郭建仙 楊 帆

（1. 神華福能發(fā)電有限責任公司，福建 石獅 362712；2. 神華福建能源有限責任公司項目管理部，福州 350000）

隨著百萬火電機組運行自動化水平要求的不斷提高，鍋爐、汽機以及電氣實現(xiàn)智能化、自動化、一體化運行將是未來發(fā)電廠系統(tǒng)發(fā)展的趨勢[1]。目前多數(shù)電廠都設計有鍋爐、汽機及輔助廠房自動化控制的分布式集散控制系統(tǒng)DCS，以機組工藝化系統(tǒng)流程控制為主流方式，在新建及改造電廠得到大量應用；而機組廠用電系統(tǒng)的運行監(jiān)控自動化應用設計較少，發(fā)電廠廠用電電氣系統(tǒng)的測量、保護動作、事故追憶等信息只能通過硬接線進入 DCS系統(tǒng)。因此，提高發(fā)電廠廠用電電氣系統(tǒng)的自動化及其信息管理水平，直接關系到整個發(fā)電廠運行監(jiān)控的自動化及安全經(jīng)濟性水平，發(fā)電廠廠用電系統(tǒng)運行監(jiān)控融入整個電廠的運行監(jiān)控自動化系統(tǒng)已成為目前發(fā)電廠迫切需要[2]。

火電廠采用電氣監(jiān)控管理系統(tǒng)（ECMS），部分或全部取消了傳統(tǒng)的變送器、表計、電度表等設備，減少了DCS的I/O卡件、信號電纜與敷設電纜用的橋架，同時也減少了設計、安裝和維護的工作量，節(jié)省了投資，提高了整個發(fā)電廠廠用電系統(tǒng)的自動化水平和可靠性[3]，本文結合神福鴻電數(shù)字化電廠設計方案，對ECMS系統(tǒng)在實際工程的運用以及在實際運用中遇見的問題進行了分析、總結。

1 廠用電氣監(jiān)控管理系統(tǒng)幾種模式介紹

1.1 電氣量信號硬接線方式接入DCS

硬接線模式實現(xiàn)方式是由 DCS系統(tǒng)設置的單獨電氣控制器（DPU），經(jīng)I/O板實現(xiàn)對電氣部分數(shù)據(jù)采集和遠方控制功能，電氣回路與 I/O之間采用電纜連接。該方式電氣量的IO模件柜集中控制，信號傳輸中轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)少，對現(xiàn)場信號的反應快速、可靠。但 DCS需要配置大量的變送器、IO卡件、機柜和連接電纜，成本高，自動化水平較低。

圖1 傳統(tǒng)的硬接線模式

1.2 電氣監(jiān)測系統(tǒng)（ECS）控制模式

電氣監(jiān)測系統(tǒng)（ECS）受當時系統(tǒng)各通信設備的可靠性、網(wǎng)絡的傳輸速率、系統(tǒng)性能穩(wěn)定性的影響，ECS僅僅作為DCS系統(tǒng)的一個數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)，DCS系統(tǒng)通過 IO和硬接線采集電氣回路的電流、功率、開關位置、保護動作信息和相關的SOE，并實現(xiàn)對電動機啟停/開關分合的控制[4]。該模式系統(tǒng)結構簡單，不設置操作員站，只適用于監(jiān)測，未實現(xiàn)控制功能，DCS節(jié)省了部分AI、DI卡件及電纜，可以說ECS是廠用電監(jiān)控系統(tǒng)納入DCS初級階段，未實現(xiàn)協(xié)同控制和一體化。

圖2 ECS控制模式

1.3 電氣監(jiān)控系統(tǒng)（FECS）模式

電氣監(jiān)控系統(tǒng)（FECS）模式是指通過現(xiàn)場總線實現(xiàn)電氣部分的信息采集和控制、按照電廠工藝環(huán)節(jié)構成控制網(wǎng)絡的電氣自動化控制系統(tǒng)[4]。要求ECS的I/O信息直接通過DCS控制器DPU層接入DCS，取代DCS I/O采集的電氣量信息并參與DCS系統(tǒng)的計算、控制、連鎖和保護。利用廠用電綜合保護測控單元遠方遙控的功能，通過DCS與FECS系統(tǒng)的連接，對參與熱工控制的重要電動機的起停控制采用DCS的I/O模件經(jīng)電纜硬接線實現(xiàn)控制。而對于廠用電源部分和非關鍵的電動機回路的控制采用FECS現(xiàn)場總線通信方式，實現(xiàn)了節(jié)省DCS I/O模件、電纜和變送器，通過FECS與DCS協(xié)同控制，提高電廠自動化水平的目的。

圖3 FECS控制模式

1.4 基于IEC 61850標準數(shù)字化電廠電氣監(jiān)控管理系統(tǒng)（ECMS）

基于IEC 61850標準數(shù)字化電廠電氣監(jiān)控管理系統(tǒng)（ECMS）特點是遵循IEC 61850標準，一次設備智能化，二次設備網(wǎng)絡化[5]。中國電力工程顧問集團公司推薦ECMS采用如下方案：發(fā)電機—變壓器組、高低壓廠用電源等電器設備的控制、監(jiān)視和管理在 ECMS實現(xiàn)，電動機的監(jiān)測管理信息進入ECMS。電動機的控制仍由DCS實現(xiàn)，DCS對電源部分可以監(jiān)視但不控制。在集控室設置ECMS操作員站，設置獨立的監(jiān)控系統(tǒng)，間隔層設備按照不同的機組及公用部分分別組成虛擬局域網(wǎng)（VLAN），機組間信息互相獨立，DCS不設ECS控制器及其I/O卡件，節(jié)省了DCS的投資成本。

圖4 ECMS控制模式

2 神福鴻電ECMS系統(tǒng)通信架構和現(xiàn)場總線組網(wǎng)形式

2.1 神福鴻電ECMS系統(tǒng)通信架構

神福鴻電ECMS系統(tǒng)采用四方繼保CSPA-2000發(fā)電廠分布式電氣自動化系統(tǒng)，系統(tǒng)采用兩層和三層混合結構通信模式，屬于在國內(nèi)百萬機組首次使用的新型混合通信模式的 ECMS系統(tǒng)。系統(tǒng)采用IEC 61850標準規(guī)約和DP規(guī)約，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、狀態(tài)監(jiān)視、電源設備控制、事故分析及其他高級應用功能?，F(xiàn)場組網(wǎng)方式為6kV間隔層設備通過以太網(wǎng)和光纜采用IEC 61850規(guī)約實現(xiàn)站控層與間隔層的數(shù)據(jù)傳輸；400V間隔層設備通過現(xiàn)場總線技術采用DP規(guī)約將數(shù)據(jù)上送通信控制層的通信管理機，由通信管理機將數(shù)據(jù)由DP規(guī)約轉(zhuǎn)化為IEC 61850規(guī)約，通過以太網(wǎng)和光纜實現(xiàn)與站控層服務器的數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)自上而下分站控層、通信控制層和間隔層，通信控制層和間隔層設備可分散分布配置，易于設備維護和系統(tǒng)擴展。

圖5 神福鴻電ECMS控制模式

站控層是整個系統(tǒng)的控制管理中心，完成對整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)收集、處理、顯示、監(jiān)視功能，經(jīng)過授權對電氣設備進行控制。

通信控制層是系統(tǒng)構成的樞紐，處于承上啟下的層次，由通信和控制兩類功能組成，完成站控層和間隔層之間的實時信息交換，實現(xiàn)與廠用電電源相關的部分邏輯控制功能。

間隔層由各種保護測控裝置和智能設備組成，完成就地電氣設備的保護、測量、控制功能，通過現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)等通信方式與通信控制層通信。

2.2 神福鴻電ECMS系統(tǒng)的特點

擁有基于IEC 61850通信后的三層式數(shù)據(jù)網(wǎng)絡結構在發(fā)電廠電氣系統(tǒng)中實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)收集存儲，實現(xiàn)集中控制管理技術，對廠用電系統(tǒng)管理、廠用事故分析、廠用電損耗分析的高效、快速、準確性分析起重要作用。ECMS系統(tǒng)在軟件上可通過自主開發(fā)和擴展實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)采集與處理、操作控制、報警處理、事件順序記錄和事故追憶功能、在線計算及制表、系統(tǒng)自診斷和自恢復、運行管理等高級功能，極大地豐富和優(yōu)化了發(fā)電廠自動化控制水平。

ECMS系統(tǒng)采用雙網(wǎng)冗余并列運行，實現(xiàn)快速雙網(wǎng)切換，保證了數(shù)據(jù)的可靠性與完整性和系統(tǒng)可靠穩(wěn)定運行。高壓廠用電采用雙 100M以太網(wǎng)，與采用其他通信方式對比，提高了信息及波形上送、指令下發(fā)的速度[6]。

廠用電源開關負荷全部由ECMS實現(xiàn)其操作、控制、監(jiān)視，“變千百根電纜為一根”，節(jié)約大量電纜，降低成本。省去 I/O端子柜和控制柜后，縮小了DCS系統(tǒng)的規(guī)模，使控制室占地面積大大減少并使系統(tǒng)簡化，帶來了系統(tǒng)設計、安裝、調(diào)試和維護費用的降低及工作量的大大減少。

3 神福鴻電廠用電的ECMS系統(tǒng)的應用分析

3.1 鴻電為確保ECMS系統(tǒng)可靠運行采取的措施

ECMS系統(tǒng)擁有許多優(yōu)勢，如節(jié)約投資成本、實現(xiàn)智能化、自動化、一體化運行、提高信息管理水平等。但是自動化會帶來穩(wěn)定性和可靠性的問題，鴻電為確保ECMS系統(tǒng)可靠運行，避免重大事故的發(fā)生，采取了一系列的措施。

由于ECMS系統(tǒng)的獨立性，ECMS系統(tǒng)在運行中發(fā)生異常后，運行人員無法在DCS系統(tǒng)中直接進行操作處理，增加異常處理的難度，異常處理的及時性也受到限制。為了解決這一問題，鴻電 ECMS系統(tǒng)監(jiān)控設備通過 ModbusRTU通信協(xié)議將各開關分閘、合閘位置反饋、電壓測點、電流測點、事故總信號、報警總信號以及各設備A/B網(wǎng)通信信號等傳送至DCS進行監(jiān)視（DCS電氣畫面與ECMS畫面一致，DCS只監(jiān)不控），并且在DCS操作員站實現(xiàn)一鍵切屏的方式，提高發(fā)現(xiàn)異常及處理異常的及時性。

站控層服務器操作員站部分是ECMS系統(tǒng)的核心，關系到系統(tǒng)能否正常運行。但存在ECMS系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫文件替換錯誤；通信管理機配置文件及參數(shù)下裝錯誤導致ECMS系統(tǒng)與間隔層設備通信中斷，失去監(jiān)視等風險。

間隔層主要由綜合保護測控裝置、現(xiàn)場總線及外圍智能設備組成。當綜保裝置斷電時會造成ECMS系統(tǒng)與間隔層設備通信中斷；綜保裝置配置文件及參數(shù)下裝錯誤導致ECMS系統(tǒng)與間隔層設備通信中斷；綜保裝置交流采樣板故障、CPU故障以及裝置電源板故障時將導致遠方無法操作異常。

為此神福鴻電采取以下技術措施避免發(fā)生異常：①神福鴻電要求設備數(shù)據(jù)更新后及時做好數(shù)據(jù)備份，并對備份數(shù)據(jù)做好標記，記錄數(shù)據(jù)更新內(nèi)容；②對更新的ECMS系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫文件或修改通信管理機配置文件和調(diào)試過程中的備份文件采取多磁盤備份；③系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫更新時，雙服務器不允許同時進行更新工作；④就地開關柜設計直流分屏，保證現(xiàn)場綜保裝置電源雙回路直流供電，提高可靠性；⑤綜保裝置具備自檢功能，將現(xiàn)場設備自檢信號實時傳送至后臺監(jiān)視，在綜保裝置異常時能及時發(fā)現(xiàn)和處理。

3.2 ECMS系統(tǒng)在運用中發(fā)現(xiàn)的問題及解決方法

作為一種新型混合通信模式的ECMS系統(tǒng)，在運用的過程中出現(xiàn)了一些沒有預料到的問題。在對系統(tǒng)架構進行充分分析的基礎上，鴻電逐一解決了這些問題。

1）神福鴻電 ECMS系統(tǒng)監(jiān)控設備通信信號在投運初期發(fā)現(xiàn)每間隔20min左右設備通信會發(fā)生中斷，失去監(jiān)控。

經(jīng)過分析，主要原因有以下兩個：①神福鴻電ECMS系統(tǒng)采用主/備服務器冗余模式，主服務器和備服務器在運行過程中分別有不同的進程許可配置，廠用電帶電過程中由于主服務器進程未與 IEC 61850通信進程進行關聯(lián)配置，導致ECMS系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)周期性變?yōu)樗罃?shù)據(jù)，ECMS系統(tǒng)配置的死數(shù)據(jù)判斷間隔為1200s；②IEC 61850通信程序在處理6kV及400V綜保裝置上送遙信數(shù)據(jù)時，需要判斷遙信數(shù)據(jù)品質(zhì)，在數(shù)據(jù)品質(zhì)無效時程序?qū)Υ诉b信點不做入數(shù)據(jù)庫處理，導致ECMS系統(tǒng)畫面上部分設備通信中斷，失去監(jiān)控。

針對這兩個原因，調(diào)整了主服務器和備服務器與IEC 61850通信進程許可配置，保證了主服務器運行時關聯(lián)IEC 61850通信進程，而備用服務器處于熱備用狀態(tài)。修改通信控制層主控單元CSC-861F掃描400V綜合保護測控裝置CSC-831的數(shù)據(jù)品質(zhì)上送方式的參數(shù)，將遙信數(shù)據(jù)品質(zhì)上送方式由變化上送更改為裝置上電后上送，重新起動主/備服務器的 61850通信模塊，然后將綜保裝置及主控單元CSC861F斷電后重新上電。同時應用IEC 61850報文截取分析軟件截取裝置的多段報文，分析裝置在連續(xù)5個總召周期內(nèi)所有遙信入數(shù)據(jù)庫的情況。

經(jīng)過處理后，ECMS系統(tǒng)監(jiān)控后臺信號每間隔20min左右設備通信中斷現(xiàn)象未再發(fā)生，數(shù)據(jù)庫遙信數(shù)據(jù)及ECMS系統(tǒng)畫面上遙信光字牌和開關位置信號刷新正常。

2）神福鴻電#3機組400V鍋爐PC B段工作電源進線開關、備用電源進線開關在母線受電前開關傳動過程中均出現(xiàn)通信中斷異常。

經(jīng)各方面排查后發(fā)現(xiàn)原因在于 DP總線通信特質(zhì)：為了減少線路信號反射和干擾，DP總線在線路末端加一個220Ω的終端電阻，這個電阻一般設計接在該段母線最后一個開關綜合保護測控裝置上，然而#3機組400V鍋爐PC B段母線最后一個開關為抽屜式，必須將該開關推至工作位置，該電阻才能起作用，若由于負載停電等原因?qū)⒃摮閷鲜介_關拉至隔離位置，該電阻就不能起作用，母線上所有開關綜合保護測控裝置會發(fā)生通信異常。因此，為解決這一問題，將終端電阻接至該段母線上最后一個400V框架式開關的綜合保護測控裝置上。

4 結論

采用基于IEC 61850標準的兩層和三層混合結構通信模式的新型混合通信ECMS系統(tǒng)，能夠提高發(fā)電廠廠用電電氣系統(tǒng)的自動化及其信息管理水平，節(jié)約大量電纜，降低電廠投資成本，省去 I/O端子柜和控制柜后，縮小了DCS系統(tǒng)的規(guī)模，使控制室占地面積大大減少并使系統(tǒng)簡化，帶來了系統(tǒng)設計、安裝、調(diào)試和維護費用的降低及工作量的大大減少。

作為一種新型混合通信模式的ECMS系統(tǒng)，使用過程中出現(xiàn)了監(jiān)控設備通信信號每間隔20min中斷，失去監(jiān)控和 400V工作電源進線開關在母線受電前開關傳動過程中出現(xiàn)通信中斷的問題。通過修改通信進程的參數(shù)和配置，調(diào)整 DP總線終端電阻的接入位置，鴻電很好處理了出現(xiàn)的問題。

[1] 侯子良. 吹響新的號角——全面實現(xiàn)火電廠數(shù)字化[C]. 第 7屆全國熱工自動化專業(yè)學術年會論文集.北海, 2003: l-5.

[2] 劉偉. 火力發(fā)電機組監(jiān)控系統(tǒng)一體化方案及現(xiàn)場總線技術應用的探討[C]. 第7屆全國熱工自動化專業(yè)學術年會論文集, 2003: 20.

[3] 陳麗琳. 趙燕茹. 廠用電監(jiān)控管理系統(tǒng)的技術比較[J]. 電力自動化設備, 2006, 12(26).

[4] 北京四方繼保自動化股份有限公司. CSPA-2000發(fā)電廠分布式電氣自動化系統(tǒng)技術說明書 V2.0[Z].2007.

[5] 孫敏. 基于IEC 61850標準的ECMS技術在海門電廠的應用研究與實現(xiàn)[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制,2012, 40(16): 148-151.

[6] 侯煒, 沈全榮, 嚴偉. ECMS系統(tǒng)的新型結構及其應用[J]. 電力系統(tǒng)及其自動化學報, 2010, 22(5): 92-96.