(tǒng)和升壓站微機網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)NCS（NetworkControlSystem）組成。本文主要討論了整個發(fā)電廠電氣監(jiān)控系統(tǒng)ECS的控制方式以及現(xiàn)階段和將來的發(fā)展趨勢。

【關(guān)鍵詞】 發(fā)電廠 ?電氣監(jiān)控系統(tǒng) ?探討

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)?；痣姀S電氣監(jiān)控系統(tǒng)ECS正是在這種背景產(chǎn)生的，通過接DCS，從而為實現(xiàn)火電廠機爐電一體化運行監(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的不同模式在實際應(yīng)用中存在的問題，展望了ECS實現(xiàn)全通信的最終目標(biāo)。

1 電氣監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展

第一階段是一對一的控制方式，即設(shè)置發(fā)電機廠用電控制屏，通過測量儀表、光字牌和指示燈進行檢測，控制開關(guān)采用一對一的強電控制方式，也是發(fā)電廠設(shè)計原始的控制系統(tǒng)，這種方案的控制系統(tǒng)簡潔明了，但是自動化程度很低，無法采集大量的實時數(shù)據(jù)對運行設(shè)備進行監(jiān)控和分析。這種方式基本已經(jīng)在現(xiàn)今的電廠中淘汰了。

第二階段是ECS通過DCS進行監(jiān)控（設(shè)專用的電氣DPU），經(jīng)I/O卡件（AI、DI、SOE、DO）實現(xiàn)對發(fā)電廠、主變壓器和廠用電參數(shù)的監(jiān)控。電氣部分的特殊控制功能，例如繼電保護、勵磁、同期、電源切換、故障錄波器等由獨立的電氣自動裝置完成，其信號都送入DCS監(jiān)控，該模式的構(gòu)架如圖1所示。

電氣設(shè)備與DCS的關(guān)系，只是采用I/O卡件進行輸入/輸出來完成監(jiān)控。DCS需要的所有測點都是由DCS中I/O的卡件來完成，這些卡件只完成最基本的采集功能。I/O部分與電氣回路采用電纜連接，模擬量的采集需要由變送器來完成。

這樣的控制方式DCS與電氣保護裝置沒有什么關(guān)系;DCS的I/O卡件要用大量的二次控制電纜、計算機電纜和變送器來實現(xiàn)電氣量的采集和控制，成本比較的大，而且不能通過通信來獲得大量的電氣設(shè)備信號。但是在傳統(tǒng)的DCS熱工自動化的基礎(chǔ)上納入了對電氣部分的監(jiān)控。

這種方式的優(yōu)點是：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，維護量小。雖然一次性投資高，但目前大部分電廠、設(shè)計院仍認(rèn)為硬接線是ECS接入DCS的最快速可靠的方式。因此，在通信方式逐步擴大推廣應(yīng)用的環(huán)境下，目前對可靠性、實時性要求很高的電氣控制仍然保留了硬接線的方式。但硬接線在實際實施和運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、10卡，機柜和連接電纜，施工復(fù)雜，成本高。（2）接入DCS的信息量有限，系統(tǒng)擴展性差。（3）廠用電需配置單獨的電度表，但又不能實現(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)提供了成熟的運行經(jīng)驗和技術(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)計院的認(rèn)可。

第三階段是“硬接線+通信”的方式，“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2。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)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相對獨立的實現(xiàn)對電氣系統(tǒng)的監(jiān)控，不僅提供了DCS的后備控制手段，還能實現(xiàn)諸如保護定值管理、錄波分析等復(fù)雜的電氣維護操作，為電氣系統(tǒng)的維護、運行提供專業(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，對于第三方智能電器設(shè)備，一般通過通信管理機實現(xiàn)通信接口和規(guī)約轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)完整的電氣系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，同時通信管理機可經(jīng)過串行接口與DCS的分布式處理單元DPU相連，進行信息交換。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兩種方式實現(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。間隔層包括分散安裝的廠用電綜保裝置，如電動機保護裝置、變壓器保護裝置、發(fā)電機保護裝置等，完成對電氣系統(tǒng)現(xiàn)場信息的采集、保護、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、功率和各種保護動作信號等大量電氣信息通過通信傳入I）CS，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行和維護提供了新的平臺，其與完全的硬接線方式相比具備下述優(yōu)點：

（1）接入DCS的電氣信息更加全面，系統(tǒng)擴展性高。（2）DCS取消了大量的變送器、機柜和連接電纜，成本降低。（3）通過電氣系統(tǒng)后臺可實現(xiàn)事故追憶、保護定值管理、錄波分析等復(fù)雜的電氣維護工作，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以上的火電機組，電氣系統(tǒng)都實現(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實的好處，但ECS在實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)備均是進口，而進口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，在可靠性與實時性方面會差一些。（4）ECS節(jié)點多，分散性強，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)的維護帶來工作量，并影響客戶的使用信心。

第四階段對全通信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行了有益的探索，積累了一定經(jīng)驗。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3所示。在這種方式下，通信管理機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和相應(yīng)的DPU一對一進行通信，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)通信實現(xiàn)，實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3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，可靠性和實時性也受到較大制約。

（2）通信管理機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，分別通過獨立的接口接入DPU和ECS的通信管理機，這樣接入DCS信息的可靠性和實時性會有很大提高，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。

2 結(jié)語

大型火力發(fā)電廠的自動化控制系統(tǒng)越來越要求機電爐一體化，ECS是必定要和DCS協(xié)同控制，全數(shù)字化的通信必定是將來廠用電監(jiān)控系統(tǒng)的未來趨勢。只要設(shè)備的兼容性、穩(wěn)定性都到了電廠廠用電監(jiān)控系統(tǒng)的高要求，那全數(shù)字化ECS的實現(xiàn)相信也不會很久遠(yuǎn)了。這種一體化的控制方案大大豐富了DCS的數(shù)據(jù)采集信息，節(jié)省了大量設(shè)備以及電纜的投資，同時，還實現(xiàn)了對電氣設(shè)備以及保護信息的管理，具備了電廠運行管理上面設(shè)備管理、操作票、防誤操作、故障信息管理、系統(tǒng)自診斷等豐富的高級應(yīng)用功能，同時可以直接掛到SIS系統(tǒng)或者已經(jīng)包含SIS系統(tǒng)的DCS系統(tǒng)中，在很大的程度上都提高了火電廠的自動化水平。相信隨著電氣以及電機的測控設(shè)備的不斷進步，接口和數(shù)字化的不斷發(fā)展，機電爐一體化的電廠新時代很快就要到來。

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作者簡介：趙艷（1981—），女，四川蓬溪人，中機國能電力工程有限公司，2004年畢業(yè)于長沙理工大學(xué)，工程師，長期從事火力發(fā)電廠設(shè)計研究

工作。