電氣監控管理系統應用方式研究及優化

張青山

（國電黃金埠發電有限公司，江西 余干 335101）

0 引言

隨著電力行業的技術發展，發電廠自動化水平日趨提高，多數發電廠廣泛采用了以機組工藝系統控制為主的分散控制系統（DCS）。電氣系統也從強電一對一硬手操監控盤控制方式，進入了DCS中的ECS系統進行監控。電氣納入DCS，采用的是I/O硬接線連接，就地仍然采用常規設備。但DCS主要側重于機、爐的自動化過程控制，對電氣系統僅局限于簡單操作控制，在I/O采樣頻率，測點采集信息量，乃至控制水平上都很有限，另外電氣與熱控專業的差異也導致協調矛盾突出。

目前大部分電氣控制設備均是微機型的并帶有數據通信接口。控制設備的大量信息可以從通信口傳出。廠用電中、低壓開關柜中的綜合保護裝置、測控裝置的通信口不但可以傳出裝置本身的許多信息，而且也可接受外加的命令進行分合閘操作。但目前我們并未對這些由通信接口及其傳出的信息加以有效的利用。原因在于DCS無法同這許許多多慢速傳送的不同類型通訊規約的信號進行有效連接。為了有效使用以上信息就必須建立一個通信網絡，即我們所稱的“電氣監控管理系統（ECMS）”。

以現場總線技術為基礎的電氣監控管理系統已在國內大中型發電廠的工程設計中推廣使用，并已有多個電廠順利投運，取得了相當寶貴的經驗。電氣監控管理系統主要由工業專用的通訊管理機組成，主要任務是將不同場所許多不同電氣控制設備的各種通信協議轉換成統一的協議，經過主機處理后經由網關機通訊至DCS。DCS對轉換后通訊來的信號很容易處理，這樣由各電氣控制設備通訊口采集到的各種信號就能在DCS中加以使用了。簡而言之“電氣監控管理系統”是一個通信網絡，這個網絡中的信息源已經存在（它們包括中、低壓廠用電的綜合保護裝置、測控裝置，發電機變壓器的繼電保護裝置，自動勵磁調整裝置，廠用電快切裝置，UPS裝置等等），信息的收受端DCS也已存在，它們不需任何新增投資。建立這個網絡新增加的費用僅僅是通訊管理機、網絡連接線和完成網絡維護及數據處理、加強電氣功能等的主站設備。

本文根據以往電廠的經驗，對黃金埠電廠二期2×1000 MW擴建工程ECMS系統的系統配置、監控范圍等提出了合理化建議，并提出了ECMS系統在工程應用中須特別注意的問題。

1 系統配置

ECMS系統一般采用可靠的分層、分步式網絡結構，雙網配置。一般可設置二層網絡，三層設備，包括間隔層、通信管理層和站控層。

1.1 站控層

站控層設備集中布置，主要完成對間隔層設備采集的信息進行處理，具有顯示、對時、打印、控制操作、報表生成、系統自診斷/自恢復、數據庫管理等功能。站控層主要包括系統主機2臺，電氣工程師站（兼后備操作員站功能）1臺，系統服務器和網絡交換機等，雙套設備互為熱備，故障時可無擾切換。

火力發電廠ECMS系統一般采用單元機組組網方式，每臺機組設置一個機組ECMS網，兩臺機組設置一個公用ECMS網。為節約設備投資，公用ECMS網一般不設置專用主機，而將公用ECMS網的數據分別同時存儲在機組ECMS網的主機內。在實際工程應用中，系統主機可組屏安裝。

系統服務器主要用于與機組DCS進行通信，電氣監控管理系統中的大量信息（如：電流、電壓、有功功率等）可以通過系統服務器傳送給DCS系統，由于通訊采用以太網，可以保證傳輸速率。

1.2 通信管理層

通訊管理層具有數據處理及通信功能，用以實現間隔層設備和站控層設備之間信息的“上傳下發”。通過通訊管理層還可以實現ECMS系統與其他智能設備（如：同期、快切、故障錄波器等）之間的連接，完成規約轉換。

在主廠房區域的通訊管理層設備通常集中組屏安裝于電氣繼保室內，也可組屏分散就地安裝于配電裝置室內。在輔助廠房區域的通訊管理層設備則通常組屏安裝于配電裝置室內。

成對的通訊管理機（熱備用）并列運行，一旦其中一個通信接口故障，實現切換。通信管理層與站控層采用雙冗余光纖以太網連接，通信管理層與間隔層采用雙冗余現場總線連接。

1.3 間隔層

間隔層主要由各種型號的測控裝置、智能儀表等智能裝置組成，這些設備通常分散安裝于現場中、低壓開關柜內。間隔層設備主要完成設備保護和數據采集上傳的功能，在站控層或網絡失效的情況下，間隔層設備仍能獨立完成設備的就地監控和保護功能。根據不同的功能要求，還負責將上層傳來的數據傳送到所對應的電氣設備，完成相應的功能。

現場層的網絡結構采用現場總線并根據需要采用自身雙網或環型網絡結構。現場層設備通過冗余現場總線接入雙機熱備的通信管理層設備，完成對電氣設備模擬量、開關量、報警量等數據的采集和管理，經規約轉換后上傳至站控層設備。

2 目前主要構成方式

2.1 “硬接線+通信”方式

該方式在電氣監控管理系統初期階段應用較多，主要是考慮到電氣監控管理系統剛剛普及，系統及設備的可靠性、網絡的傳輸速率、系統的性能等還有待于運行考驗，故ECMS系統采用只監視的方式（I/O信息可通過以太網傳送給DCS或與DCS不通信）。DCS控制仍然保留傳統設計的全部硬接線。

2.2 “保留關鍵硬接線+通信”方式

該方式是基于“硬接線+通信”方式提出的更為有效的方式。采用此種方式時，參與機爐電大聯鎖的電動機（如：頂軸油泵、盤車、送風機、引風機等）、發變組斷路器、勵磁開關等采用DCS硬接線控制，其余電氣設備的控制均納入ECMS系統，通過站控層、通訊管理機、現場總線完成全部監控功能。

2.3 “全通信”方式

機爐電動機、電氣發變組和廠用電系統均納入該ECMS系統，原則上不設非必須的硬接線。所有電氣設備的命令信號和反饋信號均接入ECMS。

該方式對于通訊技術的要求比較高，尤其對于可靠性、安全性要求苛刻的火力發電廠，采用全通信方式仍需要相當長的一段時間的實踐檢驗。但隨著技術水平的提高，智能設備通訊能力的加強，此種方式很可能成為未來火力發電廠監控的主要方式。

2.4 推薦方式

由于DCS系統主要關心的是汽機、鍋爐系統的安全，并不需要大量的電氣量信息。因此，電氣廠用電系統的信息量不宜再大量引入DCS系統。尤其對于廠用電源的監控完全可以由ECMS系統通過通訊獨立完成，但是發變組斷路器、勵磁開關、同期的監控仍須由DCS系統完成。建議廠用電監控系統（ECMS）與DCS系統實現通信。DCS如需其他電氣信息，可通過之間的通信從ECMS系統獲取。而對于電動機，DCS系統控制常規僅須合閘指令、分閘指令、合閘反饋、分閘反饋、切換開關就地位置、保護動作信號，其余信號反饋完全可以通訊送至ECMS系統。若電動機配有就地控制箱，則就地控制箱的信號反饋采用硬接線方式送入DCS系統。而電源開關的監控完全可以由ECMS系統實現。如果DCS系統須對電源開關進行監視，則信號反饋可通過與ECMS的通信即時獲取。

采用上述所方式，既能夠保證遠方信息獲得的最大化，也能夠保證DCS系統機爐大聯鎖監控的可靠性。因此，本文推薦采用方式二實現全廠電氣系統一體化自動控制。

3 監控范圍

以推薦方式為基礎，現對廠用電監控ECMS系統監控和監測的設備區分如下：

3.1 發變組

監控：無。

監測：機組勵磁系統、發電機同期、離相封閉母線、發變組保護、發變組測量系統、主變和高廠變。

3.2 廠用電

1）主廠房內機組廠用電：

監控：機組中壓電源饋線斷路器或接觸器；機爐低壓（380/220V）配電裝置進線和母聯斷路器；機組低壓380/220VPC至MCC電源饋線斷路器；保安電源系統；

監測：中壓（6 kV）廠用電源切換；機組中壓配電裝置工作進線和備用進線斷路器；機組中壓配電裝置工作進線PT、備用進線PT、母線PT；機爐中壓電動機電源斷路器或接觸器；機爐低壓變壓器；機爐低壓配電裝置母線PT；機爐低壓電動機電源斷路器或接觸器；220/110 V直流系統；交流不停電電源系統UPS。

2）主廠房內公用廠用電：

監控：起備變有載調壓；公用/照明/檢修低壓配電裝置進線和母聯斷路器；公用/照明/檢修低壓380/220 VPC至MCC電源饋線斷路器。

監測：起備變高壓側斷路器等；公用/照明/檢修低壓變壓器；公用/照明/檢修低壓配電裝置母線PT。

3）輔助廠房公用廠用電：

廠區電源一般進入就地進行監控，因此暫不考慮接入ECMS系統。

對需要接入ECMS系統進行監控的廠區電源開關，可根據實際情況集中設置通訊管理機屏，通過光纖接入主系統。

4 監控要求

4.1 發變組

機組勵磁系統、發電機同期裝置、發變組保護管理機、起備變保護管理機、中壓廠用電源切換裝置、故障錄波器、GPS同步時鐘系統、變壓器就地智能式在線監視儀（IDD）均為具有通信接口的專用裝置，監測信號均可通過通信方式接入ECMS系統。

發變組測量系統可利用測控裝置對CT、PT進行交流采樣，通過通訊方式上傳至ECMS系統。但是，對于DEH控制系統所需的有功功率信號（與機組控制密切相關）仍推薦采用變送器輸出4~20 mA直接接入DEH系統。

電氣監控管理系統的發變組部分主要監測各元件的運行參數、保護動作信號、保護定值、故障錄波、設備狀態、異常報告等。對發電機磁場斷路器、勵磁系統運行方式的設置和給定值的調節，同期裝置的投退、起停，發電機出口斷路器或主變高壓側斷路器、隔離開關，主變壓器冷卻器等的控制仍由DCS系統完成。

4.2 廠用電

起備變測量系統可利用測控裝置對CT、PT進行交流采樣，通過通訊方式上傳至ECMS系統。起備變冷卻器、有載調壓開關的控制可利用測控裝置下達至設備。

中壓進出線、低壓廠用變壓器中壓側斷路器或接觸器等的控制、保護、測量、計量由綜合型保護裝置完成。回路的電流、電壓、電度量、位置反饋、切換開關狀態、跳合閘線圈狀態、保護動作及預報信號、保護定值、故障錄波、裝置狀態等由綜合型保護裝置以通信方式上傳至現場總線，經通訊管理層匯總后，一并傳入站控層設備。控制指令則由站控層經過通訊管理層下達至綜合型保護裝置實現。

中壓電動機斷路器或接觸器的控制指令及參與連鎖所需要的位置狀態、保護動作信號、切換開關狀態信號經硬接線送至DCS的DO、DI卡件，回路的電流、電壓、電度量、跳合閘線圈狀態、保護動作及預報信號、保護定值、故障錄波、裝置狀態等由綜合型保護裝置以通信方式上傳至現場總線，經通訊管理層匯總后，一并傳入站控層設備。

低壓采用斷路器的回路，控制、保護、測量、計量均采用通信方式，通過配置380 V綜保測控裝置實現，此時通信內容可包括電流、電壓、跳合閘線圈狀態、保護動作及預報信號、保護定值、故障錄波、裝置狀態等信息。

直流系統和UPS等都配套有通信接口，可通過多串口通信服務器設備接入ECMS系統。直流系統的總控單元、絕緣監測裝置、蓄電池巡檢裝置的相關信息，UPS系統主機柜的相關信息均能夠上傳至ECMS系統。

5 系統應用的改進與須注意的問題

采用目前通常的方法，發電機變壓器組、高壓廠用工作電源的控制進入機組的DCS控制系統。為了節省機組DCS的投資，可作以下幾點改進：

1）機組雙套繼電保護的各種保護動作信號不再進入機組DCS的SOE系統，改為進入電氣系統的故障錄波器。故障錄波器與機組DCS取同一個GPS對時系統。每臺機組可以減少DCS80個左右的I/O點。

2）機組雙套繼電保護的各種保護動作信號通過保護裝置的RS485通信口接至電氣監控管理系統，不再送入DCS系統。運行人員可以通過電氣監控管理系統的站控層設備詳細知道繼電保護的動作情況。

3）數字式自動勵磁調整裝置的控制部份用硬接線同DCS連接，信號部份也通過RS485信號經電氣監控管理系統接至DCSDPU。

要使電氣監控管理系統很好地投入運行，必須不斷提高監控系統的可靠性和實時性。為了提高可靠性，在工程設計中采用了下列措施：

1）使用電力工業專用的通訊管理機，而不是使用一般的工控機。

2）通訊管理機冗余配置。

3）所有的信息均用兩路獨立線路分別同兩組冗余的通訊管理機連接。

4）從現場設備到通訊管理機使用光纜。

為了提高實時性我們在工程設計中采用了下列措施：

1）正確選擇現場設備的通訊協議。為了避免干擾，現場設備一般采用低速率的RS485的通訊接口。而通信協議也是多種多樣的，較普遍的有MODBUS、PROFIBUS、 CANBUS、 LONWORKS、 DEVI?CENET、IEC60870-5-103等。監控系統的實時性主要受制于現場設備通信接口的傳送方式，其中MOD?BUS速度最慢PROFIBUS較好，但成本較高。為此工程中將對使用的協議慎重考慮，統一規劃。

2）每一路通信線路所接的設備通訊口限制在10~15個。使整個網絡的相應的響應指標達到2秒以內。

應用了電氣監控管理系統后，須對電氣監控管理系統提供GPS對時信號，以保證現場通訊傳送來的信號具有準確無誤的時標。對于主廠房內設備，對時信號可以采用硬對時的方式一對一接入間隔層設備，而對于輔助廠房設備，對時信號則應考慮采用軟對時的方式。

6 系統應用的經濟效益

采用電氣監控管理系統后的效益大致可有以下幾點：

1）經統計電氣系統在DCS中的I/O點數比常規做法可減少1/3（同時減少了相應的電纜及橋架數量）。使用電氣監控管理系統后,每臺機組DCS中電氣控制硬接線I/O點平均約2000點。

2）控制系統獲取電氣設備的信息量較常規做法增加了1/3，提高了判斷故障的能力。使用了電氣監控管理系統后，每臺機組DCS中電氣控制通信I/O點平均增加為2000點。

3）若將電度計量管理納入電氣監控管理系統后可以減去常規的電度管理系統。

4）可以減去中、低開關柜中的電流、功率、電度等變送器。

綜上所述，在經濟上估計兩臺1 000 MW機組設置電氣監控管理系統直接可以減少的投資約360萬元。