發(fā)電廠電氣自動(dòng)化系統(tǒng)監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展研究

許衍彬

摘 要：文章分析發(fā)電廠用電系統(tǒng)的特點(diǎn)，探討用電電氣自動(dòng)化的技術(shù)現(xiàn)狀和組態(tài)模式，歸納其中的關(guān)鍵技術(shù)，最后對(duì)技術(shù)發(fā)展作展望。

關(guān)鍵詞：發(fā)電廠;電氣自動(dòng)化;監(jiān)控技術(shù);發(fā)展趨勢(shì)

一、廠用電系統(tǒng)的特點(diǎn)

在布置方式和數(shù)量上，廠用電設(shè)備分散安裝于各配電室和電動(dòng)機(jī)控制中心，元件數(shù)量眾多，運(yùn)行管理信息量大，檢修維護(hù)工作復(fù)雜。與熱工系統(tǒng)相比較，電氣設(shè)備操作頻率低，有的系統(tǒng)或設(shè)備運(yùn)行正常時(shí)，幾個(gè)月或更長(zhǎng)時(shí)間才操作一次;電氣設(shè)備保護(hù)自動(dòng)裝置要求可靠性高，動(dòng)作速度快，比如保護(hù)動(dòng)作速度要求在40ms以內(nèi)完成。在電氣設(shè)備本身構(gòu)造上，其具有聯(lián)鎖邏輯較簡(jiǎn)單、操作機(jī)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)。在控制方式上，廠用電系統(tǒng)的主要設(shè)備監(jiān)控需要接入DCS系統(tǒng)，但在兩臺(tái)機(jī)組共用一臺(tái)起/備變的情況時(shí)，由于一臺(tái)機(jī)組的檢修不能影響另一臺(tái)機(jī)組的正常運(yùn)行，因此需要考慮兩臺(tái)機(jī)組DCS電氣控制的模式，確保對(duì)其控制權(quán)的唯一性?？偨Y(jié)以上特點(diǎn)，在構(gòu)建ECS時(shí)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、與DCS的聯(lián)網(wǎng)方式是確保系統(tǒng)高可靠性的關(guān)鍵。既要實(shí)現(xiàn)正常起停和運(yùn)行操作外，又要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示異常運(yùn)行和事故狀態(tài)下的各種數(shù)據(jù)和狀態(tài)，并提供相應(yīng)的操作指導(dǎo)和應(yīng)急處理措施，保證電氣系統(tǒng)在最安全合理的工況下工作。

二、集中模式

（一）原理

集中模式也就是傳統(tǒng)的硬接線方式，將強(qiáng)電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槿蹼娦盘?hào)，采用空接點(diǎn)方式和4～20mA標(biāo)準(zhǔn)直流信號(hào)，通過電纜硬接線將電氣模擬量和開關(guān)量信號(hào)一對(duì)一接至DCS的I/O模件柜，進(jìn)入DCS進(jìn)行組態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電氣設(shè)備的監(jiān)控。這種模式又分為直接I/O接入方式和遠(yuǎn)程I/O接入方式兩種，前者是將電纜接至電子間集中組屏，后者是在數(shù)據(jù)較集中且離主控室較遠(yuǎn)的電氣設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)設(shè)立遠(yuǎn)程I/O采集柜，然后通過通信方式與DCS控制主機(jī)相連，兩者具有相同的實(shí)現(xiàn)技術(shù)，本質(zhì)上沒有區(qū)別。

（二）優(yōu)點(diǎn)

電氣量的采集集中組屏，便于管理，設(shè)備運(yùn)行環(huán)境好;硬接線方式成熟，響應(yīng)速度快。

（三）缺點(diǎn)

1.電纜數(shù)量大，電纜安裝工程量大，長(zhǎng)距離電纜引進(jìn)的干擾也可能影響DCS的可靠性。

2.DCS系統(tǒng)按“ 點(diǎn)”收費(fèi)，不僅投資大，而且只有重要的電氣量才能進(jìn)入DCS，系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的電氣信息不完整。

3.所有信息量均要集中匯總至DCS系統(tǒng)，風(fēng)險(xiǎn)集中，影響系統(tǒng)可靠性。

4.由于DCS調(diào)試一般是最后進(jìn)行，采用集中模式通常難以滿足倒送廠用電的要求。

5.沒有獨(dú)立的電氣監(jiān)控主站系統(tǒng)，無法完成較復(fù)雜的電氣運(yùn)行管理工作（如防誤、事故追憶繼電保護(hù)運(yùn)行與故障信息自動(dòng)化管理、錄波分析等高級(jí)應(yīng)用功能），不能實(shí)現(xiàn)電氣的“綜合自動(dòng)化”。

三、分層分布式模式

（一）原理

分層分布式模式從邏輯上將ECS劃分為三層，即站級(jí)監(jiān)控層、通信層和間隔層（間隔單元）。間隔層由終端保護(hù)測(cè)控單元組成，利用面向電氣一次回路或電氣間隔的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，將測(cè)控單元和保護(hù)單元就地分布安裝在各個(gè)開關(guān)柜或其他一次設(shè)備附近。網(wǎng)絡(luò)層由通信管理機(jī)光纖或電纜網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，利用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)匯總、規(guī)約轉(zhuǎn)換、轉(zhuǎn)送數(shù)據(jù)和傳控制命令的功能。站級(jí)監(jiān)控層通過通信網(wǎng)絡(luò)，對(duì)間隔層進(jìn)行管理和交換信息。

（二）優(yōu)點(diǎn)

1.間隔層測(cè)控終端就地安裝，減少占用面積，各裝置功能獨(dú)立，組態(tài)靈活，可靠性高。

2.模擬量采用交流采樣，節(jié)省二次電纜，降低了成本，抗干擾能力增強(qiáng)，系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)精度大大提高。

3.系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)量提高，監(jiān)控信息完整，能實(shí)現(xiàn)在遠(yuǎn)方對(duì)保護(hù)定值的修改及信號(hào)復(fù)歸，運(yùn)行維護(hù)方便。

4.分布式結(jié)構(gòu)方便系統(tǒng)擴(kuò)展和維護(hù)，局部故障不影響其他模塊（部件）正常運(yùn)行。

5.設(shè)置獨(dú)立的電氣監(jiān)控主站，便于分步調(diào)試和投運(yùn)，滿足倒送電的要求。同時(shí)有利于廠用電系統(tǒng)的運(yùn)行、維護(hù)和檢修。

（三）關(guān)鍵技術(shù)

1.間隔層終端測(cè)控保護(hù)單元。

分層分布式系統(tǒng)的最大特點(diǎn)就是以間隔層一次設(shè)備為單位，現(xiàn)場(chǎng)配置測(cè)控保護(hù)單元。該單元是保障廠用電系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行最重要、最有效的技術(shù)手段，對(duì)其可靠性、靈敏性、速動(dòng)性和選擇性都有很高的要求，因此不宜由DCS來實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能，而應(yīng)該采用專用保護(hù)裝置來實(shí)現(xiàn)。廠用電系統(tǒng)保護(hù)主要有線路、廠用變、電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)測(cè)控裝置等，實(shí)現(xiàn)微機(jī)化保護(hù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)方及就地控制以及記錄故障數(shù)據(jù)等功能。

2.通信網(wǎng)絡(luò)。

ECS系統(tǒng)安裝工作于高電壓、大電場(chǎng)的環(huán)境，工作環(huán)境惡劣、電磁干擾大，因而通信網(wǎng)絡(luò)是ECS系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，通信網(wǎng)絡(luò)的性能直接影響著自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的整體性能。目前較為流行的采用電纜現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)方式，光纖通信亦開始被用戶逐步接受。

3.監(jiān)控主站。

監(jiān)控主站安置在站級(jí)監(jiān)控層，實(shí)現(xiàn)廠用電電氣系統(tǒng)監(jiān)控和管理，主站配置的設(shè)備和規(guī)模需要根據(jù)發(fā)電機(jī)機(jī)組的容量和運(yùn)行管理要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，即可以配置成單機(jī)、雙機(jī)或多機(jī)系統(tǒng)，標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備主要有數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、應(yīng)用和Web服務(wù)器、操作員站、工程師站，以及其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、GPS和打印機(jī)。盡管配置的設(shè)備規(guī)模不同，但配置的軟件以及完成的功能基本一樣。

4.ECS與DCS的協(xié)調(diào)控制。

由于電氣系統(tǒng)與熱工系統(tǒng)在運(yùn)行過程和控制要求上有著很多不同之處，所以在設(shè)計(jì)規(guī)劃階段和調(diào)度運(yùn)行過程時(shí)必須要考慮ECS與DCS系統(tǒng)之間的功能分工和協(xié)調(diào)控制，主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：由DCS實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)連鎖邏輯控制操作，廠用電自動(dòng)切換邏輯由專用電氣裝置實(shí)現(xiàn)。由ECS實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)、故障錄波和事故追憶等功能的管理。控制操作主要在DCS操作員工作站進(jìn)行，DCS系統(tǒng)授權(quán)后也可在ECS操作員工作站進(jìn)行，但要保證控制權(quán)的唯一性。

四、技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

（一）嵌入式工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用由于現(xiàn)場(chǎng)總線通信協(xié)議技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的多樣性，難以統(tǒng)一，使其不能滿足以上性能要求，而以太網(wǎng)由于其傳輸速度快、容量大、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活以及低成本等特點(diǎn)，在商業(yè)領(lǐng)域和工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)得到了大規(guī)模的應(yīng)用。該技術(shù)成為建立電氣綜合自動(dòng)化中無縫通信的最好選擇。工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)直接應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間的通信已成大勢(shì)所趨。隨著以太網(wǎng)通信速率的提高，全雙工通信、交換技術(shù)的發(fā)展，為以太網(wǎng)的通信確定性問題的解決提供了技術(shù)基礎(chǔ)，從而為以太網(wǎng)直接應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間通信提供了技術(shù)可能。

利用嵌入式軟、硬件，在單片機(jī)系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)又稱為嵌入式以太網(wǎng)。國(guó)外大的電力設(shè)備供應(yīng)商紛紛推出了基于嵌入式以太網(wǎng)的微機(jī)保護(hù)測(cè)控設(shè)備，國(guó)內(nèi)電力裝備制造商開發(fā)的最新綜合自動(dòng)化系統(tǒng)中，也把嵌入式以太網(wǎng)成功應(yīng)用于二次保護(hù)控制設(shè)備，因而入式以太網(wǎng)是電氣綜合自動(dòng)化系統(tǒng)間隔層網(wǎng)絡(luò)通信的必然發(fā)展方向。

（二）綜合智能化技術(shù)的應(yīng)用

ECS系統(tǒng)控制發(fā)展經(jīng)由計(jì)算機(jī)控制取代了傳統(tǒng)操作盤控制，目前又由計(jì)算機(jī)控制向綜合智能控制和管理發(fā)展，主要表現(xiàn)在間隔層和站控層兩方面間隔層的保護(hù)和測(cè)控單元由傳統(tǒng)的相對(duì)獨(dú)立設(shè)計(jì)，向著集保護(hù)、測(cè)量、控制、遠(yuǎn)動(dòng)于一體的綜合化及網(wǎng)絡(luò)化智能保護(hù)測(cè)控單元發(fā)展，直接面向一次設(shè)備或設(shè)備組合，就地安裝，除實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)、實(shí)時(shí)電量監(jiān)控、狀態(tài)信息記錄及歷史記錄等基本功能外，還能與站控層聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)事故分析、狀態(tài)監(jiān)視、微機(jī)防誤操作和安全保障等功能。

五、結(jié)語

本文提出了廠用電電氣自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，隨著IEC國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)在工業(yè)化領(lǐng)域內(nèi)的認(rèn)同和應(yīng)用普及，基于同一國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的全開放式的數(shù)字化廠用電電氣綜合自動(dòng)化將是下一步研究的重點(diǎn)。

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