吳 洋

(吉林電力股份有限公司，長(zhǎng)春 130022)

國(guó)內(nèi)外的大型火力發(fā)電廠爐、機(jī)及輔助設(shè)備的檢測(cè)、控制、調(diào)節(jié)及聯(lián)鎖保護(hù)已全部采用分散控制系統(tǒng)(DCS)來(lái)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(dòng)裝置和廠用電的特殊性，往往在實(shí)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(dòng)抄表、仿真培訓(xùn)等高級(jí)運(yùn)行管理功能上不夠理想。

隨著數(shù)字化發(fā)電廠自動(dòng)化水平的不斷提高，電氣系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)控制已經(jīng)成為當(dāng)前設(shè)計(jì)的主流[1]。由于發(fā)電機(jī)-變壓器組(以下簡(jiǎn)稱發(fā)-變組)系統(tǒng)的自動(dòng)控制、保護(hù)功能均由專用裝置完成。DCS對(duì)發(fā)-變組系統(tǒng)、廠用電系統(tǒng)的操作功能以手動(dòng)操作和簡(jiǎn)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(shì)必造成資源浪費(fèi)。多項(xiàng)相關(guān)技術(shù)的成熟運(yùn)用使電氣監(jiān)控管理系統(tǒng)(ECMS)[2]代替DCS實(shí)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(guó)內(nèi)大多數(shù)工程采用的模式。主廠房電氣各個(gè)回路的合、分閘命令，部分重要的I/O信息等通過(guò)硬接線的方式一對(duì)一送入DCS接口柜。其余的I/O信息，模擬測(cè)量等，則由各個(gè)回路的保護(hù)測(cè)控裝置通過(guò)總線方式進(jìn)入電氣現(xiàn)場(chǎng)總線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(EFCS)的通信管理機(jī)，EFCS后臺(tái)通過(guò)100 M以太網(wǎng)接口與DCS服務(wù)器進(jìn)行通信。對(duì)于電氣其余的自動(dòng)裝置如:自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置(ASS)、自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置(AVR)、廠用電源快速切換裝置、備用電源自動(dòng)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(hù)裝置、發(fā)-變組故障錄波器、柴油發(fā)電機(jī)、啟動(dòng)/備用變壓器保護(hù)裝置等，則專門(mén)設(shè)置機(jī)組通信管理機(jī)，將這些自動(dòng)裝置的信息通過(guò)RS485總線方式進(jìn)入電氣EFCS的通信管理機(jī)，EFCS后臺(tái)通過(guò)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(diǎn)。

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(duì)于斷路器的控制仍沿用DCS I/O單通道硬接線方式，但是對(duì)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(chǎng)總線方式，EFCS還可通過(guò)網(wǎng)關(guān)將大量信息送給除DCS以外的廠級(jí)監(jiān)控信息系統(tǒng)(SIS)。

b．取消了原有的部分變送器、表計(jì)、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(shí)際工程為例介紹ECMS方案的具體實(shí)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(shí)施

某工程采用ECMS對(duì)單元機(jī)組和輔助車(chē)間所有電氣設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，并在單元控制室設(shè)置ECMS操作員站，ECMS不與機(jī)組DCS通信。全廠電氣系統(tǒng)設(shè)備直接在ECMS操作員站上實(shí)現(xiàn)監(jiān)控。其與DCS一鍵順控啟/停功能相關(guān)的控制、機(jī)組保安負(fù)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(hào)等采用硬接線，其他監(jiān)控信號(hào)以通信方式經(jīng)測(cè)控裝置送入ECMS，對(duì)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(jìn)行監(jiān)控，取消所有硬接線。

ECMS由單元機(jī)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(jī)組ECMS采用分層、分布式計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，設(shè)備采用分散布置。

監(jiān)控主站層負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的集中監(jiān)控，由雙冗余的主機(jī)服務(wù)器、電氣操作員站、工程師站、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)和負(fù)責(zé)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(jī)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(shí)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(cè)控單元設(shè)備，還完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的加工和分布式數(shù)據(jù)庫(kù)管理。通信管理機(jī)負(fù)責(zé)6 kV開(kāi)關(guān)柜內(nèi)的綜合保護(hù)測(cè)控裝置和400 V動(dòng)力中心(PC)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)智能測(cè)控裝置和400 V電動(dòng)機(jī)控制中心(MCC)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)馬達(dá)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(dòng)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(hù)裝置、故障錄波器、柴油發(fā)電機(jī)、啟動(dòng)/備用變壓器保護(hù)裝置等通過(guò)多串口通信服務(wù)器進(jìn)行規(guī)約轉(zhuǎn)換后與電氣監(jiān)控系統(tǒng)通信。

間隔層負(fù)責(zé)各間隔就地監(jiān)控，間隔層設(shè)備通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)備用變壓器測(cè)控裝置、6 kV開(kāi)關(guān)柜內(nèi)綜合保護(hù)測(cè)控裝置和400 V PC開(kāi)關(guān)柜內(nèi)的智能測(cè)控裝置、400 V MCC開(kāi)關(guān)柜內(nèi)的馬達(dá)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用全交換星型網(wǎng)狀拓?fù)?；通信管理機(jī)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(jī)與間隔層設(shè)備間采用Profeibus-DP、Lonworks等進(jìn)行連接。

公用電氣監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)配置與單元機(jī)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(jī)中的硬件實(shí)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(jī)組的工程師站，并只能接受一臺(tái)機(jī)組的操作員站操作。

2.2 ECMS的方案特點(diǎn)

本工程以成熟的ECMS為基礎(chǔ)，增加發(fā)電機(jī)-變壓器組監(jiān)控功能，針對(duì)常規(guī)電氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的不足，采用多種措施全面優(yōu)化了ECMS，增強(qiáng)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(gè)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用全交換星型網(wǎng)狀拓?fù)?，主服?wù)器雙冗余，任意一個(gè)主站層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備故障不影響ECMS運(yùn)行。

c．監(jiān)控主站層與通信子站層通信管理機(jī)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(jī)與間隔層設(shè)備間采用Profeibus-DP，Lonworks等高速現(xiàn)場(chǎng)總線連接。間隔層采用可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)的現(xiàn)場(chǎng)總線以保證間隔層通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

e．通信管理機(jī)與間隔層設(shè)備間現(xiàn)場(chǎng)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(jí)Profeibus-DP現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

g．設(shè)置安全防護(hù)裝置。

2.2.2 高系統(tǒng)硬件可靠性

由于ECMS代替了DCS實(shí)現(xiàn)全廠電氣系統(tǒng)的監(jiān)控，對(duì)ECMS硬件可靠性要求比以往只實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)功能的電氣監(jiān)測(cè)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(duì)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(jī)，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(yùn)行；發(fā)-變組測(cè)控裝置采用冗余配置，保證在一臺(tái)測(cè)控裝置故障或失電的情況下，仍能對(duì)發(fā)-變組等主要電氣設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，提高機(jī)組運(yùn)行的可靠性。

2.2.3 高系統(tǒng)軟件可靠性

對(duì)ECMS軟件穩(wěn)定性和安全性的要求較常規(guī)電氣監(jiān)測(cè)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(jī)組安全運(yùn)行的能力，ECMS軟件系統(tǒng)設(shè)置了三個(gè)層次的防誤操作功能，分別有發(fā)變組測(cè)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(shí)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(shí)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(shí)。

b．管理機(jī)與間隔層設(shè)備間的通信網(wǎng)絡(luò)采用高速現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)總線，400 V間隔層采用Profeibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線。

c．將通信子站層通信管理機(jī)分散布置。根據(jù)監(jiān)控對(duì)象布置的位置，將通信管理機(jī)分散布置在各6 kV、400 V配電室內(nèi)。縮短了通信管理機(jī)和間隔層設(shè)備間現(xiàn)場(chǎng)總線的傳輸距離，提高了現(xiàn)場(chǎng)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(jī)數(shù)量、控制每個(gè)間隔層現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)段的通信接點(diǎn)數(shù)量。按照與廠用電接線基本對(duì)應(yīng)、就地相對(duì)集中的原則，合理配置通信管理機(jī)，即控制Profeibus-DP的網(wǎng)絡(luò)負(fù)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(chǎng)總線的傳輸能力，減少了通信管理機(jī)數(shù)量、降低系統(tǒng)造價(jià)。

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

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

2.3 ECMS的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

節(jié)約硬件數(shù)量與投資成本。取消了全部原有開(kāi)關(guān)柜內(nèi)的變送器、表計(jì)、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(jī)作為操作站，從而節(jié)省了一大筆硬件投資。

全開(kāi)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(duì)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(shí)現(xiàn)通信互聯(lián)，為實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代電廠工業(yè)級(jí)自動(dòng)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(chǎng)總線設(shè)備的智能化、數(shù)字化，與模擬信號(hào)相比，它從根本上提高了測(cè)量與控制的準(zhǔn)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(chǎng)布線及投資。由于全部取消了廠用電6 kV、380 V開(kāi)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(yǔ)

綜上所述，采用現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)化程度和管理水平提高到一個(gè)更高的層次，實(shí)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(cè)管理系統(tǒng)則是一種全新的技術(shù)方案，依賴于先進(jìn)的現(xiàn)場(chǎng)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(biāo)邁出了重要的一步，是今后電廠電氣部分自動(dòng)化控制的一種趨勢(shì)，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。