火力發(fā)電廠電氣控制系統(tǒng)中現(xiàn)場總線技術的應用

賀　斌　周　康

（中國電力工程顧問集團中南電力設計院有限公司）

火力發(fā)電廠電氣控制系統(tǒng)中現(xiàn)場總線技術的應用

賀斌周康

（中國電力工程顧問集團中南電力設計院有限公司）

近年來，自動化技術在火力發(fā)電廠管理中得到了廣泛的應用，這極大地推動了我國火力發(fā)電廠管理和控制一體化的發(fā)展。其中，現(xiàn)場總線技術功不可沒。 本文分析了現(xiàn)場總線技術的特點和優(yōu)勢，以及其在火力發(fā)電廠中應用的情況。

現(xiàn)場總線技術；電氣控制系統(tǒng)；火力發(fā)電廠

0　引言

隨著我國火力發(fā)電廠的迅猛發(fā)展，國內的電廠建設逐漸形成了一定的規(guī)模。電廠的自動化水平也蒸蒸日上,推動了電廠在生產(chǎn)運行和管理上尋求更大的突破。許多大型火力發(fā)電廠為對電廠進行完善的信息化管理，紛紛建立起全面的智能信息系統(tǒng)。一般來說，各大電廠的智能管理信息系統(tǒng)由許多個子系統(tǒng)組成，各個子系統(tǒng)直接對自身系統(tǒng)中的設備運行情況進行直接監(jiān)控，并對設備進行事前預警。此外，一旦設備出現(xiàn)故障或非正常運作情況，系統(tǒng)便能及時地作出分析，為排除故障提供實時和非實時的現(xiàn)場信息,方便工作人員作出正確判斷與決策，提高電廠管理的工作效率。現(xiàn)場總線技術的應用，有利于電廠設備智能化，使信息實現(xiàn)互通，從而達到對電廠進行一體化管理控制。

1　現(xiàn)場總線技術的特點及優(yōu)勢

與傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)相比，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)具有極強的優(yōu)越性，這些優(yōu)勢主要表現(xiàn)為三個方面，分別是系統(tǒng)的網(wǎng)絡結構開放性強、系統(tǒng)具有徹底的分散性，以及系統(tǒng)的投資成本低。

1.1現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的開放性強

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是一種以分布式結構為框架的體系，它在現(xiàn)場分散布置了許多控制器節(jié)點, 通過節(jié)點布置，使智能現(xiàn)場設備進入監(jiān)控范圍，形成各式各樣的網(wǎng)絡拓撲結構，從而分擔主機的監(jiān)控工作，提高了管理的效率，延長了主機的使用壽命。

與目前國內的大多數(shù)火力發(fā)電廠采用的控制結構不同的是，現(xiàn)場總線系統(tǒng)的開放性極強。前者大多是采用封閉式的網(wǎng)絡結構對單元機組進行控制，形成分散的控制系統(tǒng) 這種分散式的系統(tǒng)具有一個較大的局限性，即無法同時使用不同廠家生產(chǎn)的智能設備，而后者則不然。后者采用開放性分層分布網(wǎng)絡結構的現(xiàn)場總線系統(tǒng), 由于開放性強，幾乎不對廠商設限，這擴大了電廠設備采購的可選性。同時，系統(tǒng)還能兼容各種形式的通信介質。電廠在實際操作中，可選用雙絞線、同軸電纜或光纖電纜等多種介質進行信息傳輸。

1.2系統(tǒng)的分散性

由于現(xiàn)場總線系統(tǒng)中，控制器節(jié)點散點分布，這使得一個復雜的大系統(tǒng)被分割成許多簡單的小系統(tǒng)，使電廠管理工作化繁為簡，降低了勞動難度。也就是說，系統(tǒng)的分散性，使系統(tǒng)的靈活性大幅提高，工作人員可根據(jù)現(xiàn)場需要，重組或擴建系統(tǒng)。

1.3系統(tǒng)的投資成本少

也許不少人認為，現(xiàn)場總線系統(tǒng)的造價如此之高，成本怎么可能會低。然而，筆者認為，造價并不是衡量成本高低的唯一標準。一套控制系統(tǒng)的總體成本,不僅包含了生產(chǎn)時的投入，更應該將系統(tǒng)試用、使用及維護產(chǎn)生的費用納入成本計算在內。由于傳統(tǒng)DCS系統(tǒng)封閉性強，開發(fā)周期長，系統(tǒng)的開發(fā)成本較高，而開放的現(xiàn)場總線系統(tǒng)則不同，OEM技術的引進使系統(tǒng)的開發(fā)周期極大程度地縮短，減少了開發(fā)資金的投入。并且，由于現(xiàn)場總線系統(tǒng)改變了原有的傳輸方式，使一對一的模擬信號傳輸方式通過分布式結構，擴展為一對多的數(shù)字信號傳輸，這極大地節(jié)省了布線的安裝成本和后期維護的費用。此外，在電廠中引進現(xiàn)場總線技術，可使現(xiàn)場設備調試、校驗等工作通過系統(tǒng)來實現(xiàn)，減少維修人員的數(shù)量和工作量, 減少勞動成本。由此可見，從整個生產(chǎn)及使用周期的投入來看，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的成本遠遠低于其他控制系統(tǒng)。

2　火力發(fā)電廠兩種電氣控制系統(tǒng)

2.1ECMS與EFCS系統(tǒng)

目前，國內火力發(fā)電廠主要采取兩種電氣控制系統(tǒng)，一是ECMS系統(tǒng)，即電氣控制管理系統(tǒng)。二是EFCS系統(tǒng)，即電氣現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。這兩種控制系統(tǒng)無論是從工作原理還是信息采集上都大相徑庭。

ECMS系統(tǒng)是由中國電力工程顧問集團提出的，有兩種實現(xiàn)電氣控制的方案，都是以現(xiàn)場總線技術為基礎進行設計的。ECMS系統(tǒng)兩種實現(xiàn)方案都有一個弊端，就是不與DCS系統(tǒng)通信，這樣一來，DCS系統(tǒng)仍需采用I/O硬接線進入，使得現(xiàn)場總線不能得到充分利用，在硬接線的投資上也造成了浪費。第一種方案首先是電氣設備由機組DCS系統(tǒng)進行控制，并對其進行監(jiān)視管理，如發(fā)電廠的發(fā)電機—變壓器組、電源等，其次是電動機，由DCS系統(tǒng)控制，在發(fā)電廠機組控制中心配置ECMS系統(tǒng)操作站，配備相應的操作人員，負責采用ECMS系統(tǒng)監(jiān)測和管理電動機。第二種方案與第一種有所不同，其發(fā)電廠的電氣設備和電動機等都是由DCS系統(tǒng)控制，需要用I/O硬接線進行系統(tǒng)，而電氣設備和電動機的監(jiān)視管理都由ECMS系統(tǒng)來實現(xiàn)。兩種方案的最大的缺點就是DCS系統(tǒng)與ECMS系統(tǒng)不能連接通信，從而在資源配置上造成浪費。

EFCS系統(tǒng)較ECMS系統(tǒng)有很大的改進。首先從與DCS系統(tǒng)的網(wǎng)絡互聯(lián)上，EFCS系統(tǒng)能夠與DCS系統(tǒng)連接通信，有效地避免ECMS系統(tǒng)的弊端，充分共享了信息，減少硬接線的使用，不僅降低了投資費用，如電纜、設備維護等費用，還避免了重復采集信息，使系統(tǒng)操作更為簡單便捷。在該系統(tǒng)中，有兩種監(jiān)控方式進入DCS系統(tǒng)，一是“全通信”，主要用于小型電動機，二是“通信+硬接線”，主要用于大型電動機即電氣設備，其中，大型電動機包括高壓電動機和100kW以上的低壓電動機。雖然在監(jiān)控方式上有別于傳統(tǒng)的硬接線方式，但卻不盡相同，值班員很快能夠習慣操作運行。在此系統(tǒng)上，還能進行進一步的改進，在DCS系統(tǒng)進行電氣控制的同時，可以建立集監(jiān)視、報警、電能管理、統(tǒng)計功能的獨立監(jiān)控系統(tǒng)，不僅能夠減少系統(tǒng)運行維護人員，降低投資，還能獨立完成各項功能。隨著科技的進步，現(xiàn)場總線技術標準化、統(tǒng)一化要求也在不斷完善，各種電氣設備日漸發(fā)展成熟，能夠為通信提供多種多樣的接口，在未來的發(fā)展趨勢中，將全面取消硬接線監(jiān)控方式，采用“全通信”監(jiān)控方式進入機組DCS系統(tǒng)。

2.2EFCS系統(tǒng)配置方案

下面主要從網(wǎng)絡結構和數(shù)據(jù)采集兩方面對現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)配置方案進行分析。首先，從其網(wǎng)絡結構上看，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)結構為兩層網(wǎng)三層設備，其中兩層網(wǎng)指的是以太網(wǎng)和總線網(wǎng)，以太網(wǎng)是指監(jiān)控主層與其他所有的通信子站層連接的，總線網(wǎng)是指通信子站層與間隔層連接的，三層設備指的是監(jiān)控主層、通信子站層、間隔層。該結構屬于開放性的分層分布結構，不僅實現(xiàn)系統(tǒng)功能分層的作用，還使設備在分布上比較分散。其次，從數(shù)據(jù)采集上看，有兩種方式，一是硬線連接，通過硬線連接將信號傳入DCS系統(tǒng)，主要是用于一些控制量信號的采集上；二是通信，以通信方式將信號傳入DCS系統(tǒng)，主要用于監(jiān)測信號的采集，其中，需要專門的監(jiān)控裝置和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)才能實現(xiàn)以通信方式進行的數(shù)據(jù)采集。

3　現(xiàn)場總線技術的應用效果及注意事項

對于普通規(guī)格的DCS系統(tǒng)而言，由于規(guī)模有限，系統(tǒng)無法引入太大的電氣I/O數(shù)量。而采用現(xiàn)場總線技術后，ECMS系統(tǒng)的信息容量得到了大幅提升。這使得原本不能進入系統(tǒng)監(jiān)測的一些設備，例如一些主要的就地電氣智能裝置，均能實現(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)控，從而使更多的現(xiàn)場信息可以通過系統(tǒng)反饋給運行和管理的相關工作人員。除此之外，現(xiàn)場總線通信方式利用現(xiàn)場總線將電氣遙測以及測量、狀態(tài)、保護等遙信信號傳入DCS系統(tǒng)，而自身只對控制命令和開關位置的狀態(tài)進行記錄。另外，充分利用就地智能裝置對一些模擬量進行采樣并通過數(shù)字通信傳入DCS系統(tǒng)，比如電氣設備的電流、電壓、功率等信號采集，相比于傳統(tǒng)的采集方式而言，就地信號采樣傳入DCS系統(tǒng)只需要一根專用通信電纜就可實現(xiàn)，不僅能夠節(jié)約硬接線投入的成本，而且ECMS系統(tǒng)運行人員在集中控制室就能隨時監(jiān)測到就地智能電氣裝置的運行情況并對其設備進行診斷和維護，同時，系統(tǒng)還能夠對設備事故進行記錄和追憶，ECMS系統(tǒng)能夠通過查詢選擇合理的方式對設備進行運行維護，更加便捷準確的向運行人員提供信息，幫助工作人員更快更高效的處理事故現(xiàn)場。

在現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中，由于涉及的電氣設備種類繁多且數(shù)量巨大，而市場上的電氣自動化產(chǎn)品可使用的標準眾多，良莠不齊。因此，筆者建議，電廠在開發(fā)初期，應盡可能地選擇一家各方面綜合實力較強的集成供應商，使各設備之間的協(xié)調足以充分發(fā)揮現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)自動化的優(yōu)勢。

而在使用現(xiàn)場總線技術時，應結合其系統(tǒng)的特點進行設計。筆者認為，低于三層的網(wǎng)絡更匹配現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)對網(wǎng)絡結構的要求。另外，現(xiàn)場總線的長短決定了通信速率的快慢，總線長度越長，信息傳輸?shù)乃俣仍铰?，因此，在布置?jié)點時，應使支路節(jié)點的數(shù)量保持在一定的范圍內，使總線敷設距離竟可能縮短，以保證通信順暢；同時，還應該避開信號干擾源，例如高壓動力電纜等。此外，系統(tǒng)在安裝調試時，應嚴格按照正確的方案進行安裝，以確保系統(tǒng)的正常運行 。

4　結束語

在火力發(fā)電廠電氣控制系統(tǒng)中，采用分布分層結構的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)采集信息，不僅能及時排除系統(tǒng)故障，使系統(tǒng)穩(wěn)定運行，還可以降低電廠的成本投入，有良好的經(jīng)濟效益。隨著科學技術的更新與發(fā)展，現(xiàn)場總線技術必然會日趨完善，并為我國電力事業(yè)的發(fā)展做出更大的貢獻。

（2016-02-19）