廠用電綜合自動化系統的應用

呂 強，王 宏，孫 靜

（1.國網技術學院，山東 濟南 250002；2.山東蓬萊東海熱電有限公司，山東 蓬萊 265609；3.華能威海發電廠，山東 威海 264205）

0 引言

目前國內新建機組或者老機組的改造中已廣泛采用了分散控制系統（DCS），實現了在集中控制室內對機組各項參數的集中監視、控制和事故處理，形成了數據采集（DAS）、模擬量控制（MCS）、順序控制（SCS）、鍋爐爐膛安全監控（FSSS）四大相互協調的系統，從而使得發電廠熱工自動化的監控水平躍上了一個新的臺階。相對于DCS自動化技術水平的高速發展，電氣系統監控的自動化水平發展緩慢。盡管目前國內許多大型機組電氣部分已進入機組分散控制系統，但火力發電廠的DCS大都側重于機爐控制，對電氣系統考慮較少，電氣系統自動化控制發展相對滯后。尤其是廠用電電氣系統的控制，相當一部分仍停留在傳統的表計、光字牌、手操站，控制邏輯通過繼電器用硬接線方式實現的水平，或者雖然電氣的繼電保護裝置、安全自動裝置等已逐步實現了微機化，但其自動化的整體水平一直未能實現質的飛躍，無法滿足機、爐、電統一協調發展。因此，提高廠用電電氣自動化控制水平的要求日益增加，發展廠用電綜合自動化成為迫切需求。近年來，關于用電綜合自動化系統的研究成為一個研究熱點[1-10]。

廠用電系統作為整個發電廠中的一個組成部分，其電氣控制方式能否與熱工DCS控制方式相協調，直接影響到火電廠建設的投資效益和電廠運行的綜合經濟效益。廠用電綜合自動化是將廠用電的二次設備（包括測量儀表、信號系統、繼電保護、和自動裝置等）經過功能的組合和優化設計，利用先進的計算機技術、現代電子技術、通信技術和信號處理技術，實時采集廠用電系統運行信息、設備狀態，實現對廠用電系統主要設備和饋線的自動監視、測量、自動控制、微機保護和設備管理，以及與DCS、SIS等系統的協調自動化功能，其目的是降低運行費用、減輕運行人員勞動強度，提高廠用電系統的可靠性，保障電廠的安全、穩定、可靠運行。

將高速以太網運用于控制系統，己經成為當前國內外流行的測控模式[11]。本文基于工業以太網技術構建廠用電綜合自動化系統。

1 廠用電綜合自動化系統的組成及特點

本文提出的廠用電綜合自動化系統為C/S（客戶/服務器）模式，分層分布式結構設計，系統分為站控層、網絡層、間隔層3層。保護功能由間隔層保護裝置提供，不受站控層和網絡層的影響，確保廠用電系統和網控系統的安全性和可靠性。系統結構如圖1。

圖1 典型配置

站控層、網絡層、間隔層既相互獨立又相互聯系。站控層功能的實現依賴于網絡層和間隔層的完好性；但是間隔層功能的實現，特別是繼電保護及安全自動裝置的功能的實現決不能依賴于網絡層和站控層；遠方主站監控功能的實現應不依賴于站控層設備。

站控層集中布置，實現整個廠用電系統的數據收集、處理、顯示和監視功能，經過相應授權能夠對相應的設備進行控制操作。網絡層完成信息傳遞和系統對時等功能。通過信息交換，實現信息共享，簡化設備配置，從整體上提高電氣自動化系統的安全性和經濟性。間隔層設備主要負責設備保護及遙測、遙信、遙控的數據采集和廠內設備的遠方控制，并收集廠內保護設備、智能儀表、智能監控設備等智能設備的運行數據和相關的設備運行狀態信息，同時負責轉發廠站層或DCS所需的數據，執行遙控遙調命令。

2 火電廠電氣綜合自動化系統應用實例

黃島電廠三期工程5號、6號機組是我國首次自行設計、制造、投運的超臨界660 MW的火電機組。主廠房廠用電高壓為6 kV，分為工作VA、VB、VIA、VIB段，公用A、B段。 低壓為400V/220V，動力中心（PC）分為汽機 VA、VB、VIA、VIB 段，鍋爐 VA、VB、VIA、VIB 段，保安 VA、VB、VIA、VIB段，公用A、B段，5號機、6號機照明各一段；電動機控制中心（MCC）多段。直流控制操作電壓220 V，交流控制操作電壓220 V。

黃島發電廠廠用電綜合自動化系統結構如圖2所示。該系統包括間隔層、網絡層、站控層三部分，其中間隔層為分布于現場的各種型號綜保裝置及各種型號智能儀表等，通信層包括通信總控單元裝置、網絡交換機以及通信網線，站控層包括操作員工作站、服務器等。該項目通信網絡采用雙網雙機模式，以提高網絡實時性與可靠性。

間隔層：站控層應用的系列綜保裝置與通信總控單元通過以太網通信連接。每臺保護測控裝置均具備兩個以太網通信接口，接口工作速率10/100 M自適應，正常工作狀態下，裝置根據兩個端口工作狀態分配數據流量。當某個端口停止工作后，裝置自動把全部工作轉移到另一個端口上，能夠有效保證通信數據實時性與可靠性。

網絡層：間隔層裝置通信首先通過底層網絡交換機匯聚，然后接入通信總控單元，通信總控單元對傳輸的信息整合、篩選后，再經上層交換機接入站控層。

底層網絡交換機直接放置在高壓間，通信介質選用超五類屏蔽雙絞線，RJ45接口，工作帶寬10/100 M，裝置與交換機之間線纜距離不大于100 m。工程設計要求考慮現場電磁環境干擾對通信影響，采取必要措施將影響減少到最小。間隔層裝置兩個以太網分別接入獨立的網絡，獨立網絡的網線以及交換機不存在交叉連接現象，真正實現雙網運行。

上層交換機與通信總控單元放置在電子間，與高壓間底層交換機之間通信介質選用多膜光纖，工作帶寬10/100 M，線纜距離不大于1 000 m。通信總控單元采用雙機主備對等工作模式，根據運行狀態自動進行工作模式轉變。

站控層工作站及服務器與上層交換機及通信總控單元通過雙以太網連接。

站控層：站控層包括工作站和服務器，均配置雙以太網卡，每個網卡分別連接到獨立的網絡中，通信介質選用超五類屏蔽雙絞線，RJ45接口，工作帶寬10/100 M，裝置與交換機之間線纜距離不大于100 m。

圖2 ECMS系統結構圖

系統實現了數據采集、時鐘同步、第三方智能設備數據的接收、數據處理、計算功能、操作控制、防誤閉鎖功能（選配功能）、歷史數據處理、事項處理、人機界面、轉發子系統、用戶管理功能、智能化的維護操作等功能。

系統投入使用后，展示了以下優勢：

1）面向設備對象，基于工業以太網的分布、分層模塊化結構設計。

面向電力一次設備，應用圖模一體化技術，繪圖填庫，建立帶拓撲連接的電網模型。組態畫面上設備圖符通過彈性引線和拓撲節點相連，直觀顯示一次設備的拓撲連接關系。

基于百兆工業以太網，測控保護裝置分布式安裝，節省大量通訊線，同一區域的保護測控裝置通過一臺或兩臺（主備）通訊管理機和后臺主站通訊，通訊速率高，實時性好。

主站軟件系統采用3層C/S架構，支持數據庫主備冗余，數據采集、應用層邏輯處理、數據展示及用戶操作界面模塊相互分離，軟件模塊的部署數量可依照系統規模自由伸縮。

2）面向測點及設備的多維度建模。

傳統的電力SCADA監控系統的模型有兩種，一是基于四遙測點建模，不考慮一次設備模型，不能描述測點間的關聯，應用層邏輯處理困難；二是僅基于一次設備，所有測點人工映射到一次設備的參數，建模工作量大。系統通過對測控保護裝置的建模，自動建立測點模型；通過繪圖填庫建立一次設備模型，兩個模型既相互獨立又有機結合，通過保護裝置與一次設備的關聯自動建立測點與一次設備的關聯。

3）基于.Net Remoting，采用消息中間件技術的軟件模塊級主備冗余和即插即用，根據電力系統對數據安全性的特殊要求，廠用電綜合自動化系統的主要應用模塊可運行多個節點機上，基于通訊中間件，實現應用模塊的主備冗余運行和即插即用，當主模塊所在的節點機出現問題時，另一臺節點機同名模塊會自動投入運行，保障系統的不間斷運行，極大地提高了運行穩定性。

4）實時數據主動快速推送通道技術。

基于網絡通信中間件技術和變化數據的事件驅動技術，可將變化的實時數據無延遲地推送到用戶界面，實現用戶界面的實時刷新。

5）歷史數據的無損壓縮存儲。

監控系統中的遙測及遙控模擬量要求分鐘級采樣存儲，歷史數據通常要保存2年以上，按每個測點每分鐘存儲1條記錄計算，每個測點2年的記錄數將超過百萬。而廠用電系統測點數通過比變電站高一個到2個數量級，達到數萬點，按普通方式存儲，歷史數據庫的記錄數極為龐大，訪問效率低。系統采用日數據塊壓縮存儲方式，將每個測點1天的數據壓縮成1個數據塊，作為一條記錄存儲到數據庫中，每個測點兩年的記錄數不到800，將記錄數降低了3個數量級。

6）自動建立設備拓撲連接關系；軟“五防”支持。

基于一次設備的連接規則，通過繪圖填庫，按順序繪制設備，自動建立拓撲節點，可視化地建立設備拓撲連接關系。實時處理模塊在運行時通過建立設備模型和設備的拓撲連接關系，通過內嵌的五防操作邏輯，可對用戶的遙控操作進行五防判別。

7）保護測控裝置具有獨特機卡保護功能。保護測控裝置具有獨特機卡保護功能，能夠有效避免在進行開關操作時，由于拒動作引起跳合閘線圈長時間帶電而導致線圈燒毀。

3 結束語

總結多年電力產品研發、工程調試和生產經驗，結合用戶實際需要，綜合運用先進的計算機控制技術、微機保護測控技術、通信技術和數據庫技術等，按照提出的設計思想和方案，研究開發出基于工業以太網技術的廠用電綜合自動化系統。該系統適用于各種裝機容量及各種類型發電廠的新建和對已建老廠的技術改造，以及大型廠礦企業的廠用電系統的自動化監控。實現廠用電系統的運行、保護、控制、故障信息管理及故障診斷等功能，并內嵌“五防”支持及電氣操作指導專家系統。系統分為3層，分別為間隔層（系列微機保護測控裝置）、網絡層（工業以太網）、以及站控層（后臺主站系統）。

本文基于工業以太網技術的廠用電綜合自動化自動化系統應用于山東黃島發電廠2×660 MW三期工程。在工程中，結合廠用電綜合自動化系統的設計思想，實現了ECS系統對5號、6號機組廠用電系統的監控，提高了廠用電控制和運行的自動化水平，減少了運行維護成本，提高了效率。