三門(mén)核電主交流電系統(tǒng)與DCS接口方式分析

摘要：為實(shí)現(xiàn)電氣設(shè)備的自動(dòng)化控制和智能化監(jiān)測(cè)，三門(mén)核電機(jī)組主交流電系統(tǒng)應(yīng)用了智能電氣設(shè)備以及現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。文章介紹了三門(mén)核電機(jī)組主交流電系統(tǒng)智能化電氣設(shè)備的使用情況，以及與DCS的接口方式，分析了使用智能化電氣設(shè)備、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，并指出了后續(xù)可以改進(jìn)的地方。

關(guān)鍵詞：電氣設(shè)備；主交流電系統(tǒng)；DCS；設(shè)備接口；現(xiàn)場(chǎng)總線；AP1000

中圖分類號(hào)：TM761文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-2374（2014）21-0073-03

隨著工業(yè)行業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的智能化以及現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備逐漸具備了自動(dòng)控制和保護(hù)功能，連接方式也從常規(guī)的硬接線方式發(fā)展到了現(xiàn)場(chǎng)總線方式，且電氣類裝置在自動(dòng)化、智能化方面發(fā)展更快，應(yīng)用也更為成熟。三門(mén)核電機(jī)組主交流電系統(tǒng)使用了自動(dòng)化、智能化電氣設(shè)備，并結(jié)合使用了現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)與DCS（Distributed Control System，分散控制系統(tǒng)）接口，以此實(shí)現(xiàn)電氣設(shè)備的自動(dòng)化控制和智能化監(jiān)測(cè)。

1系統(tǒng)功能簡(jiǎn)介

1.1儀表和控制系統(tǒng)

三門(mén)核電一期兩臺(tái)機(jī)組采用西屋公司AP1000三代核電技術(shù)，采用全數(shù)字化儀控技術(shù)，按照核安全相關(guān)性，安全級(jí)儀控系統(tǒng)采用ABB的Common Q控制平臺(tái)，非安全級(jí)儀控系統(tǒng)即DCS采用艾默生的Ovation控制平臺(tái)。

1.2主交流電系統(tǒng)

機(jī)組的主交流電系統(tǒng)不履行任何安全功能，由正常、優(yōu)先、輔助電源組成。正常電源由電廠主發(fā)電機(jī)經(jīng)廠用變壓器供電；優(yōu)先電源是通過(guò)500kV開(kāi)關(guān)站、主變壓器和廠用變壓器供電；輔助電源通過(guò)輔助變壓器供電；備用電源是由備用柴油發(fā)電機(jī)向有特殊保護(hù)功能負(fù)荷供電。母線額定電壓分別為10.5kV和400V/380V，負(fù)荷供電原則如圖1所示：

圖1主交流電系統(tǒng)供電原則

1.3現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備及現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)發(fā)展

傳統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用中，由于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備大多自動(dòng)化、智能化程度不高，不具備自動(dòng)化保護(hù)功能，需要使用多個(gè)單獨(dú)電氣器件，通過(guò)硬接線連接方式來(lái)實(shí)現(xiàn)就地的控制和保護(hù)功能，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備也都是采用硬接線方式與DCS的輸入/輸出模塊進(jìn)行連接，從而接入DCS系統(tǒng)，在DCS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與工藝系統(tǒng)的連鎖保護(hù)功能。

隨著工業(yè)行業(yè)要求提高設(shè)備運(yùn)行的可靠性以及減少設(shè)備故障，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備逐漸向自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展，控制方式也向現(xiàn)場(chǎng)總線數(shù)字化通訊技術(shù)發(fā)展，但各領(lǐng)域現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的自動(dòng)化發(fā)展水平是有差異的：

1.3.1過(guò)程儀表、氣動(dòng)閥門(mén)等智能設(shè)備，由于設(shè)備需要傳輸?shù)男盘?hào)量較少，一般是使用常規(guī)硬接線傳輸模擬量、開(kāi)關(guān)量，并可以在傳輸模擬量的硬接線上結(jié)合HART等總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備控制功能，在一定程度減少了電纜使用量。另外，在實(shí)際應(yīng)用中，一些現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備即使已經(jīng)具備現(xiàn)場(chǎng)總線通訊能力，大多也會(huì)因?yàn)椴荒芤?guī)模化普遍采用的原因，轉(zhuǎn)而采用常規(guī)的硬接線連接。

1.3.2對(duì)于電氣類設(shè)備，由于設(shè)備（如斷路器、電機(jī)）需要監(jiān)測(cè)的參數(shù)多，電氣繼電保護(hù)功能在可靠性、響應(yīng)速度方面有要求，所以在自動(dòng)化、智能化方面普遍發(fā)展水平較高，設(shè)備自身具備輸入輸出、邏輯組態(tài)能力，可以就地實(shí)現(xiàn)定值保護(hù)功能，可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線通訊方式傳遞現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備更多的狀態(tài)信息供運(yùn)行和維護(hù)人員參考和決策，從而提高電廠信息化水平，相關(guān)的電氣自動(dòng)化設(shè)備及現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在常規(guī)的工業(yè)行業(yè)也得到了比較廣泛的應(yīng)用和實(shí)踐。

目前各大公司根據(jù)各自應(yīng)用領(lǐng)域開(kāi)發(fā)了不同的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，并沒(méi)有形成統(tǒng)一的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，各現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)由于不能直接互聯(lián)通訊，在一定程度上制約了現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在更大范圍的普及和應(yīng)用。而且由于各公司產(chǎn)品在不同地域的推廣力度不同，各現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在各地域的應(yīng)用和普及度是有差異的，工業(yè)應(yīng)用中主要是根據(jù)使用的電氣設(shè)備所支持的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)來(lái)適配應(yīng)用。目前應(yīng)用較廣的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)有Profibus、Modbus、Devicenet、FF等，IEC針對(duì)自動(dòng)化開(kāi)關(guān)站制定的IEC 61185規(guī)范也開(kāi)始有了應(yīng)用。

2主交流電系統(tǒng)的接口方式

三門(mén)核電機(jī)組主交流電系統(tǒng)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)電氣設(shè)備的智能化水平、采用的不同公司產(chǎn)品，各電壓等級(jí)的電氣設(shè)備與DCS的接口相應(yīng)采用了不同方式，共有以下三種方式，采用的技術(shù)包括硬接線、現(xiàn)場(chǎng)總線Modbus和Profibus。

2.110.5kV中壓電氣設(shè)備

10.5kV中壓母線供電給功率大于200kW的中壓電機(jī)和400V交流負(fù)荷中心，使用SEL公司的智能繼電保護(hù)模塊進(jìn)行綜合繼電保護(hù)和控制，采用硬接線和現(xiàn)場(chǎng)總線相結(jié)合的方式與DCS接口，即斷路器的控制指令和位置狀態(tài)通過(guò)硬接線直接送至DCS進(jìn)行控制和連鎖，滿足快速響應(yīng)的要求；而回路的電流、電壓、保護(hù)報(bào)警、電能量等通過(guò)Modbus現(xiàn)場(chǎng)總線通信方式傳送到DCS服務(wù)器，進(jìn)而在主控制室顯示和報(bào)警供運(yùn)行人員參考。這種相對(duì)平衡的策略兼顧了響應(yīng)速度、穩(wěn)定性以及滿足充分的監(jiān)測(cè)信息各方面的需求。

對(duì)于電機(jī)負(fù)荷，使用了開(kāi)關(guān)柜內(nèi)繼電保護(hù)模塊自帶的熱電阻輸入通道采集電機(jī)的定子線圈溫度和軸承溫度，由繼電保護(hù)模塊進(jìn)行保護(hù)。另外，一些中壓電機(jī)由于與中壓開(kāi)關(guān)柜距離較遠(yuǎn)（例如循環(huán)水泵電機(jī)），溫度采集采取了就近接入DCS的方式，由DCS開(kāi)發(fā)相關(guān)邏輯進(jìn)行保護(hù)。

目前，中壓設(shè)備未采用現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行控制，但SEL繼保設(shè)備本身是支持通過(guò)Devicenet和IEC 61185進(jìn)行通訊和控制的，具備后續(xù)改造的硬件條件。

2.2低壓電氣設(shè)備——負(fù)荷中心

400V交流負(fù)荷中心供電給75～200kW的電機(jī)和380V交流電機(jī)控制中心，使用ABB帶智能保護(hù)功能的斷路器，全部采用常規(guī)的硬接線與DCS接口進(jìn)行控制和信號(hào)反饋，這部分設(shè)備沒(méi)有使用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)與DCS接口，沒(méi)有傳輸詳細(xì)的報(bào)警、電能量信息到DCS，后續(xù)如果需要改造采用現(xiàn)場(chǎng)總線控制，可以考慮加裝額外的通訊模塊實(shí)現(xiàn)。

2.3低壓電氣設(shè)備——電機(jī)控制中心

380V交流電機(jī)控制中心為不直接從負(fù)荷中心供電的電機(jī)、電動(dòng)閥門(mén)供電，電氣設(shè)備采用接觸器以及西門(mén)子SIMOCODE智能電機(jī)控制器，通過(guò)Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線與DCS的Profibus模塊接口進(jìn)行控制和監(jiān)測(cè)。考慮到功能和實(shí)時(shí)性要求，每一段電機(jī)控制中心可以劃分成幾個(gè)Profibus網(wǎng)段進(jìn)行組網(wǎng)，可以分散風(fēng)險(xiǎn)；一些特殊負(fù)荷（如穩(wěn)壓器主加熱器）因?yàn)槠渲匾裕珼CS側(cè)的Profibus模塊進(jìn)行了冗余配置；一些負(fù)荷需要額外的監(jiān)測(cè)和聯(lián)鎖，是通過(guò)為SIMCODE基本控制單元增加輸入/輸出模塊，從而來(lái)實(shí)現(xiàn)功能的擴(kuò)充。

3實(shí)際應(yīng)用的優(yōu)缺點(diǎn)分析

三門(mén)核電機(jī)組將工業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)成熟應(yīng)用的自動(dòng)化、智能化設(shè)備以及現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)應(yīng)用到部分電氣設(shè)備的控制和監(jiān)測(cè)，提高了設(shè)備的自動(dòng)化、智能化管理水平，工程項(xiàng)目在設(shè)計(jì)、建安、調(diào)試、運(yùn)行和維護(hù)各階段的工作局面有了新的變化。下文對(duì)其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析。

3.1主要優(yōu)點(diǎn)

3.1.1由于電氣繼電保護(hù)設(shè)備具備集成化和智能化特點(diǎn)，設(shè)備級(jí)的繼電保護(hù)功能直接由現(xiàn)場(chǎng)的繼電保護(hù)設(shè)備通過(guò)邏輯組態(tài)實(shí)現(xiàn)，例如中壓電機(jī)的定子線圈溫度和軸承溫度保護(hù)功能就直接在電氣柜內(nèi)繼電保護(hù)設(shè)備實(shí)現(xiàn)，這樣電氣設(shè)備逐漸向現(xiàn)場(chǎng)級(jí)保護(hù)發(fā)展，從而進(jìn)一步分散系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)，提高了系統(tǒng)的可靠性。

3.1.2現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，結(jié)合使用光纖通訊技術(shù)，大大增強(qiáng)了信號(hào)的抗干擾能力，可以提供穩(wěn)定可靠的通訊；相對(duì)來(lái)說(shuō)，硬接線方式由于很大一部分傳輸?shù)氖亲兓碾妷骸㈦娏髂M量信號(hào)，而現(xiàn)場(chǎng)的電氣、電磁環(huán)境復(fù)雜，本身抗干擾能力較弱，需要采取其他措施來(lái)提高抗干擾能力，例如需要在橋架和電纜屏蔽等方面進(jìn)行考慮和設(shè)計(jì)。

3.1.3采用現(xiàn)場(chǎng)總線通訊，相對(duì)于一對(duì)一的硬接線連接方式，節(jié)省了二次控制電纜及橋架設(shè)計(jì)，減少了常規(guī)輸入/輸出模塊的使用量，工程施工量也相應(yīng)減少。

3.1.4基于智能化繼電保護(hù)設(shè)備、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，可以通過(guò)參數(shù)化的配置和組態(tài)來(lái)調(diào)試設(shè)備，減輕了調(diào)試工作量；系統(tǒng)也具有了較高的可靠性和靈活性，系統(tǒng)很容易進(jìn)行重組和擴(kuò)建，設(shè)備的一些保護(hù)功能變更也可以直接通過(guò)修改邏輯和定值實(shí)現(xiàn)，便于功能優(yōu)化和維護(hù)。

3.1.5對(duì)于運(yùn)行和維護(hù)而言，降低了設(shè)備的故障率，提升了設(shè)備的信息化管理水平，便于設(shè)備的故障診斷和維護(hù)。

3.2主要缺點(diǎn)

3.2.1目前電氣設(shè)備結(jié)合使用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、硬接線與DCS接口，沒(méi)有全部應(yīng)用統(tǒng)一的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，不利于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)更大范圍的應(yīng)用。

3.2.2由于沒(méi)有為主交流電系統(tǒng)設(shè)置一套獨(dú)立的監(jiān)控主站，而DCS調(diào)試由于其是機(jī)組各系統(tǒng)的儀控平臺(tái)，DCS系統(tǒng)的可用往往是在倒送電之后，這種客觀情況是不利于電氣系統(tǒng)的調(diào)試開(kāi)展的，很難在初期倒送電階段滿足設(shè)備的控制功能。目前對(duì)于倒送電范圍的中壓開(kāi)關(guān)柜，是額外通過(guò)硬接線連接臨時(shí)就地控制柜進(jìn)行操作，這在一定程度上制約了電氣系統(tǒng)的可用性。

4結(jié)語(yǔ)

三門(mén)核電機(jī)組主交流電系統(tǒng)使用智能電氣設(shè)備以及現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，提升了電廠的自動(dòng)化、智能化水平，進(jìn)一步分散了系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)，可以整體提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，在積累應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)后可以為其他后續(xù)項(xiàng)目提供參考，以進(jìn)一步擴(kuò)大應(yīng)用的范圍。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：董云川（1985-），男，重慶人，三門(mén)核電有限公司調(diào)試處助理工程師，研究方向：核電分布式控制與信息系統(tǒng)的調(diào)試和維護(hù)。

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