核電廠升壓站納入DCS監(jiān)控的遠(yuǎn)程I/O解決方案

孫 輝

(深圳中廣核工程設(shè)計有限公司，廣東 深圳 518001)

核電廠升壓站納入DCS監(jiān)控的遠(yuǎn)程I/O解決方案

孫 輝

(深圳中廣核工程設(shè)計有限公司，廣東 深圳 518001)

核電廠的升壓站往往距離主廠房較遠(yuǎn)，而電氣系統(tǒng)已普遍納入全廠DCS進(jìn)行監(jiān)控，如果繼續(xù)采取硬接線的方式實現(xiàn)升壓站和DCS之間的數(shù)據(jù)交換將面臨電纜傳輸距離長、信號衰減大、抗干擾等一系列問題。借鑒DCS遠(yuǎn)程I/O站的技術(shù)特點，在升壓站設(shè)置遠(yuǎn)程I/O以實現(xiàn)與DCS的數(shù)據(jù)交換。遠(yuǎn)程I/O具有抗干擾能力強(qiáng)，節(jié)省電纜投資和易擴(kuò)展的優(yōu)點，在遠(yuǎn)程I/O與DCS主站之間采取光纜傳輸克服了信號干擾問題，并可以減少常規(guī)電纜的使用量。根據(jù)核電廠運(yùn)行要求，確定核電廠升壓站需要進(jìn)入DCS監(jiān)控的信號種類和數(shù)量，并列出通過遠(yuǎn)程I/O交換的模擬量和開關(guān)量。能夠解決規(guī)劃機(jī)組數(shù)量較多的廠址普遍存在的升壓站與主廠房距離較遠(yuǎn)的問題，可作為類似工程的典型設(shè)計方案。

DCS;遠(yuǎn)程I/O;升壓站;電氣設(shè)計;核電設(shè)計

分散控制系統(tǒng) (DCS)已經(jīng)在發(fā)電廠的設(shè)計中得到普遍應(yīng)用［1］。隨著發(fā)電廠DCS技術(shù)的日益成熟，電氣系統(tǒng)已經(jīng)全面納入了DCS的控制范疇。以一個典型的百萬千瓦核電機(jī)組為例，除了部分對實時性、快速性和可靠性要求高的功能如電氣設(shè)備保護(hù)、同期、發(fā)電機(jī)勵磁、廠用電快切等仍由電氣專用裝置實現(xiàn)外，其他與機(jī)組操作、控制相關(guān)的功能均已在DCS內(nèi)實現(xiàn)［2］。國內(nèi)核電廠的設(shè)計從嶺澳二期開始采用DCS作為全廠范圍的控制系統(tǒng)。

電氣系統(tǒng)與DCS的接口目前還是以硬接線為主，部分專用電氣設(shè)備也有采取全通信方式接入DCS。一般對于重要的信號還是保留硬接線的方式，同時通過現(xiàn)場總線或其他規(guī)約以通信方式實現(xiàn)電氣系統(tǒng)的信息采集和控制。

核電廠的升壓站子項負(fù)責(zé)將每臺發(fā)電機(jī)組發(fā)出電能進(jìn)行匯集并通過多條輸電線路輸送到電網(wǎng)。核電廠裝機(jī)容量一般都較大，因而普遍是以500 kV電壓等級和3/2斷路器主接線方式將核電廠的電能送出。目前國內(nèi)一個核電廠址一般都規(guī)劃建設(shè)4～6臺核電機(jī)組，加之核電廠的輔助廠房較多，導(dǎo)致廠址占地范圍較大，升壓站往往布置在距離核島主廠房較遠(yuǎn)的地方。DCS機(jī)柜采取集中布置方式，布置在核島廠房的控制房間，這導(dǎo)致從升壓站到DCS機(jī)柜的電纜長度可能達(dá)到1～2 km，這么遠(yuǎn)的距離如果仍然采用硬接線的傳輸方式會帶來電壓降大、信號易受干擾等問題。此問題在國內(nèi)在建核電機(jī)組的設(shè)計過程中間已經(jīng)頻繁遇到。

升壓站按照無人值守設(shè)計，電廠在正常運(yùn)行期間需要進(jìn)行的日常操作和監(jiān)視功能必須通過DCS工作站完成，因此需要找到成熟可靠的方案將升壓站納入DCS監(jiān)控才能保證核電廠的安全運(yùn)行。

1 遠(yuǎn)程I/O介紹

遠(yuǎn)程I/O是DCS技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展并且已成為DCS的一部分。傳統(tǒng)DCS的I/O采集方案是將現(xiàn)場的全部信號通過硬接線送到DCS控制機(jī)柜內(nèi)的I/O模板，由控制機(jī)柜的CPU模板完成I/O信息的集中采集和處理。

這種技術(shù)方案在某些特定情況下會存在一定的局限性。比如當(dāng)控制對象的所在位置距離DCS機(jī)柜較遠(yuǎn)的情況下，就會面臨前面升壓站設(shè)計類似的長距離電纜傳輸困難;同時大量電纜的使用也增加了投資;現(xiàn)場信號帶來的干擾問題;由于控制機(jī)柜的集中處理機(jī)制沒有達(dá)到真正的分散控制的目的，導(dǎo)致DCS失效的一些故障因素也不能做到完全分散［3］。

遠(yuǎn)程I/O正是應(yīng)對此問題，結(jié)合微機(jī)可編程控制器PLC和數(shù)字通信技術(shù)等形成的過程I/O裝置。它將DCS的I/O采集和處理功能移到了設(shè)備現(xiàn)場，盡量靠近現(xiàn)場布置遠(yuǎn)程I/O站，采集完成的信號由遠(yuǎn)程I/O站的通信模板與布置在主廠房的DCS機(jī)柜間以總線方式進(jìn)行信號傳輸。傳輸介質(zhì)一般采用光纜，解決了長距離傳輸和抗干擾的問題。遠(yuǎn)程控制站在火電廠的工藝系統(tǒng)如循環(huán)水系統(tǒng)等的設(shè)計中已經(jīng)獲得了成熟的應(yīng)用［4］。國內(nèi)廠家的產(chǎn)品也得到了成熟的應(yīng)用［5］。結(jié)合現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展和完善，可以將控制真正做到分散，當(dāng)其功能不再僅局限于I/O時，則構(gòu)成了現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)［6］。

遠(yuǎn)程I/O具有特點:遠(yuǎn)程I/O距離現(xiàn)場設(shè)備近，信號衰減小;節(jié)省電纜投資;I/O機(jī)柜分散布置，減小控制室面積;遠(yuǎn)程I/O安裝靈活，擴(kuò)展方便。

2 升壓站應(yīng)用遠(yuǎn)程I/O實現(xiàn)DCS監(jiān)控的方案

百萬千瓦核電機(jī)組一般都以500 kV電壓等級接入電網(wǎng)，升壓站普遍采用3/2斷路器接線方式。圖1為2臺機(jī)組進(jìn)線和2條線路出線的示意圖，將以此為例說明升壓站進(jìn)入DCS監(jiān)控的實現(xiàn)方案。實際工程中為了保證核電機(jī)組送電的可靠性，一般至少設(shè)計3回輸電線路，此示意圖僅是為了說明DCS監(jiān)控方案而做的簡化。

升壓站按照無人值守設(shè)計，除了定期的巡檢和倒閘操作之外，機(jī)組正常運(yùn)行期間的監(jiān)視、控制功能都應(yīng)該在DCS內(nèi)進(jìn)行。因此，雖然升壓站的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)NCS能夠?qū)ι龎赫舅性O(shè)備實施完整的監(jiān)視控制，但與機(jī)組運(yùn)行相關(guān)的信息仍然應(yīng)該送入DCS。

圖1 升壓站主接線示意圖

DCS需要完成的與升壓站相關(guān)的功能可以分為兩部分:控制功能和監(jiān)視功能。

以機(jī)組1為例，與機(jī)組1相關(guān)的2臺高壓斷路器102和103需要在DCS內(nèi)完成合閘與分閘控制。

核電機(jī)組雖然在發(fā)電機(jī)出口設(shè)置有斷路器，一般是通過這個斷路器完成機(jī)組的同期并網(wǎng)和解列停機(jī)。不過核電機(jī)組具備100%甩負(fù)荷的能力，因此在某些運(yùn)行工況下，比如系統(tǒng)發(fā)生電壓、頻率的異常波動，而機(jī)組自身狀態(tài)正常，則可以通過直接跳開升壓站的高壓斷路器將機(jī)組與系統(tǒng)解列，待系統(tǒng)恢復(fù)正常后再通過高壓斷路器完成機(jī)組的準(zhǔn)同期并網(wǎng)。由于核電機(jī)組的反應(yīng)堆從停堆狀態(tài)轉(zhuǎn)入功率運(yùn)行狀態(tài)的時間較長，通過實現(xiàn)這種運(yùn)行模式可以盡量減少機(jī)組進(jìn)入停堆狀態(tài)，進(jìn)而提高機(jī)組的負(fù)荷因子，提高經(jīng)濟(jì)性。

核電機(jī)組脫網(wǎng)帶廠用負(fù)荷孤立運(yùn)行這種運(yùn)行模式稱為孤島運(yùn)行。為了實現(xiàn)孤島運(yùn)行，單元機(jī)組的DCS必須對于主接線中與機(jī)組相關(guān)的2臺高壓斷路器實施全部的控制監(jiān)視功能。與這部分功能相關(guān)的信息屬于機(jī)組相關(guān)信息，直接送入單元機(jī)組DCS的控制機(jī)柜。

除了上述單元機(jī)組信息之外，升壓站其他設(shè)備的重要信息也應(yīng)該送入到DCS，以方便運(yùn)行人員的運(yùn)行管理。這部分信息包括升壓站主接線中各斷路器、隔離開關(guān)的狀態(tài)，故障信息，保護(hù)設(shè)備動作信息，電壓、電流等交流量的顯示等。升壓站的這些信息送入DCS之后，就可以實現(xiàn)升壓站日常運(yùn)行期間的無人值守。只有當(dāng)出現(xiàn)異?；虮Ｗo(hù)動作，或者需要進(jìn)行檢修倒閘等操作時，運(yùn)行人員才需要到升壓站使用升壓站自身的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)NCS。

升壓站與DCS之間需要交換的信號一般包括開關(guān)量輸入 (DI)、開關(guān)量輸出 (DO)和模擬量輸入 (AI)，具體如下。

a. 開關(guān)量輸入

每串的開關(guān)合、分位置;

每串的隔離開關(guān)合、分位置;

每串500 kV主變進(jìn)線及500 kV線路出線的隔離開關(guān)合、分位置;

每串500 kV主變進(jìn)線邊、中斷路器SF6壓力異常;

每串500 kV主變進(jìn)線邊、中斷路器操作機(jī)構(gòu)異常;

每串500 kV主變進(jìn)線邊、中斷路器保護(hù)動作;

每串500 kV主變進(jìn)線邊、中斷路器操作箱異常;

每串500 kV主變進(jìn)線邊、中斷路器保護(hù)裝置異常;

各500 kV主變管道母線SF6壓力低。

b. 模擬量輸入 (AI量)

各500 kV主變進(jìn)線有功電度 (脈沖信號);

各500 kV母線電壓、頻率 (4～20 mA)。

c. 開關(guān)量輸出 (DO量)

各500 kV主變進(jìn)線邊、中斷路器的合閘和分閘。

按照遠(yuǎn)程I/O接入DCS的方式不同，可以設(shè)計圖2(方案1)及圖3(方案2)所示的2種方案。

圖2 信號連接示意圖A(方案1)

圖3 信號連接示意圖B(方案2)

無論哪種方案，遠(yuǎn)程I/O機(jī)柜與升壓站的信息交換方式一樣。升壓站與遠(yuǎn)程I/O交換的信息按其屬性可歸類為1號機(jī)組相關(guān)信息，2號機(jī)組相關(guān)信息以及所有機(jī)組都相關(guān)的公共信息。無論信息屬性如何，都通過電纜連接到遠(yuǎn)程I/O機(jī)柜的信號采集卡件。遠(yuǎn)程I/O柜對信號進(jìn)行就地處理后，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。遠(yuǎn)程I/O機(jī)柜的通信模塊與布置在后端的DCS機(jī)柜進(jìn)行通信，以完成與各機(jī)組DCS的信息交換。根據(jù)遠(yuǎn)程I/O機(jī)柜性能的不同及DCS系統(tǒng)配置方案的不同，可以分為方案1和方案2兩種接入方式。

方案1:如果遠(yuǎn)程I/O機(jī)柜內(nèi)的通信模塊具備同時與多臺遠(yuǎn)端模塊通信的能力，則可以將1號機(jī)DCS與2號機(jī)DCS直接與遠(yuǎn)程I/O柜的通信模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，如圖2所示。到1號機(jī)組DCS傳輸?shù)男畔⑹?號機(jī)組信息加公共信息，到2號機(jī)組DCS傳輸?shù)男畔⑹?號機(jī)組信息加公共信息。

方案2:如果遠(yuǎn)程I/O機(jī)柜不具備實時與多臺遠(yuǎn)端模塊通信的能力，則可以采取圖3所示的方案。此方案的核心是在多機(jī)組電廠設(shè)置專門處理公用系統(tǒng)的全廠公共DCS機(jī)柜 (在核電廠一般稱為0號機(jī)組)。0號機(jī)組DCS前端采集的信息與方案1相同，該DCS機(jī)柜利用DCS內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議通過增設(shè)網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)與不同機(jī)組DCS的連接。增加網(wǎng)關(guān)設(shè)備可以在不同機(jī)組DCS之間實現(xiàn)隔離，保證只有公共機(jī)組信息可以通過1號網(wǎng)關(guān)和2號網(wǎng)關(guān)送到2臺機(jī)組，而機(jī)組相關(guān)信息只能通過本機(jī)組的網(wǎng)關(guān)。信息隔離的要求可以通過對網(wǎng)關(guān)進(jìn)行定義和管理來實現(xiàn)。

遠(yuǎn)程I/O與DCS之間的傳輸介質(zhì)可以根據(jù)廠家產(chǎn)品特性要求進(jìn)行配置，但在距離較長的情況下為了保證信號傳輸?shù)目煽啃酝扑]采用光纜，只需要幾根光纜就可以將升壓站的信息同時送到各機(jī)組DCS內(nèi)。另外，還可以采取冗余光纜以提高遠(yuǎn)程I/O與DCS之間的信號傳輸可靠性［7］。

這2種方案都具備如下特點:每臺機(jī)組的單元控制室都可以獲取其需要的全部升壓站的信息;與機(jī)組控制相關(guān)的功能僅在本機(jī)組實現(xiàn)，其他機(jī)組沒有控制權(quán)限;減少了常規(guī)電纜的使用;升壓站與單元控制室之間通過光纜傳輸，不受距離限制。

3 結(jié)束語

本文論述了通過在升壓站設(shè)置了DCS的遠(yuǎn)程I/O站，實現(xiàn)開關(guān)站與DCS之間的信息交換。針對遠(yuǎn)程I/O技術(shù)性能的不同，采取2種不同的方式將遠(yuǎn)程I/O接入機(jī)組DCS，從而保證設(shè)計方案的靈活性。由于遠(yuǎn)程I/O站布置在升壓站，最大限度地靠近用戶端，減少了電纜長度的同時避免了長距離信號傳輸帶來的干擾問題。而遠(yuǎn)程I/O與DCS之間是光纜傳輸，基本不受距離的限制。此方案能夠解決規(guī)劃機(jī)組數(shù)量較多的廠址普遍存在的升壓站與主廠房距離較遠(yuǎn)的問題。

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Remote I/O Technology Applied in Substation Design of Nuclear Power Plant

SUN Hui
(China Nuclear Power Design Company Ltd.(Shenzhen)，Shenzhen，Guangdong 518001，China)

The substation of nuclear power plant usually is far away from the main building，leading to long distance transmission of signals between substation and main building.If hard-wired cables are used，the signals could be interfered easily.In order to solve this problem，the author proposes applying the remote I/O technology into the substation design.Remote I/O technology has advantages in reducing interference，saving cables and extension.According to the operation procedure of nuclear power plant，the signals which are necessary to be monitored by DCS are listed.A detail design scheme is introduced in this article.

DCS;Remote I/O;Substation;Electrical design;Nuclear power plant design

TM623

A

1004-7913(2014)04-0055-03

孫 輝 (1973—)，男，雙學(xué)士，高級工程師，研究方向為核電廠電氣設(shè)計。

2014-01-03)