發電廠廠用電監控系統的構建

作為發電廠自動化系統的一個組成部分，發電廠廠用電監控系統ECS(Electric Control System)先后經歷了一對一控制、集散控制系統(DCS)、全數字化電氣監控三個階段的發展。

一、發電廠廠用電監控系統的發展

一對一的控制方式，即設置發電機廠用電控制屏，采用一對一的強電控制。這是一種比較原始的控制系統，自動化程度較低，但結構簡單、監控簡捷。隨著計算機信息技術的發展，為提高發電機組的電、熱負荷能力，集散控制系統DCS逐步得到廣泛應用。但該系統的通信能力較弱，對DCS下發的控制命令無法快速響應，也無法快速地把相關電氣量傳給DCS，通常要專門鋪設二次電纜，工作量大、投資高，而廠用電保護裝置或電機控制中心(MCC)、動力中心(PC)控制裝置本身所具有的采集和控制功能卻未能得到充分利用。全數字化的電氣監控系統，為DCS提供了所需的信息接口和控制接口，采用廠用電保護裝置和MCC、PC控制裝置來滿足保護、測控和高速通信的要求，通過工業現場總線或以太網將廠用控制系統組成局域網，實現完全數字化的電氣信息量監控。該系統中DCS采用通信軟報文的方式進行電氣信號的采集和控制，無需二次接線，節省成本。

二、如何提高ECS系統的通信速度和可靠性

要實現DCS對電氣監控信號的快速采集控制，滿足順序控制的要求，就需要在ECS整體網絡方案設計時充分挖掘其通信速率的潛力，在ECS發展的第三階段主要采用分層、分布的網絡結構，由系統站控制層、通信層和間隔層3層所組成。然而對任一通信環節而言，通信介質和通信規約的選擇才是提高通信速度的主要因素。由于歷史和習慣的原因，DCS系統大都使用串口Modbus規約與其他裝置通信。串口介質本身相對低速，Modbus規約的通信帶寬有限，通信機制也過于簡單，只能進行全數據或部分數據的召喚和上傳，不能優先提取變化的數據，DCS只能是根據連續2次查詢而ECS都不應答來判斷通信鏈路已斷。為此DCS和ECS控制層之間的通信介質采用基于TCP/IP的以太網，通信規約采用IECl04，通信雙方都可以主動發起通信且支持變化數據的優先上傳，這樣只要ECS中有變化數據，就會立即無延時地主動向DCS上傳。

ECS站控制層和電氣間隔層之間的通信包含2個部分：ECS站控制層各主機和通信層之間的通信、通信層和間隔層之間的通信。ECS站控制層由工控機組成，操作系統本身對各種商用以太網卡提供了很好的支持，所以基本都采用以太網組成ECS的組網方案，時間延遲可以最大限度地縮短。間隔層主要由2類裝置組成，一類是數量眾多的廠用電保護裝置，另一類是數量有限的發變組保護裝置、廠用電快切裝置、直流系統、UPS、勵磁系統控制裝置等，這些裝置可以獨立完成預定功能。間隔層裝置的數量最多，直接反映每個電氣間隔的實時運行狀況，所以間隔層的通信速度和可靠性直接決定了ECS系統的通信速度和可靠性。目前，間隔層組網主要采用RS-485、現場總線和工業以太網。

RS-485只有1個主節點，其他均為從節點，主節點可以主動啟動通信過程，從接點被動應答。此網絡中主節點采取輪詢的方式依次訪問從節點，獲取數據，與此同時站控制層一般都是以太網通信，除了獲取從節點數據外還要向站控制層轉發數據。為了提高通信速率，常用的方法是:加快主節點的查詢速度和頻度，減少從節點數量。加快主節點的查詢速度和頻度將加重主節點的任務負擔，況且提升也有其上限，畢竟主節點的通信管理機除了與間隔層裝置通信外，還有數據入庫處理和向站控制層轉發數據等任務，過度加快和間隔層裝置的通信任務勢必影響其他任務的正常運行，使其成為網絡中最脆弱的瓶頸。減少從節點數量會使整個ECS系統的性價比下降。顯然，RS-485網不太合適作間隔層的組網。

現場總線是以單個分散的數字化、智能化控制設備作網絡節點，用總線連接實現相互交換信息，完成控制功能，采用數字式通信方式取代模擬量或開關量信號，使用一根電纜連接所有現場設備。現場總線種類較多，主要有Profibus、CAN、LonworkS和WorldFip等，各種總線的主要應用領域也各有不同。

以太網是使用最為廣泛的局域網技術。以太網的傳輸速度有10/100/10OOMbit/s，是現場總線網所無法比擬的，可充分滿足ECS間隔層與站控制層進行高速通信的要求。以太網可靠性高、結構簡單。隨著以太網技術的廣泛應用，技術日趨成熟，設備價格大幅下降，大大降低了ECS間隔層的組網費用。同時以太網具有完善的故障排除工具和強有力的網絡監控功能，進一步確保了以太網的穩定性。現場總線網的網管相故障排除工具很少或幾乎沒有。

可見，優化ECS組網方案、恰當選擇通信規約，就能滿足DCS通過ECS對順序控制的高速要求。

（作者單位：青島科技大學 青島市技師學院）