吳 洋

(吉林電力股份有限公司，長春 130022)

國內(nèi)外的大型火力發(fā)電廠爐、機及輔助設(shè)備的檢測、控制、調(diào)節(jié)及聯(lián)鎖保護已全部采用分散控制系統(tǒng)(DCS)來完成，但DCS在發(fā)電廠電氣部分的監(jiān)控中，由于牽涉到很多電氣系統(tǒng)的自動裝置和廠用電的特殊性，往往在實現(xiàn)電氣設(shè)備監(jiān)控及聯(lián)鎖、故障分析及信息管理、設(shè)備管理、自動抄表、仿真培訓等高級運行管理功能上不夠理想。

隨著數(shù)字化發(fā)電廠自動化水平的不斷提高，電氣系統(tǒng)采用計算機控制已經(jīng)成為當前設(shè)計的主流[1]。由于發(fā)電機-變壓器組(以下簡稱發(fā)-變組)系統(tǒng)的自動控制、保護功能均由專用裝置完成。DCS對發(fā)-變組系統(tǒng)、廠用電系統(tǒng)的操作功能以手動操作和簡單的順控為主，操作頻次較少，而DCS主要以閉環(huán)模擬量調(diào)節(jié)、控制為主，用于電氣監(jiān)控勢必造成資源浪費。多項相關(guān)技術(shù)的成熟運用使電氣監(jiān)控管理系統(tǒng)(ECMS)[2]代替DCS實現(xiàn)火電廠監(jiān)控系統(tǒng)已成為可能。

1 火力發(fā)電廠電氣系統(tǒng)常規(guī)監(jiān)控方案

電氣設(shè)備采用“通信+硬接線”的方式接入DCS，是目前國內(nèi)大多數(shù)工程采用的模式。主廠房電氣各個回路的合、分閘命令，部分重要的I/O信息等通過硬接線的方式一對一送入DCS接口柜。其余的I/O信息，模擬測量等，則由各個回路的保護測控裝置通過總線方式進入電氣現(xiàn)場總線監(jiān)測系統(tǒng)(EFCS)的通信管理機，EFCS后臺通過100 M以太網(wǎng)接口與DCS服務(wù)器進行通信。對于電氣其余的自動裝置如:自動準同期裝置(ASS)、自動勵磁調(diào)節(jié)裝置(AVR)、廠用電源快速切換裝置、備用電源自動切換裝置、直流電源系統(tǒng)監(jiān)控裝置、不間斷電源(UPS)裝置、發(fā)-變組保護裝置、發(fā)-變組故障錄波器、柴油發(fā)電機、啟動/備用變壓器保護裝置等，則專門設(shè)置機組通信管理機，將這些自動裝置的信息通過RS485總線方式進入電氣EFCS的通信管理機，EFCS后臺通過100 M以太網(wǎng)接口與DCS通信。

EFCS與DCS硬接線相結(jié)合的方案具有如下的特點。

a．該模式下的EFCS與DCS一體化控制除了信息融合以外，控制功能有所分工，對于斷路器的控制仍沿用DCS I/O單通道硬接線方式，但是對于電氣廠用電的非關(guān)鍵的信息傳輸則采用了EFCS的高速現(xiàn)場總線方式，EFCS還可通過網(wǎng)關(guān)將大量信息送給除DCS以外的廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)(SIS)。

b．取消了原有的部分變送器、表計、電度表等傳統(tǒng)設(shè)備，減少了DCS的I/O卡件、減少了一部分電纜與敷設(shè)電纜用的橋架等，節(jié)省了部分投資。

電氣管理系統(tǒng)的另一種控制模式為ECMS，下面以實際工程為例介紹ECMS方案的具體實施及特性。

2 火力發(fā)電廠電氣系統(tǒng)“全通信”監(jiān)控方案

2.1 ECMS的方案實施

某工程采用ECMS對單元機組和輔助車間所有電氣設(shè)備進行監(jiān)控，并在單元控制室設(shè)置ECMS操作員站，ECMS不與機組DCS通信。全廠電氣系統(tǒng)設(shè)備直接在ECMS操作員站上實現(xiàn)監(jiān)控。其與DCS一鍵順控啟/停功能相關(guān)的控制、機組保安負荷的控制、數(shù)字電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)(DEH)相關(guān)的聯(lián)鎖信號等采用硬接線，其他監(jiān)控信號以通信方式經(jīng)測控裝置送入ECMS，對于高低壓廠用電源系統(tǒng)，所有電氣量全部采用通信方式接入ECMS進行監(jiān)控，取消所有硬接線。

ECMS由單元機組電氣監(jiān)控系統(tǒng)、公用電氣監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)組成，單元機組ECMS采用分層、分布式計算機監(jiān)控系統(tǒng)，設(shè)備采用分散布置。

監(jiān)控主站層負責整個系統(tǒng)的集中監(jiān)控，由雙冗余的主機服務(wù)器、電氣操作員站、工程師站、網(wǎng)絡(luò)交換機和負責與SIS等其他系統(tǒng)通信的通信服務(wù)器等組成。

通信子站層主要由通信管理機和多串口通信服務(wù)器組成。它具有數(shù)據(jù)處理及通信功能，用于實現(xiàn)間隔層設(shè)備和站控層設(shè)備之間的“上傳下發(fā)”，并監(jiān)視和管理各測控單元設(shè)備，還完成實時數(shù)據(jù)的加工和分布式數(shù)據(jù)庫管理。通信管理機負責6 kV開關(guān)柜內(nèi)的綜合保護測控裝置和400 V動力中心(PC)開關(guān)柜內(nèi)智能測控裝置和400 V電動機控制中心(MCC)開關(guān)柜內(nèi)馬達控制器等間隔層智能設(shè)備。ASS、AVR、廠用電源快速切換裝置、備用電源自動切換裝置、直流電源系統(tǒng)監(jiān)控裝置、UPS監(jiān)控裝置、發(fā)-變組保護裝置、故障錄波器、柴油發(fā)電機、啟動/備用變壓器保護裝置等通過多串口通信服務(wù)器進行規(guī)約轉(zhuǎn)換后與電氣監(jiān)控系統(tǒng)通信。

間隔層負責各間隔就地監(jiān)控，間隔層設(shè)備通過現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)與通信管理單元連接。間隔層設(shè)備主要包括安裝在電氣電子設(shè)備間內(nèi)的發(fā)-變組、啟動備用變壓器測控裝置、6 kV開關(guān)柜內(nèi)綜合保護測控裝置和400 V PC開關(guān)柜內(nèi)的智能測控裝置、400 V MCC開關(guān)柜內(nèi)的馬達控制器等。

站控主站層設(shè)備間采用雙冗余的1 000 Mb/s以太網(wǎng)連接，網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)采用全交換星型網(wǎng)狀拓撲；通信管理機與監(jiān)控主站間采用雙冗余的100 Mb/s光纖工業(yè)以太網(wǎng)連接；通信管理機與間隔層設(shè)備間采用Profeibus-DP、Lonworks等進行連接。

公用電氣監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)配置與單元機組ECMS配置相似，不同之處為該網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)不配置工程師站、操作員站和系統(tǒng)服務(wù)器等設(shè)備，站控層以太網(wǎng)采用VLAN技術(shù)，由站控層管理型交換機中的硬件實現(xiàn)單元ECMS和公用ECMS之間數(shù)據(jù)的交換和隔離，共用單元機組的工程師站，并只能接受一臺機組的操作員站操作。

2.2 ECMS的方案特點

本工程以成熟的ECMS為基礎(chǔ)，增加發(fā)電機-變壓器組監(jiān)控功能，針對常規(guī)電氣監(jiān)測系統(tǒng)的不足，采用多種措施全面優(yōu)化了ECMS，增強了系統(tǒng)軟、硬件的可靠性，提高了系統(tǒng)響應(yīng)速度，提供了完善、豐富的軟件功能。

2.2.1 高系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)可靠性

為保證ECMS網(wǎng)絡(luò)的高可靠性，采用了如下措施。

a．系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采用分層、分布式結(jié)構(gòu)，在設(shè)備布置上分散。避免了由于部分系統(tǒng)設(shè)備故障引起的整個系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)故障的可能性。

b．監(jiān)控主站層設(shè)備間采用冗余的高速以太網(wǎng)連接，網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)采用全交換星型網(wǎng)狀拓撲，主服務(wù)器雙冗余，任意一個主站層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備故障不影響ECMS運行。

c．監(jiān)控主站層與通信子站層通信管理機間采用冗余100 Mb/s光纖工業(yè)以太網(wǎng)連接，避免了網(wǎng)絡(luò)布線路徑的電磁干擾，提高了網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性。

d．通信子站層的通信管理機與間隔層設(shè)備間采用Profeibus-DP，Lonworks等高速現(xiàn)場總線連接。間隔層采用可靠性高、抗干擾能力強的現(xiàn)場總線以保證間隔層通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

e．通信管理機與間隔層設(shè)備間現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)采用了雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)，雙網(wǎng)并行工作。其中400 V智能設(shè)備采用設(shè)備級Profeibus-DP現(xiàn)場總線的雙冗余，提高了間隔層通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

f．合理分配間隔層網(wǎng)段，提高間隔層現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

g．設(shè)置安全防護裝置。

2.2.2 高系統(tǒng)硬件可靠性

由于ECMS代替了DCS實現(xiàn)全廠電氣系統(tǒng)的監(jiān)控，對ECMS硬件可靠性要求比以往只實現(xiàn)監(jiān)測功能的電氣監(jiān)測系統(tǒng)硬件的要求更高。體現(xiàn)在：采用高性能、多CPU、多內(nèi)核架構(gòu)的系統(tǒng)服務(wù)器，完全滿足ECMS對可靠性和系統(tǒng)響應(yīng)速度的要求；大量采用工業(yè)以太網(wǎng)交換機，保證主站層與通信子站層間的通信網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定、高效地運行；發(fā)-變組測控裝置采用冗余配置，保證在一臺測控裝置故障或失電的情況下，仍能對發(fā)-變組等主要電氣設(shè)備進行監(jiān)控，提高機組運行的可靠性。

2.2.3 高系統(tǒng)軟件可靠性

對ECMS軟件穩(wěn)定性和安全性的要求較常規(guī)電氣監(jiān)測系統(tǒng)有較大提高。ECMS的操作系統(tǒng)軟件采用安全、穩(wěn)定、可靠性高的UNIX操作系統(tǒng)。為防止由于軟件程序故障引起的電氣系統(tǒng)誤操作、提高機組安全運行的能力，ECMS軟件系統(tǒng)設(shè)置了三個層次的防誤操作功能，分別有發(fā)變組測控裝置、系統(tǒng)主服務(wù)器和五防工作站內(nèi)的閉鎖軟件實現(xiàn)。

2.2.4 高系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信速率

為提高系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的通信速率、減少數(shù)據(jù)的傳送時間采取了以下措施。

a．根據(jù)ECMS內(nèi)各設(shè)備的通信容量大小、分別配置具有通信速度快、傳輸容量大的100 Mb/s、1 000 Mb/s高速以太網(wǎng)，減少主站層網(wǎng)絡(luò)通信產(chǎn)生的延時。

b．管理機與間隔層設(shè)備間的通信網(wǎng)絡(luò)采用高速現(xiàn)場總線替代傳統(tǒng)的MODBUS-485。本工程6 kV間隔層考慮采用Lonworks-DP現(xiàn)場總線，400 V間隔層采用Profeibus-DP現(xiàn)場總線。

c．將通信子站層通信管理機分散布置。根據(jù)監(jiān)控對象布置的位置，將通信管理機分散布置在各6 kV、400 V配電室內(nèi)?？s短了通信管理機和間隔層設(shè)備間現(xiàn)場總線的傳輸距離，提高了現(xiàn)場總線的通信速率和抗干擾能力。

d．合理配置間隔層通信管理機數(shù)量、控制每個間隔層現(xiàn)場總線網(wǎng)段的通信接點數(shù)量。按照與廠用電接線基本對應(yīng)、就地相對集中的原則，合理配置通信管理機，即控制Profeibus-DP的網(wǎng)絡(luò)負荷率，保證系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信速率，又充分利用了Profeibus-DP現(xiàn)場總線的傳輸能力，減少了通信管理機數(shù)量、降低系統(tǒng)造價。

e．將6 kV和400 V間隔層智能設(shè)備的通信信息量分類傳輸，有效地提高了ECMS的系統(tǒng)響應(yīng)性。

f．現(xiàn)場實測ECMS的模擬量數(shù)據(jù)采集裝置輸入越死區(qū)到LCD顯示時間小于2 s，輸入開關(guān)量從數(shù)據(jù)采集裝置變位到LCD顯示時間小于1 s，遙控命令從發(fā)出操作指令到LCD顯示時間小于1 s。

2.3 ECMS的技術(shù)優(yōu)勢

節(jié)約硬件數(shù)量與投資成本。取消了全部原有開關(guān)柜內(nèi)的變送器、表計、電度表等傳統(tǒng)設(shè)備，大幅度減少了DCS的I/O卡件，還可以用工控PC機作為操作站，從而節(jié)省了一大筆硬件投資。

全開放式的通信網(wǎng)絡(luò)。由于規(guī)定了網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議，對遵循同一通信協(xié)議的不同供貨商的控制產(chǎn)品，都可以實現(xiàn)通信互聯(lián)，為實現(xiàn)現(xiàn)代電廠工業(yè)級自動化系統(tǒng)提供了必要的條件。

提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。由于現(xiàn)場總線設(shè)備的智能化、數(shù)字化，與模擬信號相比，它從根本上提高了測量與控制的準確度，減少了傳送誤差，提高了系統(tǒng)的工作可靠性。

減少了現(xiàn)場布線及投資。由于全部取消了廠用電6 kV、380 V開關(guān)柜至DCS的硬接線，大幅度減少了DCS的I/O卡件、減少大部分電纜與敷設(shè)電纜用的橋架等，節(jié)省了大量的投資。

3 結(jié)束語

綜上所述，采用現(xiàn)場總線方式的電氣監(jiān)控管理系統(tǒng)，不僅能節(jié)約大量的投資，也能使全廠的電氣控制的自動化程度和管理水平提高到一個更高的層次，實現(xiàn)了電廠電氣系統(tǒng)的數(shù)字化、信息化。采用“全通信”的廠用電監(jiān)測管理系統(tǒng)則是一種全新的技術(shù)方案，依賴于先進的現(xiàn)場總線技術(shù)，向?qū)崿F(xiàn)數(shù)字化電廠和信息化電廠的目標邁出了重要的一步，是今后電廠電氣部分自動化控制的一種趨勢，目前在發(fā)電廠廠用電系統(tǒng)監(jiān)控采用全總線方案從技術(shù)上是完全可行的。