垃圾發(fā)電廠綜合電氣監(jiān)控管理系統(tǒng)探討

吳 亮， 劉益成

(廣州環(huán)保投資集團(tuán)有限公司， 廣州 510330)

垃圾焚燒電廠綜合電氣監(jiān)控管理系統(tǒng)一般由升壓站網(wǎng)控系統(tǒng)(NCS)和電氣監(jiān)控管理系統(tǒng)(ECMS)組成，兩部分以主變低壓側(cè)斷路器下端子為分界點分別監(jiān)控升壓站電氣系統(tǒng)和廠內(nèi)電氣系統(tǒng)。

在行業(yè)內(nèi)，ECMS在現(xiàn)場的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主要有2種方式：(1)關(guān)鍵硬接線+通信的方式[1]，將參與機(jī)爐電大聯(lián)鎖的電動機(jī)、發(fā)變組斷路器、勵磁開關(guān)等采用分布式控制系統(tǒng)(DCS)硬接線控制，其余電氣設(shè)備的控制、相關(guān)自動化設(shè)備的監(jiān)測等功能均通過通信網(wǎng)絡(luò)納入ECMS；(2)全通信方式[1-3]，即將廠內(nèi)所有的電動機(jī)、發(fā)電機(jī)、廠用電源控制等全部通過測控裝置等設(shè)備接入ECMS，DCS對所有設(shè)備的操控通過通信的方式實現(xiàn)。近年來，全通信方式已在部分大型發(fā)電廠、變電站得到應(yīng)用，技術(shù)上已比較成熟。該技術(shù)得到業(yè)內(nèi)的認(rèn)同是建立在現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)可靠性大大增強(qiáng)的基礎(chǔ)上的。

筆者以某垃圾焚燒電廠的ECMS為例，分析了系統(tǒng)現(xiàn)有的缺陷，在此基礎(chǔ)上采用目前行業(yè)內(nèi)先進(jìn)的ECMS設(shè)計理念，提出了一種更加成熟、實用、經(jīng)濟(jì)的方案，并從技術(shù)角度和經(jīng)濟(jì)角度分析了該方案的優(yōu)越性。

1 機(jī)組概況

1.1 電氣接線

該垃圾焚燒電廠垃圾處理規(guī)模為2 000 t/d，配置3爐2機(jī)，發(fā)電機(jī)單機(jī)額定功率為25 MW，廠用電母線電壓為10 kV及380 V，采用110 kV雙回路上網(wǎng)，110 kV母線為單母分段接線形式。電氣主接線見圖1。

圖1 電氣主接線

NCS按照電力行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計及施工。按照分層分布的思想，將電氣系統(tǒng)監(jiān)控及監(jiān)測功能結(jié)合在一起，所有斷路器的合跳閘操作、位置信號，以及相關(guān)的保護(hù)、測控、同期、五防、電度計量、故障錄波等自動裝置的信號，全部通過以太網(wǎng)連接，進(jìn)行一站式管理。

1.2 ECMS不足分析

該廠ECMS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 ECMS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

(1) 僅能實現(xiàn)部分電氣設(shè)備的監(jiān)測。系統(tǒng)僅接入了部分10 kV電氣設(shè)備的測控裝置信息，所有斷路器均由DCS控制；有許多重要電氣設(shè)備信息未接入ECMS。

(2) ECMS與DCS、NCS沒有通信聯(lián)系。DCS、NCS需要的相關(guān)信息，全部通過硬接線或單獨(dú)的通信線從相關(guān)設(shè)備上直接讀取。

(3) 廠內(nèi)大量使用硬接線。廠內(nèi)所有斷路器的控制和狀態(tài)信號的傳送，全都通過硬接線實現(xiàn)，重要信號的傳送如保護(hù)裝置的各種報警信號送入DCS也是由硬接線實現(xiàn)。

(4) 采用單以太網(wǎng)通信，可靠性一般。

整體來看，ECMS不能充分地實現(xiàn)其遙信、遙測、遙控等功能，從設(shè)計理念和系統(tǒng)功能上均比較落后，無法滿足電廠現(xiàn)階段生產(chǎn)控制高度自動化、智能化，管理精細(xì)化、信息化等方面的需求，運(yùn)行人員應(yīng)對電氣設(shè)備進(jìn)行巡視和管理，難以實現(xiàn)現(xiàn)代發(fā)電廠提高機(jī)組效率、降低人力成本的目標(biāo)。同時由于硬接線的大量采用，DCS成本、電纜成本、土建成本等均大幅增加。因此，對廠內(nèi)ECMS進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計十分必要。

2 ECMS優(yōu)化設(shè)計

2.1 垃圾焚燒電廠的特點

該垃圾焚燒電廠具有以下特點：

(1) 機(jī)組規(guī)模小。一般垃圾處理規(guī)模在2 000 t/d左右的電廠，標(biāo)準(zhǔn)配置為3爐2機(jī)，發(fā)電機(jī)單機(jī)額定功率一般為25 MW，配置的10 kV電氣設(shè)備及380 V電氣設(shè)備數(shù)量少。

(2) 工程設(shè)計、施工、安裝、調(diào)試相對不夠?qū)I(yè)。垃圾焚燒電廠工程一般屬于市政工程，其設(shè)計、施工、安裝、調(diào)試的參與企業(yè)有許多不是專業(yè)的電力建設(shè)企業(yè)，專業(yè)性相對于傳統(tǒng)火電廠有差距。

(3) ECMS與NCS設(shè)計脫節(jié)。ECMS和NCS通常由不同的設(shè)計院設(shè)計，極易產(chǎn)生設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、理念、水平的不一致。NCS自動化程度高，而ECMS自動化程度相對落后，給現(xiàn)場使用造成不便。

(4) 現(xiàn)場運(yùn)行檢修人員的技術(shù)水平整體較弱。垃圾焚燒電廠興起時間短，比較缺乏專業(yè)技能優(yōu)良的相關(guān)人才。

根據(jù)垃圾焚燒電廠的特點，ECMS應(yīng)具備的特點為：造價經(jīng)濟(jì)；設(shè)計簡便，施工難度低；ECMS與NCS要自動化程度一致或一體化，便于現(xiàn)場人員使用；便于維護(hù)。

2.2 新型綜合電氣監(jiān)控管理系統(tǒng)

基于垃圾焚燒電廠的特點及相關(guān)要求，提出一種適用于垃圾焚燒電廠的新型綜合電氣監(jiān)控管理系統(tǒng)(I-ECMS)，該系統(tǒng)將ECMS與NCS結(jié)合，并與DCS采用以太網(wǎng)通信實現(xiàn)信息傳輸。

I-ECMS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖見圖3。

圖3 I-ECMS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

I-ECMS的功能及特點為：

(1) 負(fù)責(zé)相關(guān)設(shè)備的遙信、遙測、遙控功能。

(2) 將廠內(nèi)ECMS與NCS集成，實現(xiàn)一體化控制。站控層網(wǎng)絡(luò)選擇IEC61850標(biāo)準(zhǔn)MMS規(guī)約[4]，雙百兆以太網(wǎng)以實施冗余[5]。

(3) 廠內(nèi)110 kV電氣設(shè)備、10 kV電氣設(shè)備、400 V電源、電纜及聯(lián)絡(luò)斷路器，均通過相應(yīng)測控裝置接入以太網(wǎng)，在I-ECMS操作員站通過通信方式實現(xiàn)操作。

(4) 需要在DCS操作的電動機(jī)，以現(xiàn)場總線[6]的形式接入DCS，通過通信方式實現(xiàn)操作。

(5) 廠內(nèi)所有電氣設(shè)備相關(guān)的保護(hù)和測控裝置、同期裝置、自動勵磁裝置、快切裝置、直流系統(tǒng)、不間斷電源(UPS)，以及升壓站內(nèi)配置的二次安防、電能計量裝置等相關(guān)自動化設(shè)備，均接入I-ECMS進(jìn)行集中監(jiān)測。I-ECMS與DCS通過以太網(wǎng)進(jìn)行通信，采用IEC60870-5-104規(guī)約。I-ECMS向DCS傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包括廠內(nèi)所有電源斷路器的狀態(tài)和各保護(hù)、測控裝置及所有電氣自動化設(shè)備的有關(guān)信號等。

(6) 采用專用對時網(wǎng)絡(luò)，通過簡單網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議(SNTP)網(wǎng)絡(luò)對時信號及IRIG-B碼對時方式，取代了原有系統(tǒng)的星形接法。

I-ECMS不采用現(xiàn)時流行的數(shù)字化火電廠組網(wǎng)方式[7-8]，主要是由于垃圾焚燒電廠的特性。垃圾焚燒電廠規(guī)模小、間隔層設(shè)備數(shù)量少，若采用電子互感器、合并單元、智能終端等設(shè)備組建現(xiàn)場過程層SMV(Sampled Measured Value)及GOOSE(Generic Object Oriented Substation Event)網(wǎng)絡(luò)[9-10]不夠經(jīng)濟(jì)。

2.3 I-ECMS網(wǎng)絡(luò)延時優(yōu)化

在這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的系統(tǒng)下，網(wǎng)絡(luò)延時的產(chǎn)生主要有：(1)DCS與I-ECMS的通信延時；(2)I-ECMS后臺網(wǎng)絡(luò)延時；(3)I-ECMS網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)延時；(4)測控、保護(hù)裝置延時；(5)不同廠家產(chǎn)品之間通信規(guī)約轉(zhuǎn)換耗時；(6)斷路器合跳閘固有所需時間。在這6種延時來源中，第2、3、4、6點是固有的，第1點及第5點存在優(yōu)化空間。

針對第1點，DCS與I-ECMS的通信延時，主要取決于兩者之間通信規(guī)約以及網(wǎng)絡(luò)的選擇，這兩者之間主流的以太網(wǎng)通信規(guī)約主要是網(wǎng)絡(luò)版Modbus與IEC 104網(wǎng)絡(luò)規(guī)約。目前許多DCS廠家主要選擇網(wǎng)絡(luò)版Modbus規(guī)約與ECMS進(jìn)行通信。Modbus規(guī)約的主要特點是采用問答式，即主站向從站發(fā)出查詢指令后從站再向上報送數(shù)據(jù)，這種方式就導(dǎo)致了當(dāng)DCS發(fā)出對設(shè)備的遙控指令以后，設(shè)備變位的遙信量不會第一時間主動上傳，必須等上位機(jī)發(fā)出查詢命令以后才上傳。鑒于此，I-ECMS將采用IEC104規(guī)約與DCS進(jìn)行通信。IEC104網(wǎng)絡(luò)規(guī)約采用客戶端/服務(wù)器方式[11]，在主站與從站建立連接以后，從站會主動向主站發(fā)送相關(guān)的遙信、遙測信號，通信速率較Modbus規(guī)約快很多。

針對第5點，可以盡量選擇同一廠家的設(shè)備，或者要求所有設(shè)備廠家采用相同的規(guī)約，這一點較易實現(xiàn)。

3 I-ECMS應(yīng)用效果分析

根據(jù)I-ECMS設(shè)計，在機(jī)組調(diào)試階段，利用現(xiàn)場設(shè)備搭建簡易網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)試驗。主要的試驗內(nèi)容包括遙信、遙控試驗，以及大量數(shù)據(jù)傳輸時的網(wǎng)絡(luò)可靠性試驗。

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圖4 試驗?zāi)Ｐ?/p>

3.1 遙信量上傳試驗

分別進(jìn)行了10 kV電源開關(guān)保護(hù)測控裝置及110 kV測控裝置的遙信量上傳試驗，主要檢測間隔層設(shè)備遙信量上傳至I-ECMS主機(jī)及DCS的時刻。試驗數(shù)據(jù)見表1及表2(SOE為事件順序記錄)。從表1和表2數(shù)據(jù)可知，間隔層設(shè)備發(fā)生遙信變位后，I-ECMS主機(jī)和DCS均能在極短時間內(nèi)收到相關(guān)信息，時間均在毫秒級別。

表1 10 kV電源開關(guān)保護(hù)測控裝置遙信量上傳時刻

表2 110 kV測控裝置遙信量上傳時刻

3.2 遙控試驗

遙控試驗的目的在于檢驗操作人員從發(fā)出某斷路器操作指令至收到該斷路器遙信變位信號返回的時間。分別對10 kV斷路器及110 kV斷路器進(jìn)行了遙控試驗，試驗數(shù)據(jù)見表3。

從表3可知：10 kV斷路器在1 s內(nèi)即可完成整個操作，110 kV斷路器最長也只需要608 ms。

表3 遙控試驗延時

3.3 大數(shù)據(jù)量傳輸試驗

在圖4模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步增加試驗?zāi)Ｐ椭?0 kV測控裝置的數(shù)量至14，與現(xiàn)場實際配置相同。模擬了母線失壓時，各測控裝置同時上傳數(shù)據(jù)時的網(wǎng)絡(luò)狀況。主要觀察I-ECMS主機(jī)此時是否能正確、完整地顯示所有SOE，以及故障波形是否能完整、快速傳輸。

試驗結(jié)果表明：在100 MB網(wǎng)絡(luò)帶寬的情況下，I-ECMS主機(jī)在試驗后，可以完整正確地顯示各測控裝置上傳的所有信息。

4 經(jīng)濟(jì)性分析

4.1 建設(shè)成本

采用I-ECMS方案后，可以節(jié)約大量控制電纜，以及DCS的I/O卡件和DPU(Distributed Processing Unit)模塊，對于成本有較大的優(yōu)化[12]， 10 kV開關(guān)柜及380 V框架斷路器柜的點數(shù)及造價分析見表4、表5。為簡化分析，僅列出了體現(xiàn)不同方式特點的設(shè)備，并未列出所有柜內(nèi)設(shè)備；所有開關(guān)柜至DCS機(jī)柜的電纜長度暫按200 m計算；電纜單價包含了材料成本和施工成本。

采用I-ECMS方案后，可以節(jié)約變送器12個，節(jié)約其他保護(hù)、自動化設(shè)備接入DCS的DI點186個、AI點74個、NCS主機(jī)1臺；增加的部分主要在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上，主要有交換機(jī)(2個光口、22個點口)8臺、網(wǎng)絡(luò)電纜10 000 m、遠(yuǎn)動裝置1臺；共可以節(jié)約造價530 500元(見表6)。由于垃圾焚燒電廠開關(guān)柜數(shù)量較少，雖然節(jié)省的建設(shè)成本金額不大，但在整體建設(shè)成本的占比仍然比較可觀。在節(jié)約成本的同時，系統(tǒng)的功能性、網(wǎng)絡(luò)的可靠性更強(qiáng)。

表4 10 kV開關(guān)柜造價分析

表5 380 V框架斷路器柜造價分析表

表6 兩種方案造價差異分析表

4.2 運(yùn)營成本

采用I-ECMS方案，運(yùn)營可以節(jié)約可觀的人力成本，主要體現(xiàn)在所有相關(guān)操作和監(jiān)控都可以在I-ECMS實現(xiàn)，在I-ECMS基礎(chǔ)上開發(fā)的如在線抄表、節(jié)能評估、保護(hù)定值管理、設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測等功能，極大地提升了運(yùn)營專業(yè)管理水平。另外，I-ECMS實現(xiàn)一體化監(jiān)控以后，檢修人員的維護(hù)工作量也相應(yīng)減少。

5 結(jié)語

垃圾焚燒電廠I-ECMS采用了業(yè)內(nèi)主流的設(shè)計思路，實現(xiàn)了對垃圾焚燒電廠全廠電氣系統(tǒng)的監(jiān)控管理，將廠內(nèi)ECMS與NCS集成，實現(xiàn)全廠電氣設(shè)備一體化監(jiān)控，增強(qiáng)設(shè)備互操作性，節(jié)約了建設(shè)成本，簡化了運(yùn)行維護(hù)工作。另外，采用通信方式實現(xiàn)電氣設(shè)備控制功能，大量節(jié)省了電纜的使用量，并減少了DCS的成本，同時也減少了土建施工成本，其簡潔、高效的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)值得在今后進(jìn)行推廣應(yīng)用。