1 概述
火力發(fā)電廠中，熱工系統(tǒng)及電氣系統(tǒng)的自動化水平，反映了整個電廠的運行管理水平，而電廠用電系統(tǒng)的安全經(jīng)濟運行對機組的運行起著至關(guān)重要的作用。發(fā)電廠電氣系統(tǒng)主要設(shè)備納入機組的分散控制系統(tǒng)(以下簡稱DCS)進行監(jiān)控，是當(dāng)前火力發(fā)電廠廣泛采用的控制模式，可大大提高機組運行的可靠性和經(jīng)濟性。但還有很多老廠依靠常規(guī)的儀表、光字牌，采用繼電器、控制開關(guān)及其接點組成的控制邏輯來實現(xiàn)。
目前，大容量機組的電氣系統(tǒng)納入DCS監(jiān)控的主要方式為：發(fā)變組保護、綜合自動化裝 置、廠用電系統(tǒng)的保護及自動裝置的動作情況是通過各獨立的裝置動作信號以及電氣設(shè)備的 位置狀態(tài)等開關(guān)量作為輸入量(即DI)送至DCS系統(tǒng);模擬量(如電流、電壓、有功、無功)通過 電量變送器輸出4～20mA標(biāo)準(zhǔn)信號送至DCS系統(tǒng)：DCS的控制命令作為輸出量(即DO)引至電氣 設(shè) 備，各電氣設(shè)備與DCS系統(tǒng)的聯(lián)系采用硬接線方式，即由電氣設(shè)備現(xiàn)場用電纜將電氣量信號 一對一地送至DCS系統(tǒng)的I/O柜上。
然而由于大多數(shù)電廠的DCS系統(tǒng)都側(cè)重于汽機鍋爐，完成機組基本的運行、控制等功能 ，對電氣系統(tǒng)的運行監(jiān)控考慮較少，電氣系統(tǒng)的要求在DCS系統(tǒng)的工程設(shè)計中往往難于全面考慮。因此上述方式存在著較明顯的缺點：
①占用DCS大量的I/O點，卡件多，投資大;
②DCS中反映電氣的保護、測量、開關(guān)位置及其他需檢測的信息不完整;
?、鄄荒軐崿F(xiàn)遠方遙控、保護信號復(fù)歸;
④模擬量采用直流采樣、使用電量變送器，對一次設(shè)備要求高、投資大、抗干擾能力差;
?、蓦姎舛谓泳€復(fù)雜、耗費大量電纜，施工及檢修工作量大;
?、匏行畔⒓性贒CS的DAS系統(tǒng)，系統(tǒng)承擔(dān)的風(fēng)險相對較大;
?、邿o法完成較多較復(fù)雜的電氣運行管理工作，如電氣運行檢修人員關(guān)心的電能管理、 保護整定、事故追憶等信息。
目前，大容量機組專用的繼電保護及自動裝置主要有：微機發(fā)變組保護裝置、故障錄 波裝置、微機自動勵磁裝置(AVR)、微機廠用電切換裝置(ATS)，微機發(fā)電機自動同期裝置(A SS)，以上設(shè)備一般集中布置于電氣設(shè)備間或繼電器室內(nèi)，均為微機型裝置。中壓系統(tǒng)采用 分散式就地安裝的集保護、測量、控制、計量、通信于一體的智能前端設(shè)備，低壓系統(tǒng)選用 智能型框架斷路器，可帶通信接口，能將開關(guān)狀態(tài)、電流、電壓、功率、電能、保護動作等信號通過其自帶的通信接口送出。對于塑殼斷路器回路，可設(shè)低壓微機保護測控裝置，如智 能型馬達控制器，微機型測控單元等。上述安裝于開關(guān)柜內(nèi)的智能設(shè)備系統(tǒng)稱為智能終端裝置(ST)。
上述設(shè)備都是分散的保護、監(jiān)控裝置，都能獨立地完成各回路的監(jiān)控和保護功能，目前 的電氣納入DCS系統(tǒng)大都是通過硬接線與DCS聯(lián)接，沒有充分利用這些裝置所具有的測量、監(jiān)控、通信功能。因此提高這些智能終端設(shè)備與DCS的通信水平，將直接關(guān)系到電廠運行管理 水平和安全經(jīng)濟性。
隨著微處理技術(shù)的發(fā)展，分層分布式控制結(jié)構(gòu)的廣泛應(yīng)用，特別是現(xiàn)場總線(FB)和智能 終端裝置(ST)技術(shù)的采用，其組成的控制系統(tǒng)在發(fā)電廠、變電站特別是在工廠得到了普通使 用，大大提高了微機監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性及經(jīng)濟性。
當(dāng)前，世界發(fā)達國家，如美、英、法、德、日等在發(fā)電廠監(jiān)控中己廣泛采用現(xiàn)場總線和 智能終端設(shè)備，國內(nèi)不少廠家也在開發(fā)、研制陽和ST發(fā)面做了大量工作，有許多產(chǎn)品己在工 程中使用;本章探討把成熟的微機監(jiān)控通信技術(shù)應(yīng)用于大型火力發(fā)電機組，與電廠DCS系統(tǒng)有 機結(jié)合，全面提高電廠電氣系統(tǒng)的監(jiān)控水平。
2 常用電氣系統(tǒng)控制方案比較
隨著火力發(fā)電廠自動化水平的不斷提高，電氣系統(tǒng)納入DCS，實現(xiàn)爐、機、電一體化監(jiān) 控在國內(nèi)機組上已從試點進入了正常實施階段，由于國內(nèi)對電氣系統(tǒng)監(jiān)控的有關(guān)規(guī)程、規(guī)范 還在不斷地修訂完善中，對電氣系統(tǒng)的控制方式?jīng)]有作統(tǒng)一的規(guī)定，國內(nèi)各電廠對電氣系統(tǒng) 納入DCS的方式采用了不同的方式，主要有以下三個方案：
方案1：直接I/O連接方式：將電氣模擬量和開關(guān)量經(jīng)電纜通過I/O通道直接接入DCS進行組態(tài) ，實現(xiàn)對電氣設(shè)備的監(jiān)控，即硬接線方式。
方案2：遠程I/O及分布式I/O連接方式：遠程I/O的采集單元一般是在I/O相對集中的現(xiàn)場安裝I/O機柜，負責(zé)采集附近設(shè)備的I/O 量，通過I/O通訊網(wǎng)絡(luò)將數(shù)字化信息傳至DCS。分布式I/O是將采集單元分散安裝在各現(xiàn)場設(shè)備中，通過總線將分散的I/O連接后送至DCS。具體地說，就是利用分散安裝于就地開關(guān)柜的 集保護、測量、控制、通迅于一體的智能測控保護裝置 (智能終端模塊)，將由10kV、6kV工 作段及400V工作(公用)PC段供電的要求集中控制的高低壓電動機，由鍋爐、汽機及保安MCC 供電的要求集中控制的低壓電動機，采用現(xiàn)場總線通過DCS配置的通迅卡件、通迅切換器和 通迅電纜(雙絞線及光纖)直接連接到DCS的過程控制器。
方案3：智能終端設(shè)備((ST)和現(xiàn)場總線(FB)連接方式：現(xiàn)場總線(FB)是一種開放全數(shù)字化的、雙向多站的計算機網(wǎng)絡(luò)，通過該網(wǎng)絡(luò)將智能終端 設(shè)備(ST)、主控制計算機和現(xiàn)場設(shè)備連接起來。傳輸信息為數(shù)字信號，可以各個接點共用一 條物理傳輸介質(zhì)。
智能終端設(shè)備(ST)是建立在微電子技術(shù)發(fā)展之上、大規(guī)模集成電路、嵌入式系統(tǒng)，由CP U、存儲器，A/D轉(zhuǎn)換器及I/O回路等集成的設(shè)備，主要由中壓及低壓系統(tǒng)的保護測控裝置和 自動裝置構(gòu)成。這些裝置具有測量、控制、保護、信號、通訊等基本功能 并完成各自獨立 的特殊功能(保護功能獨立，在就地完成)。利用智能終端設(shè)備(ST)進行數(shù)據(jù)采集和處理及邏 輯控制等功能，就地可實現(xiàn)對設(shè)備的控制、監(jiān)視功能，通過現(xiàn)場總線系統(tǒng)可將處理好的信息 上傳至DCS等控制層進行監(jiān)控，也能將控制層的指令下達。這種方式實現(xiàn)了分散控制，可節(jié) 省電纜，同時提高了信號轉(zhuǎn)換精度和可靠性，簡化了二次接線。
具體實施為：擴大用通迅接入DCS的內(nèi)容，增加電氣設(shè)備通過通迅接入DCS系統(tǒng)，增設(shè)電氣后臺工作站。用現(xiàn)場總線將這些智能終端設(shè)備及專用裝置的通迅接口連接起來，通過通迅 管理裝置連接至DCS系統(tǒng)、電氣工作站及電廠MIS系統(tǒng)等，組成一個分層分布式的綜合自動化 系統(tǒng)。采用現(xiàn)場總線接入DCS系統(tǒng)的范圍： 10kV、6kV工作段及400V工作(公用)PC段廠用電 源進線、聯(lián)絡(luò)斷路器及饋線，方案2中通過現(xiàn)場總線接入DCS的高低電動機，電氣專用裝置 ：發(fā)變組保護、故障錄波、AVR，ATS，ASS等。
考慮到系統(tǒng)的安全性和可靠性，發(fā)變組系統(tǒng)和10kV、6kV廠用電系統(tǒng)的DO及SOE等重要量 仍采用“硬接線”方式，380V廠用電系統(tǒng)的電動機的監(jiān)控可以采用全通迅的方式。
3 技術(shù)比較
方案1：為采用常規(guī)的電氣納入DCS系統(tǒng)監(jiān)控的方式，既“硬接線”方式。該方案的缺點 如本文第一部分所述。
方案2：高低壓電動機通過現(xiàn)場總線接入DCS，每臺電動機的智能終端模塊與DCS的聯(lián)系 信號除起動/停止指令、運行/停止?fàn)顟B(tài)反饋、遙控狀態(tài)、電源監(jiān)視、電流共七個信號外，增 加了保護動作信號、設(shè)備故障信號、設(shè)備起動次數(shù)、參數(shù)設(shè)定、累計運行時間等現(xiàn)場設(shè)備信 息，大大豐富了DCS的監(jiān)視內(nèi)容。其中的設(shè)備起動次數(shù)、累計運行時間等信息采集及分析， 為提高電廠管理和維護水平創(chuàng)造了有利條件。
由于智能終端模塊集成了通訊、保護、二次控制電路等多項功能，其中低壓智能終端 模塊還集成了電流互感器，10kV、6kV智能終端模塊還提供故障錄波功能(上位機支持)，采 用交流采樣技術(shù)，通過現(xiàn)場總線接入DCS，節(jié)省了控制電纜，取消了電量變送器及控制用中 間繼電器，使電氣開關(guān)柜內(nèi)接線大為簡化，安裝及設(shè)備制造的工作量比采用常規(guī)的“硬接線 ”方式大大減少。目前，滿足現(xiàn)場總線要求的智能化的中壓開關(guān)柜及低壓開關(guān)柜得到了廣泛 使用。
該方案在技術(shù)上具有明顯的先進性，符合“燃煤示范電廠”功能分散、物理分散的設(shè)計 要求。
該方案對DCS及智能終端模塊要求較高，要求智能終端模塊必須與DCS的通訊規(guī)約一致， 要求DCS的控制器按工藝系統(tǒng)提供數(shù)個通迅接口。
方案3：整個系統(tǒng)由三個功能層構(gòu)成：
第一層：測控保護層。由大量的保護和自動裝置構(gòu)成，主要由分散安裝于就地開關(guān)柜的智能終端裝置、發(fā)變組保護、AVR，ATS，ASS等組成，保護功能完全獨立，利用現(xiàn)場總線技術(shù)， 采用光纖或屏蔽雙絞線連接至通信管理層，可以實現(xiàn)這些裝置的分散監(jiān)控。
第二層：通信管理層。該層將DCS對測控保護層的控制命令，或電氣后臺工作站發(fā)出的修改 定值命令等，下發(fā)至各有關(guān)裝置，同時，將各裝置上送的信息送至DCS系統(tǒng)或電氣后臺工作 站。通迅管理層具有通信接收、發(fā)送、規(guī)約轉(zhuǎn)換等功能，通迅管理層與上位機系統(tǒng)連接采用 以太網(wǎng)，通迅管理層一般配置前端機或通迅管理單元，提供12～16個通迅接口。
第三層：上位機系統(tǒng)。包括DCS系統(tǒng)和電氣后臺工作站系統(tǒng)。電氣后臺工作站系統(tǒng)主要負責(zé) 電氣系統(tǒng)設(shè)備的管理維護、電能計量、故障錄波和保護定值修改及下達等工作，由DCS系統(tǒng) 來完成畫面顯示、報表生成、打印、控制、事件記錄報警等。
根據(jù)上述要求，提出如下系統(tǒng)組成方式：現(xiàn)場總線分別與10kV、6kV及400V智能終端設(shè) 備相連，并通過通信管理層與上位機系統(tǒng)相連，對于一些比較成熟的專用裝置，如AVR，ASS 、發(fā)變組保護、故障錄波、廠用電源自動切換裝置仍采用獨立的專用產(chǎn)品，也通過管理層與 上位機系統(tǒng)相連，在電氣后臺工作站及DCS的CRT上對以上系統(tǒng)進行監(jiān)視及控制。該方案結(jié)構(gòu) 清晰，靈活，可分階段實施，擴充方便。系統(tǒng)的監(jiān)控管理層采用雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)可靠性高， 根據(jù)系統(tǒng)情況，既可以由通迅管理層直接與DCS通迅，也可以直接通過以太網(wǎng)與DCS通迅。通 過備用主機的通迅卡系統(tǒng)還可與電廠MIS系統(tǒng)實現(xiàn)信息交換。
通信單元與DCS系統(tǒng)和電氣后臺系統(tǒng)間均有接口，與二者間有信息交流但側(cè)重不同。設(shè) 電氣后臺系統(tǒng)的目的是為了讓電氣人員對所有廠用電氣保護自動裝置進行日常的監(jiān)視和維護 ，一般情況下不進行控制操作，但在后臺機上的信息量卻可比DCS上多得多，在后臺系統(tǒng)上 ，可以實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)采集、電氣接線畫面顯示、定值查詢修改、動作事件記錄、故障錄波、 報表生成、儲存打印及電能計量管理功能。
為滿足電廠運行的安全性、可靠性的要求，發(fā)變組系統(tǒng)納入DCS系統(tǒng)監(jiān)控采用“硬接線 ”方式，接入量主要有三種，即DI，DO和模擬量，一些保護動作信號等則可經(jīng)串口與DCS通信。10kV、6kV廠用電系統(tǒng)的DO及SOE等重要量仍采用“硬接線”方式，廠用電系統(tǒng)的控制也采用“硬接線”方式，380V廠用電系統(tǒng)的電動機的監(jiān)控擬采用全通迅的方式。對每種電氣開 關(guān)與DCS的接口按5個點考慮：合閘指令、分閘指令、合閘狀態(tài) 、分閘狀態(tài)、遙控狀態(tài)信號 。通過現(xiàn)場總線交換的信息包括：遠方信號復(fù)歸;遠方修改定值(在上位機實現(xiàn));模擬量測量數(shù)據(jù)：f，I，0，P，Q，直流量，溫度等;開關(guān)量：開關(guān)分、合位置、保護動作信號、裝 置故障信號等;脈沖量：有功、無功電度量;事故追憶數(shù)據(jù);GPS或上位機對時。
現(xiàn)場總線傳輸介質(zhì)：光纖、同軸電纜或屏蔽雙絞線，可根據(jù)實際選擇。電氣量控制的邏輯設(shè) 計均在DCS內(nèi)，充分利用了DCS的監(jiān)視、控制功能。
4 成本比較
以采用方案3的粵電集團某廠的數(shù)據(jù)來看，隨著電氣控制的自動化水平的提高 ，電氣設(shè)備的投資有所減少(未考慮由此增加的DCS的軟件費用和減少的電纜施工費用)。
5 小結(jié)
通過技術(shù)經(jīng)濟比較，可以看到方案3優(yōu)點是：①系統(tǒng)采用分層分布式體系結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)清晰、 靈活，可以分階段實施，擴充方便，于現(xiàn)場一次設(shè)備增加只需增加相應(yīng)的智能終端，并將智能 終端連接到通信管理層就可實現(xiàn)系統(tǒng)底層擴展，每個前端機或通信管理單元的擴展多達數(shù)百 個智能終端。②兼容性好。通信管理層所提供的前端機或者是通信管理單元可提供各種接口，如：RS232，R S422，RS485，Lonworks，CONBUS，PROFIBUS-DP及各種PLC通信規(guī)約等(不同的廠商可能配有 不同的接口)，用于連接各種不同類型的智能終端來完成自動化功能，可以將任何開放設(shè)備 納入監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。③可靠性高。
系統(tǒng)模塊化的設(shè)計理念，上位機后臺系統(tǒng)的監(jiān)控管理功能采用模塊化的設(shè)計思想，標(biāo)準(zhǔn)的功能管理模塊可直接在后臺系統(tǒng)組態(tài)，功能管理模塊中的框圖監(jiān)控環(huán)境、圖形監(jiān)控環(huán)境、動態(tài) 趨勢環(huán)境、告警查詢、動態(tài)報表、邏輯關(guān)系、能量管理等均可獨立運行于不同的工作站上， 模塊化的設(shè)計思想提高了系統(tǒng)的可靠性。若干前端機或通信管理單元構(gòu)成并行廠用電氣監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，保證了一個通信單元下的通信 故障不會干擾網(wǎng)絡(luò)的其他部分，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用雙網(wǎng)方式，網(wǎng)絡(luò)可靠性好。
從上述經(jīng)濟比較看，投資有所減少，并且系統(tǒng)豐富的統(tǒng)計管理功能提高了運行管理效率，降低了運行維護成本。因此，在新建機組中建議采用方案3。
（轉(zhuǎn)載）
