中石化上海高橋分公司動力中心發(fā)電廠電氣自動化改造構(gòu)思

趙 森

（上海高橋捷派克石化工程建設(shè)有限公司，上海 200137）

1 電氣自動化改造的必要性

中石化上海高橋分公司動力中心發(fā)電廠現(xiàn)有設(shè)備是1988年前后安裝投運(yùn)的，其中各臺機(jī)爐的DCS控制改造均已完成，而全廠的電氣部分卻仍然保留著最初的測控模式。日常的開停機(jī)、電源控制、狀態(tài)監(jiān)測、故障判斷及數(shù)據(jù)分析等工作全靠人為進(jìn)行，效率不高；同時全廠110kV與35kV母差保護(hù)、發(fā)電機(jī)支接保護(hù)、6kV與380V備用電源保護(hù)及自切裝置皆為1988年安裝的電磁型繼電器，電氣測控屏、聲光報警裝置（預(yù)告信號、事故信號等）的部分備品備件已無法采購；而發(fā)變組保護(hù)、110kV與35kV線路保護(hù)、廠變與外圍變保護(hù)于1998年至2002年進(jìn)行微機(jī)保護(hù)改造，目前該批設(shè)備也已運(yùn)行10年，已進(jìn)入高橋公司規(guī)定的電氣關(guān)鍵易損件的預(yù)防性更換周期。為動力中心發(fā)電廠更安全經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行，提高在發(fā)電市場的競爭力，打造高橋公司真正安全可靠的動力中心，發(fā)電廠電氣自動化改造勢在必行。

發(fā)電廠電氣自動化系統(tǒng)，簡稱EFCS或ECS，是發(fā)電廠自動化領(lǐng)域近年來興起的一個新的熱點。發(fā)電廠電氣自動化系統(tǒng)的功能是以監(jiān)視控制設(shè)備為主,實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換信號反饋為輔助功能的系統(tǒng)，在監(jiān)控設(shè)備過程中，以主接線圖、曲線等形式測量設(shè)備的數(shù)據(jù)信息與運(yùn)行狀態(tài)，并且可以及時上報設(shè)備的警告信號，動作事件異常等情況，這樣可以避免危險情況與操作失誤的發(fā)生。電氣自動化系統(tǒng)還能夠提供出自動抄表、設(shè)備管理、定值管理、故障信息管理、設(shè)備在線診斷等，電氣自動化系統(tǒng)可以很方便的利用工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線技術(shù)組成網(wǎng)絡(luò)，從而實現(xiàn)電廠的信息化管理。這樣通過網(wǎng)絡(luò)和后臺軟件，可以方便實現(xiàn)電氣系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制、故障分析和運(yùn)行管理，能夠大大提高整個發(fā)電廠的自動控制水平和運(yùn)行管理水平。

2 電氣自動化改造涉及設(shè)備考慮

電氣自動化改造的目的是想實現(xiàn)對整個發(fā)電廠的一次主設(shè)備遙測、遙控、遙信、遙調(diào)功能，對二次設(shè)備和輔助設(shè)備實現(xiàn)遠(yuǎn)方的控制和管理功能，從而實現(xiàn)對全部的一次設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視、測量、控制、記錄和報警功能，并與保護(hù)設(shè)備和遠(yuǎn)方控制中心通信，實現(xiàn)電氣系統(tǒng)自動化。為達(dá)到次目的，初步構(gòu)思納入電氣自動化系統(tǒng)改造的主要設(shè)備為以下6大單元。

2.1 110kV 配電裝置

需要遙測高煉1134、高煉1118、銀煉1518、高東1511、高東1512 的三相電流、有功功率和無功功率，110kV 母聯(lián)開關(guān)三相電流，110kV 正、付母線三相電壓；遙控上述斷路器（包括同期功能）；采集上述斷路器及所有閘刀的位置信號，采集上述設(shè)備的保護(hù)動作信號（包括110kV 母差保護(hù)、低周減載保護(hù)）。

2.2 35kV 配電裝置

需要遙測高煤460、高陶461、高化462、高南463、高溝464、高煤465、高南486、高煉466、東農(nóng)3874、高煉468、高環(huán)901、高環(huán)902 的三相電流、有功功率和無功功率，35kV 母聯(lián)及35kV 旁路開關(guān)的三相電流，35kV 正、付母三相電壓；遙控上述斷路器（包括同期功能）；采集上述斷路器及所有閘刀的位置信號，采集上述設(shè)備的保護(hù)動作信號（包括35kV 母差保護(hù)、35kV 小電流接地選線等）。

2.3 發(fā)電機(jī)變壓器（包括勵磁機(jī)）

需要遙測#4—#8 發(fā)電機(jī)的三相電流、有功功率、無功功率、定轉(zhuǎn)子電壓、頻率、勵磁機(jī)和調(diào)節(jié)器電壓電流，備用勵磁機(jī)的電流和調(diào)節(jié)器電壓電流，#4和#8 主變110kV 和35kV 側(cè)的三相電流、有功功率、無功功率、溫度，#5—#7 主變35kV 側(cè)的三相電流、有功功率、無功功率、溫度，廠總變1、3 號廠總變35kV 側(cè)的三相電流、有功功率、無功功率、溫度，2 號廠總變110kV 側(cè)的三相電流、有功功率、無功功率、溫度；遙控上述主變各側(cè)斷路器（包括同期功能）；采集上述主變各斷路器及閘刀的位置信號，采集上述發(fā)變組、勵磁機(jī)、調(diào)節(jié)器、滅磁系統(tǒng)的保護(hù)動作信號并能實現(xiàn)相關(guān)控制功能。

2.4 高低壓廠用電源

需要遙測6kV 四段甲、四段乙、五段、六段、七段、八段進(jìn)線的單相電流、有功功率、母線電壓，6kV 備四段、備五段、備六段、備七段、備八段進(jìn)線的單相電流、母線電壓，380V 四段甲、四段乙、五段、六段、七段、八段進(jìn)線的單相電流、母線電壓，380V 備四段、備五段、備六段、備七段、備八段進(jìn)線的單相電流、母線電壓；遙控上述各斷路器；采集上述各斷路器的位置信號，采集上述各設(shè)備和機(jī)4 支接甲、機(jī)4 支接乙、機(jī)5 支接、機(jī)6 支接、機(jī)7 支接、機(jī)8 支接、廠變4 甲、廠變4 乙、廠變5、廠變6、廠變7、廠變8、廠變01、廠變02 的保護(hù)動作信號，同時考慮6kV 和380V 電源的自合閘改為快切并接入自動化系統(tǒng)工作。

2.5 高低壓外圍電源

需要遙測6kV 空分一段、6kV 空分二段進(jìn)線的單相電流、母線電壓，6kV 空分分段開關(guān)的單相電流，380V 化水一段、化水二段、煤場一段、煤場二段、碼頭一段、碼頭二段、空分一段、空分二段、空分三段、空分四段、除塵一段、除塵二段、雜用段、井外段、冷作段進(jìn)線的單相電流、母線電壓，化水一/二段分段開關(guān)、煤場一/二段分段開關(guān)、碼頭一/二段分段開關(guān)、空分一/二段分段開關(guān)、空分三/四段分段開關(guān)、除塵一/二段分段開關(guān)的單相電流；遙控上述各斷路器；采集上述各斷路器的位置信號，采集上述各設(shè)備和化水變1、化水變2、煤場變1、煤場變2、碼頭變1、碼頭變2、空分變1、空分變2、空分變3、空分變4、除塵變1、除塵變2、雜用變、井外變、冷作變及相應(yīng)備用電源自投裝置的保護(hù)信號。遙測#1、#2、#3 高壓消防泵的電流，遙控各設(shè)備的斷路器。

2.6 直流系統(tǒng)

需要遙測直流母線一段、直流母線二段的電壓、電流；采集直流系統(tǒng)的保護(hù)動作信號，最好能實現(xiàn)對蓄電池組的在線監(jiān)測。

3 電氣自動化改造初步設(shè)想

電氣自動化改造考慮新上一套ECS系統(tǒng)，采用集中控制方式，5臺機(jī)組共用一個集中控制室，放在原電氣主控室。上述所列主要電氣設(shè)備如：發(fā)電機(jī)變壓器（包括勵磁機(jī)）、110kV配電裝置、35kV配電裝置及高低壓廠用電源、高低壓外圍電源、同期系統(tǒng)、直流系統(tǒng)、解列裝置等均納入ECS系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視和控制。ECS系統(tǒng)將代替現(xiàn)有的電氣集中控制室內(nèi)的電氣測控柜，替換后達(dá)到使全廠電氣系統(tǒng)的管理及運(yùn)行更加安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)的目的。

電氣自動化系統(tǒng)采用分層分布式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)分上位機(jī)系統(tǒng)層、通信管理層、現(xiàn)場保護(hù)測控單元層三層。

3.1 上位機(jī)系統(tǒng)層

上位機(jī)系統(tǒng)由數(shù)據(jù)庫服務(wù)器兼運(yùn)行工作站和MΙS、SΙS系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)、操作員站工作及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成，完成對全廠所有電氣系統(tǒng)的模擬量、交流量、開關(guān)量、脈沖量、數(shù)碼量、溫度量、保護(hù)信息等的數(shù)據(jù)采集、計算、判別、報警、保護(hù)，事件順序記錄（SOE），報表統(tǒng)計，曲線分析，并能根據(jù)需要向現(xiàn)場保護(hù)測控單元層發(fā)布命令實現(xiàn)對電氣設(shè)備的控制和調(diào)節(jié)。同時要求此系統(tǒng)的高級應(yīng)用軟件可對電廠進(jìn)行優(yōu)化控制、設(shè)備管理，運(yùn)行管理、定值管理。系統(tǒng)最好采用100M雙以太網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)，各節(jié)點機(jī)功能相對獨立。初步構(gòu)想此系統(tǒng)主要硬件和功能配置要求如下：

1）配置兩臺數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。采用兩臺服務(wù)器作為數(shù)據(jù)庫服務(wù)器冗余工作，單個硬件故障不會引起任何實時數(shù)據(jù)丟失和基本功能失效。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器實現(xiàn)全廠數(shù)據(jù)的采集、處理、記錄，報表等SCADA功能，是整個自動化系統(tǒng)的核心，擔(dān)負(fù)著自動化系統(tǒng)的主要任務(wù)，它將采集來的數(shù)據(jù)進(jìn)行各種處理，建立相應(yīng)的實時數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫，經(jīng)網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)各工作站的各種服務(wù)請求，并接收和響應(yīng)操作員工作站的各類操作命令，通過光纖總線同各功能子站進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，將各子站采集的實時信息處理后，送往工作站，并接收GPS的對時，并同各種智能裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，同時也把實時信息送往調(diào)度系統(tǒng)。

2）配置1臺工程師工作站，供運(yùn)行維護(hù)技術(shù)人員進(jìn)行數(shù)據(jù)庫、界面、報表等修改維護(hù)、以及網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視維護(hù)等功能。

3）配置5臺操作員工作站。5臺操作員工作站作為單元機(jī)組的操作平臺，分別對5臺機(jī)組進(jìn)行監(jiān)控及運(yùn)行管理。

3.2 通信管理層

發(fā)電廠電氣自動化系統(tǒng)共需配置約13臺通信管理單元。6kV每段各配置一臺，與6kV段及380V段的保護(hù)裝置、快切等智能設(shè)備進(jìn)行通信。35kV開關(guān)站就地繼電器室配置1臺通信管理機(jī)，110kV開關(guān)站就地繼電器室配置1臺通信管理機(jī)，電氣主控樓繼電器室配置1臺通信管理機(jī)，與繼電器室內(nèi)的智能設(shè)備進(jìn)行通訊。通信管理單元通過以太網(wǎng)交換機(jī)接入100M雙以太網(wǎng)的ECS系統(tǒng)。

3.3 現(xiàn)場測控層

所有現(xiàn)場的模擬信號、開關(guān)量信號、脈沖信號的采集均由現(xiàn)場測控層安裝的智能裝置完成，通過通信上傳至監(jiān)控系統(tǒng)。

3.4 電氣自動化系統(tǒng)組屏設(shè)想

1）電廠監(jiān)控屏1 面，安裝在電氣主控室繼保室（包括：主備數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、顯示器）。

2）工程師站放在電氣主控室。

3）在35kV 開關(guān)站就地繼電器室的交換機(jī)和1臺通信管理機(jī)可安裝在相應(yīng)的柜內(nèi)。

4）在電氣主控樓繼電器室的交換機(jī)和1 臺通信管理機(jī)可安裝在相應(yīng)的柜內(nèi)。

5）6kV 和380V 交換機(jī)和1 臺通信管理機(jī)可安裝在相應(yīng)的開關(guān)室內(nèi)，而相關(guān)設(shè)備的測控單元均放就地開關(guān)柜內(nèi)。

4 電氣自動化改造難點思考與分析

1）動力中心原設(shè)備過于陳舊，許多電氣一次設(shè)備需要改造，工程量非常大

（1）110 kV 母差保護(hù)用CT、35 kV 母差保護(hù)用CT、發(fā)電機(jī)和變壓器差動保護(hù)用CT、高東1511和高東1512 線路差動保護(hù)用CT 的性能已不能滿足現(xiàn)有差動保護(hù)裝置的要求，必須結(jié)合此次保護(hù)改造進(jìn)行更新。

（2）目前所有隔離開關(guān)均無電動機(jī)構(gòu)，不能遠(yuǎn)程操作。6kV 隔離開關(guān)和發(fā)電機(jī)出口隔離開關(guān)均無輔助接點無法進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)視，需要加裝輔助接點或進(jìn)行徹底改造，35kV 和110kV 隔離開關(guān)輔助接點數(shù)量少已基本上用完，需要改造增加輔助接點。

飼養(yǎng)環(huán)境：山東欣博藥物安全評價研究中心SPF屏障系統(tǒng)，溫度20～26℃，濕度40%～70%，換氣次數(shù)≥15次/h，動物照度15～20 Lx，工作照度≥200 lx，照明時間12 h/12 h明暗交替；實驗動物使用許可證號SYXK（魯）2016‐0011；SPF大小鼠生長繁殖飼料和墊料均購自北京科澳協(xié)力飼料有限公司，各項檢測符合規(guī)定。

（3）110kV 線路計量PT、35 kV 線路計量PT、發(fā)電機(jī)計量PT 已經(jīng)不滿足計量精度要求，需要考慮更新。

（4）目前發(fā)電機(jī)勵磁裝置均無通信接口，操作控制系統(tǒng)中需要有功和無功的調(diào)節(jié)功能。這都需要考慮更新一次設(shè)備，尤其是機(jī)5 和機(jī)6 發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)，采用的仍是KFD-3 調(diào)節(jié)器，該產(chǎn)品也是淘汰產(chǎn)品，備品無法采購，不更新根本無法接入自動化系統(tǒng)。

（5）考慮到廠變6kV 系統(tǒng)增加快切裝置，由于1#、2#廠總變6kV 側(cè)均未裝PT，因此需要加裝兩組6kV PT。同樣道理廠變01、廠變02 380V 側(cè)也需加裝PT，由于無備用倉，也需考慮更換開關(guān)柜。

（6）廠變6kV 開關(guān)室內(nèi)的保護(hù)為早期微機(jī)保護(hù)，無通信接口，且超過了使用壽命，需要更換，但由于更換綜保和增加測控裝置必須對開關(guān)柜面板進(jìn)行更換，工作量大，考慮到這些開關(guān)柜均為GGΙA型開關(guān)柜，為明令淘汰產(chǎn)品，也必須考慮更新，廠變6kV 開關(guān)室內(nèi)新上自動化系統(tǒng)需結(jié)合開關(guān)柜改造進(jìn)行，改造工作量非常大。

2）動力中心原二次設(shè)備陳舊，幾乎所有繼電保護(hù)裝置都需更換，涉及面非常廣

（1）全廠設(shè)備只有1#、2#廠總變的保護(hù)、脫硫6kV 開關(guān)室內(nèi)的保護(hù)、空分6kV 開關(guān)室內(nèi)的保護(hù)為近年投入的微機(jī)保護(hù)，原則上可考慮不更換，但測控單元需要增加。其余上百套繼電保護(hù)均需要改造，幾乎涉及全廠所有重要設(shè)備，涉及面非常廣，施工難度極大。

（2）5#、6#、7#主變壓器需要增加倒帶微機(jī)保護(hù)，即發(fā)電機(jī)停運(yùn)，變壓器作為降壓變壓器帶6kV母線時的保護(hù)。

（4）110kV、35kV、6kV、380V 所有壓變需增加測控和保護(hù)單元。

（5）所有380V 設(shè)備保護(hù)均無通信借口，需改造，而且原多為斷路器自帶保護(hù)，可能要更新開關(guān)。

3）改造涉及許多公用系統(tǒng)，風(fēng)險非常大

（1）110kV 母差、35kV 母差保護(hù)原均為電磁型保護(hù)，此次自動化系統(tǒng)改造需將其改為微機(jī)保護(hù)，改造時設(shè)備不可能同時停，一旦接錯線或動作試驗錯誤，會導(dǎo)致全廠停電，后果嚴(yán)重。

（2）6kV 電源、380V 母線備用電源自合閘回路，原來是采用廠高備變、廠低備變單向自合閘的方式來實現(xiàn)的，所有母線備用電源的控制回路公用一套回路，接線錯誤或調(diào)試不當(dāng)，會導(dǎo)致其他母線誤失電，容易導(dǎo)致鍋爐熄火或發(fā)電機(jī)跳機(jī)，風(fēng)險很大。

（3）原同期回路是按照典型的集中同期的方式設(shè)計的，全廠只有一套準(zhǔn)同期回路，各個同期點通過各自控制屏（臺）上的同期開關(guān)的切換來實現(xiàn)，涉及幾乎所有110kV 線路、35kV 線路和發(fā)電機(jī)組，改造時要做到不影響其他設(shè)備，需考慮好施工方案，可考慮配備兩臺同期裝置。

（4）考慮到此次電氣系統(tǒng)綜合自動化改造是在原有設(shè)備上進(jìn)行改造，設(shè)備是邊運(yùn)行，邊進(jìn)行改造，在改造中現(xiàn)有的保護(hù)屏、操作屏和模擬屏不能先拆除，因此新的保護(hù)屏和模擬屏如何安裝，需考慮切實可行的改造方案。

4）改造幾乎涉及全廠設(shè)備，工期跨度大

改造工作需結(jié)合鍋爐大修、發(fā)電機(jī)組大修、110kV 線路大修、35kV 線路大修等同步進(jìn)行，施工估計要跨越兩到三年，工期很長，對施工、對新舊兩套設(shè)備的特殊情況運(yùn)行都是一個考驗。

5）自動化系統(tǒng)環(huán)境要求高，配電間都需重新整改裝修

為了確保微機(jī)保護(hù)和測控裝置的安全運(yùn)行，110kV 開關(guān)室、35kV 開關(guān)室和6 kV 開關(guān)室必須加裝空調(diào)設(shè)施。110kV 開關(guān)室、35kV 開關(guān)室需準(zhǔn)備房間放置保護(hù)屏和通信設(shè)備，需重新改建。

6）環(huán)丙站自動化系統(tǒng)需要通過通信裝置將信號引至電氣主控室，光纖無敷設(shè)路徑

由于使用時間較長、故障多，本身自動化需要升級，且原載波通信裝置因傳播速度問題無法傳遞圖像，而且現(xiàn)已經(jīng)故障無法通信，需改為光纖通信，但光纜敷設(shè)需經(jīng)過許多廠區(qū)，難度相當(dāng)大，需先考慮好光纖敷設(shè)路徑。

5 結(jié)論

發(fā)電廠電氣自動化系統(tǒng)能進(jìn)一步提高發(fā)電廠自動化水平，能提高電氣設(shè)備運(yùn)行和管理水平，而微機(jī)型的保護(hù)和自動裝置及成熟的通信和現(xiàn)場總線技術(shù)又為實現(xiàn)電廠電氣綜合自動化系統(tǒng)的必要技術(shù)保障，所以說發(fā)電廠電氣自動化改造是發(fā)電廠發(fā)展的必然趨勢。當(dāng)然作為老電廠老設(shè)備的改造，難度和風(fēng)險肯定是存在的。有理由相信只要規(guī)劃得當(dāng)、設(shè)計合理、現(xiàn)場施工組織完備，在老電廠進(jìn)行電氣自動化系統(tǒng)改造是切實可行的，在一次設(shè)備及其輔助設(shè)施做適當(dāng)改造的情況下，發(fā)電廠電氣自動化系統(tǒng)改造一定能全面提高動力中心發(fā)電廠的自動化運(yùn)行和管理水平。

[1] 王遠(yuǎn)璋.變電站綜合自動化[M].北京:中國電力出版社,2004.9.

[2] CCZ-8000 火電廠電氣自動化系統(tǒng)技術(shù)說明書.許繼電氣股份.2006.7.

[3] CSPA-2000 發(fā)電廠電氣自動化系統(tǒng)說明書.北京四方繼保.2004.7.

[4] 曹利敏.火電廠廠用電氣自動化系統(tǒng)(ECS)的現(xiàn)狀和發(fā)展[J].內(nèi)蒙古石油化工,2008(19).