淺析火力發(fā)電廠電氣監(jiān)控系統(tǒng)在應(yīng)用中存在的問題

PAGE2PAGE5火力發(fā)電廠電氣監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用和發(fā)展方向內(nèi)容摘要：分析了火力發(fā)電廠（以下簡稱火電廠）電氣監(jiān)控系統(tǒng)（ECS）的產(chǎn)生、發(fā)展和電氣系統(tǒng)接入集散控制系統(tǒng)（DCS）的不同模式在應(yīng)用中存在的問題，認(rèn)為“硬接線+通信”方式是目前火電廠電氣系統(tǒng)接入DCS的主流解決方案。針對應(yīng)用中存在的問題，通過技術(shù)的改進(jìn)、參與各方的密切配合一定會很好的解決，隨著通信技術(shù)的日趨成熟和穩(wěn)定，完全取消硬接線的全通信方式也一定會逐步推廣。關(guān)鍵詞：電氣監(jiān)控系統(tǒng)（ECS）集散控制系統(tǒng)（DCS）硬接線全通信0引言隨著電子技術(shù)和信息技術(shù)的日新月異，火電廠在自動化技術(shù)的應(yīng)用方面也取得了快速發(fā)展，廠網(wǎng)分家后，競價上網(wǎng)的原則要求火電廠必須最大限度地挖掘機(jī)組潛力，提高效率，降低成本，在電力運營市場化的環(huán)境下，通過采用技術(shù)更先進(jìn)、自動化程度更高的技術(shù)和產(chǎn)品來實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化和管理現(xiàn)代化成為火電廠生存和發(fā)展的必由之路，目前新建的容量300MW及以上的大型火電機(jī)組，集散控制系統(tǒng)（DCS）、廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)（SIS）、廠級管理信息系統(tǒng)（MIS）和輸煤、化水等輔助控制系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用使電廠進(jìn)入了數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的時代，新技術(shù)的應(yīng)用使電廠的運行管理和自動化水平大大提高，競爭能力顯著提升?；痣姀S電氣監(jiān)控系統(tǒng)（ECS）正是在這種背景下應(yīng)運而生，它為實現(xiàn)火電廠機(jī)爐電的一體化運行監(jiān)控提供了完整的解決方案，本文從應(yīng)用的角度出發(fā)，分析了ECS的產(chǎn)生、發(fā)展和電氣系統(tǒng)接入DCS的不同模式在應(yīng)用中存在的問題，展望了ECS最終實現(xiàn)全通信的遠(yuǎn)景和目標(biāo)。1ECS的產(chǎn)生從20世紀(jì)80年代末開始，單機(jī)容量300MW及以上的火電機(jī)組開始采用DCS，起初的控制范圍主要為汽機(jī)和鍋爐，從而使機(jī)爐的自動化和控制水平大大提高，但電氣控制仍采用常規(guī)的硬手操方式，使得機(jī)爐控制與電氣控制很不協(xié)調(diào)。二十世紀(jì)90年代中后期，隨著發(fā)變組和廠用電系統(tǒng)微機(jī)保護(hù)測控裝置的運用以及其它自動裝置的微機(jī)化，在原電力部熱工自動化領(lǐng)導(dǎo)小組的積極推動下，電氣系統(tǒng)開始逐步接入到DCS中，接入到DCS的主要系統(tǒng)有：發(fā)變組系統(tǒng)；發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)；高壓廠用電源系統(tǒng)；低壓廠用電源系統(tǒng)和400VPC；高壓啟／備變電源系統(tǒng)；柴油發(fā)電機(jī)組和保安電源；直流系統(tǒng)和UPS系統(tǒng)；自動同期系統(tǒng)；廠用電快切系統(tǒng)。這種方式電氣信息通過硬接線接入DCS（如圖1），接入信息主要包括開關(guān)量輸入（DI）、開關(guān)量輸出（DO）和模擬量輸入（AI）,接入方式為空接點和4～20mA直流信號。采用這種方式后，通過DCS的CRT實現(xiàn)了電氣相關(guān)信息的顯示報警與電氣設(shè)備的控制調(diào)節(jié)，有效提高了整個電氣控制的安全性和可靠性，同時擴(kuò)大了DCS的控制范圍，實現(xiàn)了機(jī)爐電系統(tǒng)的一體化運行和監(jiān)控。這種方式的優(yōu)點是：電氣量的I/O模件柜集中布置，便于管理，設(shè)備運行環(huán)境好；硬接線方式信號傳輸中轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)少，對現(xiàn)場信號的反應(yīng)快速、可靠，連接電纜一次敷設(shè)正確后，發(fā)生故障的幾率較低，維護(hù)工作量小。雖然一次性投資比較高，但目前大部分的電廠、設(shè)計院仍認(rèn)為硬接線方式是電氣信息接入DCS的最可靠、最快速的方式。因此，在通信方式逐步應(yīng)用的情況下，目前對可靠性、實時性和確定性要求很高的電氣聯(lián)鎖與控制，仍然保留了硬接線的方式。員工作站、維護(hù)工作站和通訊網(wǎng)關(guān)等組成，構(gòu)成電氣系統(tǒng)監(jiān)控、管理和與DCS、MIS、SIS等自動化系統(tǒng)互連的中心，目前雖然電氣系統(tǒng)的大量信息通過通信方式接入DCS，但主要用于監(jiān)控功能，DCS并沒有開發(fā)針對電氣的高級應(yīng)用軟件，這也是由DCS的定位決定的。通過ECS的站控層相對獨立的實現(xiàn)對電氣系統(tǒng)的監(jiān)控，不僅提供了DCS的后備控制手段，還通過對大量基礎(chǔ)信息的分析處理，實現(xiàn)諸如事故追憶、保護(hù)定值管理、錄波分析等復(fù)雜的電氣維護(hù)和管理工作，為電氣系統(tǒng)的運行、維護(hù)和管理提供專用的平臺，這也是ECS的重要價值之一。通信層一般以通信管理機(jī)為核心，對信息起到分組和上傳下達(dá)的作用，通過100M以太網(wǎng)接入站控層的實時主干網(wǎng)，廠用電綜保裝置通過RS485或現(xiàn)場總線接入通信管理機(jī)，對于除廠用電綜保裝置外的第三方智能電氣設(shè)備如發(fā)變組保護(hù)、啟備變保護(hù)、勵磁系統(tǒng)、同期裝置、快切裝置和直流系統(tǒng)等，一般通過通信管理機(jī)實現(xiàn)通信接口和規(guī)約格式的轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)完整的電氣系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，同時通信管理機(jī)可經(jīng)串行接口與機(jī)組DCS的分布式處理單元（DPU）相聯(lián)，進(jìn)行信息交換，目前ECS與DCS的通信可通過站控層的通信網(wǎng)關(guān)和通信層的通信管理機(jī)兩種方式實現(xiàn)，通信網(wǎng)關(guān)一般采用100M以太網(wǎng)，信息吞吐量大，但需要DCS開發(fā)專門的軟件模塊，受DCS的開放性限制較大，通信管理機(jī)和DPU之間一般采用RS485接口、Modbus規(guī)約通信，相對簡單易行，同時也為電氣信息參與工藝聯(lián)鎖提供了可能，因而得到了廣泛的應(yīng)用。間隔層包括分散安裝的廠用電綜保裝置（如電動機(jī)保護(hù)測控裝置、低壓變壓器保護(hù)測控裝置、廠用分支保護(hù)測控裝置等）、380V馬達(dá)控制器、發(fā)變組保護(hù)、廠用電快切裝置等智能電氣設(shè)備，完成對電氣系統(tǒng)現(xiàn)場信息的采集、保護(hù)、控制和數(shù)據(jù)通訊的功能。圖2：“硬接線+通信圖2：“硬接線+通信”方式結(jié)構(gòu)圖3“硬接線+通信”方式的ECS在應(yīng)用中存在的問題“硬接線+通信”方式的ECS第一次把網(wǎng)絡(luò)化的應(yīng)用引入到火電廠電氣系統(tǒng)，也使DCS中電氣信息的接入模式發(fā)生了很大的變化，電壓、電流、功率、電量和保護(hù)動作信號等大量信息通過通信方式接入DCS，與工藝聯(lián)鎖和控制相關(guān)的開關(guān)量輸入輸出還保留硬接線，甚至只保留和熱工聯(lián)鎖相關(guān)的電動機(jī)回路的硬接線，廠用電源回路的控制也通過通信接口實現(xiàn)。這種方式為電廠的電氣運行和維護(hù)提供了新的平臺，為采用新型系統(tǒng)維護(hù)方式和企業(yè)管理模式提供了可能，具有如下優(yōu)點：DCS取消了大量的變送器、IO卡件、機(jī)柜和連接電纜，成本降低；接入DCS的信息全面豐富，信息數(shù)量基本和投資無關(guān)，系統(tǒng)擴(kuò)展性強(qiáng)；綜保裝置可實現(xiàn)廠用電系統(tǒng)電能的高精度計量，不用單獨配置電度表，并可通過網(wǎng)絡(luò)上送ECS后臺實現(xiàn)自動抄表功能；通過電氣系統(tǒng)后臺可實現(xiàn)事故追憶、保護(hù)定值管理、錄波分析、操作票、防誤閉鎖等較為復(fù)雜的電氣維護(hù)和管理工作，使電氣系統(tǒng)的整體自動化水平有較大的提高；在倒送廠用電時，通過ECS可實現(xiàn)對高壓啟／備變、高／低壓廠用電源的遠(yuǎn)方操作。近幾年來，在新建的容量300MW及以上的火電機(jī)組，電氣系統(tǒng)都實現(xiàn)了范圍不等的聯(lián)網(wǎng)，并通過通信接口向DCS傳送監(jiān)測信息，在提高電氣系統(tǒng)自動化水平和管理維護(hù)方面，給用戶提供了實實在在的好處，但ECS在實施的過程中也存在一些困難和問題，主要如下：對于DCS廠家來說，取消了大量的變送器和IO卡件，市場利益受到一定的沖擊，還要投入精力來做通信接入工作，難免會有一定的抵觸情緒；目前國內(nèi)投資于DCS的資金70%用于進(jìn)口設(shè)備，而進(jìn)口DCS的通信開放性受到了很大限制，對于通信的信息，DCS的通訊周期、數(shù)據(jù)包長度都對通信的實時性有很大影響；通信方式和硬接線方式相比，信息中轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)多，在可靠性與實時性方面還有一定的差距，目前通信的信息大都局限于監(jiān)測信息，還不能完全實現(xiàn)用戶期望的全通信目標(biāo)；ECS節(jié)點多、分散性強(qiáng)并且多臺機(jī)組需要分期建設(shè)，對系統(tǒng)的容量、網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架的可擴(kuò)展性和設(shè)備廠家的售后服務(wù)能力都提出了很高的要求，而不同廠家的解決方案良莠不等，網(wǎng)絡(luò)通信中斷、信息刷新緩慢等問題經(jīng)常困擾用戶，使系統(tǒng)維護(hù)量增大，從而影響著ECS的實施效果和用戶的應(yīng)用信心；從投資成本來看，由于部分工程ECS的站控層和通信層配置較為復(fù)雜，從而使ECS的投資偏高，對于整個控制系統(tǒng)而言，成本降低并不明顯；在DCS投運之后，用戶對ECS的應(yīng)用相對較少，關(guān)注程度較低，因而目前ECS的電氣維護(hù)和管理功能并不十分完善。對于以上問題的解決，一方面需要ECS廠家切實根據(jù)用戶需求提供先進(jìn)的技術(shù)、可靠的產(chǎn)品和完善的服務(wù)，并且能持續(xù)不斷的改進(jìn)和創(chuàng)新，特別是提高網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性和實時性、提供豐富完善的電氣維護(hù)和管理功能；另一方面也需要廣大電廠、設(shè)計規(guī)劃部門和DCS廠家以更加堅定的信心和開放的心態(tài)來接納ECS，各方密切配合，從真正為電廠用戶提供服務(wù)的角度出發(fā)，做好ECS和DCS的互連規(guī)劃和實施工作，DCS廠家應(yīng)從軟硬件的配置上滿足異構(gòu)系統(tǒng)互連的開放性、實時性和靈活性要求。4全通信方式的ECS的發(fā)展展望ECS從產(chǎn)生、發(fā)展到被用戶廣泛接受，始終圍繞著提高電氣系統(tǒng)整體自動化水平、實現(xiàn)ECS和DCS無縫連接這個目標(biāo)，目前的通信信息“只監(jiān)測不控制”，離用戶真正期望的全通信方式還有一定的差距。目前國內(nèi)的一些ECS廠家和電廠一起在全通信方面進(jìn)行了有益的探索，積累了一定的經(jīng)驗。對于目前投入工程應(yīng)用的全通信方式，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示，在這種方式中，通信管理機(jī)按照電廠的工藝過程配置，參與工藝聯(lián)鎖控制的通信管理機(jī)和相應(yīng)的DPU一對一進(jìn)行通信，由于每個工藝過程的電動機(jī)綜保裝置數(shù)量較少，因而通信實時性較高，完全可以滿足電廠工藝聯(lián)鎖控制的要求，對于不參與工藝聯(lián)鎖的電氣信息，通過ECS站控層的通訊網(wǎng)關(guān)接入DCS。圖3：全通信方式結(jié)構(gòu)圖圖3：全通信方式結(jié)構(gòu)圖通過這種方式，電氣系統(tǒng)的控制和聯(lián)鎖全部通過網(wǎng)絡(luò)通信實現(xiàn)，實時性和硬接線雖有一定的差距，但都能滿足技術(shù)要求，在向全通信目標(biāo)的過渡過程中，是一種大膽而有益的嘗試。但這種方式也存在很大的困難，主要是：在變電站自動化系統(tǒng)、DCS中，控制都是通過網(wǎng)絡(luò)通信實現(xiàn)的，但網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)一般都不大于三層，并且互連的設(shè)備一般為一個廠家的產(chǎn)品和系統(tǒng)，在圖3中，控制信息的傳輸網(wǎng)絡(luò)為四層，DCS的開放性不好也影響了兩個系統(tǒng)之間聯(lián)接的緊密性，可靠性和實時性受到較大的制約，這也是大部分用戶和設(shè)計院對這種模式望而卻步的主要原因；通信管理機(jī)根據(jù)工藝過程配置，因數(shù)量較多使投資成本提高，同時一個工藝過程的廠用電動機(jī)回路往往來自不同的配電間隔，網(wǎng)絡(luò)布線交叉，也增加了施工和維護(hù)的難度。在未來的應(yīng)用中，如果參與工藝聯(lián)鎖的綜保裝置能夠根據(jù)DCS和ECS的不同要求，把控制信息和非控制信息分開，分別通過獨立的通訊接口接入DPU和ECS的通信管理機(jī)，這樣接入DCS信息的可靠性和實時性會有很大的提高，但通信負(fù)荷的增加、控制的切換等對綜保裝置提出了新的技術(shù)要求，同時DCS廠家在市場利益受到更大沖擊的情況下，接入不同通信接口和規(guī)約的裝置，勢必會有較大的阻力，因而在新模式的探索中，不僅需要電廠、設(shè)計院有很大的決心和DCS廠家、ECS廠家的全力配合，同時如何平衡市場利益的沖突，也是需要相關(guān)各方直面和解決的問題。5結(jié)語隨著我國電力事業(yè)的飛速發(fā)展，電源建設(shè)特別是容量300MW及以上大型火電機(jī)組的建設(shè)得到了迅速發(fā)展，ECS也得到了廣泛的應(yīng)用，“硬接線+通信”的方式在目前的條件下更好的解決了ECS接入DCS實現(xiàn)機(jī)爐電一體化協(xié)調(diào)控制的要求，針對在實際應(yīng)用中出現(xiàn)的問題，相信通過ECS廠家、DCS廠家、電廠與設(shè)計院的密切配合，合理規(guī)劃，正確實施，一定會很好的解決。隨著ECS的日趨穩(wěn)定和通信技術(shù)的不斷發(fā)展，相信在不久的將來，全通信的方式將真正為用戶廣泛接受和應(yīng)用。參考文獻(xiàn)：[1]任高.火電廠電氣控制系統(tǒng)進(jìn)入分散控制系統(tǒng)的