三門核電主交流電系統(tǒng)與DCS接口方式分析

摘要：為實現(xiàn)電氣設(shè)備的自動化控制和智能化監(jiān)測，三門核電機組主交流電系統(tǒng)應用了智能電氣設(shè)備以及現(xiàn)場總線技術(shù)。文章介紹了三門核電機組主交流電系統(tǒng)智能化電氣設(shè)備的使用情況，以及與DCS的接口方式，分析了使用智能化電氣設(shè)備、現(xiàn)場總線技術(shù)的優(yōu)勢，并指出了后續(xù)可以改進的地方。

關(guān)鍵詞：電氣設(shè)備；主交流電系統(tǒng)；DCS；設(shè)備接口；現(xiàn)場總線；AP1000

中圖分類號：TM761文獻標識碼：A文章編號：1009-2374（2014）21-0073-03

隨著工業(yè)行業(yè)現(xiàn)場設(shè)備的智能化以及現(xiàn)場總線技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)場設(shè)備逐漸具備了自動控制和保護功能，連接方式也從常規(guī)的硬接線方式發(fā)展到了現(xiàn)場總線方式，且電氣類裝置在自動化、智能化方面發(fā)展更快，應用也更為成熟。三門核電機組主交流電系統(tǒng)使用了自動化、智能化電氣設(shè)備，并結(jié)合使用了現(xiàn)場總線技術(shù)與DCS（Distributed Control System，分散控制系統(tǒng)）接口，以此實現(xiàn)電氣設(shè)備的自動化控制和智能化監(jiān)測。

1系統(tǒng)功能簡介

1.1儀表和控制系統(tǒng)

三門核電一期兩臺機組采用西屋公司AP1000三代核電技術(shù)，采用全數(shù)字化儀控技術(shù)，按照核安全相關(guān)性，安全級儀控系統(tǒng)采用ABB的Common Q控制平臺，非安全級儀控系統(tǒng)即DCS采用艾默生的Ovation控制平臺。

1.2主交流電系統(tǒng)

機組的主交流電系統(tǒng)不履行任何安全功能，由正常、優(yōu)先、輔助電源組成。正常電源由電廠主發(fā)電機經(jīng)廠用變壓器供電；優(yōu)先電源是通過500kV開關(guān)站、主變壓器和廠用變壓器供電；輔助電源通過輔助變壓器供電；備用電源是由備用柴油發(fā)電機向有特殊保護功能負荷供電。母線額定電壓分別為10.5kV和400V/380V，負荷供電原則如圖1所示：

圖1主交流電系統(tǒng)供電原則

1.3現(xiàn)場設(shè)備及現(xiàn)場總線技術(shù)發(fā)展

傳統(tǒng)的工業(yè)應用中，由于現(xiàn)場設(shè)備大多自動化、智能化程度不高，不具備自動化保護功能，需要使用多個單獨電氣器件，通過硬接線連接方式來實現(xiàn)就地的控制和保護功能，現(xiàn)場設(shè)備也都是采用硬接線方式與DCS的輸入/輸出模塊進行連接，從而接入DCS系統(tǒng)，在DCS系統(tǒng)實現(xiàn)與工藝系統(tǒng)的連鎖保護功能。

隨著工業(yè)行業(yè)要求提高設(shè)備運行的可靠性以及減少設(shè)備故障，現(xiàn)場設(shè)備逐漸向自動化、智能化方向發(fā)展，控制方式也向現(xiàn)場總線數(shù)字化通訊技術(shù)發(fā)展，但各領(lǐng)域現(xiàn)場設(shè)備的自動化發(fā)展水平是有差異的：

1.3.1過程儀表、氣動閥門等智能設(shè)備，由于設(shè)備需要傳輸?shù)男盘柫枯^少，一般是使用常規(guī)硬接線傳輸模擬量、開關(guān)量，并可以在傳輸模擬量的硬接線上結(jié)合HART等總線技術(shù)實現(xiàn)設(shè)備控制功能，在一定程度減少了電纜使用量。另外，在實際應用中，一些現(xiàn)場智能設(shè)備即使已經(jīng)具備現(xiàn)場總線通訊能力，大多也會因為不能規(guī)?；毡椴捎玫脑颍D(zhuǎn)而采用常規(guī)的硬接線連接。

1.3.2對于電氣類設(shè)備，由于設(shè)備（如斷路器、電機）需要監(jiān)測的參數(shù)多，電氣繼電保護功能在可靠性、響應速度方面有要求，所以在自動化、智能化方面普遍發(fā)展水平較高，設(shè)備自身具備輸入輸出、邏輯組態(tài)能力，可以就地實現(xiàn)定值保護功能，可以通過現(xiàn)場總線通訊方式傳遞現(xiàn)場設(shè)備更多的狀態(tài)信息供運行和維護人員參考和決策，從而提高電廠信息化水平，相關(guān)的電氣自動化設(shè)備及現(xiàn)場總線技術(shù)在常規(guī)的工業(yè)行業(yè)也得到了比較廣泛的應用和實踐。

目前各大公司根據(jù)各自應用領(lǐng)域開發(fā)了不同的現(xiàn)場總線技術(shù)，并沒有形成統(tǒng)一的現(xiàn)場總線標準，各現(xiàn)場總線技術(shù)由于不能直接互聯(lián)通訊，在一定程度上制約了現(xiàn)場總線技術(shù)在更大范圍的普及和應用。而且由于各公司產(chǎn)品在不同地域的推廣力度不同，各現(xiàn)場總線技術(shù)在各地域的應用和普及度是有差異的，工業(yè)應用中主要是根據(jù)使用的電氣設(shè)備所支持的現(xiàn)場總線技術(shù)來適配應用。目前應用較廣的現(xiàn)場總線技術(shù)有Profibus、Modbus、Devicenet、FF等，IEC針對自動化開關(guān)站制定的IEC 61185規(guī)范也開始有了應用。

2主交流電系統(tǒng)的接口方式

三門核電機組主交流電系統(tǒng)，根據(jù)現(xiàn)場電氣設(shè)備的智能化水平、采用的不同公司產(chǎn)品，各電壓等級的電氣設(shè)備與DCS的接口相應采用了不同方式，共有以下三種方式，采用的技術(shù)包括硬接線、現(xiàn)場總線Modbus和Profibus。

2.110.5kV中壓電氣設(shè)備

10.5kV中壓母線供電給功率大于200kW的中壓電機和400V交流負荷中心，使用SEL公司的智能繼電保護模塊進行綜合繼電保護和控制，采用硬接線和現(xiàn)場總線相結(jié)合的方式與DCS接口，即斷路器的控制指令和位置狀態(tài)通過硬接線直接送至DCS進行控制和連鎖，滿足快速響應的要求；而回路的電流、電壓、保護報警、電能量等通過Modbus現(xiàn)場總線通信方式傳送到DCS服務器，進而在主控制室顯示和報警供運行人員參考。這種相對平衡的策略兼顧了響應速度、穩(wěn)定性以及滿足充分的監(jiān)測信息各方面的需求。

對于電機負荷，使用了開關(guān)柜內(nèi)繼電保護模塊自帶的熱電阻輸入通道采集電機的定子線圈溫度和軸承溫度，由繼電保護模塊進行保護。另外，一些中壓電機由于與中壓開關(guān)柜距離較遠（例如循環(huán)水泵電機），溫度采集采取了就近接入DCS的方式，由DCS開發(fā)相關(guān)邏輯進行保護。

目前，中壓設(shè)備未采用現(xiàn)場總線進行控制，但SEL繼保設(shè)備本身是支持通過Devicenet和IEC 61185進行通訊和控制的，具備后續(xù)改造的硬件條件。

2.2低壓電氣設(shè)備——負荷中心

400V交流負荷中心供電給75～200kW的電機和380V交流電機控制中心，使用ABB帶智能保護功能的斷路器，全部采用常規(guī)的硬接線與DCS接口進行控制和信號反饋，這部分設(shè)備沒有使用現(xiàn)場總線技術(shù)與DCS接口，沒有傳輸詳細的報警、電能量信息到DCS，后續(xù)如果需要改造采用現(xiàn)場總線控制，可以考慮加裝額外的通訊模塊實現(xiàn)。

2.3低壓電氣設(shè)備——電機控制中心

380V交流電機控制中心為不直接從負荷中心供電的電機、電動閥門供電，電氣設(shè)備采用接觸器以及西門子SIMOCODE智能電機控制器，通過Profibus現(xiàn)場總線與DCS的Profibus模塊接口進行控制和監(jiān)測。考慮到功能和實時性要求，每一段電機控制中心可以劃分成幾個Profibus網(wǎng)段進行組網(wǎng)，可以分散風險；一些特殊負荷（如穩(wěn)壓器主加熱器）因為其重要性，DCS側(cè)的Profibus模塊進行了冗余配置；一些負荷需要額外的監(jiān)測和聯(lián)鎖，是通過為SIMCODE基本控制單元增加輸入/輸出模塊，從而來實現(xiàn)功能的擴充。

3實際應用的優(yōu)缺點分析

三門核電機組將工業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)成熟應用的自動化、智能化設(shè)備以及現(xiàn)場總線技術(shù)應用到部分電氣設(shè)備的控制和監(jiān)測，提高了設(shè)備的自動化、智能化管理水平，工程項目在設(shè)計、建安、調(diào)試、運行和維護各階段的工作局面有了新的變化。下文對其優(yōu)缺點進行分析。

3.1主要優(yōu)點

3.1.1由于電氣繼電保護設(shè)備具備集成化和智能化特點，設(shè)備級的繼電保護功能直接由現(xiàn)場的繼電保護設(shè)備通過邏輯組態(tài)實現(xiàn)，例如中壓電機的定子線圈溫度和軸承溫度保護功能就直接在電氣柜內(nèi)繼電保護設(shè)備實現(xiàn)，這樣電氣設(shè)備逐漸向現(xiàn)場級保護發(fā)展，從而進一步分散系統(tǒng)的風險，提高了系統(tǒng)的可靠性。

3.1.2現(xiàn)場設(shè)備采用現(xiàn)場總線技術(shù)，結(jié)合使用光纖通訊技術(shù)，大大增強了信號的抗干擾能力，可以提供穩(wěn)定可靠的通訊；相對來說，硬接線方式由于很大一部分傳輸?shù)氖亲兓碾妷?、電流模擬量信號，而現(xiàn)場的電氣、電磁環(huán)境復雜，本身抗干擾能力較弱，需要采取其他措施來提高抗干擾能力，例如需要在橋架和電纜屏蔽等方面進行考慮和設(shè)計。

3.1.3采用現(xiàn)場總線通訊，相對于一對一的硬接線連接方式，節(jié)省了二次控制電纜及橋架設(shè)計，減少了常規(guī)輸入/輸出模塊的使用量，工程施工量也相應減少。

3.1.4基于智能化繼電保護設(shè)備、現(xiàn)場總線技術(shù)，可以通過參數(shù)化的配置和組態(tài)來調(diào)試設(shè)備，減輕了調(diào)試工作量；系統(tǒng)也具有了較高的可靠性和靈活性，系統(tǒng)很容易進行重組和擴建，設(shè)備的一些保護功能變更也可以直接通過修改邏輯和定值實現(xiàn)，便于功能優(yōu)化和維護。

3.1.5對于運行和維護而言，降低了設(shè)備的故障率，提升了設(shè)備的信息化管理水平，便于設(shè)備的故障診斷和維護。

3.2主要缺點

3.2.1目前電氣設(shè)備結(jié)合使用現(xiàn)場總線技術(shù)、硬接線與DCS接口，沒有全部應用統(tǒng)一的現(xiàn)場總線技術(shù)，不利于現(xiàn)場總線技術(shù)更大范圍的應用。

3.2.2由于沒有為主交流電系統(tǒng)設(shè)置一套獨立的監(jiān)控主站，而DCS調(diào)試由于其是機組各系統(tǒng)的儀控平臺，DCS系統(tǒng)的可用往往是在倒送電之后，這種客觀情況是不利于電氣系統(tǒng)的調(diào)試開展的，很難在初期倒送電階段滿足設(shè)備的控制功能。目前對于倒送電范圍的中壓開關(guān)柜，是額外通過硬接線連接臨時就地控制柜進行操作，這在一定程度上制約了電氣系統(tǒng)的可用性。

4結(jié)語

三門核電機組主交流電系統(tǒng)使用智能電氣設(shè)備以及現(xiàn)場總線技術(shù)，提升了電廠的自動化、智能化水平，進一步分散了系統(tǒng)的風險，可以整體提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，在積累應用經(jīng)驗后可以為其他后續(xù)項目提供參考，以進一步擴大應用的范圍。

參考文獻

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作者簡介：董云川（1985-），男，重慶人，三門核電有限公司調(diào)試處助理工程師，研究方向：核電分布式控制與信息系統(tǒng)的調(diào)試和維護。

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