ECMS 和DCS 一體化監(jiān)控在火電廠脫硫工程中的應用

王海歡

（浙江機電職業(yè)技術學院自動化學院，浙江 杭州 310059）

火力發(fā)電廠煙氣脫硫工程的自動化包括熱控自動化和電氣自動化2 部分，無論是新建機組還是改造機組的脫硫工程，其熱工自動化大多采用DCS 來實現(xiàn)對熱工系統(tǒng)內設備的監(jiān)控，而電氣部分的監(jiān)控仍停留在繼電器、控制開關和其接點組成的控制邏輯回路用硬接線來實現(xiàn)，自動化水平較低[1]。近幾年，新建的大型火力發(fā)電廠煙氣脫硫工程為提高自動化水平，大部分電氣設備采用獨立于DCS 系統(tǒng)的廠用電電氣監(jiān)控系統(tǒng)ECMS 進行監(jiān)控。DCS 的電氣監(jiān)控只限于電氣設備運行必要的狀態(tài)監(jiān)視和控制信息，而電氣設備的測量、保護動作及整定、事故追憶等信息及功能沒有進入系統(tǒng)，ECMS 和DCS 系統(tǒng)無法有機地融合在一起。在河源電廠二期2×1 000 MW 燃煤機組擴建工程煙氣脫硫（EPC）總承包工程中，脫硫系統(tǒng)作為全廠的一個環(huán)保子系統(tǒng)，需要與電廠的ECMS 系統(tǒng)和DCS 系統(tǒng)有機地融合起來。本工程采用了新型的ECMS 和DCS 一體化監(jiān)控系統(tǒng)，利用統(tǒng)一的網絡平臺、規(guī)約轉換裝置、開放性監(jiān)控軟件，能夠將子系統(tǒng)的電氣熱控數據信息進行一體化監(jiān)控，并無縫銜接到全廠統(tǒng)一的生產數據處理平臺，從而達到提高發(fā)電廠電氣自動化水平的目的。

1 現(xiàn)有煙氣脫硫工程的電氣自動化監(jiān)控方案

目前國內的煙氣脫硫工程，主流的電氣自動化監(jiān)控方案有2 種：硬接線方式、硬接線和現(xiàn)場總線相結合的方式。

1.1 硬接線接入DCS 系統(tǒng)

傳統(tǒng)發(fā)電廠煙氣脫硫工程，電氣系統(tǒng)內所有電源進線、電動機、直流系統(tǒng)及UPS 系統(tǒng)以硬接線方式接入DCS 系統(tǒng)，接入信息主要包括開關量輸入（DⅠ）、開關量輸出（DO）和模擬量輸入（AⅠ），接入方式為干接點和4～20 mA 模擬量信號[2]。硬接線接入方案示意圖如圖1 所示。

圖1 硬接線接入方案

硬接線接入方式的優(yōu)點是數據一對一傳輸，安全可靠；傳輸實時性強；不易受干擾影響。缺點是DCS系統(tǒng)Ⅰ/O 卡件多，導致電氣柜與DCS 機柜之間存在大量控制電纜；投資費用高；調試施工工作量大；僅采集重要的量，系統(tǒng)監(jiān)測信息不完整，運行檢修不便。隨著發(fā)電廠對自動化水平的要求提高，此種方案已很少使用，僅適用老廠改造或者小規(guī)模機組。

1.2 硬接線和現(xiàn)場總線相結合的方式

硬接線和現(xiàn)場總線相結合接入方案如圖2 所示。目前被廣泛應用于中大型發(fā)電機組的煙氣脫硫工程，這種方式第一次把ECMS 引至脫硫電氣監(jiān)控系統(tǒng)。脫硫工程的電氣主接線一般分脫硫動力中心PC 段和電動機控制中心MCC 段。在該模式中，工藝電動機按工藝流程進行組網，保留參與控制的關鍵硬接線部分，其他信息量通過開關柜內測控裝置、智能開關（或馬達控制器）的通信接口上傳至DCS 系統(tǒng)通信卡件。電氣部分動力中心PC 段和電動機控制中心MCC 段的電源柜及母聯(lián)柜取消硬接線，采用通信方式上傳至ECMS 系統(tǒng)。

圖2 硬接線和現(xiàn)場總線相結合接入方案

硬接線和現(xiàn)場總線通信相結合的接入方式，它的優(yōu)點是節(jié)省了大量DCS 的Ⅰ/O 卡件、電氣元器件和控制電纜。缺點是ECMS 站控層和DCS 站控層的網絡互相獨立，DCS 和ECMS 一般屬于不同廠家，其各自的通信規(guī)約開放程度受限制，致使兩個系統(tǒng)無法進行信息共享，導致DCS 和ECMS 的信息傳送往往是單向傳送[3]。ECMS 只監(jiān)測不控制，無法滿足現(xiàn)代化電廠自動化生產需求。

2 ECMS 和DCS 一體化監(jiān)控方式的實際應用

2.1 項目概況

河源電廠二期項目2×1 000 MW 超超臨界二次再熱燃煤機組，采用國際最先進的超超臨界二次再熱技術，同步配套建設先進的煙氣脫硫環(huán)保設施，實現(xiàn)煙氣超凈排放。在投標方案、施工設計等方面均采用最先進的節(jié)能環(huán)保技術路線，濕法脫硫首次應用了先進的無梁式漿液噴淋系統(tǒng)，通過密度計和流量計精確計量石灰石漿液濃度和流量，最終使項目達到生態(tài)型、超低排放、節(jié)能高效的目標。在河源電廠氣脫硫總承包工程中，電氣系統(tǒng)和熱控系統(tǒng)采用了ECMS 和DCS一體化監(jiān)控方式，ECMS采用南瑞繼保PCS-9700 系統(tǒng)，DCS 采用了 EMERSON 公司的 OVATⅠON 系統(tǒng)。該方案主要采用統(tǒng)一的通信網絡、兼容各種規(guī)約的規(guī)約轉換器、向DCS 開放平臺等技術，把ECMS 全部納入DCS 平臺進行統(tǒng)一監(jiān)控，并對DCS 系統(tǒng)開放，實現(xiàn)ECMS 與DCS 系統(tǒng)的全面接口，從而將發(fā)電廠煙氣脫硫工程的電氣自動化系統(tǒng)完全融入DCS 系統(tǒng)。

2.2 技術優(yōu)勢

本項目ECMS 和DCS 的一體化監(jiān)控網絡示意圖如圖3 所示。圖3 僅示意了3#機組的網絡圖，4#機組與3#機組相同。由圖3 可知，一體化監(jiān)控系統(tǒng)有如下特點。

圖3 ECMS 和DCS 一體化監(jiān)控方案

脫硫電氣自動化與熱工自動化共用一套一體化監(jiān)控網絡，不再獨立分開，采用統(tǒng)一的監(jiān)控網絡。電氣部分電源部分以DP 通信方式進入ECMS 系統(tǒng)的通信管理機，電動機部分以DP 通信方式進入DCS 的通信卡件。熱控部分閥門儀表以Profibus-DP 和FF 通信方式進入DCS 系統(tǒng)的通信卡件，其中開關量控制采用Profibus-DP，模擬量控制采用FF 總線。此一體化方案取消了大量硬接線，節(jié)省了大批電纜，節(jié)約了大量投資。

設置有專用通信管理單元及轉換器。通信管理單元PCS-9799 提供多種現(xiàn)場總線、串行口、以太網口，支持各種部頒標準規(guī)約、工業(yè)標準規(guī)約（和DCS 通信），可方便地與保護、直流、UPS、數顯表、操控裝置等直接通信。系統(tǒng)配置的PCS-9794 規(guī)約轉換器，對下通過各種接口及規(guī)約接入各類保護裝置、電表、直流屏以及其他智能設備，對上與當地監(jiān)控、保護信息管理裝置、RTU 等通信?？刂埔?guī)約轉換器可以完美地將非統(tǒng)一的設備統(tǒng)一到同一個平臺中，其功能強大，性能優(yōu)越，可滿足大部分數字化電廠需求。

一體化的監(jiān)控系統(tǒng)。后臺監(jiān)控系統(tǒng)通信既支持ⅠEC60870-5-103 標準，也支持 ⅠEC61850 國際標準，最大限度地保證了系統(tǒng)的開放性。系統(tǒng)開放性強，能夠與DCS 實現(xiàn)控制信息融合，ECMS 全部接入DCS 平臺，形成一體化監(jiān)控，從而實現(xiàn)煙氣脫硫工程的一體化控制。

2.3 系統(tǒng)構成

一體化監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布式結構，網絡結構采用三層設備冗余網絡（A、B 網）形式。整個系統(tǒng)分成站控層、前置層和間隔層，如圖3 所示。

站控層：采用雙以太網冗余結構，網關工作站、系統(tǒng)服務器、操作員站、工程師站、打印機以及負責與其他系統(tǒng)通信的管理裝置，形成系統(tǒng)監(jiān)控、管理中心。

前置層：由通信管理單元、交換機、DCS DPU 和Ⅰ/O 卡件等組成。對于10 kV 綜保裝置，可采用以太網方式直接接入交換機，直采直跳；對于380 V 綜保以及其他不支持以太網方式的智能裝置，采用通信管理單元實現(xiàn)規(guī)約轉換和裝置通信，并轉發(fā)站控層及DCS或調度系統(tǒng)的遙控命令?，F(xiàn)場熱控閥門儀表開關量通過DP 通信，模擬量通過FF 通信進入DCS 的通信卡件。ECMS 和DCS 系統(tǒng)按脫硫設備分段配置，集中組屏分別安裝在對應機組的低壓配電室和電子設備間。

間隔層：間隔層包括10 kV 綜合保護測控裝置、380 V 綜合保護測控裝置、380 V 馬達保護器、智能電力監(jiān)測儀表、現(xiàn)場熱控閥門儀表及網絡接口設備等，負責執(zhí)行DCS 或電氣監(jiān)控的各種指令并向DCS 或電氣監(jiān)控發(fā)送監(jiān)控、監(jiān)測信息。間隔層采用RS485、Profibus 等現(xiàn)場總線或以太網組網，雙網冗余配置，將綜合保護測控裝置的信息量通過通信口上傳到通信管理單元，現(xiàn)場閥門儀表中的信號通過通信口上傳至DCS 的通信卡件。

2.4 通信網關統(tǒng)一網絡

系統(tǒng)在站控層配置冗余的通信網關，專用通信網關把ECMS 以太網和DCS 以太網連成一體，實現(xiàn)ECMS 和DCS 所有的數據交換和命令傳遞，使兩者形成一個統(tǒng)一的網絡平臺。專用通信網關預留與主機ECMS、DCS 的接口。通信網關組屏安裝，安裝方式為：2 臺網關安裝在一個標準機柜中，通過共享器共享1 套24 in（約61 cm）LCD、標準鍵盤和鼠標。

2.5 主控單元及監(jiān)控軟件

站控層的主控單元具有實時數據庫，支持多臺綜合保護測控裝置通信報文信息的上傳；DCS 后臺系統(tǒng)經ECMS 后臺與主控單元連接，實現(xiàn)對電氣保護進行控制、運行參數和保護定值查詢、定值整定、信號復歸等操作。此外，主控單元具有現(xiàn)場設備故障診斷與管理、控制權限的切換、基于通信的就地控制、簡單的可編程控制邏輯等附帶功能。DCS 系統(tǒng)監(jiān)控軟件與ECMS 監(jiān)控軟件相互兼容。采用DCS 作為主系統(tǒng)軟件，該系統(tǒng)在統(tǒng)一應用支撐平臺上進行開發(fā)，既支持ⅠEC60870-5-103 標準，也支持 ⅠEC61850 國際標準，最大限度地保證了系統(tǒng)的開放性。ECMS 大量信息通過每臺機組站控層的ECMS 系統(tǒng)服務器經處理后傳輸至DCS 系統(tǒng)接口，通過DCS 操作員站畫面可以控制ECMS 范圍內的設備。該監(jiān)控軟件備份還原簡單易操作，直接覆蓋即可還原；監(jiān)控系統(tǒng)軟件模塊化設計，便于功能添加及刪除，組態(tài)靈活，維護擴展方便；監(jiān)控系統(tǒng)可設置多節(jié)點，任一值班監(jiān)控接點發(fā)生故障時，值班狀態(tài)可按預設優(yōu)先級無縫切換至另一接點，不影響正常監(jiān)控；間隔層綜保裝置軟硬件均模塊化設計，各功能模塊及插件可實現(xiàn)“即插即用”。該系統(tǒng)監(jiān)控軟件可以多操作系統(tǒng)無縫切換，實現(xiàn)了全面的跨平臺解決方案，使系統(tǒng)具有更高的可移植性。

3 結語

目前河源電廠煙氣脫硫系統(tǒng)的ECMS 和DCS 一體化監(jiān)控系統(tǒng)已于2021 年成功投運，運行良好，系統(tǒng)的實時性和通信的可靠性都滿足運行要求。一體化監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)了煙氣脫硫工程電氣系統(tǒng)和熱控系統(tǒng)之間的協(xié)調控制，打破了脫硫行業(yè)傳統(tǒng)，實現(xiàn)了一個新的突破，具有行業(yè)領先的技術，具體表現(xiàn)為：①脫硫系統(tǒng)電氣自動化和熱控自動化不再相互獨立，ECMS 全部接入DCS 平臺，兩者形成一個統(tǒng)一的網絡平臺；②取消了傳統(tǒng)ECMS 站控層的專用電氣操作員、工程師站，所有功能均可由單元機組DCS 的工程師站完成[3]；③ECMS 專用通信網關可將煙氣脫硫實時數據傳送至主機，以實現(xiàn)煙氣脫硫工程和全廠的協(xié)調控制，為主機提供煙氣脫硫設備的狀態(tài)信息、性能數據，為實現(xiàn)數字化電廠提供了強有力的保障。