ECMS系統的新型結構及其應用①

侯 煒，沈全榮，嚴 偉

(南京南瑞繼保電氣有限公司研發中心，南京 211102)

隨著微機型綜合保護測控裝置及各種智能裝置在現場的普及，原有的通過分散控制系統DCS(distributed control system)所反映出的廠用電信息顯得非常局限，因此，從本世紀初，基于總線形式的廠用電氣監控管理系統逐步在各電廠得到了應用。為了對系統名稱進行規范(實際應用中，名稱有電氣監控系統ECS(electric control system)、基于現場總線的電氣控制系統FECS(fieldbus electric control system)、EFCS(electric fieldbus control system)等)，電顧發電(2008)20號文規定統一名稱為火力發電廠電氣監控管理系統(ECMS)。在DCS對廠用電源監控方式的選擇上，出現了硬接線方式、硬接線+通訊以及全通訊方式等[1]，本文分析了現存的各種ECMS系統的不足，并提出了新的方案，通過對其在現場的實際應用效果來看，這種方案更適合現階段采用。

1 現有ECMS系統的不足

1.1 硬接線+通訊方式

由于DCS系統通過硬接線方式對電氣量信息采集有限、電氣系統的整體自動化水平較低，無法完成事故追憶、波形分析、保護定值管理等功能[2]，因此出現了廠用電單獨組成ECMS系統、DCS系統保留少量硬接線、其他電氣信息經過通訊至DCS的方式。系統結構如圖1所示。此方式未修改現有DCS的控制方式，因此被大量工程采用，但這種方式存在如下缺點。

(1)由于DCS支持的通訊方式較少，DCS與ECMS通訊一般采用MODBUS RT U通訊方式，信息從間隔層至DCS畫面顯示，需要經過多次規約轉換，時間較長，從現場使用的情況看，一般為3～6 s甚至更長時間，不能滿足現場的運行要求。

(2)部分DCS系統的通訊點不能作為邏輯點使用，即通過通訊傳輸的信息只能在操作員站進行顯示，不能參與邏輯控制，且DCS為了保證控制器的運行速度與可靠性，一般都對信息點數做了嚴格限制，因此運行人員通過DCS系統并不能掌握足量的廠用電氣量信息。

(3)ECMS系統僅作為一個監測系統，一般不設置操作員站，只有在全廠倒送電及DCS系統檢修時才可能參與控制，導致該系統受關注度較低。

(4)從投資成本來看，采用此方案后，DCS節省了一部分AI、DI卡件及電纜，但增加了用于與ECMS系統通訊的通訊卡。華東電力設計院在以某電廠2×600 MW機組為例對本方案與原有DCS方案對投資進行比較后得出，項目總投資減少約20萬元，此方案投資方面的優勢未得到充分體現[3]。

圖1 硬接線+通訊方式Fig.1 Structure of the mode by control cables and communication

1.2 全通訊方式

為了進一步提高電廠電氣自動化的水平，ECMS系統在硬接線+通訊方式的基礎上，又出現了全通訊方案，即利用廠用電綜合保護測控單元可由遠方遙控的功能，通過DCS與ECMS系統的無縫連接，實現節省DCS I/O卡件及電纜，提高電廠自動化水平的目的。此種方式下，通訊管理單元雙機配置，信息上傳與指令下發均通過通訊方式，系統結構如圖2所示。這種方式也存在如下缺點:

(1)DCS與ECMS是兩個獨立的系統，任何一個系統自動化水平的不足，均會導致此方案在實際應用中存在缺陷。

(2)由于ECMS系統包含設備較多，不一定能保證所有設備采用同一廠商的產品，因此在整個通訊環節中，存在多處通訊協議轉換及通訊方式轉換之處。通訊可能存在的穩定問題將關系到電廠的安全生產，這也是這種方案得不到廣泛應用的原因之一。

(3)通過通訊方式接入不同通訊接口和協議的裝置，DCS系統結構將發生一定的變化，勢必會遇到DCS廠商尤其是國外DCS廠商較大的阻力。

(4)從長遠看，一套自動化系統不可能需要兩套監控系統配合才能完成，隨著自動化水平的不斷提高，這種全通訊方案必將得到進一步改進。

圖2 全通訊方式Fig.2 Structure of the mode by full communication

2 新型ECMS系統及現場應用

2.1 新型ECMS系統結構

由于現階段上述兩種方案在現場的應用情況不理想，未能充分發揮ECMS預期的作用，因此，2007年11月29-30日，中國電力工程顧問集團公司在北京主持召開了現場總線技術在火力發電廠電氣控制系統中應用研討會，會議通過決議，推薦ECMS系統采用如下方案:發電機-變壓器組、高低壓廠用電源等電氣設備的控制、監視和管理在ECMS實現，電動機的監測管理信息進入ECMS。電動機的控制仍由機組DCS實現。在機組集控室設置ECMS操作員站，ECMS不與機組DCS通訊。

在上述方案的基礎上，針對現在大部分ECMS系統為兩臺或多臺機組廠用電加公用廠用電的情況，推出了如圖3所示的ECMS系統結構。

圖3 新型ECMS系統結構Fig.3 New structure of ECMS

在此結構中，不同的機組分別設置獨立的監控系統，以兩臺機組為例，#1、#2機組分別設置操作員站與工程師站，兩臺機組信息互相獨立，間隔層設備按照不同的機組及公用部分分別組成虛擬局域網(VLAN)，如 #1機廠用電部分智能裝置組成VLAN1，#2機廠用電部分智能裝置組成VLAN2，公用廠用電部分智能裝置組成VLAN3，通過位于公用部分中心交換機的設置，可以實現#1機組ECMS系統只能監控 #1機組及公用部分，#2機組ECMS系統只能監控 #2機組及公用部分。兼顧系統快速性、可靠性要求及系統構建成本及方便性等各方面因素，高壓廠用電部分采用雙100 M以太網，低壓廠用電部分采用總線形式。采用此方案的優點如下。

(1)將廠用電源負荷的監控功能全部由ECMS實現，DCS可不設ECS控制器及其I/O卡件，節省了DCS的費用，同時節省了大量電纜。

(2)ECMS與DCS系統相互獨立，功能清晰，電源負荷歸ECMS監控，工藝負荷由DCS控制。

(3)高壓廠用電采用雙100 M以太網，與采用其他通訊方式相比，大大提高了信息及波形上送、指令下發的速度。

(4)ECMS系統實現了監測、控制、統計、遠方整定、事故分析、管理等功能，并逐步向更完善的功能發展。

2.2 工程實例

首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司自備電廠2×300 MW機組ECMS系統采用上述提到的新型方案。該系統監控軟件及所有保護裝置均為南京南瑞繼保電氣有限公司產品，系統的監控范圍包括以下設備:發變組保護、起備變保護裝置、發電機自動同期裝置、發電機勵磁系統、6 kV廠用微機綜合保護測控裝置、6 kV廠用電源切換裝置、380 V PC及MCC段綜合保護測控裝置、機組智能儀表屏、機組故障錄波裝置、事故柴油發電機智能控制模塊、直流系統、UPS、起備變有載調壓裝置等。系統包括高壓廠用電保護裝置111臺，低壓廠用電保護裝置351臺，通訊管理單元15臺，交換機26臺。裝置分成三部分，分別代表#1機組設備、#2機組設備及公用設備，分別組網。

設置此系統的目的是實現對全廠廠用電系統的監測、管理，以及對高低壓廠用電源、廠變等設備的監測、控制和管理功能，ECMS系統在主控室設置操作員站。ECMS與DCS系統沒有信息交換，DCS各工藝系統中的電機運行、報警等開關量及模擬量均采用硬接線連接。ECMS系統中所有裝置的閉鎖邏輯在站控層實現。

該系統自2009年6月投運以來，運行效果良好，2009年10月，由設計院組織，用戶、生產廠商及現場調試安裝單位多方在現場對系統快速及準確性等指標做了測試。

2.2.1 遙信上傳試驗

遙信上傳時間試驗以公用廠用電某設備進行測試，主要測試公用設備的信息上送多個監控系統時的信息上送時間及可靠性。

試驗數據顯示，從間隔層設備發生遙信變位至監控系統 HMI收到此信息，最短時間為26 ms，最長時間為289 ms。試驗結果表明，此系統具有較快的信息響應速度。

表1 遙信上傳時間試驗數據Tab.1 Test data of DI communication time

2.2.2 遙控試驗

遙控試驗主要是驗證從操作員站對某一斷路器發出遙控指令至操作員站收到該斷路器的變位信號為止的時間，由于系統中間隔層部分采用兩種通訊結構，以太網及RS485總線，因此遙控試驗分別進行。

表2是高壓廠用電綜合保護測控裝置采用以太網通訊的試驗數據，表3是低壓廠用電綜合保護測控裝置采用RS485總線形式下的試驗數據，該通訊管理機所接裝置為36臺，共分為9條RS485總線，每條總線接4臺裝置，波特率為9 600 bps。由于站控層進行遙控的時間只能精確到秒級，因此測試結果顯示的“用時”為該次試驗的最大可能用時，實際有可能比該時間短。

表2 以太網遙控試驗數據Tab.2 Test data of Ethernet remote control

雖然遙控時間只能精確到s，影響了統計精度，但從上面的數據仍可以看出，高壓廠用電部分的遙控速度較快，遙控發出至信號返回時間小于1.25 s，從現場體驗來看，運行人員剛發出遙控指令，畫面上即可看到斷路器變位信號，幾乎沒有等待時間。對于低壓廠用電部分，雖然采用RS485，通訊波特率也較低，但仍然取得了較好的測試效果，遙控發出至信號返回時間小于1.77 s，時間明顯小于其他一些電廠的采用通訊+硬接線方式的統計情況，如貴州黔西電廠，DCS發出指令至狀態返回時間達6 s，江西豐城二期、襄樊電廠二期等DCS發出指令至狀態返回時間 ＜3.5 s[4]。

表3 RS485總線遙控試驗數據Tab.3 Test data of RS485 remote control

從上述試驗結果分析可知，采用RS485總線，只要選取合適的規約，以及合理分配總線上的裝置數量，仍可以達到較好的效果，如果通訊管理單元與間隔層裝置不屬于同一廠商的產品，則有可能達不到此次試驗的指標;采用現場總線方式，速度優于RS485串口通訊方式，其中速度最快的為Profibus-DP，也可以達到比較好的通訊效果，但是成本較高，因此需要用戶進行綜合考慮予以取舍。

2.2.3 故障信息上傳及網絡負荷率試驗

為了驗證當大量數據上傳時監控系統的網絡性能，現場采用了高壓廠用電一段母線失壓，該段所有電動機保護共11臺裝置低電壓保護動作的方式，考察此時站控層上位機畫面是否所有SOE顯示正確、完整，故障波形是否能快速、完整的上送，以及故障信息傳送過程中網絡的負荷率等情況。

試驗時監控系統上位機為單機，即只有一臺工程師站，這種情況下沒有主備機雙機數據同步的報文，通過網絡監視工具得到的網絡負荷率為正常情況下0.3%，保護動作后的大約80 s時間，網絡負荷率為0.5%，在此時間過后，察看監控系統記錄的各裝置波形，均完整正確顯示，且各遙信變位、SOE顯示正確。

2.2.4 經濟性比較

采用此新型的ECMS系統后，據設計院統計，本工程節省電纜300～400 km，DCS中的信息點減少1 000多點，節省了相應的控制器及I/O卡件，因此，總體成本有了較大的降低。

3 結語

采用新型的獨立于DCS的ECMS系統結構，與現存的其他方式相比，可以提高電廠廠用電氣部分的自動化水平，便于更好地監控、管理，縮小了DCS系統的規模，節約電廠的投資，此外電廠的熱工和電氣檢修人員的職責更加明確，便于日常的檢修維護。隨著這種優勢逐步被用戶認可，新型結構的具有控制功能的ECMS系統會得到越來越多的應用。

[1] 閆天軍，郭偉，趙春樹(Yan Tianjun，Guo Wei，Zhao Chunshu).火電廠電氣監控系統接入DCS方式的分析(Analysis on connecting mode of electric control system into distributed control system in thermal power plant)[J].電力系統自動化(Automation of E-lectric Power Systems)，2006，30(11):86-89.

[2] 錢可弭(Qian Kemi).新型發電廠電氣監控系統的架構與實現(A new structure of electric control system and its implementation)[J].廣東電力(Guangdong E-lectric Power)，2005，18(3):21-25，42.

[3] 華東電力設計院(East China Electric Power Design Institute).火力發電廠電氣系統應用現場總線控制技術專題總結(Summary of field bus control technology used in power plant electric system)[C]∥電力顧問集團關于現場總線在火力發電廠電氣控制系統中應用研討會(Proseminar of Application of Field bus in Power Plant Electric Control System Organized by CPECC)，北京(Beijing):2007.

[4] 中南電力設計院(Central Southern China Electric Power Design Institute).火力發電廠廠用電氣系統監控設計應用(Design and application of electric supervisory and control system in power plant)[C]∥電力顧問集團關于現場總線在火力發電廠電氣控制系統中應用研討會(Proseminar of Application of Field bus in power plant electric control system organized by CPECC)，北京(Beijing):2007.

[5] 李建林，張仲超(Li Jianlin，Zhang hongchao).CANBUS總線簡介及其在電力系統中的應用(The brief introduction of CANBUS and application in electric power system)[J].電力系統及其自動化學報(Proceedings of the CSU-EPSA)，2002 ，14(5):69-72.