AP1000常規島電氣設備納入DCS系統配置方案分析

摘要:本文對國內目前常規火電廠普遍采用的電氣系統納入DCS 監控系統的幾種方式進行了闡述，并進行了技術、經濟分析比較，推薦常規島電氣設備納入DCS監控采用半通信方案。

關鍵詞:AP1000；電氣系統納入DCS 監控； 配置方案；技術、經濟分析

引言

在核電廠中，熱工控制及電氣系統的自動化水平，反映了整個電廠的運行管理水平，而核電廠電氣系統的可靠經濟運行對機組的安全穩定運行起著至關重要的作用。目前，發電廠電氣系統主要設備納入機組的分散控制系統（DCS）進行監控，是當前發電廠廣泛采用的控制模式和手段，大大地提高了運行的可靠性和經濟性，而方案選用是否合理對節省初投資和運行維護費用有著重要影響。因此，通過技術經濟比較，選擇最優的電氣設備納入DCS系統配置方案是核電站總體設計過程的重要課題。

一、常規島電氣系統監控范圍

常規島的主要電氣設備均采用DCS控制和監視。常規島的電氣系統與儀控共用一套DCS，并采用和核島統一的硬件和軟件設計。

監控設備有：發電機；主變壓器；勵磁系統；發電機出口斷路器；離相封閉冷卻母線（IPB）及其冷卻裝置；高壓廠用變壓器；高壓輔助變壓器；低壓廠用變壓器；主要輔助電動機；直流及不停電電源系統（UPS）等。

二、發電廠電氣系統納入DCS 現狀

近年來，由于微機型綜合保護測控裝置的逐漸成熟，集成了保護、測量、計量、控制各種功能。所以，各大中型發電廠的高低壓廠用電系統均已采用微機型綜合保護測控裝置，而不再采用原先功能單一的繼電器保護裝置。鑒于此前提，根據控制系統設備選型和數據采集方式的不同，目前國內大中型發電廠的電氣系統納入DCS 接線主要可以分為硬接線、半通信和全通信三種方案。

2.1 硬接線方案介紹與分析

將電氣設備的電氣量信號由就地（開關柜，盤）采用硬接線一對一地送到DCS 系統的I/O 柜上。

發變組保護裝置、AVR、同期裝置、故障錄波、廠用電快速切換裝置、直流系統以及UPS 等綜合自動化裝置、廠用電及輔機系統的保護及自動裝置的動作信號以及電氣設備的位置、狀態等開關量作為輸入量（即DI）全部硬接線接入DCS系統；模擬量通過電量變送器或綜合保護測控裝置輸出4～20mA 標準信號（即AI）硬接線接至DCS 系統；脈沖量以脈沖方式（即PI）送入DCS 脈沖量輸入模件；DCS 的控制命令作為輸出量（即DO）硬接線引至電氣設備；即所有電氣設備的控制均采用DCS 數字量輸出模件通過硬接線進行一對一控制。

硬接線方案，是一種被動的方式，沒有充分利用電氣系統采用獨立的保護、控制裝置等所具有的測量、監控、通信功能，對于只完成基本的保護功能，有其經濟性的一面，但隨著發電廠單機容量和自動化水平的不斷提高，對大部分電動機的可靠、連續運行提出了更高的要求。對于電氣設備需要完善的保護、動作值整定、異常情況判斷、事故追憶等復雜的功能，如果還是使用硬接線，那么通過硬接線與DCS 交換信息量龐大，控制電纜較多，DCS 卡件多。使得電廠投資成本較高，平時檢修維護量較大，安全可靠性較差。

2.2 半通信方案介紹與分析

數據采集采用硬接線與通信相結合的方式。每臺機組設置廠用電監控系統（以下稱EFCS），系統為分層分布式結構，共分三層：站控層、通信管理層、間隔層。所有通過DCS 監控的電氣設備，其控制信號及參與順序控制系統（SCS） 和事件順序記錄裝置（SOE） 的信號（控制、狀態反饋等）均采用硬接線方式接入DCS，其他信號（測量、報警、指示等）通過通信口上傳，經EFCS 通信管理單元通信方式送入DCS 系統。

EFCS是集廠用電系統的保護、測量、控制、信號為一體的綜合自動化系統，即廠用電系統采用集保護、測量、控制、通信為一體的智能化終端設備，分散式就地安裝在開關柜上。該系統通過通信網絡（現場總線或以太網）將廠用電電氣部分的保護測控終端裝置組織成一個分層分布式的綜合自動化系統，實現發電廠電氣設備運行、維護、設備狀態檢修管理、故障、告警記錄等電氣綜合自動化功能。

EFCS 作為DCS 的一個子系統，可與DCS 系統共享電氣信息，是建立在現場控制網絡總線及現場智能設備基礎上的控制系統，在DCS 或EFCS 操作員站實現對電氣系統的監控。EFCS 可以完成對廠用電及機組部分電氣設備的監測、控制及遠動信息傳送等功能。

2.3 全通信方案介紹與分析

系統數據采集全部由EFCS實現，EFCS與DCS 采用全通信方式，取消所有硬接線。EFCS與DCS通信采用以下兩種方式：

一種方式為EFCS 以太網通過通信服務器與DCS 以太網接口：傳輸僅供運行監視用的如電流、功率、電度、裝置故障等監視和報警信號。這些信號的特點是數據傳輸量大，但通信實時性要求不高。另一種方式為EFCS 通信管理機通過現場總線或串行通信口與DCS 的分散處理單元（DPU）接口，傳輸對實時性及可靠性要求較高的參與順控用的少量較為重要的控制用信號。

其優點是采用點對點通信方式，通信實時性好，缺點是傳輸的數據量少。

三、三種方案比較

3.1 技術比較

方案A 硬接線方式中，各回路需配置電量變送器、電度表、電流表、繼電器等，獨立元件較多，通過硬接線與DCS 交換信息量多，控制電纜較多，DCS 卡件多。沒有一個整體的廠用電氣監控系統，自動化程度低，檢修維護量較大，安全可靠性較差。

方案B 半通信方案，電氣系統的發變組保護、起備變保護、自動同期裝置、廠用電切換裝置、勵磁調節器等保護或自動裝置均為微機型，10kV 保護為微機綜合保護，380V 采用智能開關、智能儀表和微機型馬達控制器，所有的電氣設備均實現了智能化，能方便地與各種計算機監控系統采用通信方式進行雙向通信，各回路獨立元件少，通過硬接線與DCS 交換信息量少，控制電纜較少，DCS 卡件較少。有一個整體的廠用電氣監控系統，自動化程度高，檢修維護量小，安全可靠性高。

方案C 全通信方式中，各回路獨立元件少，沒有通過硬接線與DCS 交換信息，無控制電纜，不需DCS 卡件。有一個整體的廠用電氣監控系統，自動化程度高。但是由于電廠的電磁環境、通信技術、設備質量等諸多原因，國內采用全通信方案運行的電廠很少，運行經驗較少。

3.2 經濟比較

由于上述三種接線方式在元器件選用、DCS 卡件的數量及電纜用量上都存在較大差異，其投資額也必然有所不同。列舉海陽核電廠一期工程三種方案投資估算，見表1：

表1：海陽核電廠一期工程三種方案投資估算

名稱單價萬元硬接線

方式半通信

方式全通信

方式

數量價格 萬元數量價格萬元數量價格 萬元

點 數 統 計AI0.273014611823.600

PI0.313239.610300

DO0.1230136.1230136.1200

DI0.140004008308300

控制電纜1.5450公里675160公里24000

通信口0.06001609.620012

現場總線50031520100

合計1296.72萬元410.32萬元112萬元

考慮到采用通信接線方式，所有的電氣設備均應為智能化， 并且DCS 系統還需配置通信卡件、通信切換器及相應的通信電纜等。綜合考慮，就整個電氣系統而言，采用半通信或全通信接線方式比硬接線方式所需投資要節省許多。

4. 結論

綜上所述，無論從技術特點，還是經濟投資各方面考慮，通信方式均優于硬接線方式。

在通信方式中，方案B半通信方式在國內應用較為廣泛。目前國內的1000MW 燃煤機組中國電泰州電廠一期工程、華電國際鄒縣發電廠四期工程均采用半通信方式。采用這種方式，與原先硬接線方式差別小，更符合傳統運行習慣。在電氣控制納入DCS系統的同時，創建了電氣相對獨立的監控系統，可以獨立完成監視、報警、統計計算、電能管理等功能。

方案C 全通信方式，為了增加通信可靠性，還需要增加與工藝流程一一對應的電氣通信主控單元。C方案對設備要求高，選型困難，同時還缺乏大型機組運行經驗。

綜合各方面考慮，本工程常規島推薦采用投資省、安全可靠、符合傳統運行習慣的硬接線和現場總線或以太網總線相結合的方式，即半通信方案。

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