電廠電氣自動化系統(tǒng)管理及通信技術

王建凱

（山東黃金電力有限公司，山東 萊州 261400）

0 引 言

隨著工業(yè)水平的不斷提升，電力行業(yè)的各項技術取得了明顯的進步[1]。近年來，發(fā)電廠內逐漸建設了分散控制系統(tǒng)（Distributed Control System，DCS）作為機組運行的主要控制系統(tǒng)，并且已經(jīng)逐步取代了一對一的手工操作方式[2]。DCS具備完備的控制技術，可以實現(xiàn)機組內各類參數(shù)計算、順序控制以及實時預警等功能，為保障發(fā)電機組的正常運行提供了重要的技術支撐[3]。發(fā)電廠發(fā)電過程中，電氣設備起到了至關重要的作用。傳統(tǒng)的設備均是通過繼電器的元器件邏輯來予以實現(xiàn)，基本采用手工方式進行操作[4]。隨著DCS軟件的不斷優(yōu)化，在DCS中可以嘗試開展對部分電氣設備的控制，從而形成完備的子系統(tǒng)，即電氣控制系統(tǒng)（Electric Control System，ECS）[5]。要想實現(xiàn)發(fā)電廠自動化水平的提升，應該先對發(fā)電廠的基本結構進行了解。從發(fā)電廠的基本組成來講，主要分為500 kV發(fā)電系統(tǒng)、高低壓廠用電系統(tǒng)以及發(fā)變組系統(tǒng)3部分[6]。由于500 kV發(fā)電系統(tǒng)的相關硬件邏輯比較復雜，并且對于其開展保護的相關技術已經(jīng)比較成熟，因此不再討論[7]。ECS系統(tǒng)能夠與管理信息系統(tǒng)（Management Information System，MIS）等相關系統(tǒng)進行集成，接收各類調度的相關指令，為安全生產(chǎn)和提質增效提供保障[8]。

1 電氣自動化控制系統(tǒng)

電氣自動化控制系統(tǒng)從本質上講是一體化的信息綜合管理系統(tǒng)，其主要采用計算機控制、測量等先進技術實現(xiàn)對電氣系統(tǒng)設計、故障分析等的統(tǒng)籌管理。電廠電氣自動化系統(tǒng)不但強化了電氣自動化管理過程中各類先進技術的使用，而且還能實現(xiàn)與電廠各類外圍系統(tǒng)的緊密關聯(lián)[9]。

1.1 ECS的基本特點

電氣控制業(yè)務對于控制系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性要求較高，在控制過程中不但要實現(xiàn)電氣設備的自動啟動和停止，還能實現(xiàn)設備運行過程中相關異常的顯示，例如事故狀態(tài)的感知和預測等[10-12]。電氣控制系統(tǒng)中的設備相對比較少，設備在正常運行的條件下無需對其進行頻繁啟停，對其操作的頻率一般為一月一次。電氣設備的保護過程中要求動作的速度一定要快，并且可靠性較高。一旦發(fā)電機組出現(xiàn)問題，應該第一時間對其提供保護，保護動作執(zhí)行一般應該在40 ms內完成。電壓的自動調整過程中，要求快速勵磁裝置的執(zhí)行周期非常短。廠用電快速切換裝置的切換時間一般為60～80 ms，其相位差應該控制在5°～ 20°[13]。

對于300 MW以上的機組，在ECS控制過程中應該始終保障每時每刻都有一臺備用機組能夠支撐發(fā)電運轉，以確保任何一臺機組的檢修都不會影響另外一臺機組的正常運轉。電氣系統(tǒng)對于電氣設備的控制邏輯比較簡單，但是電氣設備內部的控制邏輯相對比較復雜，一般采用分層設置的方式。系統(tǒng)內部的數(shù)據(jù)大多以折線圖、曲線圖等不同的方式展示，可以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)狀態(tài)的監(jiān)視和控制。

1.2 ECS功能

將發(fā)電機和變壓器組均納入控制系統(tǒng)中進行控制，由全國通信系統(tǒng)（National Communications System，NCS）實現(xiàn)對500 kV斷路器的監(jiān)控，實現(xiàn)發(fā)電機和變壓器組系統(tǒng)保護、勵磁保護以及變壓器的風冷保護控制等[14]。做好柴油發(fā)電機組控制工作，事先自動準同期和并網(wǎng)等。為了提升發(fā)電機組的控制水平，ECS系統(tǒng)需要實現(xiàn)對自動發(fā)電的控制。自動發(fā)電控制技術能夠快速接收各類參數(shù)和指令，實現(xiàn)對系統(tǒng)級別的分析，同時提升系統(tǒng)對于調頻的控制能力[15]。如今各大發(fā)電廠的抄表工作都是由人工完成，個別電廠已經(jīng)配備了自動抄表系統(tǒng)，采用測控裝置記錄脈沖信號，實時統(tǒng)計各類電量，從而實現(xiàn)對電廠的能耗分析，為運營方式的改變提供基礎數(shù)據(jù)支撐。

除此之外，ECS還需要實現(xiàn)對電氣設備的管理，包括電氣設備日常保養(yǎng)、管理自動裝置的各類臺賬和檔案以及統(tǒng)計分析設備的運行情況和動作情況等。以上信息可與MIS和廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)（Supervisory Information System，SIS）系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)集成，補充安全生產(chǎn)和高效運營對于以上兩個方面數(shù)據(jù)的要求。借助故障診斷技術，根據(jù)發(fā)電機的實時數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對發(fā)電機不同類型狀態(tài)的診斷，依據(jù)電機電流波形的情況為檢修工作人員提供數(shù)據(jù)支撐，從而提升檢修運維的基本效率。

2 電廠電氣自動化系統(tǒng)中的通信技術

隨著網(wǎng)絡通信技術的不斷發(fā)展，電廠電氣系統(tǒng)經(jīng)歷了串行通信到現(xiàn)場總線通信的過程。現(xiàn)場通信技術的優(yōu)勢明顯，解決了串行通信應用過程中暴露出的各類問題，例如通信速率低、無法在通信網(wǎng)絡中設置多個類似主機等。隨著生產(chǎn)訂單的不斷增多，生產(chǎn)現(xiàn)場對于自動化技術的要求不斷提升，現(xiàn)場總線也無法滿足自動化生產(chǎn)的基本需求。當系統(tǒng)的通信節(jié)點數(shù)量超出額定范圍時，系統(tǒng)對于數(shù)據(jù)采集的反應速度已經(jīng)無法滿足自動化生產(chǎn)的基本要求。同時，在網(wǎng)絡拓撲結構中，任何節(jié)點都可能導致全部信息化系統(tǒng)的崩潰。

根據(jù)通信技術的基本要求，在網(wǎng)絡傳輸過程中綜合使用雙絞線和光纖等不同形式的通信媒介進行數(shù)據(jù)的傳輸。在以太網(wǎng)中用于通信傳輸?shù)募€器存在不同的沖突區(qū)域，這樣會對系統(tǒng)的響應效率造成很大程度的影響，在未來以太網(wǎng)能夠滿足電廠電氣系統(tǒng)通信過程中實時傳輸?shù)幕疽?。以太網(wǎng)傳輸過程中的標準協(xié)議，例如IEEE 802.3等協(xié)議對外開放且支持共享。隨著通信應用場景的不斷增加，目前全世界范圍內的通信工具大多使用以太網(wǎng)作為傳輸載體。在環(huán)網(wǎng)中，單環(huán)網(wǎng)絡中的任何一個節(jié)點發(fā)生問題都不會對整個通信網(wǎng)絡造成影響，實現(xiàn)了對通信網(wǎng)絡的全面優(yōu)化。運用分層布局技術獲取的數(shù)據(jù)具有分散性，且智能電子設備（Intelligent Electronic Device，IED）與通信網(wǎng)絡相連接，分層分布的遠程終端單元（Remote Terminal Unit，RTU）不承擔數(shù)據(jù)的采集和數(shù)據(jù)的輸入、輸出，主要用于數(shù)據(jù)的規(guī)約轉換，提升了數(shù)據(jù)管理能力。

3 結 論

隨著工業(yè)生產(chǎn)水平的不斷提升，電氣設備在發(fā)電廠建設過程中發(fā)揮著越來越重要的作用。傳統(tǒng)的電氣設備控制技術均是借助硬件技術來實現(xiàn)，操作上也基本是采用手工方式進行處理。隨著DCS系統(tǒng)建設的不斷完善，需要加大力度建設ECS系統(tǒng)。和硬件相比，軟件通信方式在具體通信環(huán)節(jié)中的可靠性還存在一定的提升空間。由于ECS節(jié)點設備分散，并且不同機組均采用分期建設的方式，對系統(tǒng)后期的兼容性和售后服務方面提出了更高的要求。不同廠家的產(chǎn)品質量不盡相同，影響了ECS的最終應用效果。隨著數(shù)字化和自動化技術的不斷發(fā)展，未來研究應該聚焦于電廠發(fā)電設備的自動化，逐步淘汰各類不適應的自動化設備，從而提升電廠的整體自動化水平。