基于現(xiàn)場總線的分布式電氣控制系統(tǒng)改造

卓薇

(廣東省粵電集團有限公司沙角C電廠,廣東東莞 523936)

0 引言

廣東省粵電集團有限公司沙角C電廠(以下簡稱沙角C電廠)安裝有3臺660MW亞臨界燃煤發(fā)電機組,由廠用電模擬屏對電源部分進行監(jiān)控,其功能與采集到的信息量都非常有限。隨著電廠自動化技術(shù)的不斷發(fā)展,為了給廠用電系統(tǒng)日常監(jiān)控及維護工作提供全面可靠的電氣信息,沙角C電廠對原系統(tǒng)進行了基于現(xiàn)場總線的分布式電氣控制系統(tǒng)FECS(FieldbusElectricControlSystem)改造。

1 原廠用電監(jiān)控系統(tǒng)概況

沙角C電廠原廠用電監(jiān)控系統(tǒng)采用廠用電模擬屏對全廠電源部分進行遠方監(jiān)控。廠用電模擬屏的操作把手可對電源開關(guān)進行遠方分、合閘操作,可由操作把手指示燈的狀態(tài)獲取開關(guān)的當前狀態(tài)。遙測量由現(xiàn)場變送器轉(zhuǎn)換為4～20mA模擬量供廠用電模擬屏的儀表指示,告警信息與保護動作由光子牌顯示,廠用電模擬屏與現(xiàn)場設(shè)備的接口方式均為硬接線方式。

電動機部分由分布式控制系統(tǒng)DCS(DistributedControlSystem)遠方監(jiān)控,與DCS的接口方式為硬接線方式。

2 原廠用電監(jiān)控系統(tǒng)存在的問題

(1)備品價格高且采購周期長。備品必須從國外廠家訂購,價格昂貴;控制電纜絕緣變差,給系統(tǒng)安全運行帶來隱患。

(2)信息量不豐富。原廠用電模擬屏接口單一,僅有硬接線方式接口,采集的信息量受I/O口數(shù)量約束;無通信接口,與現(xiàn)場智能設(shè)備及其他系統(tǒng)無法通信,電氣信息的擴展及轉(zhuǎn)送受到很大限制。

(3)無歷史記錄。廠用電模擬屏僅顯示當前故障,不便于維修人員進行日常維護和故障分析。

(4)無軟件組態(tài)功能。邏輯閉鎖功能由開關(guān)控制回路實現(xiàn),若需修改要通過改變現(xiàn)場開關(guān)回路接線或增減繼電器等方式來實現(xiàn),非常不便。

3 FECS模式選定

3.1 國內(nèi)電廠常用的FECS模式

3.1.1 保留關(guān)鍵硬接線的FECS模式

目前,國內(nèi)大多數(shù)電廠采用保留關(guān)鍵硬接線的FECS模式,在該模式下,FECS為DCS的子系統(tǒng)。FECS通過現(xiàn)場總線實現(xiàn)電氣部分的信息采集與控制,DCS以通信方式對FECS的I/O裝置進行操作。FECS主站作為后備,在DCS操作員站故障時對電氣部分進行控制。參與熱工控制的重要電動機的啟、?？刂撇捎肈CS的I/O模塊經(jīng)電纜硬接線實現(xiàn)。

3.1.2 全通信的FECS模式

近年新建的電廠多采用全通信的FECS模式,即FECS與DCS的信息交換全部采用通信方式。DCS完全放棄電動機使用I/O的硬接線方式,最大限度地減少了電纜。該模式是一種深層次的一體化方案,DCS擁有電動機與電源的控制權(quán),FECS作為DCS的子系統(tǒng)參與DCS監(jiān)控的范圍由純電氣部分的控制擴展為對電動機的控制。

3.2 沙角C電廠FECS模式

3.2.1 沙角C電廠FECS模式選定

沙角C電廠于1996年投運,機房對通信干擾的屏蔽性沒有新廠強,且380V電動機暫無智能設(shè)備,故不采用全通信模式。若把FECS作為DCS的一個子系統(tǒng),則對DCS有一定依賴性,而且DCS的接入能力有限,極大地限制了電氣信號的豐富與電氣自動化水平的提高。從管理習慣上看,沙角C電廠廠廠用電部分由電氣專業(yè)人員管理,電氣部分納入DCS由熱工專業(yè)人員管理,所以,沙角C電廠選定了與DCS相對獨立的FECS模式,如圖1所示。

圖1 與DCS相對獨立的FECS模式

3.2.2 沙角C電廠FECS模式分析

該模式的FECS具有完整的FECS監(jiān)控主站。FECS負責整個廠用電系統(tǒng)的監(jiān)視并擁有電源部分的控制權(quán),對電動機部分只監(jiān)視不能控制,電源部分的邏輯在FECS中完成。DCS中參與電動機控制的量仍保留硬接線方式接入DCSI/O,電動機部分的邏輯在DCS中完成,DCS中的電動機部分不參與控制,但需用于監(jiān)視的量由FECS轉(zhuǎn)發(fā)。FECS根據(jù)DCS的需求量通過通信方式由FECS轉(zhuǎn)發(fā)站單向轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)給DCS主站,作為DCS監(jiān)視用。該模式下的FECS與DCS相對獨立、職責分明(上述電動機均指10kV/3kV電動機,380V電動機無智能設(shè)備,暫不接入FECS,保持原DCS監(jiān)控模式)。

沙角C電廠FECS模式的特點:

(1)FECS與DCS分工明確,權(quán)責分明。

(2)FECS對全廠的廠用電實現(xiàn)集中監(jiān)視,對電源開關(guān)具有監(jiān)控權(quán),對電動機部分只監(jiān)視不控制,實現(xiàn)了電氣部分的高級應(yīng)用功能。

(3)弱化了FECS與DCS的通信功能,FECS轉(zhuǎn)發(fā)給DCS的通信信號只作為監(jiān)視用,且通信信號只能由FECS單向轉(zhuǎn)發(fā)給DCS,DCS不能控制FECS。

(4)DCS的信號得到了豐富,節(jié)約了部分控制電纜與變送器等傳統(tǒng)設(shè)備。

4 FECS組網(wǎng)方案

沙角C電廠使用CSPA-2000分層分布式電氣控制系統(tǒng),該系統(tǒng)自上而下分為站控層、分布控制層、間隔層,其組網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

4.1 站控層

站控層是整個系統(tǒng)的控制管理中心,完成整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)收集、處理、顯示和監(jiān)視,經(jīng)過授權(quán)對電氣設(shè)備進行控制并與DCS通訊聯(lián)絡(luò)。站控層由2臺冗余的系統(tǒng)服務(wù)器兼工程師站、2臺轉(zhuǎn)發(fā)站、冗余配置的網(wǎng)絡(luò)交換機、打印機以及其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成。站控層網(wǎng)絡(luò)采用以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò),雙網(wǎng)配置,其網(wǎng)絡(luò)通信速率滿足系統(tǒng)實時性要求,為100Mbit/s。FECS與DCS通訊采用以太網(wǎng)方式,在2臺轉(zhuǎn)發(fā)工作站進行。雙服務(wù)器及雙網(wǎng)冗余配置的站控層具有很高的可靠性與穩(wěn)定性。

沙角C電廠采用三機一控的方式,即3臺機組與公用系統(tǒng)共設(shè)置1套監(jiān)控系統(tǒng)。該方案的優(yōu)點是成本較低且網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單,但比單機一控方式的通信壓力大,且#2機組先改造投運,公用系統(tǒng)與#1、#3機組調(diào)試時會給運行系統(tǒng)帶來不便。

圖2 FECS組網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

4.2 分布控制層

分布控制層由主控單元與其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成,具有通信與控制功能,實現(xiàn)站控層與間隔層的實時信息交換。沙角C電廠采用031E主控單元,以太網(wǎng)雙網(wǎng)接入站控層,通過現(xiàn)場總線通信接口與間隔層智能設(shè)備進行通信。該主控單元采用雙網(wǎng)冗余結(jié)構(gòu)設(shè)計,1臺主控單元裝置內(nèi)包括2個結(jié)構(gòu)、功能完全一致且相互獨立的模塊(1臺主控單元裝置實際為1對主控單元),模塊之間有心跳線連接,供切換與數(shù)據(jù)同步使用。正常運行時,2個模塊互為主備,若主模塊故障,主控單元可自動切換到備模塊,增加了系統(tǒng)的可靠性。

分布控制層設(shè)備按廠用電電氣分段組網(wǎng)方案配置,即廠用電10kV、3kV及380V的1個或幾個電氣分段配置1對主控單元(冗余配置)。該方案的特點是:現(xiàn)場總線布線容易、間隔分明、便于維護。

4.3 間隔層

間隔層負責各間隔的就地監(jiān)控和保護功能,主要由綜合保護和測控單元組成。其中,綜合保護實現(xiàn)了保護與測控2個功能,測控單元僅用了測控功能。沙角C電廠原廠用電保護靠傳統(tǒng)繼電器來實現(xiàn)。10kV及3kV段所有負荷開關(guān)的綜合保護改造,隨FECS改造同時在機組A級檢修時進行,其余開關(guān)暫不改造。針對沙角C電廠的實際情況,間隔層設(shè)備分3種方案接入FECS。

(1)10kV/3kV電動機部分的信息量由綜合保護通訊接入FECS。在DCS中需參與控制的量不僅通信上送FECS,還由硬接線接入DCSI/O。

(2)進行綜合保護改造的變壓器高壓側(cè)開關(guān)(即10kV/3kV等級變壓器高壓側(cè)開關(guān)、10kV/380V等級變壓器高壓側(cè)開關(guān))的所有信息量由綜合保護通訊上送。為加強可靠性,開關(guān)的遙控指令與3對重要的遙信(分/合閘反饋、開關(guān)總故障信號)還用硬接線方式接入相應(yīng)的測控單元。

(3)其余未進行綜合保護改造的廠用電源部分的信息量,均以硬接線方式接入相應(yīng)的測控單元。

間隔層各智能前端至主控單元的網(wǎng)絡(luò)為冗余配置并列運行,采取電氣分段接入,其連接方式采用現(xiàn)場總線,傳輸介質(zhì)采用屏蔽雙絞線,綜合保護采用RS485形式,測控單元采用Lonworks形式。

5 改造后的效果

目前,#2、#3機組已先后完成FECS改造,運行狀況良好,較原系統(tǒng)功能大大增強。

(1)強大的組態(tài)功能。后臺的軟件為組態(tài)軟件,可進行畫面組態(tài)、數(shù)據(jù)庫組態(tài)、邏輯組態(tài),支持在線數(shù)據(jù)修改,靈活性高。

(2)與其他系統(tǒng)的接口功能。FECS系統(tǒng)具有良好的開放性,能實現(xiàn)與機組智能保護裝置、DCS系統(tǒng)等的接口功能,其接口方式包括:接點方式(如保護裝置的重要信號)、串口通信方式(如保護裝置的大量信號)和以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議通信方式(如DCS系統(tǒng)),實現(xiàn)不同系統(tǒng)的無縫接入,擴展性好。

(3)數(shù)據(jù)庫處理功能。FECS采集的信息量遠遠大于原系統(tǒng),實現(xiàn)了電氣信息數(shù)字化。具有歷史數(shù)據(jù)的存儲與查閱功能,實現(xiàn)了操作記錄、事件順序記錄SOE(SequenceofEvent)、事件記錄、電能報表等功能,便于設(shè)備維護、事故分析及節(jié)能分析等。

(4)采用先進、可靠的通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù),取消了原有硬接線、變送器等傳統(tǒng)設(shè)備,節(jié)省了一定數(shù)量的控制電纜和DPU資源,降低了成本。

6 結(jié)束語

沙角C電廠采用了與DCS相對獨立的FECS模式,實現(xiàn)了電氣部分的高級應(yīng)用功能,標志著該廠電氣自動化水平上了新臺階。分層分布式的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)充分體現(xiàn)了系統(tǒng)內(nèi)裝置的物理位置、控制功能分散,而顯示、操作、記錄、管理集中的特點,可靠性高、擴展性好并便于維護。