發(fā)電廠電氣監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)字化技術(shù)初探

柴兆元，趙興泉，李 遠(yuǎn)

（1.華北電力大學(xué)，河北 保定 071003；2.國網(wǎng)山西省電力公司，山西 太原 030001）

0 引言

隨著我國特高壓交直流大電網(wǎng)的發(fā)展，電力系統(tǒng)愈發(fā)龐大，單一同步電網(wǎng)的覆蓋面積擴(kuò)大，而各節(jié)點之間電氣距離縮短，各類型電源之間相互作用更加明顯，對發(fā)電廠自動控制技術(shù)的要求越來越高。發(fā)電廠廠用電氣控制系統(tǒng)是一個新的綜合自動化系統(tǒng)，是近幾年隨著軟件技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信的發(fā)展而發(fā)展來的，是發(fā)電廠自動化領(lǐng)域的一個新的熱點，是適應(yīng)電力系統(tǒng)新時代新發(fā)展的重要技術(shù)手段之一。

由于傳統(tǒng)DCS的技術(shù)應(yīng)用于廠用電氣自動化系統(tǒng)時，DCS對電壓電流等需要通過變送器轉(zhuǎn)換后接入DCS，二次接線復(fù)雜，抗干擾性能差，造價高，不如直接交流采樣精度高、速度快；DCS反應(yīng)時間通常為s級，無法達(dá)到繼電保護(hù)、廠用電快速切換等通常要求處理的時間為ms級的要求。

隨著IT技術(shù)以及現(xiàn)場總線方式的快速發(fā)展，為了提高電廠的競爭能力，新建電廠通常應(yīng)用更先進(jìn)的自動化技術(shù)和產(chǎn)品。在這種情況下，發(fā)電廠的數(shù)字化、信息化進(jìn)程正逐步加快，發(fā)電廠自動化的整體水平將進(jìn)入一個新階段,成為自動化領(lǐng)域的一個新的熱點。

1 電氣系統(tǒng)中的數(shù)字化技術(shù)概述及應(yīng)用

近年來，以工業(yè)以太網(wǎng)、現(xiàn)場總線技術(shù)為代表的數(shù)字化技術(shù)在變電站綜合自動化系統(tǒng)的成功應(yīng)用，以及DCS系統(tǒng)硬接線方式缺點的逐漸暴露，使全面提高廠用電氣系統(tǒng)自動化水平的需求日益迫切。數(shù)字化技術(shù)主要優(yōu)勢體現(xiàn)在以下幾方面。

a）提高了現(xiàn)場級信息集成能力。在電廠設(shè)備中使用數(shù)字化技術(shù)可以獲得大量的信息，能更好地滿足MIS系統(tǒng)的信息集成及工廠自動化要求。

b）開放式、可集成性。系統(tǒng)是開放式，允許其他廠商把自己擅長的控制技術(shù)，如工藝流程、控制算法、配方等集成到通用系統(tǒng)里，同時也允許在同一套系統(tǒng)中運行多個供應(yīng)商的設(shè)備，便于用戶選擇。

c）系統(tǒng)可靠性強、可維護(hù)性好?；跀?shù)字化技術(shù)的自動化監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用總線連接方式代替一對一的I/O連線，對于大規(guī)模的I/O系統(tǒng)來說，降低了由接線點造成的不可靠因素。

d）減少工程費用和縮短工程進(jìn)度。使用數(shù)字化方案來替代大規(guī)模、大范圍I/O的分布式系統(tǒng)，節(jié)省了I/O模塊、大量的電纜及電纜敷設(shè)的費用，同時可以減少現(xiàn)場的安裝調(diào)試工作，通過合理的進(jìn)度管理可以縮短工程進(jìn)度。

目前電氣系統(tǒng)中應(yīng)用的數(shù)字化技術(shù)主要有基于以太網(wǎng)的IEC61850標(biāo)準(zhǔn)及以Profibus為代表的現(xiàn)場總線技術(shù)兩種。其中基于以太網(wǎng)的IEC61850標(biāo)準(zhǔn)主要應(yīng)用于電氣升壓站系統(tǒng)，以Profibus為代表的現(xiàn)場總線技術(shù)主要應(yīng)用于電氣廠用電系統(tǒng)。

1.1 IEC61850標(biāo)準(zhǔn)概述及應(yīng)用

IEC61850是數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)，它指導(dǎo)了設(shè)計、開發(fā)、工程、維護(hù)等幾個領(lǐng)域。規(guī)范了數(shù)據(jù)的定義、數(shù)據(jù)命名、設(shè)備行為、設(shè)備的通用配置語言和自描述特征。IEC61850從功能角度而言相比傳統(tǒng)系統(tǒng)區(qū)別不大，但是從實現(xiàn)方法而言有本質(zhì)的區(qū)別，它主要采用的是面向?qū)ο蟮姆椒ㄖ匦陆?，?shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)處理的方式也不同于傳統(tǒng)的遠(yuǎn)動處理方式，主要表現(xiàn)在以下方面。

a）分布、分層體系及面向?qū)ο蠛蛻?yīng)用的建模。

b）面向?qū)ο?、面向?yīng)用的開放的自我描述。

c）使用抽象通信服務(wù)接口（ACSI）、特殊通信服務(wù)映射SCSM技術(shù)。

1.2 現(xiàn)場總線技術(shù)概述及應(yīng)用

現(xiàn)場總線的定義是“安裝在制造和過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室內(nèi)的自動控制裝置之間的數(shù)字式、串行、多點通信的數(shù)據(jù)總線稱為現(xiàn)場總線”。目前電氣系統(tǒng)中常用的有Profibus-DP、CANbus、LonWorks、Modbus等。

考慮到電氣系統(tǒng)的特點同時考慮到實際使用效果反饋，Profibus-DP比較適合電氣系統(tǒng)應(yīng)用。Profibus-DP的最大優(yōu)點在于主站周期地讀取從站的輸入信息并周期地向從站發(fā)送輸出信息。此外，Profibus-DP還能提供智能化現(xiàn)場設(shè)備所需的非周期性通信，以進(jìn)行診斷、組態(tài)和報警處理嚴(yán)格的定義和完善的功能，使其成為開放式系統(tǒng)的典范，并經(jīng)實際應(yīng)用驗證具有普遍性。

2 各種數(shù)字化技術(shù)在電氣系統(tǒng)中應(yīng)用的比較

結(jié)合IEC61850標(biāo)準(zhǔn)和Profibus的技術(shù)特點描述，將IEC61850、Profibus與原先的IEC60870標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)特性對比見表1。

表1 技術(shù)特性對比

對其在表1中體現(xiàn)的差異分析如下。

2.1 實時性及可靠性

電氣系統(tǒng)對于通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)有優(yōu)先級和滿足時間同步要求。對應(yīng)這兩個要求來看，Profibus總線速度慢同時無法實現(xiàn)特殊事件觸發(fā)；而IEC61850基于的以太網(wǎng)通信采用基于沖突檢測機制，速度較快且可由事故觸發(fā)，適合于在面向通用對象事件GOOSE等對傳輸成功概率要求較高的情況。在這方面IEC61850具有明顯的優(yōu)勢。

2.2 對不同供應(yīng)商設(shè)備的互操性

IEC61850采用面向?qū)ο蠼５睦砟睿瑢⑽锢碓O(shè)備（IED）和邏輯功能完全分開，使功能數(shù)據(jù)不再依賴于具體設(shè)備，同時通過面向應(yīng)用的自我描述，從根本上解決了不同供應(yīng)商之間互操作性的問題。而Profibus總線主要依靠電子設(shè)備數(shù)據(jù)文件（GSD）來實現(xiàn)互操作性，靠Profibus-DP行規(guī)來確定數(shù)據(jù)的應(yīng)用，并沒有從根本上解決不同廠家的設(shè)備內(nèi)部數(shù)據(jù)的問題。

2.3 對不同通信協(xié)議及規(guī)約的開放性

電氣系統(tǒng)對不同信息傳輸響應(yīng)時間的需求不同，在變電站的過程中有時會使用不同類型的網(wǎng)絡(luò)，如以太網(wǎng)、Profibus-FMS、CAN、RS485等。IEC61850是獨立于網(wǎng)絡(luò)的一種通信標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)不同的工程使用不同的網(wǎng)絡(luò)或者隨著技術(shù)進(jìn)步網(wǎng)絡(luò)形式發(fā)生變化時，IEC61850的抽象通信服務(wù)接口只需要改變特定的通訊服務(wù)映射即可接入，可很容易適應(yīng)這種變化。Profibus現(xiàn)場總線沒有這方面的考慮。

2.4 現(xiàn)場安裝和布置的便利性

在現(xiàn)場實際安裝中，Profibus總線網(wǎng)的優(yōu)勢“一根電纜可以解決所有問題”，現(xiàn)場實施方便，但是當(dāng)發(fā)生電纜中斷時只能靠備用網(wǎng)絡(luò)繼續(xù)運行，此時整條網(wǎng)絡(luò)為單網(wǎng)運行可靠性下降。IEC61850基于的以太網(wǎng)一般采用星型組網(wǎng)，任何纜線終端都不影響其余設(shè)備和整個系統(tǒng)運行，但是采用的電纜多，集中在交換機處的電纜量大，實際應(yīng)用中施工不注意相應(yīng)工藝會出現(xiàn)通信不穩(wěn)的現(xiàn)象。

2.5 現(xiàn)有智能設(shè)備的成熟性

對電氣系統(tǒng)設(shè)備而言，從總體上來說對中壓、500 kV升壓站來說，基于IEC61850的設(shè)備應(yīng)用較成熟，對380 V低壓系統(tǒng)，基于Profibus-DP的設(shè)備應(yīng)用較成熟。由于對IEC61850系統(tǒng)硬件仍與以前其標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)相同，因此設(shè)備差異性不大。

基于以太網(wǎng)的IEC61850標(biāo)準(zhǔn)和PROFIBUS現(xiàn)場總線在實際應(yīng)用中各有優(yōu)缺點。結(jié)合電氣系統(tǒng)的實際情況和上述兩種數(shù)字化技術(shù)的特點，低壓廠用電控制裝置數(shù)量大，對系統(tǒng)配置工具軟件的處理容量提出更高要求，最后生成的SCD文件規(guī)模也大得多。而且布置分散需要配置大量高質(zhì)量的工業(yè)以太網(wǎng)交換機，會增加系統(tǒng)的成本。同時單體數(shù)據(jù)量小，設(shè)備重要程度較低，綜合比較IEC61850和Profibus兩種數(shù)字化技術(shù)建議低壓廠用電系統(tǒng)采用Profibus標(biāo)準(zhǔn)。中壓系統(tǒng)根據(jù)實際情況選擇采用基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的智能設(shè)備或者采用PROFIBUS現(xiàn)場總線經(jīng)通訊管理機等設(shè)備實現(xiàn)規(guī)約轉(zhuǎn)換后接入后臺IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)。建議整套電氣自動化系統(tǒng)采用基于以太網(wǎng)的IEC61850標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)變組系統(tǒng)，升壓站也使用基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的智能化設(shè)備；低壓系統(tǒng)采用Profibus現(xiàn)場總線經(jīng)過通訊管理機等設(shè)備實現(xiàn)規(guī)約轉(zhuǎn)換后接入后臺IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)。

3 數(shù)字化技術(shù)在電廠電氣系統(tǒng)中應(yīng)用方案設(shè)計 （圖 1）

3.1 方案一，基于站控層IEC61850的數(shù)字化系統(tǒng)方案

目前，方案一主要是在間隔層與站控層通信采用了IEC61850標(biāo)準(zhǔn)（MMS），間隔層采用傳統(tǒng)設(shè)備，不應(yīng)用過程層。

該方案與目前常規(guī)的火力發(fā)電廠電氣控制、保護(hù)系統(tǒng)基本相同,主要對間隔層的保護(hù)、控制設(shè)備采用統(tǒng)一的IEC61850通信規(guī)約以MMS接入NCS或ECMS，實現(xiàn)火力發(fā)電廠中智能設(shè)備的互聯(lián)互通及信息互操作。該方案中發(fā)電廠升壓站內(nèi)的保護(hù)、控制系統(tǒng)可直接采用智能變電站中的相關(guān)設(shè)備,一次設(shè)備仍然采用常規(guī)設(shè)備；ECMS和NCS站控層采用IEC61850通信規(guī)約；勵磁系統(tǒng)、同期系統(tǒng)、廠用電快切、發(fā)電機－主變壓器組保護(hù)、起動/備用變壓器保裝置、故障錄波器、中壓廠用電系統(tǒng)的綜保及測控裝置以及電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測裝置等均以MMS接入站控層。

該方案技術(shù)成熟、設(shè)備投資增加很少，卻能將發(fā)電廠電氣系統(tǒng)決大部分智能設(shè)備的通信標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)模型統(tǒng)一在IEC61850的標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，整個系統(tǒng)的每個節(jié)點的信息傳輸被標(biāo)準(zhǔn)化，進(jìn)而使整個系統(tǒng)的可擴(kuò)充性、可維護(hù)性能大大提高。

圖1 基于站控層和過程層的IEC61850的數(shù)字化系統(tǒng)方案

3.2 方案二，基于站控層和過程層的IEC61850的數(shù)字化系統(tǒng)方案

該方案是將在智能變電站中基于傳統(tǒng)互感器及過程層信息交換的應(yīng)用方案和基于站控層和過程層全信息交換的的應(yīng)用方案，應(yīng)用在火力發(fā)電廠中。全廠的升壓站、發(fā)變組和廠用電等各部分的電氣監(jiān)控系統(tǒng)統(tǒng)一為一套采用IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)，同時根據(jù)實際情況在各部分的過程層及間隔層采用不同的方案?？刂?、保護(hù)系統(tǒng)在功能邏輯上分為站控層設(shè)備、過程層設(shè)備以及間隔層設(shè)備；三層設(shè)備間用分布、分層、開放式的二層網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實現(xiàn)連接，即站控層網(wǎng)絡(luò)和過程層網(wǎng)絡(luò)。該方案的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

3.3 方案比較

常規(guī)方案：目前在火電廠、升壓站自動化領(lǐng)域中常規(guī)方案中采用以太網(wǎng)、CAN網(wǎng)、RS422/485/232、Profibus網(wǎng)等通信介質(zhì)；Open2000、IEC60870-5-101、DNP3.0、Modbus、網(wǎng)絡(luò)103等通信協(xié)議，由于以上通信規(guī)約的功能有限，產(chǎn)品接口標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，由于系統(tǒng)開放性不足，各廠家無法互操作對于應(yīng)用功能自行擴(kuò)充；應(yīng)用功能的發(fā)展被規(guī)約數(shù)據(jù)的表達(dá)能力所限制。導(dǎo)致設(shè)備之間接口困難，設(shè)備的互操作性、互換性和新技術(shù)的包容性較差，不能夠滿足“即插即用”的需求，同時，系統(tǒng)集成費用高、可靠性降低、后期維護(hù)不方便。

基于站控層IEC61850的應(yīng)用方案（方案一）：僅在站控層采用IEC61850通信規(guī)約，通過對站內(nèi)智能電子設(shè)備的信息描述方法、訪問方法和通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了全面定義，解決了不同廠家智能設(shè)備在傳統(tǒng)自動化系統(tǒng)方案中的互通互聯(lián)及互操作問題。由于IEC61850的標(biāo)準(zhǔn)約束了火力發(fā)電廠電氣系統(tǒng)中的智能設(shè)備的功能及通信，因此，整個系統(tǒng)中每個節(jié)點的信息傳輸被標(biāo)準(zhǔn)化，進(jìn)而使整個系統(tǒng)的可擴(kuò)充性、可維護(hù)性能大大提高。雖然，此方案與常規(guī)方案相比較不能節(jié)省電纜，但建立統(tǒng)一的通信標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)模型，解決了不同自動化設(shè)備廠家之間通信規(guī)約兼容性差的問題，實現(xiàn)了自動化系統(tǒng)整體無縫通信、自動化設(shè)備間的互聯(lián)互操。

基于站控層和過程層的IEC61850的數(shù)字化系統(tǒng)方案（方案二）：該方案不僅在站控層信息交換采用了IEC61850，而且在升壓站控制和保護(hù)系統(tǒng)、機組控制和保護(hù)系統(tǒng)中增加了過程層網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交換。對于每個間隔，配置了智能操作箱、過程層設(shè)備合并單元，將常規(guī)一次設(shè)備的信息及操作數(shù)字化，與其相關(guān)聯(lián)的間隔層智能電子設(shè)備IED（保護(hù)及自動化裝置）則通過光纖以太網(wǎng)與對應(yīng)間隔的智能操作箱、合并單元相連接。IED與智能操作箱、合并單元之間既可以網(wǎng)絡(luò)總線方式相連，也可以點對點的方式互聯(lián)。

方案二較方案一而言，將原來一次設(shè)備與IED之間傳統(tǒng)的大量銅芯電纜由少量的通信光纜替代，減少了敷設(shè)電纜的投資，此外，該方案相較傳統(tǒng)方案有下列的優(yōu)點。

a）節(jié)約電纜等設(shè)備投資以及相應(yīng)的施工費用。

b）減少了二次接線，便于施工、調(diào)試、運行，提高可靠性。

c）根本解決電磁干擾問題。

d）基于通訊和組態(tài)軟件的聯(lián)鎖功能比傳統(tǒng)硬接點聯(lián)鎖方便。

4 結(jié)論

經(jīng)過對比分析，本文提出的基于網(wǎng)絡(luò)通信和現(xiàn)場總線構(gòu)成的火電廠自動化控制系統(tǒng)，能夠有效增強電廠自動化控制功能及范圍，縮短工程進(jìn)度，減少工程投資。與此同時，能實現(xiàn)對一次設(shè)備、保護(hù)裝置信息的采集管理，并具備設(shè)備資產(chǎn)管理、操作票、系統(tǒng)自診斷、防誤操作、故障信息管理、一鍵順控等高級應(yīng)用功能，有效提高火電廠的自動化水平，具有廣闊的應(yīng)用空間。