廠用電監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)通訊及技術(shù)風(fēng)險分析

高利平

(神華福能發(fā)電有限責(zé)任公司,福建 泉州 362700)

廠用電監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)通訊及技術(shù)風(fēng)險分析

高利平

(神華福能發(fā)電有限責(zé)任公司,福建 泉州 362700)

隨著電力行業(yè)的發(fā)展,單臺機組容量越來越大,高參數(shù)、高電壓、高度自動化已成為發(fā)展的主流趨勢.發(fā)電廠廠用電監(jiān)控系統(tǒng)主要有兩個發(fā)展方向:其一,完全由分散控制系統(tǒng)(DCS)實現(xiàn)電氣設(shè)備的控制與監(jiān)視,廠用電監(jiān)控系統(tǒng)(ECMS)輔助監(jiān)視;其二,由ECMS系統(tǒng)實現(xiàn)廠用電中各電源類開關(guān)的控制與監(jiān)視,由DCS系統(tǒng)實現(xiàn)對廠用電中各類電動機的控制與監(jiān)視.對神福鴻電電氣設(shè)備的監(jiān)控方式進行探討,并對存在風(fēng)險進行評估,結(jié)合當(dāng)前電力行業(yè)發(fā)展的主流趨勢,提出對發(fā)電廠電氣設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展設(shè)想.

ECMS系統(tǒng);DCS系統(tǒng);監(jiān)視;風(fēng)險評估

隨著電力行業(yè)的發(fā)展,單臺機組容量越來越大,高參數(shù)、高電壓、高度自動化已成為發(fā)展的主流趨勢.為了更好的實現(xiàn)機、爐、電集中管理,單元機組集控運行成為當(dāng)今火電廠的主要運行控制方式.

針對發(fā)電廠電氣系統(tǒng)的控制主要存在兩個發(fā)展方向:第一種,傳統(tǒng)的電氣監(jiān)控的實現(xiàn)方式是由DCS系統(tǒng)設(shè)置單獨的電氣控制器(DPU),經(jīng)I/O板實現(xiàn)對電氣部分的數(shù)據(jù)采集和遠方控制.第二種,廠用電中各電源類開關(guān)由ECMS系統(tǒng)通過總線通訊的方式進行遠方控制,廠用電中電動機類開關(guān)由DCS系統(tǒng)實現(xiàn)控制.

本文主要通過ECMS系統(tǒng)發(fā)展以及在我廠的應(yīng)用,并對該系統(tǒng)存在風(fēng)險進行評估,結(jié)合當(dāng)前電力行業(yè)發(fā)展的主流趨勢,提出對發(fā)電廠電氣設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展設(shè)想.

1 廠用電監(jiān)控系統(tǒng)(ECMS)的發(fā)展歷史

20世紀(jì)90年代之前,電氣控制設(shè)備獨立運行,無所謂系統(tǒng).90年代初期,微機繼電保護裝置的出現(xiàn),標(biāo)志著電氣二次微機保護時代的來臨.此時,電氣設(shè)備采用常規(guī)硬接線接入到DCS控制器,由DCS系統(tǒng)完成電氣控制,由于DCS系統(tǒng)所含電氣信息量很少,無法滿足電氣自動化的要求.2002年出現(xiàn)了利用現(xiàn)場總線和網(wǎng)絡(luò)對電氣二次設(shè)備進行聯(lián)網(wǎng),以通信方式接入DCS系統(tǒng),減少投資,提高電氣運行管理水平,即ECMS系統(tǒng)出現(xiàn).

發(fā)展初期,廠用電監(jiān)控系統(tǒng)(ECMS)主要是依附于DCS, 將ECMS系統(tǒng)納入DCS系統(tǒng)一體化控制.主要特點是:硬接線和現(xiàn)場總線通訊相結(jié)合,DCS系統(tǒng)通過硬接線控制,所有的廠用電電器開關(guān)控制、聯(lián)鎖信號、電流量都通過硬接線送至DCS系統(tǒng),而廠用電保護裝置的模擬量采樣、告警信號、開關(guān)分合狀態(tài)均通過通訊線的方式進入ECMS系統(tǒng),然后ECMS系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)至DCS系統(tǒng).

2007年后,ECMS系統(tǒng)實現(xiàn)完整的電氣控制,作為現(xiàn)場總線控制系統(tǒng),電氣診斷、預(yù)測性維護、分析等應(yīng)用功能大大增強,實現(xiàn)全分布式電氣控制系統(tǒng). 整個ECMS系統(tǒng)實現(xiàn)了發(fā)電機-變壓器組、高低壓廠用電源等電氣設(shè)備的監(jiān)視、控制和管理;ECMS系統(tǒng)實現(xiàn)電動機的監(jiān)測管理,DCS系統(tǒng)實現(xiàn)電動機的控制.

2 神福鴻電廠用電監(jiān)控系統(tǒng)(ECMS)建設(shè)

神福鴻電ECMS系統(tǒng)為北京四方的CSPA-2000型系統(tǒng),在組網(wǎng)配置上采用分層、分布、開放式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu).其中廠用6kV采用具有典型的站控層、智能間隔層兩層結(jié)構(gòu);廠用400V采用具有典型的站控層、通信管理層、智能間隔層三層結(jié)構(gòu)系統(tǒng).通過數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、電氣操作員、通信管理單元和分散在就地的電氣智能裝置實現(xiàn)對設(shè)備的監(jiān)測、控制、統(tǒng)計、遠方整定、事故分析、管理等功能.

神福鴻電公司ECMS系統(tǒng)對廠用電源部分進行監(jiān)控,廠用6kV高壓電動機通過硬接線接入DCS系統(tǒng),同時通過通訊方式與ECMS系統(tǒng)通訊.廠用400電動機通過現(xiàn)場總線接入DCS系統(tǒng).

2.1 采用該模式的優(yōu)勢

第一,因為采用總線通訊技術(shù),現(xiàn)場單臺電氣設(shè)備提供至ECMS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量大大提高,從而電氣診斷、預(yù)測性維護、各類報表、告警、分析等應(yīng)用功能大大增強,便于檢修人員的日常維護以及設(shè)備管理.

第二,ECMS系統(tǒng)與DCS系統(tǒng)相互獨立,職責(zé)清晰,電源負荷操作接入ECMS監(jiān)控,電動機等涉及工藝流程的設(shè)備接入DCS監(jiān)控.

第三,將廠用電源負荷的監(jiān)控功能全部由ECMS實現(xiàn),DCS可以不設(shè)ECS控制器及其IO卡件,大大節(jié)省了DCS的工程費用,同時節(jié)省了大量電纜,成本有了較大降低.

第四,高壓廠用電部分采用100M以太網(wǎng),大大提高了信息及波形上送、指令下發(fā)等速度.

第五,采用新型的獨立于DCS的ECMS系統(tǒng)結(jié)構(gòu),與現(xiàn)存的其他方式相比,可以提高電廠廠用電氣部分的自動化水平,便于更好地監(jiān)控、管理,縮小了DCS系統(tǒng)的規(guī)模,節(jié)約電廠的投資.

第六,電廠的熱工和電氣檢修人員的職責(zé)更加明確、清晰,各司其職,便于日常的檢修維護.

第七,因電氣控制特點、屬性與熱工區(qū)別大,隨著電氣設(shè)備在線狀態(tài)診斷及狀態(tài)檢修管理體系實施,該模式有利于電力市場對電氣專業(yè)高級功能的開發(fā)和應(yīng)用需求.

第八,基于統(tǒng)一的通信標(biāo)準(zhǔn)能更好地實現(xiàn)各系統(tǒng)之間信息的互通,打破過去受信息傳輸瓶頸制約而無法避免的各控制系統(tǒng)間的信息割裂,解決操控斷點和盲點問題,實現(xiàn)了數(shù)字化整合,帶來的海量信息,同時通信速率、功能等都將得到較大的提升.

第九,廠用電過程層數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用.通過網(wǎng)絡(luò)共享信息和信息交換,保護裝置功能和判據(jù)可跨間隔優(yōu)化,整體性能更趨合理,實現(xiàn)常規(guī)系統(tǒng)難以實現(xiàn)的一些保護和控制功能,如廠用母線數(shù)字式差動保護.

2.2 采用該模式的不足

首先,單元機組集控運行成為當(dāng)今火電廠的主要運行控制方式,針對此現(xiàn)狀,發(fā)電廠的各個系統(tǒng)趨于高度集成,機、爐、電三大專業(yè)控制系統(tǒng)已融入DCS系統(tǒng),脫硫、脫銷、除塵、化學(xué)等輔網(wǎng)控制系統(tǒng)也漸漸并入DCS系統(tǒng),逐步向大集控過度.而將廠用電監(jiān)控系統(tǒng)(ECMS)獨立出來,違背發(fā)展趨勢.

其次,廠用電監(jiān)控系統(tǒng)(ECMS)與DCS獨立,勢必會增加ECMS系統(tǒng)操作員站,就不得不增加操控人員,從而增加人工成本,與節(jié)約人工成本的發(fā)展趨勢相違背.

第三,廠用電電氣設(shè)備分由兩個系統(tǒng)控制,不利于對電氣設(shè)備的統(tǒng)一管理.

第四,ECMS系統(tǒng)設(shè)計、安裝及調(diào)試驗收暫無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范,且基建過程需各方調(diào)試工作量大,容易造成安裝、調(diào)試不到位等問題.

第五,電廠接入設(shè)備比變電站多,即節(jié)點多,分散性強,對系統(tǒng)容量、網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架的擴展性和設(shè)備廠家的售后服務(wù)能力都有很高的要求,而不同廠家的解決方案良莠不齊,這就需要設(shè)計、廠商人員進行深入細致的系統(tǒng)方案設(shè)計,合理規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),優(yōu)化信息傳輸方式.

2.3 ECMS系統(tǒng)的主要功能

2.3.1 實時數(shù)據(jù)采集與處理

所有電氣量采用交流采樣,通過采集CT和PT的二次值,在間隔層計算實時數(shù)據(jù). 通信管理機按掃描周期定時采集所有電氣量信號并更新數(shù)據(jù)庫,在基于IEC61850通信下,同時還具備查詢保護通道電流實時數(shù)據(jù)功能.提供實時曲線和歷史曲線的查看窗口,分辨率達ms級,為運維人員查詢設(shè)備運行情況提供數(shù)據(jù).

2.3.2 報警信息監(jiān)視和查詢

通過變量報警事件、操作事件、用戶登錄事件和工作站等事件,可以方便地記錄和查看系統(tǒng)的報警、操作和各個工作站的運行情況.也可以根據(jù)需要查詢歷史報警記錄及其他事件.

2.3.3 控制操作

ECMS正常運行時,根據(jù)設(shè)備運行需要對相應(yīng)電氣設(shè)備進行順序成組操作或手動鍵盤獨立操作,各種操作均具有操作閉鎖功能,具備對保護定值進行修改的功能和對保護進行遠方復(fù)歸等功能.

2.3.4 事件順序記錄及事故追憶

ECMS對斷路器位置信號、繼電保護動作信號等中斷型開關(guān)量進行事件順序記錄SOE.在出現(xiàn)事故后,能追憶事故前后一定時間內(nèi)有關(guān)開關(guān)量的動作順序和相關(guān)重要模擬量的變化情況,分辨率達ms級.事故追憶的觸發(fā)可以是開關(guān)的事故跳閘或人工觸發(fā),支持多重事故追憶功能.

2.3.5 畫面生成及顯示

操作員站能完成機組電氣設(shè)備各種監(jiān)控系統(tǒng)圖等,每幅畫面均能顯示過程電量的實時數(shù)據(jù)和運行設(shè)備的狀態(tài).

2.3.6 運行管理功能

事故分析檢索、在線設(shè)備分析、自動抄表等.

2.3.7 設(shè)備管理

ECMS對主要電氣設(shè)備如斷路器、變壓器、電動機等運行工況進行監(jiān)視,以指導(dǎo)設(shè)備維護和檢修工作.

2.3.8 在線計算及制表

ECMS能對采集的數(shù)據(jù)進行在線計算.各種制表主要包括實時值表、正點值表、負荷運行日志、電度量累計、事件順序記錄一覽表、報警記錄表、保護定值一覽表、主要設(shè)備參數(shù)表和自診斷報告.

2.3.9 防誤操作閉鎖

ECMS對于通過CRT、鍵盤進行的電氣操作由系統(tǒng)的軟件進行閉鎖,防止誤操作.

2.4 神福鴻電ECMS系統(tǒng)調(diào)試期的典型問題

因ECMS系統(tǒng)采用現(xiàn)場組態(tài)的方式,整套系統(tǒng)的組態(tài)與調(diào)試同步進行,這樣就造成了此過程中會暴露出許多問題.

典型問題一:通訊異常類問題.產(chǎn)生原因如下.

(1)因為服務(wù)器通訊參數(shù)配置不合理,造成與現(xiàn)場設(shè)備無法通訊或者頻繁報通訊中斷.

(2)因為通訊線接線不良,造成不能正常通訊.

(3)因為就地設(shè)備通訊參數(shù)配置不合理,造成與服務(wù)器無法通訊.

(4)因為采用不同廠家設(shè)備,通訊協(xié)議匹配不良,造成不能正常通訊.

典型問題二:功能異常類問題.產(chǎn)生原因如下.

(1)因服務(wù)器參數(shù)配置問題,造成不能實現(xiàn)遙控出口等問題.

(2)因服務(wù)器應(yīng)用軟件功能不完善,造成不能實現(xiàn)現(xiàn)場提出的完善要求.如報警方式的調(diào)整、畫面顯示的調(diào)整、報表功能的調(diào)整等.

(3)因我廠ECMS系統(tǒng)設(shè)備為北京四方的產(chǎn)品,通訊方式采用61850規(guī)約.這種組合方式是首次在火電廠廠用電系統(tǒng)使用,在整體組成框架存在部分問題,不能滿足現(xiàn)場的需求.如:單個通訊設(shè)備通訊異常后,在1分鐘后才能在服務(wù)器顯示報警;就地設(shè)備告警不能及時上送,部分狀態(tài)信號15S左右才能從服務(wù)器報出;重要告警信號不能保持、不能突出顯示等.

典型問題三:畫面顯示異常類問題.產(chǎn)生原因如下.

(1)畫面中各開關(guān)元件無雙重編碼顯示,操作執(zhí)行時,如果發(fā)生執(zhí)行異常,不能報出異常原因窗口.

(2)畫面顯示關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫錯誤,造成畫面顯示異常.

(3)針對暴露出的各類問題,積極組織廠家人員與電廠技術(shù)人員配合解決,直至滿足生產(chǎn)現(xiàn)場需求.

3 神福鴻電ECMS系統(tǒng)調(diào)試期的風(fēng)險評估

結(jié)合目前神福鴻電ECMS系統(tǒng)現(xiàn)場實際情況,為確保投運后該系統(tǒng)的可靠穩(wěn)定運行,對ECMS系統(tǒng)進行風(fēng)險評估.通過使用HAZOP定量分析法,對機組調(diào)試期、啟動、運行、停運四種工況下,如果ECMS系統(tǒng)發(fā)生故障造成的影響進行分析.

3.1 確定風(fēng)險評估矩陣

通過對比討論,確定quot;神福鴻電ECMS系統(tǒng)風(fēng)險評估矩陣quot;,如表1.

3.2 神福鴻電ECMS系統(tǒng)風(fēng)險評估

根據(jù)quot;神福鴻電ECMS系統(tǒng)風(fēng)險評估矩陣quot;,通過HAZOP定量分析法對ECMS系統(tǒng)存在風(fēng)險進行分析,表2對各嚴(yán)重故障進行分析.

3.3 風(fēng)險評估結(jié)果

通過利用HAZOP風(fēng)險分析的方法對ECMS系統(tǒng)存在的風(fēng)險進行了定量分析和評估,有針對性地提出了采取的措施和建議,將系統(tǒng)風(fēng)險降低至可接受程度,得出如下結(jié)論.

(1)ECMS系統(tǒng)故障最高風(fēng)險不會造成人員傷亡事故.

(2)ECMS系統(tǒng)故障最高風(fēng)險不會造成重大設(shè)備損壞.

(3)ECMS系統(tǒng)故障最高風(fēng)險不會造成機組非停.

表1 神福鴻電ECMS系統(tǒng)風(fēng)險評估矩陣

表2

(4)在設(shè)備檢修后恢復(fù)送電時,ECMS系統(tǒng)故障可能造成送電延期.

(5)ECMS系統(tǒng)故障不會對機組停機造成影響.

4 結(jié)語

通過對比發(fā)電廠電氣系統(tǒng)監(jiān)控的兩個主要發(fā)展方向,以及神福鴻電電氣設(shè)備的監(jiān)控方式的探討與風(fēng)險評估,不難發(fā)現(xiàn)兩種方式各有利弊.如果將電氣設(shè)備的監(jiān)控全部歸入DCS系統(tǒng),既實現(xiàn)了高度的集中控制,也避免了人力成本的增加.但是因為DCS系統(tǒng)中電氣設(shè)備的信息量較小,不利于對電氣設(shè)備進行深層次的管理,也不利于對電氣設(shè)備故障現(xiàn)象的分析,對電氣設(shè)備的檢修管理存在制約,反之亦然.

結(jié)合電廠的發(fā)展趨勢,最大限度的將各方需求進行整合統(tǒng)一,既能實現(xiàn)對發(fā)電廠各類設(shè)備的集中控制,又能滿足設(shè)備管理的各類高級管理要求.需要通過新的方式來實現(xiàn),總的設(shè)想是:增強DCS系統(tǒng)性能,提高對電氣設(shè)備信息量的采集,電氣設(shè)備使用總線通訊技術(shù),對影響機組停機安全的重要負荷可以保留硬接線與通訊兩種方式共存.設(shè)想的結(jié)構(gòu)圖如圖1.

圖1

隨著科技的發(fā)展,軟硬件的不斷增強與完善,發(fā)電廠電氣設(shè)備的監(jiān)控水平將進一步提高.電氣設(shè)備是發(fā)電廠的重要組成部分,將更好的融入到DCS系統(tǒng)中去.而電氣監(jiān)控主要采用通訊監(jiān)控,對影響機組停機安全的重要負荷可以保留硬接線的這種方式將會是大勢所趨.

[1]汪文琦.廠用電監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用及展望[J]. 科技情報開發(fā)與經(jīng)濟, 2009,11:(35)19.

[2]侯 偉,沈全榮,嚴(yán) 偉.ECMS系統(tǒng)的新型結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用[J].電路系統(tǒng)及其自動化學(xué)報,2010,10:(5)22.

[3]華北電力設(shè)計院工程有限公司,福建電力勘測電力設(shè)計院.福建石獅鴻山熱電廠二期2X1000MW機組工程 施工設(shè)計圖紙.北京,福州,2013,5.

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1671-0711(2017)11(下)-0152-04