基于現場總線的分布式電氣控制系統改造

卓薇

(廣東省粵電集團有限公司沙角C電廠,廣東東莞 523936)

0 引言

廣東省粵電集團有限公司沙角C電廠(以下簡稱沙角C電廠)安裝有3臺660MW亞臨界燃煤發電機組,由廠用電模擬屏對電源部分進行監控,其功能與采集到的信息量都非常有限。隨著電廠自動化技術的不斷發展,為了給廠用電系統日常監控及維護工作提供全面可靠的電氣信息,沙角C電廠對原系統進行了基于現場總線的分布式電氣控制系統FECS(FieldbusElectricControlSystem)改造。

1 原廠用電監控系統概況

沙角C電廠原廠用電監控系統采用廠用電模擬屏對全廠電源部分進行遠方監控。廠用電模擬屏的操作把手可對電源開關進行遠方分、合閘操作,可由操作把手指示燈的狀態獲取開關的當前狀態。遙測量由現場變送器轉換為4～20mA模擬量供廠用電模擬屏的儀表指示,告警信息與保護動作由光子牌顯示,廠用電模擬屏與現場設備的接口方式均為硬接線方式。

電動機部分由分布式控制系統DCS(DistributedControlSystem)遠方監控,與DCS的接口方式為硬接線方式。

2 原廠用電監控系統存在的問題

(1)備品價格高且采購周期長。備品必須從國外廠家訂購,價格昂貴;控制電纜絕緣變差,給系統安全運行帶來隱患。

(2)信息量不豐富。原廠用電模擬屏接口單一,僅有硬接線方式接口,采集的信息量受I/O口數量約束;無通信接口,與現場智能設備及其他系統無法通信,電氣信息的擴展及轉送受到很大限制。

(3)無歷史記錄。廠用電模擬屏僅顯示當前故障,不便于維修人員進行日常維護和故障分析。

(4)無軟件組態功能。邏輯閉鎖功能由開關控制回路實現,若需修改要通過改變現場開關回路接線或增減繼電器等方式來實現,非常不便。

3 FECS模式選定

3.1 國內電廠常用的FECS模式

3.1.1 保留關鍵硬接線的FECS模式

目前,國內大多數電廠采用保留關鍵硬接線的FECS模式,在該模式下,FECS為DCS的子系統。FECS通過現場總線實現電氣部分的信息采集與控制,DCS以通信方式對FECS的I/O裝置進行操作。FECS主站作為后備,在DCS操作員站故障時對電氣部分進行控制。參與熱工控制的重要電動機的啟、停控制采用DCS的I/O模塊經電纜硬接線實現。

3.1.2 全通信的FECS模式

近年新建的電廠多采用全通信的FECS模式,即FECS與DCS的信息交換全部采用通信方式。DCS完全放棄電動機使用I/O的硬接線方式,最大限度地減少了電纜。該模式是一種深層次的一體化方案,DCS擁有電動機與電源的控制權,FECS作為DCS的子系統參與DCS監控的范圍由純電氣部分的控制擴展為對電動機的控制。

3.2 沙角C電廠FECS模式

3.2.1 沙角C電廠FECS模式選定

沙角C電廠于1996年投運,機房對通信干擾的屏蔽性沒有新廠強,且380V電動機暫無智能設備,故不采用全通信模式。若把FECS作為DCS的一個子系統,則對DCS有一定依賴性,而且DCS的接入能力有限,極大地限制了電氣信號的豐富與電氣自動化水平的提高。從管理習慣上看,沙角C電廠廠廠用電部分由電氣專業人員管理,電氣部分納入DCS由熱工專業人員管理,所以,沙角C電廠選定了與DCS相對獨立的FECS模式,如圖1所示。

圖1 與DCS相對獨立的FECS模式

3.2.2 沙角C電廠FECS模式分析

該模式的FECS具有完整的FECS監控主站。FECS負責整個廠用電系統的監視并擁有電源部分的控制權,對電動機部分只監視不能控制,電源部分的邏輯在FECS中完成。DCS中參與電動機控制的量仍保留硬接線方式接入DCSI/O,電動機部分的邏輯在DCS中完成,DCS中的電動機部分不參與控制,但需用于監視的量由FECS轉發。FECS根據DCS的需求量通過通信方式由FECS轉發站單向轉發數據給DCS主站,作為DCS監視用。該模式下的FECS與DCS相對獨立、職責分明(上述電動機均指10kV/3kV電動機,380V電動機無智能設備,暫不接入FECS,保持原DCS監控模式)。

沙角C電廠FECS模式的特點:

(1)FECS與DCS分工明確,權責分明。

(2)FECS對全廠的廠用電實現集中監視,對電源開關具有監控權,對電動機部分只監視不控制,實現了電氣部分的高級應用功能。

(3)弱化了FECS與DCS的通信功能,FECS轉發給DCS的通信信號只作為監視用,且通信信號只能由FECS單向轉發給DCS,DCS不能控制FECS。

(4)DCS的信號得到了豐富,節約了部分控制電纜與變送器等傳統設備。

4 FECS組網方案

沙角C電廠使用CSPA-2000分層分布式電氣控制系統,該系統自上而下分為站控層、分布控制層、間隔層,其組網結構圖如圖2所示。

4.1 站控層

站控層是整個系統的控制管理中心,完成整個系統的數據收集、處理、顯示和監視,經過授權對電氣設備進行控制并與DCS通訊聯絡。站控層由2臺冗余的系統服務器兼工程師站、2臺轉發站、冗余配置的網絡交換機、打印機以及其他網絡設備組成。站控層網絡采用以太網網絡,雙網配置,其網絡通信速率滿足系統實時性要求,為100Mbit/s。FECS與DCS通訊采用以太網方式,在2臺轉發工作站進行。雙服務器及雙網冗余配置的站控層具有很高的可靠性與穩定性。

沙角C電廠采用三機一控的方式,即3臺機組與公用系統共設置1套監控系統。該方案的優點是成本較低且網絡結構簡單,但比單機一控方式的通信壓力大,且#2機組先改造投運,公用系統與#1、#3機組調試時會給運行系統帶來不便。

圖2 FECS組網結構圖

4.2 分布控制層

分布控制層由主控單元與其他網絡設備組成,具有通信與控制功能,實現站控層與間隔層的實時信息交換。沙角C電廠采用031E主控單元,以太網雙網接入站控層,通過現場總線通信接口與間隔層智能設備進行通信。該主控單元采用雙網冗余結構設計,1臺主控單元裝置內包括2個結構、功能完全一致且相互獨立的模塊(1臺主控單元裝置實際為1對主控單元),模塊之間有心跳線連接,供切換與數據同步使用。正常運行時,2個模塊互為主備,若主模塊故障,主控單元可自動切換到備模塊,增加了系統的可靠性。

分布控制層設備按廠用電電氣分段組網方案配置,即廠用電10kV、3kV及380V的1個或幾個電氣分段配置1對主控單元(冗余配置)。該方案的特點是:現場總線布線容易、間隔分明、便于維護。

4.3 間隔層

間隔層負責各間隔的就地監控和保護功能,主要由綜合保護和測控單元組成。其中,綜合保護實現了保護與測控2個功能,測控單元僅用了測控功能。沙角C電廠原廠用電保護靠傳統繼電器來實現。10kV及3kV段所有負荷開關的綜合保護改造,隨FECS改造同時在機組A級檢修時進行,其余開關暫不改造。針對沙角C電廠的實際情況,間隔層設備分3種方案接入FECS。

(1)10kV/3kV電動機部分的信息量由綜合保護通訊接入FECS。在DCS中需參與控制的量不僅通信上送FECS,還由硬接線接入DCSI/O。

(2)進行綜合保護改造的變壓器高壓側開關(即10kV/3kV等級變壓器高壓側開關、10kV/380V等級變壓器高壓側開關)的所有信息量由綜合保護通訊上送。為加強可靠性,開關的遙控指令與3對重要的遙信(分/合閘反饋、開關總故障信號)還用硬接線方式接入相應的測控單元。

(3)其余未進行綜合保護改造的廠用電源部分的信息量,均以硬接線方式接入相應的測控單元。

間隔層各智能前端至主控單元的網絡為冗余配置并列運行,采取電氣分段接入,其連接方式采用現場總線,傳輸介質采用屏蔽雙絞線,綜合保護采用RS485形式,測控單元采用Lonworks形式。

5 改造后的效果

目前,#2、#3機組已先后完成FECS改造,運行狀況良好,較原系統功能大大增強。

(1)強大的組態功能。后臺的軟件為組態軟件,可進行畫面組態、數據庫組態、邏輯組態,支持在線數據修改,靈活性高。

(2)與其他系統的接口功能。FECS系統具有良好的開放性,能實現與機組智能保護裝置、DCS系統等的接口功能,其接口方式包括:接點方式(如保護裝置的重要信號)、串口通信方式(如保護裝置的大量信號)和以太網TCP/IP協議通信方式(如DCS系統),實現不同系統的無縫接入,擴展性好。

(3)數據庫處理功能。FECS采集的信息量遠遠大于原系統,實現了電氣信息數字化。具有歷史數據的存儲與查閱功能,實現了操作記錄、事件順序記錄SOE(SequenceofEvent)、事件記錄、電能報表等功能,便于設備維護、事故分析及節能分析等。

(4)采用先進、可靠的通信網絡技術,取消了原有硬接線、變送器等傳統設備,節省了一定數量的控制電纜和DPU資源,降低了成本。

6 結束語

沙角C電廠采用了與DCS相對獨立的FECS模式,實現了電氣部分的高級應用功能,標志著該廠電氣自動化水平上了新臺階。分層分布式的組網結構充分體現了系統內裝置的物理位置、控制功能分散,而顯示、操作、記錄、管理集中的特點,可靠性高、擴展性好并便于維護。