某2×1000MW電廠用電監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

徐思佳

摘? 要：本文對江西某2×1000MW電廠廠用電監(jiān)控方式的設(shè)計(jì)與應(yīng)用進(jìn)行分析與討論。研究發(fā)現(xiàn)：采用完全現(xiàn)場總線方式接線，減少DCSI/O點(diǎn)，增加通訊信息量，加強(qiáng)電氣軟件功能，提高了自動(dòng)化水平和判斷故障的能力，減少了大量的電纜，使整個(gè)電氣系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)得到全面、及時(shí)有效地監(jiān)控。基于工廠的用電監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)用使工程造價(jià)降低，成本得到了理想的控制。

關(guān)鍵詞：電廠? 用電監(jiān)控? 完全現(xiàn)場總線? 工程造價(jià)

Abstract： This paper analyzes and discusses the design and application of auxiliary power monitoring mode in a 2×1000MW power plant in Jiangxi Province. It is found that DCs can be reduced by using full field bus connection I/o point， increase the amount of communication information， strengthen the function of electrical software， improve the level of automation and the ability of fault diagnosis， reduce a large number of cables， so that the operation status of the entire electrical system can be comprehensively， timely and effectively monitored. The application of the power monitoring system based on the factory reduces the project cost and achieves the ideal control of the cost.

Key Words： Power plant; Electricity monitoring; Complete fieldbus connection; Construction costs

隨著電氣設(shè)備的發(fā)展，其越來越趨近于智能化方向發(fā)展，在這種背景之下，電氣監(jiān)控系統(tǒng)與以往相比其水平得到了快速的提升。迄今為止，現(xiàn)場總線已用于工廠用電能源管理中，基于現(xiàn)場總線技術(shù)的廠電控制和監(jiān)控系統(tǒng)（Electrical control and management system in power plants）實(shí)質(zhì)上是當(dāng)前電廠設(shè)計(jì)的關(guān)鍵組成部分[1-4]。

在集控室中設(shè)置一個(gè)模擬的硬手動(dòng)監(jiān)控盤，該盤比較擁擠，到處都是控制的開關(guān)，狀態(tài)顯示，測量儀器和光報(bào)警器等，并且有許多電氣二次分離元件，接線以及維修和保養(yǎng)需要大量的時(shí)間。從1990年代中期開始，它被快速發(fā)展的DCS電廠取代。在電氣運(yùn)用DCS后，將運(yùn)用I / O硬接線連接，并且現(xiàn)場仍使用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。DCS一般應(yīng)用于機(jī)、爐方面對其進(jìn)行控制，它在操作方面并不復(fù)雜，可是它對于信息的收集方面則不是十分的到理想，另外，由于電氣和熱控之間還有著很多的不同，二者之間的差異導(dǎo)致了很多的矛盾存在。在1990年代中后期，電廠升壓站開始開發(fā)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)，然后成功地使用了現(xiàn)場總線和智能I / O和控制工具[5-6]。智能I / O可以完成交流采樣，從而使現(xiàn)場設(shè)備的配置減少;計(jì)算機(jī)邏輯的操作簡化了二次回路的接線，同時(shí)充分考慮了電氣控制系統(tǒng)的特性，并使系統(tǒng)的操作和結(jié)構(gòu)變得更加的合理化。結(jié)果，不僅在設(shè)計(jì)方面而且在電氣智能化設(shè)備中都通過電氣監(jiān)控實(shí)現(xiàn)了快速的發(fā)展。自2000年示范電廠提出將現(xiàn)場總線運(yùn)用于廠用電監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)想，到目前多個(gè)電廠的實(shí)施，電氣自動(dòng)化監(jiān)控已越發(fā)體現(xiàn)出其先進(jìn)性和經(jīng)濟(jì)性，成為集保護(hù)、控制、數(shù)據(jù)采集、報(bào)警、邏輯編程、故障自診斷、信息管理、設(shè)備管理、自動(dòng)抄表、仿真培訓(xùn)等功能于一體的現(xiàn)代化電氣監(jiān)控系統(tǒng)[7-8]。

本文結(jié)合在電氣納入DCS，升壓站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)以及現(xiàn)場總線在電氣控制設(shè)計(jì)中應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)，提出適用于大唐國際江西撫州電廠廠用電監(jiān)控系統(tǒng)的方案。

1? 電氣設(shè)備的監(jiān)控范圍

電氣設(shè)備的監(jiān)控范圍方面從其對象來看，主要有以下幾方面（1）發(fā)電機(jī)變壓器;（2）備用電源等等。

2? 廠用電監(jiān)控管理系統(tǒng)控制方式

熱工系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)的自動(dòng)化水平能夠很好的反映電廠監(jiān)控管理系統(tǒng)的效率，同時(shí)也能夠反映出其是否安全的運(yùn)作，可以說電力監(jiān)控系統(tǒng)的控制水平有利于機(jī)組的正常安全運(yùn)行。當(dāng)前，發(fā)電廠電氣系統(tǒng)在分散控制系統(tǒng)（稱為DCS）下運(yùn)行，該設(shè)施是一種新的管理系統(tǒng)，已在電廠中得到廣泛使用，顯著提高了可靠性和經(jīng)濟(jì)性，使自動(dòng)化和控制水平都得到了明顯的提升。

目前，大容量機(jī)組電氣在6kV廠用配電裝置內(nèi)布置有廠用電綜合測量監(jiān)控保護(hù)裝置;在400V廠用配電裝置布置有：智能型斷路器，智能型馬達(dá)控制器，微機(jī)型監(jiān)控單元等。上述安裝于開關(guān)柜內(nèi)的智能設(shè)備系統(tǒng)稱為智能終端裝置（ST）。

以上的種種設(shè)備都屬于保護(hù)，監(jiān)控等設(shè)備，它們能夠?qū)崿F(xiàn)對于回路的監(jiān)控。當(dāng)前，將廠用電源運(yùn)用到DCS系統(tǒng)中非常依賴硬接線和DCS的鏈接，缺乏主動(dòng)性。無法充分利用這些設(shè)備的測量、監(jiān)控和通信功能影響了DCS監(jiān)控中電氣系統(tǒng)的納入過程。因此，改善這些設(shè)備與DCS之間的通信水平將直接影響電廠管理水平、安全性和經(jīng)濟(jì)性[9-10]。

當(dāng)前，現(xiàn)場總線（FB）的運(yùn)用以及終端智能系統(tǒng)（ST）技術(shù)的使用大大的提升了微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的功能，使其可靠性以及經(jīng)濟(jì)性方面都有了不小的上升。

2.1 硬接線和現(xiàn)場總線相結(jié)合的方式

每個(gè)機(jī)組配備基于現(xiàn)場總線技術(shù)的電氣廠用電監(jiān)控系統(tǒng)。站控制層配有工程師站、通信層網(wǎng)絡(luò)使雙以太網(wǎng)，機(jī)組和6kV廠房系統(tǒng)是雙網(wǎng)冗余配置，而400V系統(tǒng)是雙網(wǎng)絡(luò)配置。單元通信控制器機(jī)器通過網(wǎng)絡(luò)端口連接DCS。公用系統(tǒng)站控制層獨(dú)立于網(wǎng)絡(luò)，它通過網(wǎng)關(guān)連接到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1和2，工程師站是共享的，它僅接受使用軟件和硬件閉鎖方法的一臺機(jī)組控制系統(tǒng)的操作。

間隔層采用了強(qiáng)大的微機(jī)廠電測控管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成了安全性，測量，計(jì)量，控制和通信功能于一體，將電流信號輸出與各種保護(hù)和控制設(shè)備，功率測量信號以及設(shè)備反饋狀態(tài)以及保護(hù)動(dòng)作、控制命令和預(yù)報(bào)信號通過通信控制系統(tǒng)直接連接到DCS系統(tǒng)，而存儲保留命令通過硬接線的方式連接到DCS系統(tǒng)模塊，即通過“硬接線+通訊”系統(tǒng)連接DCS系統(tǒng)。圖1顯示了廠用電監(jiān)控管理的網(wǎng)絡(luò)配置圖。

在6kV系統(tǒng)和380V系統(tǒng)上的大于75kW的回路中，此設(shè)計(jì)方案的保護(hù)回路和操作回路與綜合安全測控設(shè)備綜合在一起，并集成了安全信號和測控設(shè)備，例如反應(yīng)回路開關(guān)狀態(tài)和遠(yuǎn)方就地/操作狀態(tài)等。安全連接測量并控制當(dāng)前設(shè)備反饋狀態(tài)，功率測量狀態(tài)，報(bào)告狀態(tài)，位置，安全性和每個(gè)設(shè)備上的預(yù)測信號等，通過通訊方式在DCS或PLC系統(tǒng)的DO和DI模塊中順序連接維護(hù)操作回路的斷路器。設(shè)置綜合保護(hù)測控也可以接受DCS發(fā)出的用于驅(qū)動(dòng)相關(guān)斷路器的管理命令。各個(gè)回路與DCS或PLC系統(tǒng)之間轉(zhuǎn)換的信息包括：回路電流、回路電能、回路有功功率等等。

在380V系統(tǒng)上的小于75kW的回路中，此設(shè)計(jì)方案的保護(hù)回路和操作回路與綜合安全測控設(shè)備綜合在一起，操作指令與智能電機(jī)控制裝置的端口是相連的，同時(shí)接觸器的狀態(tài)可以控制開關(guān)量對于智能馬達(dá)的輸入情況;DCS能夠?qū)τ诨芈返慕佑|器發(fā)生相應(yīng)的控制指令進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對它的控制。保留操作指令能夠?qū)CS系統(tǒng)DO模件相連接。每個(gè)回路與DCS或PLC系統(tǒng)之間存在包括回路電流等的交換信息。

發(fā)變組主要對DCS中起到監(jiān)控的作用，它采用的方法是運(yùn)用了硬接線方法，也運(yùn)用了通訊的方式;分隔開關(guān)，接地刀位置信號等是通過DCS進(jìn)行鏈接以外，單擊并允許長距離操作信號，所有高科技安裝信號其他電子設(shè)備直接來自DCS，例如變壓器組及起備變保護(hù)，AVR，廠用電快速切換等都配備了通信接口，并由多串口通信服務(wù)器接入ECMS系統(tǒng)。數(shù)據(jù)由ECMS處理和過濾，然后通過通信接口發(fā)送到DCS。上述設(shè)備的以下功能通過硬線連接到DCS：AVR，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和廠用電快切裝置參與邏輯控制信號和警報(bào)信號。

如此以來，僅將配電回路中設(shè)置保護(hù)測控控制設(shè)備或智能綜合保護(hù)，系統(tǒng)接線少，存儲負(fù)載輕，并且模塊化設(shè)計(jì)提高了回路的安全性和可靠性。利用與DCS或PLC系統(tǒng)進(jìn)行通信，使PI，AI，DI模塊得以減少。每個(gè)回路能夠?qū)崿F(xiàn)獨(dú)立于的相關(guān)的操作，同時(shí)能夠保障不限制電氣信息的交換。保留操作指令硬結(jié)線，使整個(gè)電氣系統(tǒng)不僅可靠性高，而且形成了一個(gè)完整的系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)畫面顯示、報(bào)表生成、事件記錄、報(bào)警、事故追憶和分析、故障信息管理、設(shè)備管理等高級應(yīng)用功能。性價(jià)比和自動(dòng)化程度高，自動(dòng)化程度與熱工專業(yè)協(xié)調(diào)。

當(dāng)前，我國有許多發(fā)電廠在DCS的控制下將硬接線和現(xiàn)場總線結(jié)合起來使用，例如山西河曲電廠，華能沁北發(fā)電有限公司1號等。

2.2 以電氣廠用電監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控所有電氣設(shè)備

現(xiàn)場級信息系統(tǒng)（即ECMS）中廠用電動(dòng)機(jī)和保安電源的控制同于2.1。二者之間的差異在于廠用的電源系統(tǒng)（除安全電源）ECMS用于監(jiān)控。操作員的輔助操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)和DCS性能工作站集中在中央控制室中。

由DCS對發(fā)變組進(jìn)行監(jiān)控，并可以由電源管理工廠進(jìn)行監(jiān)控。DCS之間的少量通信和通信仍然很困難。其他所有電監(jiān)控信號通過通信設(shè)備轉(zhuǎn)交給廠用電監(jiān)控系統(tǒng);所有電氣設(shè)備都連接到電廠監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行檢查，所有硬線均取消。在機(jī)爐電動(dòng)機(jī)中，由于它與熱工系統(tǒng)組件密切相關(guān)并且必須在DCS中進(jìn)行監(jiān)控，因此與機(jī)、爐邏輯相關(guān)的信息通過硬線連接到DCS配置，其他電氣控制信息通過現(xiàn)場總線連接到ECMS。

2.3 硬接線方式

6kV系統(tǒng)和380V系統(tǒng)上大于75kW的回路，這部分回路主要對繼電器，按鈕等比較依賴。它由諸如開關(guān)點(diǎn)之類的分立組件組成，并配有電流表和電流變送器以測量回路。測量主要采用二次測量方法，將4～20mA輸出電流以硬接線形式連接到DCS系統(tǒng)的AI模塊，帶脈沖輸出的電度表進(jìn)行計(jì)量，將脈沖輸出信號，以硬接線形式連接到DCS系統(tǒng)的AI模塊;控制信號，線圈監(jiān)視采用常規(guī)的方法，包括通過硬線連接到DCS系統(tǒng)的每個(gè)設(shè)備的控制指令和反饋狀態(tài)，位置，保護(hù)和預(yù)測信號等。

380V系統(tǒng)中小于75kW的I類II類電動(dòng)機(jī)回路其組成部分主要有繼電器等分立元器件。電流表和電流變送器形成了測量回路。采用二次測量方法。4～20mA電流信號通過硬電線連接到DCS系統(tǒng)的AI模件?？刂坪蜏y量回路采用原始模式，控制系統(tǒng)和返回信息，并且該功能通過線束集成到DCS系統(tǒng)的DO和DI模型中。每個(gè)電路與DCS或PLC系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)連接包括：回路電流，觸點(diǎn)常開位置等。

電源和開關(guān)保護(hù)設(shè)備，AVR，直流系統(tǒng)，UPS等直接連接到DCS的設(shè)備的連接;所有設(shè)備均由DCS數(shù)字輸出控制，并且設(shè)備被強(qiáng)制逐一控制。

這樣，保護(hù)裝置、電流變送器、電度表、按鈕、信號燈、電阻器、開關(guān)等包含在配電回路中，分立元器件很多，并且需要大量控制電纜和DCS或PLC系統(tǒng)連接，DCS或PLC需要多個(gè)PI，AI，DO，DI模塊。每個(gè)電路都獨(dú)立于DCS或PLC系統(tǒng)與，電氣系統(tǒng)無統(tǒng)一。整個(gè)系統(tǒng)由控制電纜組成，該系統(tǒng)需要大量的維護(hù)，安全性和可靠性比較差，并且需要很高的投資成本，例如抄表、定值管理等。它們必須手工操作，并且自動(dòng)化級別很低。該方案是將廠用電系統(tǒng)引入DCS控制時(shí)在初期中使用最廣泛的方案。該方案在九江電力三期和貴溪電二期擴(kuò)建等工程使用。

3? 廠用電監(jiān)控管理系統(tǒng)控制方式對比研究

3.1 技術(shù)方案

方案一是將硬接線和現(xiàn)場總線二者結(jié)合的方案，每個(gè)回路具有一些獨(dú)立的元件，這些元件數(shù)量不多，通過硬接線的方式與DCS的信息交換少。廠用電監(jiān)控管理系統(tǒng)范圍廣泛，自動(dòng)化程度很高。通常，并不需要大量維護(hù)，安全性和可靠性高，投資成本低。

在第二種方案當(dāng)中，每個(gè)回路具有一些獨(dú)立功能的元件比較少，通過硬接線的方式與DCS的信息交換少，少量DCS卡件。廠用電監(jiān)控管理系統(tǒng)范圍廣泛，自動(dòng)化程度高。通常，并不需要大量維護(hù)，投資成本低，對于通訊設(shè)備的可靠性方面有著比較高的要求。

方案三硬接線方式中，每個(gè)回路具有一些獨(dú)立的元件，數(shù)量比較多，通過硬接線的方式與DCS的信息交換細(xì)多，DCS卡件多。而且，沒有一個(gè)整體的機(jī)組管理系統(tǒng)，自動(dòng)化程度低。平時(shí)檢修維護(hù)量較大，安全可靠性較差，投資成本較高。該方案優(yōu)點(diǎn)是速度響應(yīng)快，運(yùn)行維護(hù)方便，控制站的防護(hù)等級低。由于DCS最初是基于機(jī)、爐的控制特點(diǎn)設(shè)計(jì)的，而電氣系統(tǒng)的控制管理功能與機(jī)、爐有著較大的區(qū)別。由于DCS系統(tǒng)I/O點(diǎn)數(shù)的限制，不可能將所有電氣信息量送入DCS，DCS只能完成基本的監(jiān)控功能，而且在監(jiān)控軟件上，也不能完全滿足電氣系統(tǒng)監(jiān)控的要求。

經(jīng)過調(diào)研，國外的大型電廠中一般采用方案二完全現(xiàn)場總線方式。目前已有60萬發(fā)電廠投運(yùn)經(jīng)驗(yàn)。但是如果運(yùn)用此方法，需要將現(xiàn)場總線通信的可靠性作為該方案的前提。從技術(shù)方面來看，本次主要選用了方案二。

3.2 經(jīng)濟(jì)性研究

采用廠用電監(jiān)控系統(tǒng)后，效益比較大致可有以下幾點(diǎn)：

（1）從統(tǒng)計(jì)上講，與常規(guī)（方案3，下同）相比，電氣系統(tǒng)的DCS中的I / O點(diǎn)數(shù)量可以減少1/2（同時(shí)減少相應(yīng)的控制電纜和橋架的數(shù)量）[11-12]。

（2）計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)比常規(guī)做法在信息量的獲得方面是增加的，總體上增了三分之一，使自動(dòng)化水平得到一定程度上的提高。

（3）將電度計(jì)量管理納入了廠用電監(jiān)控系統(tǒng)后減去了常規(guī)的電度管理系統(tǒng)。

（4）減少了發(fā)電機(jī)組，中央開關(guān)和低壓開關(guān)柜中的電流，功率，電度等。

方案1和方案2使用基于現(xiàn)場總線技術(shù)的廠用電監(jiān)控系統(tǒng)，DCS I / O模塊和常規(guī)控制信號控制電纜以及相關(guān)的電纜結(jié)構(gòu)和安裝成本大大降低，經(jīng)濟(jì)效果非常明顯。

因此，廠用電自動(dòng)化水平越來越高，相關(guān)于ECMS組網(wǎng)方式基礎(chǔ)設(shè)備也減少了相應(yīng)的投資費(fèi)用，管理和維護(hù)人員的工作也大大減輕，相關(guān)的維護(hù)費(fèi)用也得到節(jié)省，維護(hù)成本大大降低，效益得到了顯著的提高。

4? 結(jié)語

在技術(shù)領(lǐng)域和經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域，現(xiàn)場總線技術(shù)組網(wǎng)方案顯然都比硬結(jié)線方案好。完全現(xiàn)場總線方式技術(shù)先進(jìn)，可減少二次線獨(dú)立分離元件，簡化接線，減少DCS I/O點(diǎn)，減少了大量的電纜，經(jīng)濟(jì)上投資節(jié)省，維護(hù)工作量少。采用此方式，可極大地豐富電氣設(shè)備的監(jiān)控信息量，使整個(gè)電氣系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)得到全面、及時(shí)有效地監(jiān)控，而且在異常運(yùn)行、事故情況下，能及時(shí)地提供顯示保護(hù)、設(shè)備各種異常、事故的有關(guān)數(shù)據(jù)和狀態(tài)，提高運(yùn)行人員對異常、事故判斷及處理的及時(shí)性、準(zhǔn)確性。提高整個(gè)電氣系統(tǒng)的運(yùn)行管理水平，提升電廠在發(fā)電市場上的競爭能力。

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