數字化電廠電氣控制技術與應用分析

胡林海

（淮南田家庵發電廠，安徽淮南 232007）

0 引言

隨著時代不斷發展，人們對電力的需求與日俱增，促使我國現代火力發電機組構造逐漸變得復雜，對于火力發電機組自身的控制、維修、保養以及優化等要求也越來越高，以此來保證其穩定運行。在傳統的技術控制過程中，主要控制內容是對工藝測點進行合理的監測，并對設備設施進行分散管理與監控，導致管理信息與監控信息難以得到有效的統一，未能實現統一信息化管理，因此，應加強數字化電廠電氣控制技術的應用，以保證操作機組穩定運行。

1 數字化電廠的概念

所謂的數字化電廠，就是運用數字化的技術手段，對電廠物理以及其工作對象的整個生命周期進行分析、量化、決策以及控制，以此強化電廠整體價值的方法以及理論。從這一方面進行理解，數字電廠不是既定的某一個項目的類型，也不是基于計算機的某種系統或者軟件。從概念上進行分析，可以將其理解為一種理論以及方法。從其研究對象上進行分析，數字電廠的研究對象就是電廠之中的物理對象以及工作對象，其研究的方式就是基于研究對象的整個周期出發，研究內容是對研究對象進行分析，量化、控制、決策的有效性方法。

數字化電廠的構建，就是實現所有信號的完全數字化變現，所有的管理內容也都以數字化的形式進行。通過現代互聯網技術以及計算機技術，能夠準確、安全、可靠、規范的實現數字化信息的有效交換，并實現跨平臺的資源共享，同時，在最大程度上保證資源共享的實時性以及動態性。如此，能夠有機的應用智能專家系統對各種數據信息進行分析，進而提出各種優化建設的建議以及決策，為數字化電廠的科學構建提供重要的指導。這一技術的應用，能夠在最大程度上降低電廠的發電成本，增加上網的電量，降低設備故障的概率，保證電廠運行的經濟性、安全性、節能性，促進電廠的可持續發展。表1是某數字化電廠近3 a的電氣指標情況。

根據現階段的數字電廠技術的發展情況進行分析，可以將其客觀的劃分為4個層次。第一層，直接控制層。就是指在電廠生產的過程中的直接控制以及數據收集，其結構上涵蓋了單元機組、SCADA（Supervisory Control and Data Acquisition，數據采集與監視控制系統），DEH（Digital Electric Hydraulic Control System，汽輪機數字電液控制系統或數字電調），水處理、輔機、除灰等等輔助性設備，是數字電廠的控制系統。這一層可以明確為生產所需基礎數據的提供層，是其他分層運行的基礎保證。第二層是管控一體化層，其主要是完成生產過程的整體監督，整合管理層收集的信息，對基礎的性能以及控制系統的運行進行分析以及整體優化。可以說，這一層是管理層與控制層之間溝通的有效橋梁。第三層，生產管理層。這一層是電廠數字化管理的基礎層次，其能夠從經營決策層之中獲取相應的經營指標以及數據信息，以此來生成科學的生產計劃，并落實計劃的實施。同時，其還能夠 層提供關鍵的控制導向信息。可以說，這一層是數字化電廠的管理基礎。第四層，經營決策層，其主要是落實商業化運營、經營管理、電子商務、物資交易等方面，其管理主線是綜合計劃、管理核心是成本管理以及全面預算。這一層，是數字化電廠系統的決策樞紐以及系統入口。此外，電氣控制系統是現代數字化電廠的重要構成部分，其工作目標主要是對電廠的電氣設備進行科學的監督以及控制，保證其運行的安全性以及穩定性。在數字化電廠之中，這一控制過程以及控制目標主要依靠現代信息技術完成。與傳統的控制方式相比，其更加集中的體現了電氣控制的科學性以及可靠性，能夠在最大程度上保證電氣設備的正常運行。

表1 電氣指標情況調查

2 數字化電廠電氣控制的工作原理

隨著我國科學技術的不斷發展，現代化火力發電機組設計逐漸開始呈現出復雜化、系統化、多元化的發展趨勢，與此同時，也對機組的優化、后期維護以及運行等均提出了更高要求。傳統的控制方式隨著時間的推移，其弊端也在逐漸暴露，若不進行及時改進和優化，便會對控制系統的應用性能造成嚴重影響。而通過數字化電廠電氣控制技術的實踐應用，不僅可有效解決上述問題，同時，還可實現一體化、信息化控制和管理，系統的應用性能不斷提升，在此也為后續的檢修工作提供了便利條件。以下為該技術應用的基本原理分析。

如圖1所示，在主變電站中，主要的設備包括架空線路（電纜）、電抗器、隔離開關、斷路器、變壓器等等，而主要的變電站二次設備具體包括母線保護、線路保護以及PMU（Power Management Unit，電源管理單元）安全設備故障顯示儀等。

圖1 電廠控制系統

2.1 過程層

過程層的主要作用，是可對開關、電壓、電流等相關指標進行數字化處理。在此過程中，其信號一般可分為開關量、電壓和電流。其中，電壓和電流具體負責收集光變壓器單元通過合并將數字信息置于處理層，之后在將相關的開關信息傳輸到處理層。在整個這一環節中，與總線方式的工藝水平息息相關。在完成到設備水平裝置的傳發之后，在合并過程中，需涉及到運用互感器所收集的二次側電量，與此同時，還需同步轉換成數字信號。電氣互感器和電子式電流互感器在經過合并單元后，可完成相關電子信息的傳遞。

2.2 間隔層

電氣設備的間隔層包括電壓器保護、短引線保護、母線差動保護、線路保護等等，同時，也包含安全穩定裝置、電子計量裝置、PMU設備以及故障錄波等。開關、電流、電壓等可借助相關邏輯和計算實現發送。在經過以太網設備裝置以及間隔層保護之后，可對間隔層進行有效保護，跳閘令經過智能終端可順利發出，進而可對變電站設備進行有效保護。經過上述一系列流程之后，能夠最大限度的防止設備故障問題的發生，為設備的安全、平穩運行提供了良好保障，同時，也減少了后續維護的次數。

2.3 站控層

在站控層中，主要的設備包括五防機、工程師北京站以及操作員站等等。在此過程中，間隔設備能夠將實時的狀態信息，傳輸到站級以太網中，站級設備在經過監控功能的間隔層設備和以太網，可實現與MIS（Management Information System，管理信息系統）、SIS系統、中央變電站監控系統、集中控制系統的通信控制系統、調度系統等實現協調控制。經過縱向、橫向的MMS（Manufacturing Message Specification，制造業報文規范）網絡的站級設備，還可實現與通信站級設備、站控制裝置以及工藝設備之間的協調、穩定運行。最后，經過各級IEC 61850調度通信站能夠有效實現遠程操控和監督。

3 數字化電廠電氣控制技術的應用

經過上述分析，已經對數字化電廠電氣控制系統的工作原理進行了較為客觀的明確。可以發現，控制系統的運行以及工作，對數字化電廠的運行發展具有非常重要的實際影響。也就是說，要想保證數字化電廠的健康、穩定運行，落實可持續發展的重要發展戰略，就必須要落實科學、合理的電氣控制技術。對此，相關系統建設以及工作人員，應該樹立現代化的發展觀念，以創新的角度，優化電氣控制技術的應用方式，以此保證數字化電廠的切實落實，推進數字化電廠的可持續發展。

3.1 發變組控制

一般來說，發電站的變壓器設備主要由主變壓、輔助電源變壓、發電機、勵磁變壓等電氣設備，以及勵磁、變壓器保護、快切、同期等二次電保護系統構成。因此，可以明確，電流的控制由主變、發電機、高廠變壓、勵磁變壓等實現。電壓量可以由變電站母線、廠用段變壓、發電機來實現控制。開關量則主要由發變組的開關以及刀閘、廠變壓器的開關進行控制。基于這一特點，可以落實兩個方面的應用控制方案：一方面，可以應用光學電子變壓器進行收集工作，并對該組合單元進行傳送。變壓器的CT（Current Transformer，電流互感器）可以就可以應用柔性光學電子變壓器技術實現對發變組的控制。另一方面，可以應用電磁，是其他非電氣量經過變壓器的合并單元進行傳輸以及收集。對于開關量則可以通過其他的智能終端進行傳輸。

3.2 廠用電控制技術

現階段電廠的廠用體系，主要涵蓋廠用高壓段、廠用低壓段、低壓電機、高壓電機、廠用變壓器、變壓保護其、電機保護、線路保護、備自投、智能斷路器等電器設備以及二次控制系統構成。廠用電控制方案，主要是基于現代profibs控制標準以及DCS（Distributed Control System，集散控制系統）控制系統的基礎之上。也就是基于所有保護裝置之上，統一支持profibs標準規約。通過這一系統，能夠通過互聯的網絡，將保護裝置的信息發送到DCS系統之中。一般來說，保護層的保護功能主要是通過就地保護裝置完成、電機之間的連鎖則由DCS完成。開關、刀閘等控制元件的操作可以使用硬接線進行聯機，以此保證良好的控制效果。表2所示，是某電廠的廠用電高壓段及低壓段用電變化指數分析結果。從中可以發現，該電廠的高壓用電指數在c段以及d段發生了嚴重的異常變化。在這一基礎上，就那個實現系統的控制處理。

表2 廠用電電壓變化指數

4 結束語

數字化電廠電氣控制技術的應用，可以從根本上提升現代發電機組的穩定性與效率，充分發揮出操作機組運行優化與檢修的作用，因此，在當前的時代背景下，應將數字化理念與電廠發展進行合理的融合，并對電廠的熱控設備的配置、選型等進行綜合的考慮，利用現有的智能設備對運行設備各項信息進行統一化管理，如，運行信息、診斷信息、故障信息以及維護信息等，將各系統充分與數字化理念相融合，從根本上提升電廠運行、維修以及管理的工作效率。