某2×1000MW電廠用電監控系統設計與應用研究

徐思佳

摘? 要：本文對江西某2×1000MW電廠廠用電監控方式的設計與應用進行分析與討論。研究發現：采用完全現場總線方式接線，減少DCSI/O點，增加通訊信息量，加強電氣軟件功能，提高了自動化水平和判斷故障的能力，減少了大量的電纜，使整個電氣系統運行狀態得到全面、及時有效地監控?；诠S的用電監控系統運用使工程造價降低，成本得到了理想的控制。

關鍵詞：電廠? 用電監控? 完全現場總線? 工程造價

Abstract： This paper analyzes and discusses the design and application of auxiliary power monitoring mode in a 2×1000MW power plant in Jiangxi Province. It is found that DCs can be reduced by using full field bus connection I/o point， increase the amount of communication information， strengthen the function of electrical software， improve the level of automation and the ability of fault diagnosis， reduce a large number of cables， so that the operation status of the entire electrical system can be comprehensively， timely and effectively monitored. The application of the power monitoring system based on the factory reduces the project cost and achieves the ideal control of the cost.

Key Words： Power plant; Electricity monitoring; Complete fieldbus connection; Construction costs

隨著電氣設備的發展，其越來越趨近于智能化方向發展，在這種背景之下，電氣監控系統與以往相比其水平得到了快速的提升。迄今為止，現場總線已用于工廠用電能源管理中，基于現場總線技術的廠電控制和監控系統（Electrical control and management system in power plants）實質上是當前電廠設計的關鍵組成部分[1-4]。

在集控室中設置一個模擬的硬手動監控盤，該盤比較擁擠，到處都是控制的開關，狀態顯示，測量儀器和光報警器等，并且有許多電氣二次分離元件，接線以及維修和保養需要大量的時間。從1990年代中期開始，它被快速發展的DCS電廠取代。在電氣運用DCS后，將運用I / O硬接線連接，并且現場仍使用標準設備。DCS一般應用于機、爐方面對其進行控制，它在操作方面并不復雜，可是它對于信息的收集方面則不是十分的到理想，另外，由于電氣和熱控之間還有著很多的不同，二者之間的差異導致了很多的矛盾存在。在1990年代中后期，電廠升壓站開始開發網絡控制技術，然后成功地使用了現場總線和智能I / O和控制工具[5-6]。智能I / O可以完成交流采樣，從而使現場設備的配置減少;計算機邏輯的操作簡化了二次回路的接線，同時充分考慮了電氣控制系統的特性，并使系統的操作和結構變得更加的合理化。結果，不僅在設計方面而且在電氣智能化設備中都通過電氣監控實現了快速的發展。自2000年示范電廠提出將現場總線運用于廠用電監控系統的設想，到目前多個電廠的實施，電氣自動化監控已越發體現出其先進性和經濟性，成為集保護、控制、數據采集、報警、邏輯編程、故障自診斷、信息管理、設備管理、自動抄表、仿真培訓等功能于一體的現代化電氣監控系統[7-8]。

本文結合在電氣納入DCS，升壓站計算機監控系統以及現場總線在電氣控制設計中應用的經驗，提出適用于大唐國際江西撫州電廠廠用電監控系統的方案。

1? 電氣設備的監控范圍

電氣設備的監控范圍方面從其對象來看，主要有以下幾方面（1）發電機變壓器;（2）備用電源等等。

2? 廠用電監控管理系統控制方式

熱工系統和電氣系統的自動化水平能夠很好的反映電廠監控管理系統的效率，同時也能夠反映出其是否安全的運作，可以說電力監控系統的控制水平有利于機組的正常安全運行。當前，發電廠電氣系統在分散控制系統（稱為DCS）下運行，該設施是一種新的管理系統，已在電廠中得到廣泛使用，顯著提高了可靠性和經濟性，使自動化和控制水平都得到了明顯的提升。

目前，大容量機組電氣在6kV廠用配電裝置內布置有廠用電綜合測量監控保護裝置;在400V廠用配電裝置布置有：智能型斷路器，智能型馬達控制器，微機型監控單元等。上述安裝于開關柜內的智能設備系統稱為智能終端裝置（ST）。

以上的種種設備都屬于保護，監控等設備，它們能夠實現對于回路的監控。當前，將廠用電源運用到DCS系統中非常依賴硬接線和DCS的鏈接，缺乏主動性。無法充分利用這些設備的測量、監控和通信功能影響了DCS監控中電氣系統的納入過程。因此，改善這些設備與DCS之間的通信水平將直接影響電廠管理水平、安全性和經濟性[9-10]。

當前，現場總線（FB）的運用以及終端智能系統（ST）技術的使用大大的提升了微機監控系統的功能，使其可靠性以及經濟性方面都有了不小的上升。

2.1 硬接線和現場總線相結合的方式

每個機組配備基于現場總線技術的電氣廠用電監控系統。站控制層配有工程師站、通信層網絡使雙以太網，機組和6kV廠房系統是雙網冗余配置，而400V系統是雙網絡配置。單元通信控制器機器通過網絡端口連接DCS。公用系統站控制層獨立于網絡，它通過網關連接到計算機系統1和2，工程師站是共享的，它僅接受使用軟件和硬件閉鎖方法的一臺機組控制系統的操作。

間隔層采用了強大的微機廠電測控管理系統，該系統集成了安全性，測量，計量，控制和通信功能于一體，將電流信號輸出與各種保護和控制設備，功率測量信號以及設備反饋狀態以及保護動作、控制命令和預報信號通過通信控制系統直接連接到DCS系統，而存儲保留命令通過硬接線的方式連接到DCS系統模塊，即通過“硬接線+通訊”系統連接DCS系統。圖1顯示了廠用電監控管理的網絡配置圖。

在6kV系統和380V系統上的大于75kW的回路中，此設計方案的保護回路和操作回路與綜合安全測控設備綜合在一起，并集成了安全信號和測控設備，例如反應回路開關狀態和遠方就地/操作狀態等。安全連接測量并控制當前設備反饋狀態，功率測量狀態，報告狀態，位置，安全性和每個設備上的預測信號等，通過通訊方式在DCS或PLC系統的DO和DI模塊中順序連接維護操作回路的斷路器。設置綜合保護測控也可以接受DCS發出的用于驅動相關斷路器的管理命令。各個回路與DCS或PLC系統之間轉換的信息包括：回路電流、回路電能、回路有功功率等等。

在380V系統上的小于75kW的回路中，此設計方案的保護回路和操作回路與綜合安全測控設備綜合在一起，操作指令與智能電機控制裝置的端口是相連的，同時接觸器的狀態可以控制開關量對于智能馬達的輸入情況;DCS能夠對于回路的接觸器發生相應的控制指令進而實現對它的控制。保留操作指令能夠將DCS系統DO模件相連接。每個回路與DCS或PLC系統之間存在包括回路電流等的交換信息。

發變組主要對DCS中起到監控的作用，它采用的方法是運用了硬接線方法，也運用了通訊的方式;分隔開關，接地刀位置信號等是通過DCS進行鏈接以外，單擊并允許長距離操作信號，所有高科技安裝信號其他電子設備直接來自DCS，例如變壓器組及起備變保護，AVR，廠用電快速切換等都配備了通信接口，并由多串口通信服務器接入ECMS系統。數據由ECMS處理和過濾，然后通過通信接口發送到DCS。上述設備的以下功能通過硬線連接到DCS：AVR，柴油發動機和廠用電快切裝置參與邏輯控制信號和警報信號。

如此以來，僅將配電回路中設置保護測控控制設備或智能綜合保護，系統接線少，存儲負載輕，并且模塊化設計提高了回路的安全性和可靠性。利用與DCS或PLC系統進行通信，使PI，AI，DI模塊得以減少。每個回路能夠實現獨立于的相關的操作，同時能夠保障不限制電氣信息的交換。保留操作指令硬結線，使整個電氣系統不僅可靠性高，而且形成了一個完整的系統，可實現畫面顯示、報表生成、事件記錄、報警、事故追憶和分析、故障信息管理、設備管理等高級應用功能。性價比和自動化程度高，自動化程度與熱工專業協調。

當前，我國有許多發電廠在DCS的控制下將硬接線和現場總線結合起來使用，例如山西河曲電廠，華能沁北發電有限公司1號等。

2.2 以電氣廠用電監控系統監控所有電氣設備

現場級信息系統（即ECMS）中廠用電動機和保安電源的控制同于2.1。二者之間的差異在于廠用的電源系統（除安全電源）ECMS用于監控。操作員的輔助操作系統操作系統和DCS性能工作站集中在中央控制室中。

由DCS對發變組進行監控，并可以由電源管理工廠進行監控。DCS之間的少量通信和通信仍然很困難。其他所有電監控信號通過通信設備轉交給廠用電監控系統;所有電氣設備都連接到電廠監控系統進行檢查，所有硬線均取消。在機爐電動機中，由于它與熱工系統組件密切相關并且必須在DCS中進行監控，因此與機、爐邏輯相關的信息通過硬線連接到DCS配置，其他電氣控制信息通過現場總線連接到ECMS。

2.3 硬接線方式

6kV系統和380V系統上大于75kW的回路，這部分回路主要對繼電器，按鈕等比較依賴。它由諸如開關點之類的分立組件組成，并配有電流表和電流變送器以測量回路。測量主要采用二次測量方法，將4～20mA輸出電流以硬接線形式連接到DCS系統的AI模塊，帶脈沖輸出的電度表進行計量，將脈沖輸出信號，以硬接線形式連接到DCS系統的AI模塊;控制信號，線圈監視采用常規的方法，包括通過硬線連接到DCS系統的每個設備的控制指令和反饋狀態，位置，保護和預測信號等。

380V系統中小于75kW的I類II類電動機回路其組成部分主要有繼電器等分立元器件。電流表和電流變送器形成了測量回路。采用二次測量方法。4～20mA電流信號通過硬電線連接到DCS系統的AI模件。控制和測量回路采用原始模式，控制系統和返回信息，并且該功能通過線束集成到DCS系統的DO和DI模型中。每個電路與DCS或PLC系統之間的數據連接包括：回路電流，觸點常開位置等。

電源和開關保護設備，AVR，直流系統，UPS等直接連接到DCS的設備的連接;所有設備均由DCS數字輸出控制，并且設備被強制逐一控制。

這樣，保護裝置、電流變送器、電度表、按鈕、信號燈、電阻器、開關等包含在配電回路中，分立元器件很多，并且需要大量控制電纜和DCS或PLC系統連接，DCS或PLC需要多個PI，AI，DO，DI模塊。每個電路都獨立于DCS或PLC系統與，電氣系統無統一。整個系統由控制電纜組成，該系統需要大量的維護，安全性和可靠性比較差，并且需要很高的投資成本，例如抄表、定值管理等。它們必須手工操作，并且自動化級別很低。該方案是將廠用電系統引入DCS控制時在初期中使用最廣泛的方案。該方案在九江電力三期和貴溪電二期擴建等工程使用。

3? 廠用電監控管理系統控制方式對比研究

3.1 技術方案

方案一是將硬接線和現場總線二者結合的方案，每個回路具有一些獨立的元件，這些元件數量不多，通過硬接線的方式與DCS的信息交換少。廠用電監控管理系統范圍廣泛，自動化程度很高。通常，并不需要大量維護，安全性和可靠性高，投資成本低。

在第二種方案當中，每個回路具有一些獨立功能的元件比較少，通過硬接線的方式與DCS的信息交換少，少量DCS卡件。廠用電監控管理系統范圍廣泛，自動化程度高。通常，并不需要大量維護，投資成本低，對于通訊設備的可靠性方面有著比較高的要求。

方案三硬接線方式中，每個回路具有一些獨立的元件，數量比較多，通過硬接線的方式與DCS的信息交換細多，DCS卡件多。而且，沒有一個整體的機組管理系統，自動化程度低。平時檢修維護量較大，安全可靠性較差，投資成本較高。該方案優點是速度響應快，運行維護方便，控制站的防護等級低。由于DCS最初是基于機、爐的控制特點設計的，而電氣系統的控制管理功能與機、爐有著較大的區別。由于DCS系統I/O點數的限制，不可能將所有電氣信息量送入DCS，DCS只能完成基本的監控功能，而且在監控軟件上，也不能完全滿足電氣系統監控的要求。

經過調研，國外的大型電廠中一般采用方案二完全現場總線方式。目前已有60萬發電廠投運經驗。但是如果運用此方法，需要將現場總線通信的可靠性作為該方案的前提。從技術方面來看，本次主要選用了方案二。

3.2 經濟性研究

采用廠用電監控系統后，效益比較大致可有以下幾點：

（1）從統計上講，與常規（方案3，下同）相比，電氣系統的DCS中的I / O點數量可以減少1/2（同時減少相應的控制電纜和橋架的數量）[11-12]。

（2）計算機監控系統比常規做法在信息量的獲得方面是增加的，總體上增了三分之一，使自動化水平得到一定程度上的提高。

（3）將電度計量管理納入了廠用電監控系統后減去了常規的電度管理系統。

（4）減少了發電機組，中央開關和低壓開關柜中的電流，功率，電度等。

方案1和方案2使用基于現場總線技術的廠用電監控系統，DCS I / O模塊和常規控制信號控制電纜以及相關的電纜結構和安裝成本大大降低，經濟效果非常明顯。

因此，廠用電自動化水平越來越高，相關于ECMS組網方式基礎設備也減少了相應的投資費用，管理和維護人員的工作也大大減輕，相關的維護費用也得到節省，維護成本大大降低，效益得到了顯著的提高。

4? 結語

在技術領域和經濟領域，現場總線技術組網方案顯然都比硬結線方案好。完全現場總線方式技術先進，可減少二次線獨立分離元件，簡化接線，減少DCS I/O點，減少了大量的電纜，經濟上投資節省，維護工作量少。采用此方式，可極大地豐富電氣設備的監控信息量，使整個電氣系統運行狀態得到全面、及時有效地監控，而且在異常運行、事故情況下，能及時地提供顯示保護、設備各種異常、事故的有關數據和狀態，提高運行人員對異常、事故判斷及處理的及時性、準確性。提高整個電氣系統的運行管理水平，提升電廠在發電市場上的競爭能力。

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