火電廠電氣自動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案及其技術(shù)比較

【摘 要】火力發(fā)電廠中，電氣系統(tǒng)的自動(dòng)化水平，反映了整個(gè)電廠的運(yùn)行管理水平，而電廠用電系統(tǒng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行對(duì)機(jī)組的運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。發(fā)電廠電氣系統(tǒng)主要設(shè)備納入機(jī)組的分散控制系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱DCS）進(jìn)行監(jiān)控，是當(dāng)前火力發(fā)電廠廣泛采用的控制模式，可大大提高機(jī)組運(yùn)行的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。還有很多老廠依靠常規(guī)的儀表、光字牌，采用繼電器、控制開關(guān)及其接點(diǎn)組成的控制邏輯來(lái)實(shí)現(xiàn)。

【關(guān)鍵詞】自動(dòng)控制；用電系統(tǒng)；經(jīng)濟(jì)運(yùn)行；動(dòng)作信號(hào)；數(shù)據(jù)采集；保護(hù)裝置；安全可靠

0 引言

目前，大容量機(jī)組的電氣系統(tǒng)納入DCS監(jiān)控的主要方式為：發(fā)變組保護(hù)、綜合自動(dòng)化裝置、廠用電系統(tǒng)的保護(hù)及自動(dòng)裝置的動(dòng)作情況是通過(guò)各獨(dú)立的裝置動(dòng)作信號(hào)以及電氣設(shè)備的位置狀態(tài)等開關(guān)量作為輸入量（即DO）送至DCS系統(tǒng)：模擬量（如電流、電壓、有功、無(wú)功）通過(guò)電量變送器輸出4-20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)送至DCS系統(tǒng)：DCS的控制命令作為輸出量（即DO）引至電氣設(shè)備，各電氣設(shè)備與DCS系統(tǒng)的聯(lián)系采用硬接線方式，即由電氣設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)用電纜將電氣量信號(hào)一對(duì)一地送至DCS系統(tǒng)的I/O柜上。

然而由于大多數(shù)電廠的DCS系統(tǒng)都側(cè)重于汽機(jī)鍋爐，完成機(jī)組基本的運(yùn)行、控制等功能，對(duì)電氣系統(tǒng)的運(yùn)行監(jiān)控考慮較少，電氣系統(tǒng)的要求在DCS系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)中往往難于全面考慮。因此上述方式存在著較明顯的缺點(diǎn)。

1 電氣系統(tǒng)控制方案比較

隨著火力發(fā)電廠自動(dòng)化水平的不斷提高，電氣系統(tǒng)納入DCS，實(shí)現(xiàn)爐、機(jī)、電一體化監(jiān)控在國(guó)內(nèi)機(jī)組上已從試點(diǎn)進(jìn)入了正常實(shí)施階段，由于國(guó)內(nèi)對(duì)電氣系統(tǒng)監(jiān)控的有關(guān)規(guī)程、規(guī)范還在不斷地修訂完善中，對(duì)電氣系統(tǒng)的控制方式?jīng)]有作統(tǒng)一的規(guī)定，國(guó)內(nèi)各電廠對(duì)電氣系統(tǒng)納入DCS的方式采用了不同的方式，主要有以下三個(gè)方案：

方案1：直接I/O連接方式：

將電氣模擬量和開關(guān)量經(jīng)電纜通過(guò)I/O通道直接接入DCS進(jìn)行組態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電氣設(shè)備的監(jiān)控，即硬接線方式。

方案2：遠(yuǎn)程I/O及分布式I/O連接方式：

遠(yuǎn)程I/O的采集單元一般是在I/O相對(duì)集中的現(xiàn)場(chǎng)安裝I/O機(jī)柜，負(fù)責(zé)采集附近設(shè)備的I/O量，通過(guò)I/O通訊網(wǎng)絡(luò)將數(shù)字化信息傳至DCS。分布式I/O是將采集單元分散安裝在各現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中，通過(guò)總線將分散的I/O連接后送至DCS。具體地說(shuō)，就是利用分散安裝于就地開關(guān)柜的集保護(hù)、測(cè)量、控制、通訊于一體的智能測(cè)控保護(hù)裝置（智能終端模塊），將由10kV、6kV工作段及400V工作（公用）PC段供電的要求集中控制的高低壓電動(dòng)機(jī)，由鍋爐、汽機(jī)及保安MCC供電的要求集中控制的低壓電動(dòng)機(jī)，采用現(xiàn)場(chǎng)總線通過(guò)DCS配置的通訊卡件、通訊切換器和通訊電纜（雙絞線及光纖）直接連接到DCS的過(guò)程控制器。

方案3：智能終端設(shè)備（ST）和現(xiàn)場(chǎng)總線（FB）連接方式：

現(xiàn)場(chǎng)總線（FB）是一種開放全數(shù)字化的、雙向多站的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)該網(wǎng)絡(luò)將智能終端設(shè)備（ST）、主控制計(jì)算機(jī)和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連接起來(lái)。傳輸信息為數(shù)字信號(hào)，可以各個(gè)接點(diǎn)共用一條物理傳輸介質(zhì)。

智能終端設(shè)備（ST）是建立在微電子技術(shù)發(fā)展之上、大規(guī)模集成電路、嵌入式系統(tǒng)，由CPU、存儲(chǔ)器、A/D轉(zhuǎn)換器及I/0回路等集成的設(shè)備，主要由中壓及低壓系統(tǒng)的保護(hù)測(cè)控裝置和自動(dòng)裝置構(gòu)成。這些裝置具有測(cè)量、控制、保護(hù)、信號(hào)、通訊等基本功能，并完成各自獨(dú)立的特殊功能（保護(hù)功能獨(dú)立，在就地完成）。利用智能終端設(shè)備（ST）進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理及邏輯控制等功能，就地可實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的控制、監(jiān)視功能，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)可將處理好的信息上傳至DCS等控制層進(jìn)行監(jiān)控，也能將控制層的指令下達(dá)。這種方式實(shí)現(xiàn)了分散控制，可節(jié)省電纜，同時(shí)提高了信號(hào)轉(zhuǎn)換精度和可靠性，簡(jiǎn)化了二次接線。

具體實(shí)施為：擴(kuò)大用通訊接入DCS的內(nèi)容，增加電氣設(shè)備通過(guò)通訊接入DCS系統(tǒng)，增設(shè)電氣后臺(tái)工作站。用現(xiàn)場(chǎng)總線將這些智能終端設(shè)備及專用裝置的通訊接口連接起來(lái)，通過(guò)通訊管理裝置連接至DCS系統(tǒng)、電氣工作站及電廠MIS系統(tǒng)等，組成一個(gè)分層分布式的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。采用現(xiàn)場(chǎng)總線接入DCS系統(tǒng)的范圍：10kV、6kV工作段及400v工作（公用）PC段廠用電源進(jìn)線、聯(lián)絡(luò)斷路器及饋線，方案2中通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線接入DCS的高低電動(dòng)機(jī)，電氣專用裝置：發(fā)變組保護(hù)、故障錄波、AVR、ATS、ASS等。

考慮到系統(tǒng)的安全性和可靠性，發(fā)變組系統(tǒng)和10kV、6kV廠用電系統(tǒng)的DO及SOE等重要量仍采用“硬接線”方式，380V廠用電系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)的監(jiān)控可以采用全通訊的方式。

2 技術(shù)比較

方案l：為采用常規(guī)的電氣納入DCS系統(tǒng)監(jiān)控的方式，既“硬接線”方式。該方案的缺點(diǎn)如前所述。

方案2：高低壓電動(dòng)機(jī)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線接入DCS，每臺(tái)電動(dòng)機(jī)的智能終端模塊與DCS的聯(lián)系信號(hào)除起動(dòng)/停止指令、運(yùn)行/停止?fàn)顟B(tài)反饋、遙控狀態(tài)、電源監(jiān)視、電流共七個(gè)信號(hào)外，增加了保護(hù)動(dòng)作信號(hào)、設(shè)備故障信號(hào)、設(shè)備起動(dòng)次數(shù)、參數(shù)設(shè)定、累計(jì)運(yùn)行時(shí)間等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備信息，大大豐富了DCS的監(jiān)視內(nèi)容。其中的設(shè)備起動(dòng)次數(shù)、累計(jì)運(yùn)行時(shí)間等信息采集及分析，為提高電廠管理和維護(hù)水平創(chuàng)造了有利條件。

由于智能終端模塊集成了通訊、保護(hù)、二次控制電路等多項(xiàng)功能，其中低壓智能終端模塊還集成了電流互感器，10kV、6kV智能終端模塊還提供故障錄波功能（上位機(jī)支持），采用交流采樣技術(shù)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線接入DCS，節(jié)省了控制電纜，取消了電量變送器及控制用中間繼電器，使電氣開關(guān)柜內(nèi)接線大為簡(jiǎn)化，安裝及設(shè)備制造的工作量比采用常規(guī)的“硬接線”方式大大減少。目前，滿足現(xiàn)場(chǎng)總線要求的智能化的中壓開關(guān)柜及低壓開關(guān)柜得到了廣泛使用。

方案3：整個(gè)系統(tǒng)由三個(gè)功能層構(gòu)成：

第一層：測(cè)控保護(hù)層。

由大量的保護(hù)和自動(dòng)裝置構(gòu)成，主要由分散安裝于就地開關(guān)柜的智能終端裝置、發(fā)變組保護(hù)、AVR、ATS、ASS等組成，保護(hù)功能完全獨(dú)立，利用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，采用光纖或屏蔽雙絞線連接至通信管理層，可以實(shí)現(xiàn)這些裝置的分散監(jiān)控。

第二層：通信管理層

該層將DCS對(duì)測(cè)控保護(hù)層的控制命令，或電氣后臺(tái)工作站發(fā)出的修改定值命令等，下發(fā)至各有關(guān)裝置，同時(shí)，將各裝置上送的信息送至DCS系統(tǒng)或電氣后臺(tái)工作站。通訊管理層具有通信接收、發(fā)送、規(guī)約轉(zhuǎn)換等功能，通訊管理層與上位機(jī)系統(tǒng)連接采用以太網(wǎng)，通訊管理層一般配置前端機(jī)或通訊管理單元，提供12、16個(gè)通訊接口。

第三層：上位機(jī)系統(tǒng)

包括DCS系統(tǒng)和電氣后臺(tái)工作站系統(tǒng)。電氣后臺(tái)工作站系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)電氣系統(tǒng)設(shè)備的管理維護(hù)、電能計(jì)量、故障錄波和保護(hù)定值修改及下達(dá)等工作，由DCS系統(tǒng)來(lái)完成畫面顯示、報(bào)表生成、打印、控制、事件記錄報(bào)警等。

根據(jù)上述要求，提出如下系統(tǒng)組成方式：現(xiàn)場(chǎng)總線分別與10kV、6kV及400V智能終端設(shè)備相連，并通過(guò)通訊管理層與上位機(jī)系統(tǒng)相連，對(duì)于一些比較成熟的專用裝置，如AVR、ASS、發(fā)變組保護(hù)、故障錄波、廠用電源自動(dòng)切換裝置仍采用獨(dú)立的專用產(chǎn)品，也通過(guò)管理層與上位機(jī)系統(tǒng)相連，在電氣后臺(tái)工作站及DCS的CRT上對(duì)以上系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視及控制。該方案結(jié)構(gòu)清晰，靈活，可分階段實(shí)施，擴(kuò)充方便。系統(tǒng)的監(jiān)控管理層采用雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)可靠性高，根據(jù)系統(tǒng)情況，既可以由通訊管理層直接與DCS通訊，也可以直接通過(guò)以太網(wǎng)與DCS通訊。通過(guò)備用主機(jī)的通訊卡系統(tǒng)還可與電廠MIS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信息交換。

4 結(jié)束語(yǔ)

總之，未來(lái)，符合現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中植入具有控制器功能的控制模塊，并以符合某種現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的通訊方式與DCS相聯(lián)接的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)是工程設(shè)計(jì)上的突破點(diǎn)，也是目前國(guó)內(nèi)外在工程設(shè)計(jì)上探討的希望能廣泛應(yīng)用的真正的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)方案。

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[責(zé)任編輯：劉帥](méi)