大中型電站電氣現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統應用研究與設計

近年來(lái), 隨著(zhù)電力行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步及分散控制系統(DCS) 在電廠(chǎng)中的廣泛應用, 300MW及以上容量機組的熱工控制已全面采用分散控制系統(DCS),逐步形成了數據采集(DAS)、模擬量控制(MCS)、順序控制(SCS)、燃燒器管理(BMS)四大系統。但DCS 主要完成的是汽輪機、鍋爐的自動(dòng)化過(guò)程控制, 對電氣部分的自動(dòng)化結合較少,DCS 一般未充分考慮電氣設備的控制特點(diǎn), 所以無(wú)論是功能上還是系統結構上, 與網(wǎng)絡(luò )微機監控系統相比在自動(dòng)化程度、開(kāi)放性等方面都有較大的差距。實(shí)施以現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)為基礎電站電氣控制系統(ECS)，進(jìn)而將該系統以相對獨立的單元實(shí)體模式最終納入DCS體系之中,充分利用FCS先進(jìn)的全分散控制技術(shù),提高電氣控制自動(dòng)化水平和可靠性?？沙浞掷肍CS的徹底分散和數字信息現場(chǎng)化、智能設備自診斷等特點(diǎn)，使電氣防誤操作等功能實(shí)現更方便、更完備,并且將相關(guān)量的顯示報警與電氣設備的控制調節有機地結合起來(lái),有效提高整個(gè)電氣控制的安全性和可靠性。

一、電站電氣控制系統的主要特點(diǎn)

電站ECS與熱工自動(dòng)化在控制要求及運行過(guò)程中都有較大的區別,電站ECS的主要特點(diǎn)為:(1)電氣設備相對熱工設備而言控制對象少,操作頻率低,有的系統或設備運行正常時(shí),時(shí)常幾個(gè)月或更長(cháng)時(shí)間才操作1次;控制系統所實(shí)現的是順序控制, 即數字量控制, 模擬量信號僅作監視, 不參與系統邏輯控制 (2)電氣設備保護自動(dòng)裝置要求可靠性高,動(dòng)作速度快。如發(fā)變組保護動(dòng)作速度要求在40ms以?xún)?廠(chǎng)用電快切裝置快速切換時(shí)間一般小于60～80ms。 (3)300MW及以上機組一般每2臺機組共用1臺啟/備變,任一機組檢修都不能影響另一臺機組的正常運行。(4)電氣設備電氣系統的聯(lián)鎖邏輯較簡(jiǎn)單,但電氣設備本身操作機構復雜。因此要求控制系統具有很高的可靠性。除了能實(shí)現正常啟停和運行操作外,尤其要求能夠實(shí)現實(shí)時(shí)顯示異常運行和事故狀態(tài)下的各種數據和狀態(tài),并提供相應的操作指導和應急處理措施,保證電氣系統自動(dòng)控制在最安全合理的工況下工作。

二、電站電氣控制系統的監控范圍

一般來(lái)說(shuō), 電站電氣控制系統的監控對象主要有:

1) 發(fā)電機- 變壓器組, 其監控范圍主要包括發(fā)電機、發(fā)電機勵磁系統、主變壓器、220 kV 斷路器;

2) 高壓廠(chǎng)用工作及備用電源, 其監控范圍主要包括高壓廠(chǎng)用工作變壓器、起動(dòng)- 備用變壓器等;

3) 主廠(chǎng)房?jì)鹊蛪簭S(chǎng)用電源, 其監控范圍主要包括低壓廠(chǎng)用工作和公用變壓器、照明變壓器、檢修變壓器和除塵變壓器等主廠(chǎng)房的低壓廠(chǎng)用變壓器;

4) 輔助車(chē)間低壓廠(chǎng)用電源;

5) 動(dòng)力中心至電動(dòng)機控制中心電源饋線(xiàn);

6) 單元機組發(fā)電機和鍋爐DCS 控制電動(dòng)機;

7) 保安電源;

8) 直流系統;交流不停電電源。

三、現場(chǎng)總線(xiàn)的技術(shù)特點(diǎn)及EFCS的優(yōu)勢

20 世紀90 年代中后期, 現場(chǎng)總線(xiàn)控制技術(shù)興起并蓬勃發(fā)展起來(lái)，并開(kāi)始逐漸應用于電站自動(dòng)化。近年來(lái)，隨著(zhù)電氣控制運行經(jīng)驗的成熟，各類(lèi)電氣智能化控制設備不斷出現，為現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)應用于電站電氣控制做好了準備?，F場(chǎng)總線(xiàn)將集中與分散相結合的控制系統結構，轉變稱(chēng)為新型的全分布式結構，把控制功能徹底下放到現場(chǎng)，依靠現場(chǎng)智能設備自身實(shí)現基本控制功能;同時(shí)，由于采用了全數字化的現場(chǎng)智能設備和數字通信技術(shù)，使系統具備了完全的自診斷和綜合信息集成的能力，為電站綜合自動(dòng)化和全程自動(dòng)化的實(shí)現奠定了堅實(shí)的基礎?，F場(chǎng)總線(xiàn)的特點(diǎn)主要表現在：

1) 系統的開(kāi)放性。開(kāi)放系統是指通信協(xié)議公開(kāi), 各不同廠(chǎng)家的設備之間可進(jìn)行互連并實(shí)現信息交換, 現場(chǎng)總線(xiàn)開(kāi)發(fā)者就是要致力于建立統一的工廠(chǎng)底層網(wǎng)絡(luò )的開(kāi)放系統。這里的開(kāi)放是指對相關(guān)標準的一致、公開(kāi)性, 強調對標準的共識與遵從。一個(gè)開(kāi)放系統, 它可以與任何遵守相同標準的其它設備或系統相連。一個(gè)具有總線(xiàn)功能的現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )系統必須是開(kāi)放的, 開(kāi)放系統把系統集成的權利交給了用戶(hù)。用戶(hù)可按自己的需要和對象把來(lái)自不同供應商的產(chǎn)品組成大小隨意的系統。

2) 互可操作性與互用性, 這里的互可操作性, 是指實(shí)現互連設備間、系統間的信息傳送與溝通, 可實(shí)行點(diǎn)對點(diǎn), 一點(diǎn)對多點(diǎn)的數字通信。而互用性則意味著(zhù)不同生產(chǎn)廠(chǎng)家的性能類(lèi)似的設備可進(jìn)行互換而實(shí)現互用。

3) 現場(chǎng)設備的智能化與功能自治性。它將傳感測量、補償計算、工程量處理與控制等功能分散到現場(chǎng)設備中完成, 僅靠現場(chǎng)設備即可完成自動(dòng)控制的基本功能, 并可隨時(shí)診斷設備的運行狀態(tài)。

4) 系統結構的高度分散性。由于現場(chǎng)設備本身已可完成自動(dòng)控制的基本功能, 使得現場(chǎng)總線(xiàn)已構成一種新的全分布式控制系統的體系結構。從根本上改變了現有DCS 集中與分散相結合的集散控制系統體系, 簡(jiǎn)化了系統結構, 提高了可靠性。

5) 對現場(chǎng)環(huán)境的適應性。工作在現場(chǎng)設備前端, 作為工廠(chǎng)網(wǎng)絡(luò )底層的現場(chǎng)總線(xiàn), 是專(zhuān)為在現場(chǎng)環(huán)境工作而設計的, 它可支持雙絞線(xiàn)、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線(xiàn)、電力線(xiàn)等, 具有較強的抗干擾能力, 能采用兩線(xiàn)制實(shí)現送電與通信, 并可滿(mǎn)足本質(zhì)安全防爆要求等?！∮捎诂F場(chǎng)總線(xiàn)的以上技術(shù)特點(diǎn), 特別是現場(chǎng)總線(xiàn)系統結構的簡(jiǎn)化, 使控制系統的設計、安裝、投運到正常生產(chǎn)運行及其檢修維護, 都體現出優(yōu)越性。

對于電氣系統全部采用硬接線(xiàn)進(jìn)入DCS 的控制系統, 缺點(diǎn)是硬件設備對數據的采集只能采用I/ O 方式, 電氣系統的信息量均要采用I/ O 方式接入DCS , 電氣模擬量還要經(jīng)過(guò)變送器轉換成4~20 mA 直流信號送入DCS , 由于DCS 的I/ O 點(diǎn)數總量控制及I/ O 采集方式本身的限制, 不可能將所有電氣信息量送入DCS , 信息量不完整, 無(wú)法滿(mǎn)足電氣系統故障分析、狀態(tài)處理、設備管理等高級應用功能的需要;同時(shí)所有信息均要采用硬接線(xiàn)接入DCS , I/ O 接口多, 硬接線(xiàn)測點(diǎn)量大, 系統接線(xiàn)復雜, 控制電纜用量多, 系統中有大量的變送器和I/ O 接口, 系統運行、維護的工作量較大, 對提高電廠(chǎng)運行管理水平不利。EFCS 是將在變電站和發(fā)電廠(chǎng)網(wǎng)絡(luò )控制中已經(jīng)積累了豐富運行經(jīng)驗的計算機分布式控制系統用于火力發(fā)電廠(chǎng)的電氣系統控制, 其特點(diǎn)是采用現場(chǎng)總線(xiàn)的設計思路, 所有電氣設備的信息采集主要采用綜合智能測控單元進(jìn)行轉換和采集, 對于特別重要的信號(如參與聯(lián)鎖控制的信號量) 和控制量,除保留通信接口方式外, 采用硬接線(xiàn)接入DCS 的I/ O 柜進(jìn)行采集, 如運行(合閘) 、停止(跳閘) 、故障、允許操作等與控制聯(lián)鎖邏輯有關(guān)的信號均采用硬接線(xiàn)接入DCS 的I/ O 柜, 對于所有控制量如各斷路器的跳閘、合閘指令也通過(guò)DCS 的I/ O 柜用硬接線(xiàn)方式接入各開(kāi)關(guān)控制回路, 避免了萬(wàn)一通信不暢時(shí)不能進(jìn)行監控的問(wèn)題。由于采用綜合智能測控單元進(jìn)行電氣數據采集, 除能完成數據采集任務(wù)外, 還能對數據進(jìn)行預處理, 并通過(guò)敷設在配電室開(kāi)關(guān)柜內的現場(chǎng)總線(xiàn)將處理后的數據送入通信管理機, 系統接線(xiàn)十分簡(jiǎn)單。為便于運行維護和調試,各通信管理機均提供調試接口, 可供機組維護人員在廠(chǎng)用電倒送和檢修調試期間使用。系統還配置有電氣工程師站, 其主要功能是實(shí)現電氣系統故障信息管理及故障分析、設備管理、自動(dòng)抄表等管理功能, 供運行維護人員進(jìn)行電氣系統的數據庫、界面、報表等的維護修改以及電氣自動(dòng)化系統的監視與維護, 還可以作為培訓工作站進(jìn)行操作流程預演及對運行人員的培訓仿真或作為DCS 操作員站的備用, 可在建設初期DCS 未投入時(shí)滿(mǎn)足廠(chǎng)用電倒送或DCS 退出時(shí)對電氣系統進(jìn)行監控。EFCS采用現場(chǎng)總線(xiàn)方式, 電氣信息量采集完整, 為實(shí)現電廠(chǎng)電氣系統高度自動(dòng)化運行及管理水平提供了硬件基礎。該方案除具有遠程I/ O 的全部?jì)?yōu)點(diǎn)外, 還可以減少大量DCS 的隔離器件、端子柜、I/ O 卡件等, 且綜合智能測控單元直接安裝在開(kāi)關(guān)柜上, 開(kāi)關(guān)柜外采用總線(xiàn)進(jìn)行通信連接, 可大幅度節省控制電纜及施工安裝工作量和系統調試、檢修及維護工作量。對廠(chǎng)用電系統等基本上取消了硬接線(xiàn), 使控制系統接線(xiàn)更為簡(jiǎn)單, 能最大程度地節省控制電纜, 減小施工、安裝、調試、檢修和維護工作量。此外, 由于各智能測控單元功能獨立, 風(fēng)險分散, 任何一個(gè)測控裝置的故障僅涉及到相應元件, 不影響其它間隔, 使整個(gè)系統可靠性得到很大提高, 又增加了備用操作手段(既可在控制層操作, 也可在間隔層操作) , 提高了信息轉換精度和可靠性, 也避免了信號(特別是4～20 mA 模擬量信號) 在傳輸中的衰減和干擾等問(wèn)題。