淺議數(shù)字化電廠下的電氣監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展

張倫

摘 要：通過電氣監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展歷史回顧，電氣監(jiān)控系統(tǒng)在目前電廠控制系統(tǒng)中存在的不足分析，提出數(shù)字化電廠下電氣監(jiān)控系統(tǒng)方案及能實(shí)現(xiàn)的功能。

關(guān)鍵詞：電氣監(jiān)控；數(shù)字化；功能

1 數(shù)字化電廠

中國經(jīng)濟(jì)已步入全球化競爭時代，電力作為一種基礎(chǔ)性的商品，其價格不僅決定每個老百姓的生活成本，同時也決定著各行各業(yè)的生產(chǎn)成本，決定著中國企業(yè)的全球競爭力。德國尼德豪森電廠2臺1000MW機(jī)組集控室僅1人操作，全廠總?cè)藬?shù)也僅100多人；而我國普遍2臺1000MW機(jī)組集控室一般要有100多人操作，全廠所有人員加起來一般在650人左右。我國電廠的平均煤耗、水耗、廠用電率、污染物排放水平等指標(biāo)均高于國外先進(jìn)電廠，人均產(chǎn)值大大低于國外先進(jìn)電廠。隨著中國這幾年煤價水平居高不下，絕大多數(shù)電廠面臨虧損，迫使我們電廠要降低煤耗、減少用人、努力提高經(jīng)濟(jì)效益。我國電力市場的改革廠網(wǎng)分家目標(biāo)已實(shí)現(xiàn)，下一步改革目標(biāo)必將是：市場化運(yùn)作的競價上網(wǎng)，能耗低、污染物排放少、經(jīng)營水平好的企業(yè)將獲得長足發(fā)展；相反的企業(yè)可能面臨生存危機(jī)。

數(shù)字化電廠是在現(xiàn)代的計算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、通訊、仿真等技術(shù)的基礎(chǔ)上，將電廠的所有信息數(shù)字化，用DCS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全廠機(jī)、爐、電、輔助、仿真控制一體化，利用SIS系統(tǒng)的功能，不斷優(yōu)化電廠的運(yùn)行調(diào)整。利用MIS及其它辦公、財務(wù)、采購等系統(tǒng)，不斷降低成本。數(shù)字化電廠能夠提高自動化水平、減少人員使用、降低能耗、降低污染物排放水平、提高經(jīng)濟(jì)效益的目標(biāo)。最終實(shí)現(xiàn)：企業(yè)運(yùn)營成本最優(yōu)、能耗水平最低、污染物排放最低、人均產(chǎn)值最高的追求。數(shù)字化電廠能提高電廠的競爭力，能防止重大設(shè)備損壞及不必要的非計劃停機(jī)，會給電廠帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益。因此，必需建立數(shù)字化電廠，才能迎接未來的競爭，使企業(yè)經(jīng)濟(jì)與社會效益最大化，才能利于不敗之地。

2 發(fā)電廠電氣監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展

2.1 電磁監(jiān)控時代

采用一對一斷路器操作把手對斷路器操作，利用電流、電壓表及信號燈來監(jiān)視，利用光子牌、信號繼電器來報警，利用電磁式保護(hù)裝置進(jìn)行保護(hù)。缺點(diǎn)：設(shè)備體積大、數(shù)據(jù)需要人工記錄、故障等信息不能重現(xiàn)、數(shù)據(jù)不能在全廠綜合利用。

2.2 微機(jī)監(jiān)控時代

采用微機(jī)保護(hù)、測控柜、五防、微機(jī)故障錄波器、電能量采集系統(tǒng)等裝置，利用NCS、ECMS、DCS系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)方監(jiān)控操作，利用微機(jī)保護(hù)上傳保護(hù)信息，利用故障錄波器實(shí)現(xiàn)故障再現(xiàn)，利用電能量采集系統(tǒng)進(jìn)行全廠電量分析。缺點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)了微機(jī)化，但因全廠各種控制系統(tǒng)通訊規(guī)約不一致，造成數(shù)據(jù)之間轉(zhuǎn)換較復(fù)雜易出故障，電氣數(shù)據(jù)應(yīng)用與全廠性能分析還要人工計算等，同時電流、電壓互感器為電磁式存在磁路飽和、開路、短路等現(xiàn)象。

2.3 數(shù)字化電氣監(jiān)控時代

將電流、電壓互感器由電磁式換為光電式，通過光纜將電流、電壓等信號引入保護(hù)裝置，通過統(tǒng)一的IEC61850規(guī)約，進(jìn)行數(shù)據(jù)信號的傳輸。優(yōu)點(diǎn)：避免了電磁式電流、電壓互感器的磁路飽和、開路、短路等現(xiàn)象，保護(hù)裝置體積小節(jié)省空間，信息傳送方便快捷。缺點(diǎn)：除廠用光電式電流、電壓互感器外，其它高電壓光電式電流、電壓互感器運(yùn)行性能不穩(wěn)定。

3 電廠電氣監(jiān)控系統(tǒng)的種類及監(jiān)控范圍

發(fā)電廠電氣控制系統(tǒng)主要有3大控制系統(tǒng)：NCS、ECMS、DCS系統(tǒng)。

3.1 NCS（變電站網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)）

主要監(jiān)控的一次設(shè)備有：變電站斷路器、隔離刀閘、變壓器、電抗器、架空線（電纜）等。

主要監(jiān)控的二次設(shè)備有：線路保護(hù)、母線保護(hù)、短引線保護(hù)、變壓器保護(hù)、測控裝置、故障錄波器、穩(wěn)控、PMU、電能量采集系統(tǒng)、故障信息子站等。

3.2 ECMS（電氣綜合自動化系統(tǒng)）（有時也可用DCS控制）

主要監(jiān)控的一次設(shè)備有：發(fā)電機(jī)、主變、廠高變、起備變。

主要監(jiān)控的二次設(shè)備有：發(fā)電組保護(hù)、勵磁、同期、起備變保護(hù)、快切、AGC、AVC。

3.3 DCS監(jiān)控的電氣系統(tǒng)

主要監(jiān)控的一次設(shè)備：廠用高壓各段工作電源及備用電源斷路器、廠用高壓各段工作設(shè)備斷路器、400V各段工作電源及備用電源斷路器、400V各段工作設(shè)備斷路器等。

主要監(jiān)控的二次設(shè)備：UPS、直流、廠用高壓設(shè)備綜保裝置、400V保護(hù)等。

4 電氣監(jiān)控系統(tǒng)存在的問題

目前發(fā)電廠電氣的NCS、ECMS系統(tǒng)均單獨(dú)組網(wǎng)，信息一般通過通訊規(guī)約轉(zhuǎn)換后再送與DCS系統(tǒng)，這樣情況下電氣系統(tǒng)與DCS時間標(biāo)簽無法做到毫秒級的統(tǒng)一與一致，這樣將造成事故分析時的困難。NCS一般操作變電站設(shè)備，但起備變斷路器、發(fā)變組斷路器及廠用設(shè)備等均在在ECMS或DCS上操作。（有的電廠ECMS一般只采集廠用信息不參與操作）

這樣電氣的操作及監(jiān)視在3套不同的系統(tǒng)中完成，造成檢修人員要熟悉3套不同的系統(tǒng)、準(zhǔn)備不同的備品備件，運(yùn)行人員要監(jiān)視3套不同的系統(tǒng)，操作復(fù)雜、累，不利于自動化操作，同時3套系統(tǒng)信息要用不同規(guī)約轉(zhuǎn)換，易發(fā)生故障，不利于電氣信息的全廠分析、利用。同時廠用電系統(tǒng)采用獨(dú)立的第三方監(jiān)控產(chǎn)品單獨(dú)組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)對廠用電設(shè)備及電氣保護(hù)進(jìn)行監(jiān)控和管理。這樣，許多智能電氣設(shè)備，諸如變頻器、以及中低壓開關(guān)柜等內(nèi)置的諸多的設(shè)備管理以及診斷等方面的信息就無法接入到電廠控制系統(tǒng)（DCS）中。

5 數(shù)字化電廠下的電氣監(jiān)控系統(tǒng)方案

5.1 變電站及發(fā)變組系統(tǒng)

因除廠用光電式電流、電壓互感器外，其它高電壓光電式電流、電壓互感器運(yùn)行性能不穩(wěn)定。所以可以將變電站及發(fā)電機(jī)等電流、電壓互感器二次就地使用光電轉(zhuǎn)換裝置，然后通過光纜將所有信號送入保護(hù)裝置，所有保護(hù)信號報文送至DCS系統(tǒng)，所有測控裝置通過雙網(wǎng)送至DCS系統(tǒng)，因DCS系統(tǒng)可以支持IEC61850規(guī)約，所以可以實(shí)現(xiàn)DCS對變電站及發(fā)變組系統(tǒng)所有設(shè)備的監(jiān)視和操作。同時也可利用DCS系統(tǒng)編寫五防邏輯實(shí)現(xiàn)五防功能，也可編寫各種情況下的操作邏輯，實(shí)現(xiàn)自動操作功能。

5.2 高壓廠用系統(tǒng)

直接使用光電式電流、電壓互感器將電流、電壓等信號送至保護(hù)裝置，通過支持IEC61850規(guī)約的保護(hù)裝置將信息送至DCS系統(tǒng)；或采用常規(guī)電流、電壓互感器將信號送至保護(hù)裝置，但保護(hù)裝置一般要支持Profibus-DP功能，通過Profibus-DP將所有信息送至DCS。

5.3 400V系統(tǒng)

所有的智能斷路器及電動機(jī)保護(hù)等裝置可以采用帶現(xiàn)場總線接口的MCC單元，通常為Profibus-DP，通過Profibus-DP將所有信息送至DCS。對于部分用于重要保護(hù)、控制回路的或是無法提供現(xiàn)場總線接口的，還是采用常規(guī)硬接線方式。

通過上述功能描述可見，可見具備支持IEC61850規(guī)約及現(xiàn)場總線接口的電氣控制設(shè)備已經(jīng)完全具備了通過現(xiàn)場總線接入DCS系統(tǒng)的能力，實(shí)現(xiàn)了電氣信息數(shù)字化的接入，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的 DCS 系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)共享統(tǒng)一的平臺的目的，使得電氣的自動操作、自動統(tǒng)計分析、自動調(diào)節(jié)功能得以實(shí)現(xiàn)。

6 數(shù)字化電氣系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能

⑴自動倒閘操作功能。+⑵自動調(diào)壓（AVC）功能。

⑶自動并網(wǎng)功能。（ASS）

⑷自動起、停機(jī)操作功能。

⑸自動廠用電切換功能。

⑹自動計算各變壓器及輔機(jī)電耗率，根據(jù)電耗率確定輔機(jī)投退順序，減少電耗功能。

⑺主變等大型變壓器采用變頻控制，可根據(jù)主變溫度、負(fù)荷、環(huán)境溫度等因素自動調(diào)節(jié)冷卻風(fēng)機(jī)頻率，以達(dá)到節(jié)能的功能。

⑻全廠照明根據(jù)光通量及有無人巡檢自動投退功能。

7 結(jié)語

電氣監(jiān)控系統(tǒng)以數(shù)字化的方式納入DCS統(tǒng)一控制，將電廠所有的控制信息以數(shù)字化為基礎(chǔ)，統(tǒng)一在了DCS這個平臺上，為更好的實(shí)現(xiàn)主輔一體化及ASP功能奠定了基礎(chǔ)，可以充分發(fā)揮SIS系統(tǒng)功能，通過計算、分析、統(tǒng)計、優(yōu)化、數(shù)據(jù)挖掘的手段，實(shí)現(xiàn)發(fā)電廠生產(chǎn)過程監(jiān)視、機(jī)組性能及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析、機(jī)組運(yùn)行優(yōu)化指導(dǎo)、機(jī)組負(fù)荷優(yōu)化分配、鍋爐吹灰優(yōu)化、設(shè)備故障診斷、降低污染物排放、壽命管理等功能。這樣就為高自動化水平、減少人員使用、降低能耗、降低污染物排放水平、提高經(jīng)濟(jì)效益的目標(biāo)打好了基礎(chǔ)，最終一定能夠?qū)崿F(xiàn)：企業(yè)運(yùn)營成本最優(yōu)、能耗水平最低、污染物排放最低、人均產(chǎn)值最高的追求。