ECMS系統(tǒng)的新型結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用①

侯 煒，沈全榮，嚴(yán) 偉

(南京南瑞繼保電氣有限公司研發(fā)中心，南京 211102)

隨著微機(jī)型綜合保護(hù)測(cè)控裝置及各種智能裝置在現(xiàn)場(chǎng)的普及，原有的通過分散控制系統(tǒng)DCS(distributed control system)所反映出的廠用電信息顯得非常局限，因此，從本世紀(jì)初，基于總線形式的廠用電氣監(jiān)控管理系統(tǒng)逐步在各電廠得到了應(yīng)用。為了對(duì)系統(tǒng)名稱進(jìn)行規(guī)范(實(shí)際應(yīng)用中，名稱有電氣監(jiān)控系統(tǒng)ECS(electric control system)、基于現(xiàn)場(chǎng)總線的電氣控制系統(tǒng)FECS(fieldbus electric control system)、EFCS(electric fieldbus control system)等)，電顧發(fā)電(2008)20號(hào)文規(guī)定統(tǒng)一名稱為火力發(fā)電廠電氣監(jiān)控管理系統(tǒng)(ECMS)。在DCS對(duì)廠用電源監(jiān)控方式的選擇上，出現(xiàn)了硬接線方式、硬接線+通訊以及全通訊方式等[1]，本文分析了現(xiàn)存的各種ECMS系統(tǒng)的不足，并提出了新的方案，通過對(duì)其在現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用效果來看，這種方案更適合現(xiàn)階段采用。

1 現(xiàn)有ECMS系統(tǒng)的不足

1.1 硬接線+通訊方式

由于DCS系統(tǒng)通過硬接線方式對(duì)電氣量信息采集有限、電氣系統(tǒng)的整體自動(dòng)化水平較低，無法完成事故追憶、波形分析、保護(hù)定值管理等功能[2]，因此出現(xiàn)了廠用電單獨(dú)組成ECMS系統(tǒng)、DCS系統(tǒng)保留少量硬接線、其他電氣信息經(jīng)過通訊至DCS的方式。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。此方式未修改現(xiàn)有DCS的控制方式，因此被大量工程采用，但這種方式存在如下缺點(diǎn)。

(1)由于DCS支持的通訊方式較少，DCS與ECMS通訊一般采用MODBUS RT U通訊方式，信息從間隔層至DCS畫面顯示，需要經(jīng)過多次規(guī)約轉(zhuǎn)換，時(shí)間較長(zhǎng)，從現(xiàn)場(chǎng)使用的情況看，一般為3～6 s甚至更長(zhǎng)時(shí)間，不能滿足現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行要求。

(2)部分DCS系統(tǒng)的通訊點(diǎn)不能作為邏輯點(diǎn)使用，即通過通訊傳輸?shù)男畔⒅荒茉诓僮鲉T站進(jìn)行顯示，不能參與邏輯控制，且DCS為了保證控制器的運(yùn)行速度與可靠性，一般都對(duì)信息點(diǎn)數(shù)做了嚴(yán)格限制，因此運(yùn)行人員通過DCS系統(tǒng)并不能掌握足量的廠用電氣量信息。

(3)ECMS系統(tǒng)僅作為一個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，一般不設(shè)置操作員站，只有在全廠倒送電及DCS系統(tǒng)檢修時(shí)才可能參與控制，導(dǎo)致該系統(tǒng)受關(guān)注度較低。

(4)從投資成本來看，采用此方案后，DCS節(jié)省了一部分AI、DI卡件及電纜，但增加了用于與ECMS系統(tǒng)通訊的通訊卡。華東電力設(shè)計(jì)院在以某電廠2×600 MW機(jī)組為例對(duì)本方案與原有DCS方案對(duì)投資進(jìn)行比較后得出，項(xiàng)目總投資減少約20萬元，此方案投資方面的優(yōu)勢(shì)未得到充分體現(xiàn)[3]。

圖1 硬接線+通訊方式Fig.1 Structure of the mode by control cables and communication

1.2 全通訊方式

為了進(jìn)一步提高電廠電氣自動(dòng)化的水平，ECMS系統(tǒng)在硬接線+通訊方式的基礎(chǔ)上，又出現(xiàn)了全通訊方案，即利用廠用電綜合保護(hù)測(cè)控單元可由遠(yuǎn)方遙控的功能，通過DCS與ECMS系統(tǒng)的無縫連接，實(shí)現(xiàn)節(jié)省DCS I/O卡件及電纜，提高電廠自動(dòng)化水平的目的。此種方式下，通訊管理單元雙機(jī)配置，信息上傳與指令下發(fā)均通過通訊方式，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。這種方式也存在如下缺點(diǎn):

(1)DCS與ECMS是兩個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，任何一個(gè)系統(tǒng)自動(dòng)化水平的不足，均會(huì)導(dǎo)致此方案在實(shí)際應(yīng)用中存在缺陷。

(2)由于ECMS系統(tǒng)包含設(shè)備較多，不一定能保證所有設(shè)備采用同一廠商的產(chǎn)品，因此在整個(gè)通訊環(huán)節(jié)中，存在多處通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換及通訊方式轉(zhuǎn)換之處。通訊可能存在的穩(wěn)定問題將關(guān)系到電廠的安全生產(chǎn)，這也是這種方案得不到廣泛應(yīng)用的原因之一。

(3)通過通訊方式接入不同通訊接口和協(xié)議的裝置，DCS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)將發(fā)生一定的變化，勢(shì)必會(huì)遇到DCS廠商尤其是國(guó)外DCS廠商較大的阻力。

(4)從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，一套自動(dòng)化系統(tǒng)不可能需要兩套監(jiān)控系統(tǒng)配合才能完成，隨著自動(dòng)化水平的不斷提高，這種全通訊方案必將得到進(jìn)一步改進(jìn)。

圖2 全通訊方式Fig.2 Structure of the mode by full communication

2 新型ECMS系統(tǒng)及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2.1 新型ECMS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由于現(xiàn)階段上述兩種方案在現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用情況不理想，未能充分發(fā)揮ECMS預(yù)期的作用，因此，2007年11月29-30日，中國(guó)電力工程顧問集團(tuán)公司在北京主持召開了現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在火力發(fā)電廠電氣控制系統(tǒng)中應(yīng)用研討會(huì)，會(huì)議通過決議，推薦ECMS系統(tǒng)采用如下方案:發(fā)電機(jī)-變壓器組、高低壓廠用電源等電氣設(shè)備的控制、監(jiān)視和管理在ECMS實(shí)現(xiàn)，電動(dòng)機(jī)的監(jiān)測(cè)管理信息進(jìn)入ECMS。電動(dòng)機(jī)的控制仍由機(jī)組DCS實(shí)現(xiàn)。在機(jī)組集控室設(shè)置ECMS操作員站，ECMS不與機(jī)組DCS通訊。

在上述方案的基礎(chǔ)上，針對(duì)現(xiàn)在大部分ECMS系統(tǒng)為兩臺(tái)或多臺(tái)機(jī)組廠用電加公用廠用電的情況，推出了如圖3所示的ECMS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

圖3 新型ECMS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3 New structure of ECMS

在此結(jié)構(gòu)中，不同的機(jī)組分別設(shè)置獨(dú)立的監(jiān)控系統(tǒng)，以兩臺(tái)機(jī)組為例，#1、#2機(jī)組分別設(shè)置操作員站與工程師站，兩臺(tái)機(jī)組信息互相獨(dú)立，間隔層設(shè)備按照不同的機(jī)組及公用部分分別組成虛擬局域網(wǎng)(VLAN)，如 #1機(jī)廠用電部分智能裝置組成VLAN1，#2機(jī)廠用電部分智能裝置組成VLAN2，公用廠用電部分智能裝置組成VLAN3，通過位于公用部分中心交換機(jī)的設(shè)置，可以實(shí)現(xiàn)#1機(jī)組ECMS系統(tǒng)只能監(jiān)控 #1機(jī)組及公用部分，#2機(jī)組ECMS系統(tǒng)只能監(jiān)控 #2機(jī)組及公用部分。兼顧系統(tǒng)快速性、可靠性要求及系統(tǒng)構(gòu)建成本及方便性等各方面因素，高壓廠用電部分采用雙100 M以太網(wǎng)，低壓廠用電部分采用總線形式。采用此方案的優(yōu)點(diǎn)如下。

(1)將廠用電源負(fù)荷的監(jiān)控功能全部由ECMS實(shí)現(xiàn)，DCS可不設(shè)ECS控制器及其I/O卡件，節(jié)省了DCS的費(fèi)用，同時(shí)節(jié)省了大量電纜。

(2)ECMS與DCS系統(tǒng)相互獨(dú)立，功能清晰，電源負(fù)荷歸ECMS監(jiān)控，工藝負(fù)荷由DCS控制。

(3)高壓廠用電采用雙100 M以太網(wǎng)，與采用其他通訊方式相比，大大提高了信息及波形上送、指令下發(fā)的速度。

(4)ECMS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)、控制、統(tǒng)計(jì)、遠(yuǎn)方整定、事故分析、管理等功能，并逐步向更完善的功能發(fā)展。

2.2 工程實(shí)例

首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司自備電廠2×300 MW機(jī)組ECMS系統(tǒng)采用上述提到的新型方案。該系統(tǒng)監(jiān)控軟件及所有保護(hù)裝置均為南京南瑞繼保電氣有限公司產(chǎn)品，系統(tǒng)的監(jiān)控范圍包括以下設(shè)備:發(fā)變組保護(hù)、起備變保護(hù)裝置、發(fā)電機(jī)自動(dòng)同期裝置、發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)、6 kV廠用微機(jī)綜合保護(hù)測(cè)控裝置、6 kV廠用電源切換裝置、380 V PC及MCC段綜合保護(hù)測(cè)控裝置、機(jī)組智能儀表屏、機(jī)組故障錄波裝置、事故柴油發(fā)電機(jī)智能控制模塊、直流系統(tǒng)、UPS、起備變有載調(diào)壓裝置等。系統(tǒng)包括高壓廠用電保護(hù)裝置111臺(tái)，低壓廠用電保護(hù)裝置351臺(tái)，通訊管理單元15臺(tái)，交換機(jī)26臺(tái)。裝置分成三部分，分別代表#1機(jī)組設(shè)備、#2機(jī)組設(shè)備及公用設(shè)備，分別組網(wǎng)。

設(shè)置此系統(tǒng)的目的是實(shí)現(xiàn)對(duì)全廠廠用電系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)、管理，以及對(duì)高低壓廠用電源、廠變等設(shè)備的監(jiān)測(cè)、控制和管理功能，ECMS系統(tǒng)在主控室設(shè)置操作員站。ECMS與DCS系統(tǒng)沒有信息交換，DCS各工藝系統(tǒng)中的電機(jī)運(yùn)行、報(bào)警等開關(guān)量及模擬量均采用硬接線連接。ECMS系統(tǒng)中所有裝置的閉鎖邏輯在站控層實(shí)現(xiàn)。

該系統(tǒng)自2009年6月投運(yùn)以來，運(yùn)行效果良好，2009年10月，由設(shè)計(jì)院組織，用戶、生產(chǎn)廠商及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試安裝單位多方在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)系統(tǒng)快速及準(zhǔn)確性等指標(biāo)做了測(cè)試。

2.2.1 遙信上傳試驗(yàn)

遙信上傳時(shí)間試驗(yàn)以公用廠用電某設(shè)備進(jìn)行測(cè)試，主要測(cè)試公用設(shè)備的信息上送多個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)的信息上送時(shí)間及可靠性。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，從間隔層設(shè)備發(fā)生遙信變位至監(jiān)控系統(tǒng) HMI收到此信息，最短時(shí)間為26 ms，最長(zhǎng)時(shí)間為289 ms。試驗(yàn)結(jié)果表明，此系統(tǒng)具有較快的信息響應(yīng)速度。

表1 遙信上傳時(shí)間試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 Test data of DI communication time

2.2.2 遙控試驗(yàn)

遙控試驗(yàn)主要是驗(yàn)證從操作員站對(duì)某一斷路器發(fā)出遙控指令至操作員站收到該斷路器的變位信號(hào)為止的時(shí)間，由于系統(tǒng)中間隔層部分采用兩種通訊結(jié)構(gòu)，以太網(wǎng)及RS485總線，因此遙控試驗(yàn)分別進(jìn)行。

表2是高壓廠用電綜合保護(hù)測(cè)控裝置采用以太網(wǎng)通訊的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，表3是低壓廠用電綜合保護(hù)測(cè)控裝置采用RS485總線形式下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，該通訊管理機(jī)所接裝置為36臺(tái)，共分為9條RS485總線，每條總線接4臺(tái)裝置，波特率為9 600 bps。由于站控層進(jìn)行遙控的時(shí)間只能精確到秒級(jí)，因此測(cè)試結(jié)果顯示的“用時(shí)”為該次試驗(yàn)的最大可能用時(shí)，實(shí)際有可能比該時(shí)間短。

表2 以太網(wǎng)遙控試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.2 Test data of Ethernet remote control

雖然遙控時(shí)間只能精確到s，影響了統(tǒng)計(jì)精度，但從上面的數(shù)據(jù)仍可以看出，高壓廠用電部分的遙控速度較快，遙控發(fā)出至信號(hào)返回時(shí)間小于1.25 s，從現(xiàn)場(chǎng)體驗(yàn)來看，運(yùn)行人員剛發(fā)出遙控指令，畫面上即可看到斷路器變位信號(hào)，幾乎沒有等待時(shí)間。對(duì)于低壓廠用電部分，雖然采用RS485，通訊波特率也較低，但仍然取得了較好的測(cè)試效果，遙控發(fā)出至信號(hào)返回時(shí)間小于1.77 s，時(shí)間明顯小于其他一些電廠的采用通訊+硬接線方式的統(tǒng)計(jì)情況，如貴州黔西電廠，DCS發(fā)出指令至狀態(tài)返回時(shí)間達(dá)6 s，江西豐城二期、襄樊電廠二期等DCS發(fā)出指令至狀態(tài)返回時(shí)間 ＜3.5 s[4]。

表3 RS485總線遙控試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.3 Test data of RS485 remote control

從上述試驗(yàn)結(jié)果分析可知，采用RS485總線，只要選取合適的規(guī)約，以及合理分配總線上的裝置數(shù)量，仍可以達(dá)到較好的效果，如果通訊管理單元與間隔層裝置不屬于同一廠商的產(chǎn)品，則有可能達(dá)不到此次試驗(yàn)的指標(biāo);采用現(xiàn)場(chǎng)總線方式，速度優(yōu)于RS485串口通訊方式，其中速度最快的為Profibus-DP，也可以達(dá)到比較好的通訊效果，但是成本較高，因此需要用戶進(jìn)行綜合考慮予以取舍。

2.2.3 故障信息上傳及網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷率試驗(yàn)

為了驗(yàn)證當(dāng)大量數(shù)據(jù)上傳時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)性能，現(xiàn)場(chǎng)采用了高壓廠用電一段母線失壓，該段所有電動(dòng)機(jī)保護(hù)共11臺(tái)裝置低電壓保護(hù)動(dòng)作的方式，考察此時(shí)站控層上位機(jī)畫面是否所有SOE顯示正確、完整，故障波形是否能快速、完整的上送，以及故障信息傳送過程中網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷率等情況。

試驗(yàn)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)為單機(jī)，即只有一臺(tái)工程師站，這種情況下沒有主備機(jī)雙機(jī)數(shù)據(jù)同步的報(bào)文，通過網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視工具得到的網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷率為正常情況下0.3%，保護(hù)動(dòng)作后的大約80 s時(shí)間，網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷率為0.5%，在此時(shí)間過后，察看監(jiān)控系統(tǒng)記錄的各裝置波形，均完整正確顯示，且各遙信變位、SOE顯示正確。

2.2.4 經(jīng)濟(jì)性比較

采用此新型的ECMS系統(tǒng)后，據(jù)設(shè)計(jì)院統(tǒng)計(jì)，本工程節(jié)省電纜300～400 km，DCS中的信息點(diǎn)減少1 000多點(diǎn)，節(jié)省了相應(yīng)的控制器及I/O卡件，因此，總體成本有了較大的降低。

3 結(jié)語(yǔ)

采用新型的獨(dú)立于DCS的ECMS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，與現(xiàn)存的其他方式相比，可以提高電廠廠用電氣部分的自動(dòng)化水平，便于更好地監(jiān)控、管理，縮小了DCS系統(tǒng)的規(guī)模，節(jié)約電廠的投資，此外電廠的熱工和電氣檢修人員的職責(zé)更加明確，便于日常的檢修維護(hù)。隨著這種優(yōu)勢(shì)逐步被用戶認(rèn)可，新型結(jié)構(gòu)的具有控制功能的ECMS系統(tǒng)會(huì)得到越來越多的應(yīng)用。

[1] 閆天軍，郭偉，趙春樹(Yan Tianjun，Guo Wei，Zhao Chunshu).火電廠電氣監(jiān)控系統(tǒng)接入DCS方式的分析(Analysis on connecting mode of electric control system into distributed control system in thermal power plant)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化(Automation of E-lectric Power Systems)，2006，30(11):86-89.

[2] 錢可弭(Qian Kemi).新型發(fā)電廠電氣監(jiān)控系統(tǒng)的架構(gòu)與實(shí)現(xiàn)(A new structure of electric control system and its implementation)[J].廣東電力(Guangdong E-lectric Power)，2005，18(3):21-25，42.

[3] 華東電力設(shè)計(jì)院(East China Electric Power Design Institute).火力發(fā)電廠電氣系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線控制技術(shù)專題總結(jié)(Summary of field bus control technology used in power plant electric system)[C]∥電力顧問集團(tuán)關(guān)于現(xiàn)場(chǎng)總線在火力發(fā)電廠電氣控制系統(tǒng)中應(yīng)用研討會(huì)(Proseminar of Application of Field bus in Power Plant Electric Control System Organized by CPECC)，北京(Beijing):2007.

[4] 中南電力設(shè)計(jì)院(Central Southern China Electric Power Design Institute).火力發(fā)電廠廠用電氣系統(tǒng)監(jiān)控設(shè)計(jì)應(yīng)用(Design and application of electric supervisory and control system in power plant)[C]∥電力顧問集團(tuán)關(guān)于現(xiàn)場(chǎng)總線在火力發(fā)電廠電氣控制系統(tǒng)中應(yīng)用研討會(huì)(Proseminar of Application of Field bus in power plant electric control system organized by CPECC)，北京(Beijing):2007.

[5] 李建林，張仲超(Li Jianlin，Zhang hongchao).CANBUS總線簡(jiǎn)介及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用(The brief introduction of CANBUS and application in electric power system)[J].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)(Proceedings of the CSU-EPSA)，2002 ，14(5):69-72.