江蘇省電力設計院 何璟德

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電廠廠用電監(jiān)控系統(tǒng)ECS實例應用分析及建議

江蘇省電力設計院 何璟德

【摘要】本文闡述了目前發(fā)電廠廠用電監(jiān)控系統(tǒng)ECS（Electric Control System）主要監(jiān)控對象，并將其與傳統(tǒng)電氣監(jiān)控系統(tǒng)進行比較。對ECS系統(tǒng)的網(wǎng)絡拓撲和實現(xiàn)數(shù)字化監(jiān)控的3種常用通信技術進行簡要介紹。分析了ECS系統(tǒng)在實際應用中產(chǎn)生報文丟失、通信中斷等問題的原因，提出改進建議。

【關鍵詞】ECS；應用；建議

0　前言

廠用電監(jiān)控系統(tǒng)最初階段是簡單的一對一強電控制方式，依賴于控制屏、光字牌和測量儀表進行監(jiān)控［1］。然后是將電氣監(jiān)控納入集散控制系統(tǒng)之中，借助儀表、變送器、電度表、分散采集單元DPU（Distributed Processing Unit）卡件等實現(xiàn)簡單的數(shù)據(jù)采集、模擬量控制功能。隨著科技進步，發(fā)電廠中逐步運用更多的智能終端設備，為方便對終端采集的大量信息進行全面管理，誕生了全數(shù)字化的電氣監(jiān)控系統(tǒng)ECS。雖然目前很多新建及已建電廠采用該技術，但系統(tǒng)利用程度和效果均差強人意，未能真正的達到減員增效。

1　發(fā)電廠廠用電監(jiān)控ECS系統(tǒng)簡述

1.1ECS在國內(nèi)發(fā)展背景

ECS系統(tǒng)研發(fā)和生產(chǎn)起步于上世紀90年代末，經(jīng)過十幾年的發(fā)展已日趨成熟。國內(nèi)主要供應商是北京四方繼保自動化股份有限公司，南京南瑞繼保電氣有限公司以及國電南瑞科技股份有限公司。上述幾家對ECS系統(tǒng)的研發(fā)屬于國內(nèi)領先地位，各自的研發(fā)技術與實施規(guī)范程度大同小異，各有優(yōu)勢。

1.2監(jiān)控分類

ECS監(jiān)控的對象主要分為電氣部分與工藝部分。

電氣部分包含了升壓站系統(tǒng)、主廠房系統(tǒng)及輔助電源系統(tǒng)。其中升壓站系統(tǒng)包括了高壓母線、各間隔斷路器、隔離開關、地刀等，同時還包含了配套的線路、母線保護裝置。主廠房系統(tǒng)包括高壓廠用電源，含高壓廠用工作變壓器、高壓起動/備用變壓器、高壓廠用線路等；低壓廠用電源，含低壓廠用工作變壓器、低壓廠用備用變壓器、電除塵變壓器、低壓檢修照明變壓器、動力控制中心PC（Power Center）/電動機控制中心MCC （Motor Control Center）電源等；還包含了廠用電源輔助裝置：廠用電源快切裝置、備用電源自動投入裝置、同期裝置、高/低壓綜合保護裝置等。輔助電源系統(tǒng)主要有不間斷電源UPS （Uninterruptible Power Supply）、柴油發(fā)電機、保安段電源等。

工藝部分則主要指電廠鍋爐、汽機與化水等工藝系統(tǒng)所使用的各類高低壓電動機。

1.3與傳統(tǒng)監(jiān)控方式的比較

傳統(tǒng)廠用電監(jiān)控方式是升壓站網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)NCS （ Network Control System） + 集散控制系統(tǒng) DCS （Distributed Control System）［2］。相比于它，ECS系統(tǒng)節(jié)省了控制電纜、DPU卡件與安裝空間，同時實現(xiàn)了自動發(fā)電控制 AGC （ Automatic Generation Control） 、無功電壓自動控制 AVC （Automatic Voltage Control）、升壓站網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)NCS數(shù)據(jù)同源，增強機組調(diào)控能力。但因為系統(tǒng)主要基于通訊平臺，工作依靠不同的通信接口完成［3］，存在一定的不穩(wěn)定性，且當軟件或硬件出現(xiàn)故障時維護難度較大。

2　ECS的組網(wǎng)通信

ECS采用的是分層分布式網(wǎng)絡結構，由站控層、通信層及間隔層組成。

網(wǎng)絡結構見圖1。

圖1　ECS網(wǎng)絡結構圖

由網(wǎng)絡結構可以看出ECS要實現(xiàn)全網(wǎng)通信功能主要經(jīng)過2個環(huán)節(jié)即站控層主機與通信層之間的通信和通信層與間隔層裝置的通信。由于服務器操作系統(tǒng)本身對以太網(wǎng)卡提供了很好的支持，因此站控層組網(wǎng)普遍采用以太網(wǎng)。而間隔層由于各廠家設備所采用通信介質(zhì)和通信協(xié)議大相徑庭，因此間隔層的組網(wǎng)可采用RS-485網(wǎng)、現(xiàn)場總線和以太網(wǎng)3種方式。

2.1RS-485網(wǎng)

RS-485是串行通信中的一種接口方式，代表了通信的物理層與數(shù)據(jù)鏈路層，它只是一個串口標準并不具備通信能力。在間隔層多臺裝置與通信管理機通過RS-485接口連接組成簡易的通信網(wǎng)絡。

2.1.1接口電路組成

RS-485接口為實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信功能由以下幾個部分組成：

（1）可編程的串行接口芯片：實現(xiàn)數(shù)據(jù)格式化，根據(jù)不同的通信方式增加起止、校驗字符將數(shù)據(jù)包裝起來生成數(shù)據(jù)幀。并在接收時對字符進行校驗，確定是否發(fā)生傳送錯誤。

（2）波特率發(fā)生器：對數(shù)據(jù)傳輸速率-波特率進行選擇控制。

（3）電子工業(yè)協(xié)會 EIA （Electronic Industries Association）與邏輯門電路TTL （ Transistor - Transistor Logic）電平轉換器：中央處理單元CPU（Central Processing Unit）與終端采用的是TTL電平及正邏輯，對EIA電平及負邏輯不兼容。

2.1.2通信原理

要實現(xiàn)RS-485網(wǎng)通信必須運用開放、標準的通訊協(xié)議。一般采用Modbus協(xié)議，它在電器設備、自動化領域被廣泛應用，已成為電子控制器的一種通用語言。此協(xié)議定義了主節(jié)點及從節(jié)點能夠認識使用的消息結構，它制定了消息域的格局和數(shù)據(jù)的公共格式，每一幀都包含了地址域、功能域、數(shù)據(jù)域、檢錯。通過Modbus協(xié)議主節(jié)點發(fā)出帶有從節(jié)點地址的請求報文，在數(shù)據(jù)鏈路層對數(shù)據(jù)進行分解打包，產(chǎn)生校驗碼，然后組成數(shù)據(jù)幀。該地址從節(jié)點對接收報文進行校驗、解包后返回響應報文，結束一次響--應工作。

2.2現(xiàn)場總線技術

根據(jù)國際電工委員會IEC61158標準的定義：安裝在制造或生產(chǎn)過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室內(nèi)的自動化裝置之間的數(shù)字式、串行、雙向、多點通信的數(shù)據(jù)總線稱為現(xiàn)場總線［4］。它是計算機技術、控制系統(tǒng)與現(xiàn)場通信的集成，采用現(xiàn)場總線技術，可以將現(xiàn)場級設備與控制系統(tǒng)進行雙向多變量數(shù)字通信。

現(xiàn)場總線的優(yōu)點：相比于普通串口通信現(xiàn)場總線具有以下幾點主要優(yōu)勢：

（1）增強現(xiàn)場級信息的集成能力。

智能化裝置將自身運行狀態(tài)、故障及采集的外部電氣量轉化為數(shù)字化信息。現(xiàn)場總線技術將豐富的現(xiàn)場級信息收集傳遞，更好地滿足自動化信息的集成要求。

（2）開放性、分散性、互操作性、互換性。

開放性：現(xiàn)場總線運用于系統(tǒng)底層網(wǎng)絡，用戶可以將不同型號的設備通過現(xiàn)場總線組成大小隨意開放互連的系統(tǒng)。

分散性：現(xiàn)場總線構成全分散式的底層網(wǎng)絡，簡化了系統(tǒng)結構，提高可靠性。

互操作性：當通信協(xié)議使用統(tǒng)一的總線標準，不同廠家的設備之間信息傳遞與溝通就具有互操作性。

互換性：指功能相同但生產(chǎn)廠商不同的設備可實現(xiàn)相互替換。（3）適應性高。

支持RS-485/422/232等多種串口方式，可采用雙絞線、光纜等作為通信介質(zhì)，部分總線可實現(xiàn)供電通信一體化。

2.3工業(yè)以太網(wǎng)

以太網(wǎng)（Ethernet）是目前局域網(wǎng)采用的最通用的通信協(xié)議標準，與IEEE802.3標準相類似，規(guī)定了物理層接線、電信號及介質(zhì)訪問控制的內(nèi)容［5］。工業(yè)以太網(wǎng)與普通以太網(wǎng)非常相似，只是在數(shù)據(jù)冗余與干擾屏蔽方面做了加強。由于工業(yè)以太網(wǎng)對實時性要求很高，普通以太網(wǎng)采用的緩沖延遲技術不適用，因此采用了緊急數(shù)據(jù)（PUSH DATA）技術發(fā)送數(shù)據(jù)。

2.3.1拓撲結構

工業(yè)以太網(wǎng)的網(wǎng)絡拓撲結構可以為總線型，也可以為星型。

總線型：屬于早期的以太網(wǎng)拓撲結構，采用同軸纜為傳輸介質(zhì)，將所有設備連接在一根總線上。它所需電纜少、成本低，但不能隔離故障點，采用的共享訪問機制容易造成網(wǎng)絡堵塞。目前只在很小規(guī)模的網(wǎng)絡中（無需專用網(wǎng)絡設備）使用。

星型：以專用的網(wǎng)絡設備（集線器或交換機）作為網(wǎng)絡核心，通過雙絞線將間隔層的所有智能裝置連接到核心節(jié)點上。它需要敷設更多的網(wǎng)線，且對網(wǎng)絡核心設備可靠性要求高。

2.3.2通信原理

工業(yè)以太網(wǎng)采用了傳輸控制/因特網(wǎng)互聯(lián)TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol）協(xié)議族，，當上下層網(wǎng)絡均采用TCP/ IP協(xié)議通信可省去通信管理機一層，簡化網(wǎng)絡結構。工業(yè)以太網(wǎng)的幀是將網(wǎng)絡層的數(shù)據(jù)包加上幀頭與幀尾形成的數(shù)據(jù)鏈路層可識別的數(shù)據(jù)幀。根據(jù)數(shù)據(jù)包大小，其長度的變化范圍在64～1518字節(jié)之間。在以太網(wǎng)中當數(shù)據(jù)幀同時在物理介質(zhì)上傳輸時，就出現(xiàn)了數(shù)據(jù)沖突。沖突發(fā)生時物理網(wǎng)段上的數(shù)據(jù)就會無效，因此工業(yè)以太網(wǎng)采用載波監(jiān)聽多路訪問及沖突檢測技術CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection）。數(shù)據(jù)傳輸采用廣播的方式，網(wǎng)絡中的所有節(jié)點均能看到網(wǎng)絡中的信息。它的工作過程如下所示：

（1）第一步，一個節(jié)點監(jiān)聽信道上是否有數(shù)據(jù)在傳輸。若有則繼續(xù)監(jiān)聽直到空閑為止，當信道處于空閑時傳輸數(shù)據(jù)。

（2）第二步數(shù)據(jù)傳輸過程中保持監(jiān)聽，若發(fā)現(xiàn)沖突則執(zhí)行退避算法，在等待隨機一段時間后，重新執(zhí)行第一步。

（3）數(shù)據(jù)成功發(fā)送后，必須等待一定的時間間隔該節(jié)點才能再次發(fā)送數(shù)據(jù)。

3　實用案例

本案例是江蘇省電力設計院總承包的虹洋熱電聯(lián)產(chǎn)工程，該廠用電監(jiān)控系統(tǒng)采用的是半通訊+硬接線的配置方式。

電氣部分納入ECS系統(tǒng)，在主廠房電氣繼電器室配置2臺主服務器，2臺站控層以太網(wǎng)交換機，采用雙以太網(wǎng)冗余結構。因升壓站及高壓廠用電源系統(tǒng)均離主服務器較遠，因此各區(qū)域配置2臺間隔層以太網(wǎng)交換機，與電氣繼電器室以太網(wǎng)交換機通過單模光纜連接。升壓站及各高壓廠用電源系統(tǒng)通過以太網(wǎng)組建一個間隔層局域網(wǎng)絡，母線、線路等一次設備的保護、測量、計量由綜合保護裝置完成，線路的電流、電度量、斷路器的跳合閘線圈狀態(tài)、保護動作及告警等由綜合保護裝置進行數(shù)據(jù)上傳?？刂浦噶钜嗍怯珊笈_發(fā)出，通過以太網(wǎng)轉發(fā)至相應的微機型綜保裝置，再通過裝置出口電路對一次設備執(zhí)行操作。

低壓電源部分則是通過分布式外圍過程現(xiàn)場總線Profibus-DP（Process field bus-Decentralized Periphery）接入ECS系統(tǒng)，在主廠房、輸煤、化水各400V段布設1.0mm2對絞屏蔽電纜，利用專用DP插頭將400V綜合保護裝置與通信管理機連接構成間隔層局域網(wǎng)絡。由于站控層通信平臺采用的是61850通信協(xié)議，因此通信管理機具備規(guī)約轉換功能，將Profibus應用協(xié)議轉變?yōu)榕c平臺一致的通信協(xié)議，再通過以太網(wǎng)交換機與站控層組建的局域網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)上傳。

輔助電源部分UPS通信采用的是RS485+Modbus協(xié)議的方式，其與站控層建立連接的方式與Profibus-DP類似，只是采用的協(xié)議有所不同，都是通過通信管理機進行規(guī)約轉換后實現(xiàn)通信。

而工藝部分電機的控制則是通過硬接線接入DCS系統(tǒng)。高壓電動機饋線回路中接觸器的控制指令及參與連鎖所需要的位置狀態(tài)經(jīng)硬接線送至D CS的開關量輸出DO（Digital Output）、開關量輸入DI（Digital Input）卡件，但其回路的電流、電度量、跳合閘線圈狀態(tài)、保護動作、告警等信息仍由ECS進行監(jiān)控。對于低壓電動機饋線回路，其電流、電壓等電氣量均由馬達保護器采集并送出4～20mA模擬量，通過硬接線方式送至DCS的模擬量輸入AI（Analog Input）卡件；控制及反饋指令與高壓電動機部分相同，包含在DCS各工藝系統(tǒng)之中。

該配置方法讓電氣與工藝專業(yè)運行人員各司其職，各盡其責，方便值長調(diào)度管理。

存在問題及改進建議：

我們在該電廠ECS系統(tǒng)調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)了通信失敗、服務器響應慢、監(jiān)控不實時、波形數(shù)據(jù)丟失等情況，對電廠的安全運行造成隱患。這些現(xiàn)象的產(chǎn)生存在人為因素也有技術或設備原因。

因為Profibus-DP是有極性的，接收電路所關心的交變電壓的正負跳變。施工時將DP插頭正負極性接反，導致了通信失敗。另外智能終端或屏蔽電纜屏蔽層未可靠接地，造成電磁干擾現(xiàn)象，影響數(shù)據(jù)傳輸。因此安裝人員必須認真仔細地按圖施工且嚴格遵循接地施工規(guī)范。

在通信技術上存在的問題有以下幾個主要原因：

（1）間隔層所用綜合保護裝置、低壓測控裝置、馬達保護器等均來自不同供應商。所采用的規(guī)約協(xié)議缺乏統(tǒng)一性，極易出現(xiàn)幀錯誤、丟幀、校驗錯誤、功能碼錯誤等通訊質(zhì)量問題。

（2）間隔層設備繁多，采集數(shù)據(jù)信息量大。導致通信設備負擔過重，服務器CPU過載，網(wǎng)絡層路由擁堵，數(shù)據(jù)包在轉發(fā)過程中出現(xiàn)丟失。

（3）UPS、直流屏等設備采用串口通信方式。因為串口通信利用的是主-從通信方式，通信管理機既要負責間隔層裝置數(shù)據(jù)入庫處理又要向站控層進行數(shù)據(jù)轉發(fā)，必然造成通信管理機負擔過重。且串口技術傳輸速度有限，采用的是確認-重發(fā)機制，降低了通信效率，導致延遲。

（4）以太網(wǎng)介質(zhì)訪問控制協(xié)議CSMA/CD的局限性，所有信息在共用線路上傳輸，即共享帶寬，因此在某些情況下速度會非常慢，例如在電源故障后，所有終端重啟時。

因此在采用ECS作為廠用電監(jiān)控方式時，設計、施工、安裝調(diào)試都應該認真對待，對于第一、第二條可以通過統(tǒng)一設備廠商、利用組態(tài)軟件篩選間隔層裝置的上傳信息等方案解決，而對于串口通信和以太網(wǎng)技術本身的局限性只能通過優(yōu)化網(wǎng)絡結構來將其影響降至最低。

由于智能裝置的CPU主頻、模擬數(shù)字轉換器、軟件采樣周期、計算能力、光耦動作速度均影響其對外部電氣量的處理，造成監(jiān)控不實時現(xiàn)象，建議采用高主頻、自帶模數(shù)轉換器的數(shù)字信號處理器芯片作處理器，選取導通關斷延時合理的光耦，保持設備良好的運行環(huán)境，再對軟件算法進行優(yōu)化就能大幅提高裝置的響應速度。

4　結語

隨著科學技術的進步，進一步提升火電廠監(jiān)控現(xiàn)代化水平是未來的方向。今后越來越多的電廠必將采用ECS這一新技術。為了保障系統(tǒng)的可靠運行，首先得精心設計和安裝調(diào)試，再從設備的選型、網(wǎng)絡結構的優(yōu)化方面進行綜合考慮，才能最大程度發(fā)揮ECS的作用，達到減員增效的目的。

參考文獻

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Analysis and suggestion on the application of power plant ECS

HE Jing-de

（Jiangsu Electric Power Design Institute，Nanjing 211100，china）

Key words：ECS；Application；Suggestion

Abstract：This paper expounds the main monitoring objects of power plant ECS，compares it with the traditional electrical monitoring system. Briefly introduces the network topology and the three kinds of communication technology. Analysis the problems of packet loss，communication terminal in application，and gives suggestion for improvement.

作者簡介：

何璟德（1990—），男，江蘇常州人，大學本科，學士，助理工程師，主要從事火電廠總承包項目管理工作。