數(shù)字化電廠電氣控制技術與應用分析

胡林海

（淮南田家庵發(fā)電廠，安徽淮南 232007）

0 引言

隨著時代不斷發(fā)展，人們對電力的需求與日俱增，促使我國現(xiàn)代火力發(fā)電機組構造逐漸變得復雜，對于火力發(fā)電機組自身的控制、維修、保養(yǎng)以及優(yōu)化等要求也越來越高，以此來保證其穩(wěn)定運行。在傳統(tǒng)的技術控制過程中，主要控制內(nèi)容是對工藝測點進行合理的監(jiān)測，并對設備設施進行分散管理與監(jiān)控，導致管理信息與監(jiān)控信息難以得到有效的統(tǒng)一，未能實現(xiàn)統(tǒng)一信息化管理，因此，應加強數(shù)字化電廠電氣控制技術的應用，以保證操作機組穩(wěn)定運行。

1 數(shù)字化電廠的概念

所謂的數(shù)字化電廠，就是運用數(shù)字化的技術手段，對電廠物理以及其工作對象的整個生命周期進行分析、量化、決策以及控制，以此強化電廠整體價值的方法以及理論。從這一方面進行理解，數(shù)字電廠不是既定的某一個項目的類型，也不是基于計算機的某種系統(tǒng)或者軟件。從概念上進行分析，可以將其理解為一種理論以及方法。從其研究對象上進行分析，數(shù)字電廠的研究對象就是電廠之中的物理對象以及工作對象，其研究的方式就是基于研究對象的整個周期出發(fā)，研究內(nèi)容是對研究對象進行分析，量化、控制、決策的有效性方法。

數(shù)字化電廠的構建，就是實現(xiàn)所有信號的完全數(shù)字化變現(xiàn)，所有的管理內(nèi)容也都以數(shù)字化的形式進行。通過現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)技術以及計算機技術，能夠準確、安全、可靠、規(guī)范的實現(xiàn)數(shù)字化信息的有效交換，并實現(xiàn)跨平臺的資源共享，同時，在最大程度上保證資源共享的實時性以及動態(tài)性。如此，能夠有機的應用智能專家系統(tǒng)對各種數(shù)據(jù)信息進行分析，進而提出各種優(yōu)化建設的建議以及決策，為數(shù)字化電廠的科學構建提供重要的指導。這一技術的應用，能夠在最大程度上降低電廠的發(fā)電成本，增加上網(wǎng)的電量，降低設備故障的概率，保證電廠運行的經(jīng)濟性、安全性、節(jié)能性，促進電廠的可持續(xù)發(fā)展。表1是某數(shù)字化電廠近3 a的電氣指標情況。

根據(jù)現(xiàn)階段的數(shù)字電廠技術的發(fā)展情況進行分析，可以將其客觀的劃分為4個層次。第一層，直接控制層。就是指在電廠生產(chǎn)的過程中的直接控制以及數(shù)據(jù)收集，其結構上涵蓋了單元機組、SCADA（Supervisory Control and Data Acquisition，數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)），DEH（Digital Electric Hydraulic Control System，汽輪機數(shù)字電液控制系統(tǒng)或數(shù)字電調(diào)），水處理、輔機、除灰等等輔助性設備，是數(shù)字電廠的控制系統(tǒng)。這一層可以明確為生產(chǎn)所需基礎數(shù)據(jù)的提供層，是其他分層運行的基礎保證。第二層是管控一體化層，其主要是完成生產(chǎn)過程的整體監(jiān)督，整合管理層收集的信息，對基礎的性能以及控制系統(tǒng)的運行進行分析以及整體優(yōu)化?？梢哉f，這一層是管理層與控制層之間溝通的有效橋梁。第三層，生產(chǎn)管理層。這一層是電廠數(shù)字化管理的基礎層次，其能夠從經(jīng)營決策層之中獲取相應的經(jīng)營指標以及數(shù)據(jù)信息，以此來生成科學的生產(chǎn)計劃，并落實計劃的實施。同時，其還能夠 層提供關鍵的控制導向信息?？梢哉f，這一層是數(shù)字化電廠的管理基礎。第四層，經(jīng)營決策層，其主要是落實商業(yè)化運營、經(jīng)營管理、電子商務、物資交易等方面，其管理主線是綜合計劃、管理核心是成本管理以及全面預算。這一層，是數(shù)字化電廠系統(tǒng)的決策樞紐以及系統(tǒng)入口。此外，電氣控制系統(tǒng)是現(xiàn)代數(shù)字化電廠的重要構成部分，其工作目標主要是對電廠的電氣設備進行科學的監(jiān)督以及控制，保證其運行的安全性以及穩(wěn)定性。在數(shù)字化電廠之中，這一控制過程以及控制目標主要依靠現(xiàn)代信息技術完成。與傳統(tǒng)的控制方式相比，其更加集中的體現(xiàn)了電氣控制的科學性以及可靠性，能夠在最大程度上保證電氣設備的正常運行。

表1 電氣指標情況調(diào)查

2 數(shù)字化電廠電氣控制的工作原理

隨著我國科學技術的不斷發(fā)展，現(xiàn)代化火力發(fā)電機組設計逐漸開始呈現(xiàn)出復雜化、系統(tǒng)化、多元化的發(fā)展趨勢，與此同時，也對機組的優(yōu)化、后期維護以及運行等均提出了更高要求。傳統(tǒng)的控制方式隨著時間的推移，其弊端也在逐漸暴露，若不進行及時改進和優(yōu)化，便會對控制系統(tǒng)的應用性能造成嚴重影響。而通過數(shù)字化電廠電氣控制技術的實踐應用，不僅可有效解決上述問題，同時，還可實現(xiàn)一體化、信息化控制和管理，系統(tǒng)的應用性能不斷提升，在此也為后續(xù)的檢修工作提供了便利條件。以下為該技術應用的基本原理分析。

如圖1所示，在主變電站中，主要的設備包括架空線路（電纜）、電抗器、隔離開關、斷路器、變壓器等等，而主要的變電站二次設備具體包括母線保護、線路保護以及PMU（Power Management Unit，電源管理單元）安全設備故障顯示儀等。

圖1 電廠控制系統(tǒng)

2.1 過程層

過程層的主要作用，是可對開關、電壓、電流等相關指標進行數(shù)字化處理。在此過程中，其信號一般可分為開關量、電壓和電流。其中，電壓和電流具體負責收集光變壓器單元通過合并將數(shù)字信息置于處理層，之后在將相關的開關信息傳輸?shù)教幚韺?。在整個這一環(huán)節(jié)中，與總線方式的工藝水平息息相關。在完成到設備水平裝置的傳發(fā)之后，在合并過程中，需涉及到運用互感器所收集的二次側電量，與此同時，還需同步轉換成數(shù)字信號。電氣互感器和電子式電流互感器在經(jīng)過合并單元后，可完成相關電子信息的傳遞。

2.2 間隔層

電氣設備的間隔層包括電壓器保護、短引線保護、母線差動保護、線路保護等等，同時，也包含安全穩(wěn)定裝置、電子計量裝置、PMU設備以及故障錄波等。開關、電流、電壓等可借助相關邏輯和計算實現(xiàn)發(fā)送。在經(jīng)過以太網(wǎng)設備裝置以及間隔層保護之后，可對間隔層進行有效保護，跳閘令經(jīng)過智能終端可順利發(fā)出，進而可對變電站設備進行有效保護。經(jīng)過上述一系列流程之后，能夠最大限度的防止設備故障問題的發(fā)生，為設備的安全、平穩(wěn)運行提供了良好保障，同時，也減少了后續(xù)維護的次數(shù)。

2.3 站控層

在站控層中，主要的設備包括五防機、工程師北京站以及操作員站等等。在此過程中，間隔設備能夠將實時的狀態(tài)信息，傳輸?shù)秸炯壱蕴W(wǎng)中，站級設備在經(jīng)過監(jiān)控功能的間隔層設備和以太網(wǎng)，可實現(xiàn)與MIS（Management Information System，管理信息系統(tǒng)）、SIS系統(tǒng)、中央變電站監(jiān)控系統(tǒng)、集中控制系統(tǒng)的通信控制系統(tǒng)、調(diào)度系統(tǒng)等實現(xiàn)協(xié)調(diào)控制。經(jīng)過縱向、橫向的MMS（Manufacturing Message Specification，制造業(yè)報文規(guī)范）網(wǎng)絡的站級設備，還可實現(xiàn)與通信站級設備、站控制裝置以及工藝設備之間的協(xié)調(diào)、穩(wěn)定運行。最后，經(jīng)過各級IEC 61850調(diào)度通信站能夠有效實現(xiàn)遠程操控和監(jiān)督。

3 數(shù)字化電廠電氣控制技術的應用

經(jīng)過上述分析，已經(jīng)對數(shù)字化電廠電氣控制系統(tǒng)的工作原理進行了較為客觀的明確?？梢园l(fā)現(xiàn)，控制系統(tǒng)的運行以及工作，對數(shù)字化電廠的運行發(fā)展具有非常重要的實際影響。也就是說，要想保證數(shù)字化電廠的健康、穩(wěn)定運行，落實可持續(xù)發(fā)展的重要發(fā)展戰(zhàn)略，就必須要落實科學、合理的電氣控制技術。對此，相關系統(tǒng)建設以及工作人員，應該樹立現(xiàn)代化的發(fā)展觀念，以創(chuàng)新的角度，優(yōu)化電氣控制技術的應用方式，以此保證數(shù)字化電廠的切實落實，推進數(shù)字化電廠的可持續(xù)發(fā)展。

3.1 發(fā)變組控制

一般來說，發(fā)電站的變壓器設備主要由主變壓、輔助電源變壓、發(fā)電機、勵磁變壓等電氣設備，以及勵磁、變壓器保護、快切、同期等二次電保護系統(tǒng)構成。因此，可以明確，電流的控制由主變、發(fā)電機、高廠變壓、勵磁變壓等實現(xiàn)。電壓量可以由變電站母線、廠用段變壓、發(fā)電機來實現(xiàn)控制。開關量則主要由發(fā)變組的開關以及刀閘、廠變壓器的開關進行控制?；谶@一特點，可以落實兩個方面的應用控制方案：一方面，可以應用光學電子變壓器進行收集工作，并對該組合單元進行傳送。變壓器的CT（Current Transformer，電流互感器）可以就可以應用柔性光學電子變壓器技術實現(xiàn)對發(fā)變組的控制。另一方面，可以應用電磁，是其他非電氣量經(jīng)過變壓器的合并單元進行傳輸以及收集。對于開關量則可以通過其他的智能終端進行傳輸。

3.2 廠用電控制技術

現(xiàn)階段電廠的廠用體系，主要涵蓋廠用高壓段、廠用低壓段、低壓電機、高壓電機、廠用變壓器、變壓保護其、電機保護、線路保護、備自投、智能斷路器等電器設備以及二次控制系統(tǒng)構成。廠用電控制方案，主要是基于現(xiàn)代profibs控制標準以及DCS（Distributed Control System，集散控制系統(tǒng)）控制系統(tǒng)的基礎之上。也就是基于所有保護裝置之上，統(tǒng)一支持profibs標準規(guī)約。通過這一系統(tǒng)，能夠通過互聯(lián)的網(wǎng)絡，將保護裝置的信息發(fā)送到DCS系統(tǒng)之中。一般來說，保護層的保護功能主要是通過就地保護裝置完成、電機之間的連鎖則由DCS完成。開關、刀閘等控制元件的操作可以使用硬接線進行聯(lián)機，以此保證良好的控制效果。表2所示，是某電廠的廠用電高壓段及低壓段用電變化指數(shù)分析結果。從中可以發(fā)現(xiàn)，該電廠的高壓用電指數(shù)在c段以及d段發(fā)生了嚴重的異常變化。在這一基礎上，就那個實現(xiàn)系統(tǒng)的控制處理。

表2 廠用電電壓變化指數(shù)

4 結束語

數(shù)字化電廠電氣控制技術的應用，可以從根本上提升現(xiàn)代發(fā)電機組的穩(wěn)定性與效率，充分發(fā)揮出操作機組運行優(yōu)化與檢修的作用，因此，在當前的時代背景下，應將數(shù)字化理念與電廠發(fā)展進行合理的融合，并對電廠的熱控設備的配置、選型等進行綜合的考慮，利用現(xiàn)有的智能設備對運行設備各項信息進行統(tǒng)一化管理，如，運行信息、診斷信息、故障信息以及維護信息等，將各系統(tǒng)充分與數(shù)字化理念相融合，從根本上提升電廠運行、維修以及管理的工作效率。