火電廠電氣自動控制系統的實現方案及其技術比較

【摘 要】火力發電廠中，電氣系統的自動化水平，反映了整個電廠的運行管理水平，而電廠用電系統的安全經濟運行對機組的運行起著至關重要的作用。發電廠電氣系統主要設備納入機組的分散控制系統（以下簡稱DCS）進行監控，是當前火力發電廠廣泛采用的控制模式，可大大提高機組運行的可靠性和經濟性。還有很多老廠依靠常規的儀表、光字牌，采用繼電器、控制開關及其接點組成的控制邏輯來實現。

【關鍵詞】自動控制；用電系統；經濟運行；動作信號；數據采集；保護裝置；安全可靠

0 引言

目前，大容量機組的電氣系統納入DCS監控的主要方式為：發變組保護、綜合自動化裝置、廠用電系統的保護及自動裝置的動作情況是通過各獨立的裝置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DO）送至DCS系統：模擬量（如電流、電壓、有功、無功）通過電量變送器輸出4-20mA標準信號送至DCS系統：DCS的控制命令作為輸出量（即DO）引至電氣設備，各電氣設備與DCS系統的聯系采用硬接線方式，即由電氣設備現場用電纜將電氣量信號一對一地送至DCS系統的I/O柜上。

然而由于大多數電廠的DCS系統都側重于汽機鍋爐，完成機組基本的運行、控制等功能，對電氣系統的運行監控考慮較少，電氣系統的要求在DCS系統的工程設計中往往難于全面考慮。因此上述方式存在著較明顯的缺點。

1 電氣系統控制方案比較

隨著火力發電廠自動化水平的不斷提高，電氣系統納入DCS，實現爐、機、電一體化監控在國內機組上已從試點進入了正常實施階段，由于國內對電氣系統監控的有關規程、規范還在不斷地修訂完善中，對電氣系統的控制方式沒有作統一的規定，國內各電廠對電氣系統納入DCS的方式采用了不同的方式，主要有以下三個方案：

方案1：直接I/O連接方式：

將電氣模擬量和開關量經電纜通過I/O通道直接接入DCS進行組態，實現對電氣設備的監控，即硬接線方式。

方案2：遠程I/O及分布式I/O連接方式：

遠程I/O的采集單元一般是在I/O相對集中的現場安裝I/O機柜，負責采集附近設備的I/O量，通過I/O通訊網絡將數字化信息傳至DCS。分布式I/O是將采集單元分散安裝在各現場設備中，通過總線將分散的I/O連接后送至DCS。具體地說，就是利用分散安裝于就地開關柜的集保護、測量、控制、通訊于一體的智能測控保護裝置（智能終端模塊），將由10kV、6kV工作段及400V工作（公用）PC段供電的要求集中控制的高低壓電動機，由鍋爐、汽機及保安MCC供電的要求集中控制的低壓電動機，采用現場總線通過DCS配置的通訊卡件、通訊切換器和通訊電纜（雙絞線及光纖）直接連接到DCS的過程控制器。

方案3：智能終端設備（ST）和現場總線（FB）連接方式：

現場總線（FB）是一種開放全數字化的、雙向多站的計算機網絡，通過該網絡將智能終端設備（ST）、主控制計算機和現場設備連接起來。傳輸信息為數字信號，可以各個接點共用一條物理傳輸介質。

智能終端設備（ST）是建立在微電子技術發展之上、大規模集成電路、嵌入式系統，由CPU、存儲器、A/D轉換器及I/0回路等集成的設備，主要由中壓及低壓系統的保護測控裝置和自動裝置構成。這些裝置具有測量、控制、保護、信號、通訊等基本功能，并完成各自獨立的特殊功能（保護功能獨立，在就地完成）。利用智能終端設備（ST）進行數據采集和處理及邏輯控制等功能，就地可實現對設備的控制、監視功能，通過現場總線系統可將處理好的信息上傳至DCS等控制層進行監控，也能將控制層的指令下達。這種方式實現了分散控制，可節省電纜，同時提高了信號轉換精度和可靠性，簡化了二次接線。

具體實施為：擴大用通訊接入DCS的內容，增加電氣設備通過通訊接入DCS系統，增設電氣后臺工作站。用現場總線將這些智能終端設備及專用裝置的通訊接口連接起來，通過通訊管理裝置連接至DCS系統、電氣工作站及電廠MIS系統等，組成一個分層分布式的綜合自動化系統。采用現場總線接入DCS系統的范圍：10kV、6kV工作段及400v工作（公用）PC段廠用電源進線、聯絡斷路器及饋線，方案2中通過現場總線接入DCS的高低電動機，電氣專用裝置：發變組保護、故障錄波、AVR、ATS、ASS等。

考慮到系統的安全性和可靠性，發變組系統和10kV、6kV廠用電系統的DO及SOE等重要量仍采用“硬接線”方式，380V廠用電系統的電動機的監控可以采用全通訊的方式。

2 技術比較

方案l：為采用常規的電氣納入DCS系統監控的方式，既“硬接線”方式。該方案的缺點如前所述。

方案2：高低壓電動機通過現場總線接入DCS，每臺電動機的智能終端模塊與DCS的聯系信號除起動/停止指令、運行/停止狀態反饋、遙控狀態、電源監視、電流共七個信號外，增加了保護動作信號、設備故障信號、設備起動次數、參數設定、累計運行時間等現場設備信息，大大豐富了DCS的監視內容。其中的設備起動次數、累計運行時間等信息采集及分析，為提高電廠管理和維護水平創造了有利條件。

由于智能終端模塊集成了通訊、保護、二次控制電路等多項功能，其中低壓智能終端模塊還集成了電流互感器，10kV、6kV智能終端模塊還提供故障錄波功能（上位機支持），采用交流采樣技術，通過現場總線接入DCS，節省了控制電纜，取消了電量變送器及控制用中間繼電器，使電氣開關柜內接線大為簡化，安裝及設備制造的工作量比采用常規的“硬接線”方式大大減少。目前，滿足現場總線要求的智能化的中壓開關柜及低壓開關柜得到了廣泛使用。

方案3：整個系統由三個功能層構成：

第一層：測控保護層。

由大量的保護和自動裝置構成，主要由分散安裝于就地開關柜的智能終端裝置、發變組保護、AVR、ATS、ASS等組成，保護功能完全獨立，利用現場總線技術，采用光纖或屏蔽雙絞線連接至通信管理層，可以實現這些裝置的分散監控。

第二層：通信管理層

該層將DCS對測控保護層的控制命令，或電氣后臺工作站發出的修改定值命令等，下發至各有關裝置，同時，將各裝置上送的信息送至DCS系統或電氣后臺工作站。通訊管理層具有通信接收、發送、規約轉換等功能，通訊管理層與上位機系統連接采用以太網，通訊管理層一般配置前端機或通訊管理單元，提供12、16個通訊接口。

第三層：上位機系統

包括DCS系統和電氣后臺工作站系統。電氣后臺工作站系統主要負責電氣系統設備的管理維護、電能計量、故障錄波和保護定值修改及下達等工作，由DCS系統來完成畫面顯示、報表生成、打印、控制、事件記錄報警等。

根據上述要求，提出如下系統組成方式：現場總線分別與10kV、6kV及400V智能終端設備相連，并通過通訊管理層與上位機系統相連，對于一些比較成熟的專用裝置，如AVR、ASS、發變組保護、故障錄波、廠用電源自動切換裝置仍采用獨立的專用產品，也通過管理層與上位機系統相連，在電氣后臺工作站及DCS的CRT上對以上系統進行監視及控制。該方案結構清晰，靈活，可分階段實施，擴充方便。系統的監控管理層采用雙網結構，網絡可靠性高，根據系統情況，既可以由通訊管理層直接與DCS通訊，也可以直接通過以太網與DCS通訊。通過備用主機的通訊卡系統還可與電廠MIS系統實現信息交換。

4 結束語

總之，未來，符合現場總線技術標準的智能現場設備中植入具有控制器功能的控制模塊，并以符合某種現場總線協議標準的通訊方式與DCS相聯接的現場總線控制系統是工程設計上的突破點，也是目前國內外在工程設計上探討的希望能廣泛應用的真正的現場總線控制系統方案。

【參考文獻】

[1]周明.現場總線控制[M].北京：中國電力出版社，2002.

[2]梁庚，白焰，李文.以現場總線控制系統為基礎的火電廠全程自動化和信息共享[J].中國電力，2004，37（1）.

[責任編輯：劉帥]