張青山
(國(guó)電黃金埠發(fā)電有限公司,江西 余干 335101)
隨著電力行業(yè)的技術(shù)發(fā)展,發(fā)電廠自動(dòng)化水平日趨提高,多數(shù)發(fā)電廠廣泛采用了以機(jī)組工藝系統(tǒng)控制為主的分散控制系統(tǒng)(DCS)。電氣系統(tǒng)也從強(qiáng)電一對(duì)一硬手操監(jiān)控盤控制方式,進(jìn)入了DCS中的ECS系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。電氣納入DCS,采用的是I/O硬接線連接,就地仍然采用常規(guī)設(shè)備。但DCS主要側(cè)重于機(jī)、爐的自動(dòng)化過(guò)程控制,對(duì)電氣系統(tǒng)僅局限于簡(jiǎn)單操作控制,在I/O采樣頻率,測(cè)點(diǎn)采集信息量,乃至控制水平上都很有限,另外電氣與熱控專業(yè)的差異也導(dǎo)致協(xié)調(diào)矛盾突出。
目前大部分電氣控制設(shè)備均是微機(jī)型的并帶有數(shù)據(jù)通信接口。控制設(shè)備的大量信息可以從通信口傳出。廠用電中、低壓開(kāi)關(guān)柜中的綜合保護(hù)裝置、測(cè)控裝置的通信口不但可以傳出裝置本身的許多信息,而且也可接受外加的命令進(jìn)行分合閘操作。但目前我們并未對(duì)這些由通信接口及其傳出的信息加以有效的利用。原因在于DCS無(wú)法同這許許多多慢速傳送的不同類型通訊規(guī)約的信號(hào)進(jìn)行有效連接。為了有效使用以上信息就必須建立一個(gè)通信網(wǎng)絡(luò),即我們所稱的“電氣監(jiān)控管理系統(tǒng)(ECMS)”。
以現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)為基礎(chǔ)的電氣監(jiān)控管理系統(tǒng)已在國(guó)內(nèi)大中型發(fā)電廠的工程設(shè)計(jì)中推廣使用,并已有多個(gè)電廠順利投運(yùn),取得了相當(dāng)寶貴的經(jīng)驗(yàn)。電氣監(jiān)控管理系統(tǒng)主要由工業(yè)專用的通訊管理機(jī)組成,主要任務(wù)是將不同場(chǎng)所許多不同電氣控制設(shè)備的各種通信協(xié)議轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的協(xié)議,經(jīng)過(guò)主機(jī)處理后經(jīng)由網(wǎng)關(guān)機(jī)通訊至DCS。DCS對(duì)轉(zhuǎn)換后通訊來(lái)的信號(hào)很容易處理,這樣由各電氣控制設(shè)備通訊口采集到的各種信號(hào)就能在DCS中加以使用了。簡(jiǎn)而言之“電氣監(jiān)控管理系統(tǒng)”是一個(gè)通信網(wǎng)絡(luò),這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的信息源已經(jīng)存在(它們包括中、低壓廠用電的綜合保護(hù)裝置、測(cè)控裝置,發(fā)電機(jī)變壓器的繼電保護(hù)裝置,自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)整裝置,廠用電快切裝置,UPS裝置等等),信息的收受端DCS也已存在,它們不需任何新增投資。建立這個(gè)網(wǎng)絡(luò)新增加的費(fèi)用僅僅是通訊管理機(jī)、網(wǎng)絡(luò)連接線和完成網(wǎng)絡(luò)維護(hù)及數(shù)據(jù)處理、加強(qiáng)電氣功能等的主站設(shè)備。
本文根據(jù)以往電廠的經(jīng)驗(yàn),對(duì)黃金埠電廠二期2×1000 MW擴(kuò)建工程ECMS系統(tǒng)的系統(tǒng)配置、監(jiān)控范圍等提出了合理化建議,并提出了ECMS系統(tǒng)在工程應(yīng)用中須特別注意的問(wèn)題。
ECMS系統(tǒng)一般采用可靠的分層、分步式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),雙網(wǎng)配置。一般可設(shè)置二層網(wǎng)絡(luò),三層設(shè)備,包括間隔層、通信管理層和站控層。
站控層設(shè)備集中布置,主要完成對(duì)間隔層設(shè)備采集的信息進(jìn)行處理,具有顯示、對(duì)時(shí)、打印、控制操作、報(bào)表生成、系統(tǒng)自診斷/自恢復(fù)、數(shù)據(jù)庫(kù)管理等功能。站控層主要包括系統(tǒng)主機(jī)2臺(tái),電氣工程師站(兼后備操作員站功能)1臺(tái),系統(tǒng)服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等,雙套設(shè)備互為熱備,故障時(shí)可無(wú)擾切換。
火力發(fā)電廠ECMS系統(tǒng)一般采用單元機(jī)組組網(wǎng)方式,每臺(tái)機(jī)組設(shè)置一個(gè)機(jī)組ECMS網(wǎng),兩臺(tái)機(jī)組設(shè)置一個(gè)公用ECMS網(wǎng)。為節(jié)約設(shè)備投資,公用ECMS網(wǎng)一般不設(shè)置專用主機(jī),而將公用ECMS網(wǎng)的數(shù)據(jù)分別同時(shí)存儲(chǔ)在機(jī)組ECMS網(wǎng)的主機(jī)內(nèi)。在實(shí)際工程應(yīng)用中,系統(tǒng)主機(jī)可組屏安裝。
系統(tǒng)服務(wù)器主要用于與機(jī)組DCS進(jìn)行通信,電氣監(jiān)控管理系統(tǒng)中的大量信息(如:電流、電壓、有功功率等)可以通過(guò)系統(tǒng)服務(wù)器傳送給DCS系統(tǒng),由于通訊采用以太網(wǎng),可以保證傳輸速率。
通訊管理層具有數(shù)據(jù)處理及通信功能,用以實(shí)現(xiàn)間隔層設(shè)備和站控層設(shè)備之間信息的“上傳下發(fā)”。通過(guò)通訊管理層還可以實(shí)現(xiàn)ECMS系統(tǒng)與其他智能設(shè)備(如:同期、快切、故障錄波器等)之間的連接,完成規(guī)約轉(zhuǎn)換。
在主廠房區(qū)域的通訊管理層設(shè)備通常集中組屏安裝于電氣繼保室內(nèi),也可組屏分散就地安裝于配電裝置室內(nèi)。在輔助廠房區(qū)域的通訊管理層設(shè)備則通常組屏安裝于配電裝置室內(nèi)。
成對(duì)的通訊管理機(jī)(熱備用)并列運(yùn)行,一旦其中一個(gè)通信接口故障,實(shí)現(xiàn)切換。通信管理層與站控層采用雙冗余光纖以太網(wǎng)連接,通信管理層與間隔層采用雙冗余現(xiàn)場(chǎng)總線連接。
間隔層主要由各種型號(hào)的測(cè)控裝置、智能儀表等智能裝置組成,這些設(shè)備通常分散安裝于現(xiàn)場(chǎng)中、低壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)。間隔層設(shè)備主要完成設(shè)備保護(hù)和數(shù)據(jù)采集上傳的功能,在站控層或網(wǎng)絡(luò)失效的情況下,間隔層設(shè)備仍能獨(dú)立完成設(shè)備的就地監(jiān)控和保護(hù)功能。根據(jù)不同的功能要求,還負(fù)責(zé)將上層傳來(lái)的數(shù)據(jù)傳送到所對(duì)應(yīng)的電氣設(shè)備,完成相應(yīng)的功能。
現(xiàn)場(chǎng)層的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)場(chǎng)總線并根據(jù)需要采用自身雙網(wǎng)或環(huán)型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)?,F(xiàn)場(chǎng)層設(shè)備通過(guò)冗余現(xiàn)場(chǎng)總線接入雙機(jī)熱備的通信管理層設(shè)備,完成對(duì)電氣設(shè)備模擬量、開(kāi)關(guān)量、報(bào)警量等數(shù)據(jù)的采集和管理,經(jīng)規(guī)約轉(zhuǎn)換后上傳至站控層設(shè)備。
該方式在電氣監(jiān)控管理系統(tǒng)初期階段應(yīng)用較多,主要是考慮到電氣監(jiān)控管理系統(tǒng)剛剛普及,系統(tǒng)及設(shè)備的可靠性、網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率、系統(tǒng)的性能等還有待于運(yùn)行考驗(yàn),故ECMS系統(tǒng)采用只監(jiān)視的方式(I/O信息可通過(guò)以太網(wǎng)傳送給DCS或與DCS不通信)。DCS控制仍然保留傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的全部硬接線。
該方式是基于“硬接線+通信”方式提出的更為有效的方式。采用此種方式時(shí),參與機(jī)爐電大聯(lián)鎖的電動(dòng)機(jī)(如:頂軸油泵、盤車、送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)等)、發(fā)變組斷路器、勵(lì)磁開(kāi)關(guān)等采用DCS硬接線控制,其余電氣設(shè)備的控制均納入ECMS系統(tǒng),通過(guò)站控層、通訊管理機(jī)、現(xiàn)場(chǎng)總線完成全部監(jiān)控功能。
機(jī)爐電動(dòng)機(jī)、電氣發(fā)變組和廠用電系統(tǒng)均納入該ECMS系統(tǒng),原則上不設(shè)非必須的硬接線。所有電氣設(shè)備的命令信號(hào)和反饋信號(hào)均接入ECMS。
該方式對(duì)于通訊技術(shù)的要求比較高,尤其對(duì)于可靠性、安全性要求苛刻的火力發(fā)電廠,采用全通信方式仍需要相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間的實(shí)踐檢驗(yàn)。但隨著技術(shù)水平的提高,智能設(shè)備通訊能力的加強(qiáng),此種方式很可能成為未來(lái)火力發(fā)電廠監(jiān)控的主要方式。
由于DCS系統(tǒng)主要關(guān)心的是汽機(jī)、鍋爐系統(tǒng)的安全,并不需要大量的電氣量信息。因此,電氣廠用電系統(tǒng)的信息量不宜再大量引入DCS系統(tǒng)。尤其對(duì)于廠用電源的監(jiān)控完全可以由ECMS系統(tǒng)通過(guò)通訊獨(dú)立完成,但是發(fā)變組斷路器、勵(lì)磁開(kāi)關(guān)、同期的監(jiān)控仍須由DCS系統(tǒng)完成。建議廠用電監(jiān)控系統(tǒng)(ECMS)與DCS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)通信。DCS如需其他電氣信息,可通過(guò)之間的通信從ECMS系統(tǒng)獲取。而對(duì)于電動(dòng)機(jī),DCS系統(tǒng)控制常規(guī)僅須合閘指令、分閘指令、合閘反饋、分閘反饋、切換開(kāi)關(guān)就地位置、保護(hù)動(dòng)作信號(hào),其余信號(hào)反饋完全可以通訊送至ECMS系統(tǒng)。若電動(dòng)機(jī)配有就地控制箱,則就地控制箱的信號(hào)反饋采用硬接線方式送入DCS系統(tǒng)。而電源開(kāi)關(guān)的監(jiān)控完全可以由ECMS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。如果DCS系統(tǒng)須對(duì)電源開(kāi)關(guān)進(jìn)行監(jiān)視,則信號(hào)反饋可通過(guò)與ECMS的通信即時(shí)獲取。
采用上述所方式,既能夠保證遠(yuǎn)方信息獲得的最大化,也能夠保證DCS系統(tǒng)機(jī)爐大聯(lián)鎖監(jiān)控的可靠性。因此,本文推薦采用方式二實(shí)現(xiàn)全廠電氣系統(tǒng)一體化自動(dòng)控制。
以推薦方式為基礎(chǔ),現(xiàn)對(duì)廠用電監(jiān)控ECMS系統(tǒng)監(jiān)控和監(jiān)測(cè)的設(shè)備區(qū)分如下:
監(jiān)控:無(wú)。
監(jiān)測(cè):機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)同期、離相封閉母線、發(fā)變組保護(hù)、發(fā)變組測(cè)量系統(tǒng)、主變和高廠變。
1)主廠房?jī)?nèi)機(jī)組廠用電:
監(jiān)控:機(jī)組中壓電源饋線斷路器或接觸器;機(jī)爐低壓(380/220V)配電裝置進(jìn)線和母聯(lián)斷路器;機(jī)組低壓380/220VPC至MCC電源饋線斷路器;保安電源系統(tǒng);
監(jiān)測(cè):中壓(6 kV)廠用電源切換;機(jī)組中壓配電裝置工作進(jìn)線和備用進(jìn)線斷路器;機(jī)組中壓配電裝置工作進(jìn)線PT、備用進(jìn)線PT、母線PT;機(jī)爐中壓電動(dòng)機(jī)電源斷路器或接觸器;機(jī)爐低壓變壓器;機(jī)爐低壓配電裝置母線PT;機(jī)爐低壓電動(dòng)機(jī)電源斷路器或接觸器;220/110 V直流系統(tǒng);交流不停電電源系統(tǒng)UPS。
2)主廠房?jī)?nèi)公用廠用電:
監(jiān)控:起備變有載調(diào)壓;公用/照明/檢修低壓配電裝置進(jìn)線和母聯(lián)斷路器;公用/照明/檢修低壓380/220 VPC至MCC電源饋線斷路器。
監(jiān)測(cè):起備變高壓側(cè)斷路器等;公用/照明/檢修低壓變壓器;公用/照明/檢修低壓配電裝置母線PT。
3)輔助廠房公用廠用電:
廠區(qū)電源一般進(jìn)入就地進(jìn)行監(jiān)控,因此暫不考慮接入ECMS系統(tǒng)。
對(duì)需要接入ECMS系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控的廠區(qū)電源開(kāi)關(guān),可根據(jù)實(shí)際情況集中設(shè)置通訊管理機(jī)屏,通過(guò)光纖接入主系統(tǒng)。
機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)同期裝置、發(fā)變組保護(hù)管理機(jī)、起備變保護(hù)管理機(jī)、中壓廠用電源切換裝置、故障錄波器、GPS同步時(shí)鐘系統(tǒng)、變壓器就地智能式在線監(jiān)視儀(IDD)均為具有通信接口的專用裝置,監(jiān)測(cè)信號(hào)均可通過(guò)通信方式接入ECMS系統(tǒng)。
發(fā)變組測(cè)量系統(tǒng)可利用測(cè)控裝置對(duì)CT、PT進(jìn)行交流采樣,通過(guò)通訊方式上傳至ECMS系統(tǒng)。但是,對(duì)于DEH控制系統(tǒng)所需的有功功率信號(hào)(與機(jī)組控制密切相關(guān))仍推薦采用變送器輸出4~20 mA直接接入DEH系統(tǒng)。
電氣監(jiān)控管理系統(tǒng)的發(fā)變組部分主要監(jiān)測(cè)各元件的運(yùn)行參數(shù)、保護(hù)動(dòng)作信號(hào)、保護(hù)定值、故障錄波、設(shè)備狀態(tài)、異常報(bào)告等。對(duì)發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)斷路器、勵(lì)磁系統(tǒng)運(yùn)行方式的設(shè)置和給定值的調(diào)節(jié),同期裝置的投退、起停,發(fā)電機(jī)出口斷路器或主變高壓側(cè)斷路器、隔離開(kāi)關(guān),主變壓器冷卻器等的控制仍由DCS系統(tǒng)完成。
起備變測(cè)量系統(tǒng)可利用測(cè)控裝置對(duì)CT、PT進(jìn)行交流采樣,通過(guò)通訊方式上傳至ECMS系統(tǒng)。起備變冷卻器、有載調(diào)壓開(kāi)關(guān)的控制可利用測(cè)控裝置下達(dá)至設(shè)備。
中壓進(jìn)出線、低壓廠用變壓器中壓側(cè)斷路器或接觸器等的控制、保護(hù)、測(cè)量、計(jì)量由綜合型保護(hù)裝置完成?;芈返碾娏鳌㈦妷?、電度量、位置反饋、切換開(kāi)關(guān)狀態(tài)、跳合閘線圈狀態(tài)、保護(hù)動(dòng)作及預(yù)報(bào)信號(hào)、保護(hù)定值、故障錄波、裝置狀態(tài)等由綜合型保護(hù)裝置以通信方式上傳至現(xiàn)場(chǎng)總線,經(jīng)通訊管理層匯總后,一并傳入站控層設(shè)備??刂浦噶顒t由站控層經(jīng)過(guò)通訊管理層下達(dá)至綜合型保護(hù)裝置實(shí)現(xiàn)。
中壓電動(dòng)機(jī)斷路器或接觸器的控制指令及參與連鎖所需要的位置狀態(tài)、保護(hù)動(dòng)作信號(hào)、切換開(kāi)關(guān)狀態(tài)信號(hào)經(jīng)硬接線送至DCS的DO、DI卡件,回路的電流、電壓、電度量、跳合閘線圈狀態(tài)、保護(hù)動(dòng)作及預(yù)報(bào)信號(hào)、保護(hù)定值、故障錄波、裝置狀態(tài)等由綜合型保護(hù)裝置以通信方式上傳至現(xiàn)場(chǎng)總線,經(jīng)通訊管理層匯總后,一并傳入站控層設(shè)備。
低壓采用斷路器的回路,控制、保護(hù)、測(cè)量、計(jì)量均采用通信方式,通過(guò)配置380 V綜保測(cè)控裝置實(shí)現(xiàn),此時(shí)通信內(nèi)容可包括電流、電壓、跳合閘線圈狀態(tài)、保護(hù)動(dòng)作及預(yù)報(bào)信號(hào)、保護(hù)定值、故障錄波、裝置狀態(tài)等信息。
直流系統(tǒng)和UPS等都配套有通信接口,可通過(guò)多串口通信服務(wù)器設(shè)備接入ECMS系統(tǒng)。直流系統(tǒng)的總控單元、絕緣監(jiān)測(cè)裝置、蓄電池巡檢裝置的相關(guān)信息,UPS系統(tǒng)主機(jī)柜的相關(guān)信息均能夠上傳至ECMS系統(tǒng)。
采用目前通常的方法,發(fā)電機(jī)變壓器組、高壓廠用工作電源的控制進(jìn)入機(jī)組的DCS控制系統(tǒng)。為了節(jié)省機(jī)組DCS的投資,可作以下幾點(diǎn)改進(jìn):
1)機(jī)組雙套繼電保護(hù)的各種保護(hù)動(dòng)作信號(hào)不再進(jìn)入機(jī)組DCS的SOE系統(tǒng),改為進(jìn)入電氣系統(tǒng)的故障錄波器。故障錄波器與機(jī)組DCS取同一個(gè)GPS對(duì)時(shí)系統(tǒng)。每臺(tái)機(jī)組可以減少DCS80個(gè)左右的I/O點(diǎn)。
2)機(jī)組雙套繼電保護(hù)的各種保護(hù)動(dòng)作信號(hào)通過(guò)保護(hù)裝置的RS485通信口接至電氣監(jiān)控管理系統(tǒng),不再送入DCS系統(tǒng)。運(yùn)行人員可以通過(guò)電氣監(jiān)控管理系統(tǒng)的站控層設(shè)備詳細(xì)知道繼電保護(hù)的動(dòng)作情況。
3)數(shù)字式自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)整裝置的控制部份用硬接線同DCS連接,信號(hào)部份也通過(guò)RS485信號(hào)經(jīng)電氣監(jiān)控管理系統(tǒng)接至DCSDPU。
要使電氣監(jiān)控管理系統(tǒng)很好地投入運(yùn)行,必須不斷提高監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時(shí)性。為了提高可靠性,在工程設(shè)計(jì)中采用了下列措施:
1)使用電力工業(yè)專用的通訊管理機(jī),而不是使用一般的工控機(jī)。
2)通訊管理機(jī)冗余配置。
3)所有的信息均用兩路獨(dú)立線路分別同兩組冗余的通訊管理機(jī)連接。
4)從現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備到通訊管理機(jī)使用光纜。
為了提高實(shí)時(shí)性我們?cè)诠こ淘O(shè)計(jì)中采用了下列措施:
1)正確選擇現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的通訊協(xié)議。為了避免干擾,現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備一般采用低速率的RS485的通訊接口。而通信協(xié)議也是多種多樣的,較普遍的有MODBUS、PROFIBUS、 CANBUS、 LONWORKS、 DEVI?CENET、IEC60870-5-103等。監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性主要受制于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通信接口的傳送方式,其中MOD?BUS速度最慢PROFIBUS較好,但成本較高。為此工程中將對(duì)使用的協(xié)議慎重考慮,統(tǒng)一規(guī)劃。
2)每一路通信線路所接的設(shè)備通訊口限制在10~15個(gè)。使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的相應(yīng)的響應(yīng)指標(biāo)達(dá)到2秒以內(nèi)。
應(yīng)用了電氣監(jiān)控管理系統(tǒng)后,須對(duì)電氣監(jiān)控管理系統(tǒng)提供GPS對(duì)時(shí)信號(hào),以保證現(xiàn)場(chǎng)通訊傳送來(lái)的信號(hào)具有準(zhǔn)確無(wú)誤的時(shí)標(biāo)。對(duì)于主廠房?jī)?nèi)設(shè)備,對(duì)時(shí)信號(hào)可以采用硬對(duì)時(shí)的方式一對(duì)一接入間隔層設(shè)備,而對(duì)于輔助廠房設(shè)備,對(duì)時(shí)信號(hào)則應(yīng)考慮采用軟對(duì)時(shí)的方式。
采用電氣監(jiān)控管理系統(tǒng)后的效益大致可有以下幾點(diǎn):
1)經(jīng)統(tǒng)計(jì)電氣系統(tǒng)在DCS中的I/O點(diǎn)數(shù)比常規(guī)做法可減少1/3(同時(shí)減少了相應(yīng)的電纜及橋架數(shù)量)。使用電氣監(jiān)控管理系統(tǒng)后,每臺(tái)機(jī)組DCS中電氣控制硬接線I/O點(diǎn)平均約2000點(diǎn)。
2)控制系統(tǒng)獲取電氣設(shè)備的信息量較常規(guī)做法增加了1/3,提高了判斷故障的能力。使用了電氣監(jiān)控管理系統(tǒng)后,每臺(tái)機(jī)組DCS中電氣控制通信I/O點(diǎn)平均增加為2000點(diǎn)。
3)若將電度計(jì)量管理納入電氣監(jiān)控管理系統(tǒng)后可以減去常規(guī)的電度管理系統(tǒng)。
4)可以減去中、低開(kāi)關(guān)柜中的電流、功率、電度等變送器。
綜上所述,在經(jīng)濟(jì)上估計(jì)兩臺(tái)1 000 MW機(jī)組設(shè)置電氣監(jiān)控管理系統(tǒng)直接可以減少的投資約360萬(wàn)元。