火电厂电气监控系统接入DCS方式的分析.pdf

86 第 3 O卷第 1 1期 2 0 0 6年 6月 I O日 电力系统自动化 Au t o ma t i o n o f El e c t r i c P o we r S y s t e ms V0 1 3 O No 1 1 J u n e 1 0，2 0 0 6 火电厂电气监控 系统接入 DC S方式的分析 闫天 军，郭 伟，赵树 春(1 江苏金智科技股份有限公司，江苏省南京市 2 1 1 1 0 0；2 东南大学电气工程系，江苏省南京市 2 1 0 0 9 6)摘要：分析 了火电厂电气监控 系统(E C S)接入集散控制 系统(DC S)的 3种模 式：硬接线、硬接 线+通信、全通信，探讨 了不 同模式的优缺点和应用中存在 的问题，认 为硬接线+通信方式是 目前火电 厂 E C S接入 D C S的主流解决方案，大大提 高了 E C S的 自动化 水平，但 目前在应 用中还存在 E C S 与 D C S的通信受限、E C S的电气维护和管理功能不十分完善等 问题，通过技术的改进、参与各方的 密切配合，相信这些问题会很好地得到解决，随着通信技术的 日趋成熟和稳 定，完全取消硬接 线的 全通信方式也一定会逐步得到推广。关键词：电气监控 系统(E CS)；集散控制 系统(D C S)；硬接线；全通信 中图分类号：TM6 2 1 6；T P 2 7 7 0 引言 和 4 m A2 0 mA直流信号。从 2 O世 纪 8 O年 代 末 开 始，我 国单 机 容 量 3 0 0 MW及以上的火电机组开始全面采用集散控制 系统(DC S)，控制范围主要为汽机和锅炉，使机炉 的 自动化和控制水平大大提高。为了解决电气和热工 之间 自动化水平不协调的问题，从 9 o年代 中后期开 始，电气系统 的发变组系统、厂用电系统陆续开始纳 入 D C S进行监控，但电气系统的数字化继 电保护和 自动装置是通过硬接线 的方式接人 D C S，而没有通 过 网络通信实现口 。随着 电子技术、信息技术 的发 展和电力运营的逐步市场化，火电厂在 自动化技术 应用方面取得了快速发展，火 电厂 电气和热工 自动 化的融 合 成为 目前 火 电厂 自动 化 的焦 点 问题 之 一。电气监控系统(E C S)的部分信息通过 网络通 信方式接人 DC S成为一种新的发展方 向，在新建 的 大中容量机组中得到了广泛应用。对于取消全部硬 接线、完全采 用通信方式接人 D C S，不少 电力设备 制造厂家和电厂也正在积极尝试与探索。本文从应用的角度 出发，分析了火电厂 E C S通 过硬接线、硬接线+通信、全通信 3种方式接人 D C S的优缺点和需要解决 的问题，展望了 E C S最终 实现全通信的前景和 目标。1 硬 接线方 式 硬接线方式电气信息通过硬接线接人 D C S(见 图 1)。接人信息主要包括开关量输入(DI)、开关量 输出(D o)和模拟 量输入(AI)，接人方式为空 接点 收 稿 日期：2 0 0 5-1 1-0 7；修 回 日期：2 0 0 6 0 1 0 5。圈 1 硬 接线方式结构 Fi g 1 S t r u c t u r e o f t h e mo d e by c on t r o l c abl e s 采用硬接线方式后，通过 D C S的 C R T实现 了 电气相关信息的显示报警与电气设备 的控制调节，有效提高了攘个 电气控制的安全性 和可靠性，同时 扩大了 D C S的控制范围，实现了机炉电系统的一体 化运行和监控。硬接线方式 的优点是：电气量 的 I O模件柜集 中布置，便于管理，设备运行环境好；信号传输 中转 环节少，对现场信号的反应快速、可靠，连接电缆一 次敷设正确后，发生 故障 的概率 较低，维护工作量 小。硬接线方式虽然一次性投资较 高，但 目前大部 分电厂、设计院仍认为它是电气信息接人 D C S的最 可靠、快速的方式。因此，在通信方式逐步应用的情 况下，目前对可靠性、实时性和确定性要求很高 的电 气联锁与控制，仍然保 留了硬接线方式。硬接线方式在实际实施和运行过程中也存在很 多 问题。主要 问题如 下：1)D C S需要配置大量的变送器、I O卡件、机柜 和连接 电缆，施工复杂，成本高。维普资讯 http:/ 工程应用 闰天军，等火电厂电气监控系统接人 DC S方式的分析 8 7 2)接入 D C S的信息数量十分有限，系统 的扩展 性能差。3)厂用电回路需要配置单 独的电能表，但又不 能实现 自动抄表功能。4)无法完成 事故追忆、保护定值管理、录波分 析、操作票、防误闭锁等较为复杂 的电气维护和管理 工作，电气系统的整体 自动化水平较低 。5)在倒送厂用电时，由于 DC S一般 尚未投运，高压启 备变、高 低压厂用电源 的远方操作 无法实 现。6)厂用电系统 已经采用微机化的综合保护测控 装置(以下简称综保装 置)，面向间隔设计，集保护、测控和通信功能于一体，可 以通过网络接 口传输电 压、电流、功率、电量和保护动作信号等大量 D C S需 要的信息，其精度和实时性完全满足技术要求，硬接 线方式客观上造成 了硬件的重复配置和资源浪费。为 了克服硬接线方式的不足，特别是对 于接入 D C S用于监测功能的信息，考虑采用通信方式取代 硬接线很有必要。近年来，以现场总线、工业 以太网 为代表的网络通信技术在工厂 自动化和变电站 自动 化、D C S等电力 自动化领域得到了广泛和成功的应 用，并且 日趋成熟稳定，为火电厂电气系统联网接入 DC S提供 了成熟 的运行经验，同时，电气系统 的继 电保护和 自动控制装置的微机化也为电气系统联网 接入 D C S提供 了条件。为 了提高电厂的整体 自动 化水平，自2 1 世纪初以来，一些 电力设备制造厂陆 续推出基于网络通信的火 电厂 E C S，比较有代表性 的产品有江苏金智科技的 D C AP 一 4 0 0 0系统、北京四 方 的 C S P A一 2 0 0 0系统 等。火 电厂 电气信 息接 入 D C S的方式也变为硬接线+通信方式。目前，以通 信方式部分取代硬接线，已经取得了广大电厂用户 和电力规划设计部门的一致认可。2 硬接线+通信方式 硬接线+通信方式 的 E C S一般采用分层分 布 体系结构，系统分为站控层、通信层和间隔层 3层，系统网络结构如 图 2所示。站控层一般采用客户 服务器的分布式结构，由 服务器、操作员工作站、维护工作站和通信 网关等组 成，构成电气系统监控、管理和与 D C S、管理信息系 统(MI S)、监控信息系统(S I S)等 自动化系统互联的 中心，虽然电气系统的大量信息通过通信方式接入 D C S，但 主要用于监 控功能，D C S并没有开发针对 电气的高级应用软件，这是 由 D C S的定位决定 的。通过 E C S的站控层相对独立地实现对电气 系统的 监控，不仅提供 了 D C S的后备控制手段，还通 过对 大量基础信息的分析处理，实现了诸如事故追忆、保 护定值管理、录波分析等复杂 的电气维护和管理工 作，为电气系统的运行、维护和管理提供了专用的平 台，这是 E C S的重要价值之一。蓬 圆圈 圈 E U S 固 D C S 100 M bitsi D C S!的 n_ 通 D C S的 DP U 鲁 f i l l RRs _S-448252 I 1 s til l 璺 l 1 一 I尚向 尚 I丽I 层 刿I ll耋 H 薹 D PU 内部 I O 卡件 保留 硬接 线的 电气 I O 图 2 硬接线+通信方式结构 Fi g 2 S t r u c t u r e o f t h e mo de b y c o n t r o l c a bl e s a n d c o mmu ni c at i o n 通信层一般以通信管理机为核心，对信息起到 分组和上传下达的作用，通过 1 0 0 Mb i t s以太网接 入站控层的实时主干 网，厂用 电综保装 置通过 R S 一 4 8 5或现场总线接入通信管理机，对于除厂用电综 保装置外的第三方智能电气设备，例如发变组保护、启 备变保护、励磁系统、同期装置、快切装置和直流 系统等，一般通过通信管理机实现通信接 口和协议 格式的转换，从而实现完整的电气系统联 网。同时，通信管理机可经 串行接 口与机组 D C S的分 布式处 理单元(D P U)相 连，进行信息交换。目前，E C S与 DC S的通信可通过站控层 的通信 网关和通信层 的 通信管理机 2种方 式实现_ 4 。通信 网关 一般采用 1 0 0 Mb i t s 以太 网，信 息吞吐量大，但需 要 DC S开 发专门的软件模块，受 D C S的开放性限制较大，通 信管 理 机 与 DP U 之 间一 般 采 用 RS 一 4 8 5接 口、Mo d b u s 协议通信，相对简单 易行，同时也为电气信 息参与工艺联锁提供了可能，因而得到了广泛应用。间隔层包括分散安装的厂用电综保装置(例如 电动机保 护测 控装置、低压 变压 器保护 测控装 置 等)、3 8 0 V电动机控制器、发变组保护、厂用 电快切 装置等智能电气设备，完成对电气 系统现场信息 的 采集、保护、控制和数据通信等功能。硬接线+通信方式 的 E C S第 1次把 网络化的 应用引入火电厂电气系统，也使 D C S中电气信息的 接入模式发生了很大的变化，电压、电流、功率、电量 和保护 动作 信 号等 大量 信 息通 过 通信 方 式接 入 维普资讯 http:/ 8 8 电 力 最 统 自 动 代 2 0 0 6，3 O(1 1)DC S，与工艺联锁和控制相关 的开关量输 入输 出还 保 留硬接线，甚至只保 留与热工联锁相关的电动机 回路的硬接线，厂用 电源 回路 的控制也 通过通信接 口实现。这种方式为电厂的电气运行和维护提供 了 新的平台，为采用新型的系统维护方式和企业管理 模式提供 了可能，具有如下优点：I)D CS取消了大量的变送器、I O卡件、机柜和 连接电缆，成本降低。2)接入 DC S的信息全 面、丰富，信息数量基本 与投资无关，系统扩展性强。3)综保装置可实现厂用电系统电能的高精度计 量，不必单独 配置 电能表，并 可通过 网络上 送 E C S 后台，实现 自动抄表功能。4)通过电气系统后 台可实现事故追忆、保护定 值管理、录波分析、操作票、防误 闭锁等较复杂的电 气维护和管理工作，使电气系统 的整体 自动化水平 有较大的提高。5)在 倒送 厂用 电时，通过 E C S可实现对高压 启 备变、高 低压厂用 电源的远方操作。近几年来，在新建的容量 3 0 0 MW 及以上的火 电机组，电气系统都实现 了范围不等的联 网，并通过 通信接 口向 D C S传送监测信息，在提高 电气系统 自 动化水平和管理维护方 面，给用户提供 了实实在在 的好处。但是，E C S在实施过程中也存在一些 困难 和问题，主要如下：1)对于 DC S厂家来说，取消了大量 的变送器和 I O卡件，市场利益受到一定的冲击，还要投入精力 来做通信接入工作，难免会有一定的抵触情绪。2)目前国内投资于 D C S的资金 7 o 用于进 口 设备，而进 口 D C S的通信开放性受到很大限制，对 于通信 的信息，DC S的通信周期、数据包长度都对 通信 的实时性有很大影响。3)通信方式与硬接线方式相 比，信息中转环节 多，在可靠性和实时性方 面还有一定的差距，目前通 信的信息大多局限于监测信息，还不能完全实现用 户期望的全通信 目标。4)E C S节点 多、分散性强，并且 多台机组需要 分期建设，对系统的容量、网络构架的可扩展性和设 备厂家的售后服务能力都提 出了很 高的要求，而不 同厂家的解决方案良莠不等，网络通信中断、信息刷 新缓慢等问题经常困扰用户，使系统维护量增大，从 而影响 E C S的实施效果和用户的应用信心。5)从投资成本来看，由于部分工程 E C S的站控 层和通信层配置较复杂，从而使 E C S的投资偏高，对于整个控制系统而言，成本降低并不明显。6)在 D C S投运之后，用户对 E C S的应用相对 较少，关注程度较低，因而 目前 E C S的电气维护和 管理功能并不十分完善。对于以上问题 的解决，一 方面，需要 E C S厂 家 切实根据用户需求提供先进 的技术、可靠 的产品和 完善的服务，并且能持续不断地改进和创新，特别是 提高网络通信的可靠性和实时性、提供丰富完善 的 电气维护和管理功能；另一方 面，需要广 大电厂、设 计规划部门和 D C S厂家以更加坚定 的信 心和开放 的心态来接纳 E C S，各方密切 配合，从 真正为电厂 用户提供服务 的角度 出发，做好 E C S和 D C S的互 联规划和实施工作，DC S厂家应从软硬件配置上满 足异构系统互联 的开放性、实时性和灵活性要求。3 全通信方式 E C S从产 生、发 展到被用户广泛接受，始终围 绕着提高电气 系统整体 自动化水 平、实 现 E C S和 DC S无缝连接 这个 目标，目前的通信信息“只监测 不控制”，离用户真正期望的全通信方式还有一定的 差距。目前，国内一些 E C S厂家和电厂在全通信方 面进行 了有益的探索，积累了一定 的经验，例如云南 巡检司电厂与宣威 电厂。对于 目前投入工程应用的 全通信方式，系统网络结构如图 3所示。蓬 圆圈 I I I 间 隔 层 E CS 服 务l I 摄 作 l l 通 信 I Il I 员 站 l l 罔 美 一 o o l_ Mb it s 以太网 l D CS 的 1 以 o o同Mb il Y s D P U 1 J D P U l I 1 廑 现辑总线 l l ，工艺II工艺I I工艺 I lIN l_l褪 综lI综 l_l缘 儇装ll保装l l保饕 置 l I置 I l置 田 3 全通信 方式结构 Fi g 3 St r uc t ur e o f t he mo de b y f u l l c omm u ni c a t i o n 在这种方式 中，通信管理机按 电厂工艺过程配 置，参与工艺联锁控制的通信管理机与相应的 D P U 一对一进行通信，由于每个工艺过程的电动机综保 装置数量较少，因而通信实时性较高，完全可以满足 电厂工艺联锁控制的要求。对于不参与工艺联锁的 电气信息，通过 E C S站控层的通信网关接入D C S。通过这种方式，电气系统的控制和联锁全部通 过网络通信实现，实时性与硬接线虽有一定的差距，售 维普资讯 http:/ 工程应用 闫天军，等火电厂电气监控系统接入 D C S方式的分析 8 9 但都能满足技术要求，在 向全通信 目标 的过渡过程 中，是一种大胆 而有益 的尝试。但这种方式也存在 很大的困难，主要是：1)在变电站 自动化系统和 D C S中，控制都是通 过网络通信实现的，但网络结构一般都不大于 3 层，并且互联的设备一般为一个厂家的产品和系统。在 图 3中，控制信息 的传输 网络 为 4层，DC S的开放 性受 限也影响了 2个系统之间联接 的紧密性，可靠 性和实时性受到较大 的制约，这也是大部分用户和 设计 院对这种模式望而却步的主要原因。2)通信管理机 根据工艺过程配置，因数量较多 而使投资成本提高，同时，一个工艺过程的厂用电动 机 回路往往来 自不同的配电间隔，网络布线交叉，也 增加了施工和维护的难度。未来应用 中，如果参与工艺联锁 的综保装置能 够根据 D C S和 E C S的不 同要求，把控制信息和非 控制信息分开，分别通过独立的通信接 口接入 D P U 和 E C S的通信管理机，那么，接人 DC S信息的可靠 性和实时性会有很大的提高；但通信负荷的增加、控 制的切换等对综保装置提出了新的技术要求，同时，D C S厂家在市场利益受到更大 冲击的情况下，接入 不 同通信接 口和协议的装置，势必会有较大 的阻力。因此，在新模式的探索 中，不仅需要电厂、设计 院有 很大的决心与 DC S厂家、E C S厂家全力配合，同时，如何平衡市场利益的冲突也是一个需要相关各方解 决 的 问题。4 结语 随着我国电力事业 的飞速发展，电源建设特别 是容量 3 0 0 Mw 及 以上大型火 电机组 的建设得到 了迅速发展，E C S也得 到了广泛应用，硬接线+通 信方式在 目前条件下更好地解决 了 E C S接人 DC S 实现机炉电一体化协调控制 的要求，针对在实际应 用中出现的问题，相信通过 E C S厂家、DC S厂家、电 厂与设计院的密切配合，合理规划，正确实施，一定 会得到很好解决。随着 E C S的 日趋稳定和通信技 术的不断发展，相信在不久的将来，全通信方式将真 正得到用户的广泛接受和应用。参 考 文 献 1 陈利芳 电气 系统 监控纳入 DC S改造 的设计与 实践 电力系统 自动化，2 0 0 2。2 6(4)；6 1 6 3 CHEN Lif a n g De s i g n a n d pr a c t i c e t o r e a l i z e e l e c t r i c c o n t r o l i n DCS r e c o ns t r u c t i n g Aut o ma t ion o f El e c t r i c Po we r S y s t e ms。2 0 0 2，2 6(4)：6 1-6 3 2 焦邵华，李娟，李 卫，等。大型火力发电厂电气控制 系统的实现模 式 电力系统 自动化。2 0 0 5，2 9(1 5)：8 1 8 5 J I A0 S h a o h u a，LI J u a n，LI W e i。e t a 1 Re a l i z a t i o n mo d e o f e l e c t r i c c o nt r o l s y s t e m i n l a r g e t he r ma l p o we r p l a n t：Au t o ma t i o n o f El e c t r i c Po we r S y s t e ms，2 0 0 5。2 9(1 5)i 81 8 5 3 3 钱可弭 新型发电厂电气监控系统的架构与实现 广东电力，2 0 0 5，1 8(3)：2 卜2 5 QI AN Ke mi A ne w s t r u c t u r e o f e l e c t r i c c o n t r o l s y s t e m a n d i t s imp l e me n t a t i o n Gu a n g d o n g El e c t r i c P o we r，2 0 0 5，1 8(3)：2 1 2 5 4 刘志超，丁建民，任锦兴，等 基于以太网的分布式发电厂电气监 控系统实现 电力系统 自动化，2 0 0 4，2 8(8)：8 4 8 7 L I U Z h i c h a o，D I NG J i a n mi n，RE N J i n x i n g，e t a 1 D i s t r i b u t e d e l e c t r i c c o n t r o l s y s t e m i n p o we r p l a nt b a s e d o n t he Et h e r ne t Au t o ma t i o n o f El e c t r i c Po we r S y s t e ms，2 0 0 4，2 8(8)：8 4 87 闫天军(1 9 7 4 一)，男，工程 师，研 究方向为火电厂 电气系 统 自动化。E ma i 1 t j y a n wi s c o m e o m c n 郭 伟(1 9 7 O 一)，男，博士，剐教授，研究方向为计算机 在 电力系统保护厦控制 中的应用 赵树眷(1 9 7 3 一)，男，硕 士研 究生，工程 师，研 究方 向为 电力系统 自动化。Ana l y s i s o n Co nn e c t i ng M o de o f El e c t r i c Co n t r o l Sy s t e m i nt o Di s t r i b u t e d Co nt r o l S y s t e m i n Th e r ma l Po we r Pl a nt Y AN Ti a n j u n GUO We i 0。ZHA0 S h u c h u n (1 W I S COM S y s t e m C o Lt d，Na n j i n g 2 1 1 1 0 0，Ch i n a；2 S o u t h e a s t Un i v e r s i t y。Na n j i n g 2 1 0 0 9 6，Ch i n a)Ab s t r a c t：Th e t h r e e mo d e s o f t h e e l e c t r i c c o n t r o l s y s t e m(E CS)c o n n e c t i n g i n t o t h e d i s t r i b u t e d c o n t r o l s y s t e m(DCS)i n t h e r ma l p o we r p l a n t a r e a n a l y z e d，i e c o n t r o 1 c a b l e s，c o n t r o 1 c a b l e s a n d c o mm u n i c a t i o n，f u l 1 c o mmu n i c a t i o n Th e me r i t s a n d s h o r t c o mi n g s o f t h e t h r e e mo d e s a n d t h e p r o b l e m s i n a c t u a l a p p l i c a t i o n a r e d i s c u s s e d Th e mo d e o f c o n t r o l c a b l e s a n d c o mmu n i c a t i o n i s c o n s i d e r e d t o b e a ma i n s t r e a m s o l u t i o n f o r c o n n e c t i n g E CS i n t o DCS wi t h t h e c a p a b i l i t y o f g r e a t l y i mp r o v i n g t h e a u t o ma t i o n l e v e l o f E CSHo we v e r，s u c h p r o b l e ms a r e s t i l l e x i s t e d i n t h e a p p l i c a t i o n a s l i mi t e d c o mmu n i c a t i o n b e t we e n E CS a n d DCS，t h a t t h e f u n c t i o n s o f ma i n t e n a n c e a n d ma n a g e m e n t a r e n o t p e r f e c t e t c I t i s b e l i e v e d t h a t t h e s e p r o b l e m s c a n b e s o l v e d g r a d u a l l y b y t h e ma t u r i t y a n d s t a b i l i t y o f c o mmu n i c a t i o n t e c h n o l o g y a n d t h e mo d e o f f u l l c o mmu n i c a t i o n wi t h o u t c o n t r o l c a b l e s wi l l b e b r o a d e n e d g r a d u a l l y Ke y wo r d s：e l e c t r i c c o n t r o l s y s t e m(ECS)；d i s t r i b u t e d c o n t r o l s y s t e m(DC S)；c o n t r o l c a b l e s；f u l l c o mmu n i c a t i o n 维普资讯 http:/