數字化電廠電氣控制技術與應用探討

李鵬飛

（河北新天科創新能源技術有限公司 河北 張家口 075000）

0 引言

新時代背景下，人們生產生活中對于電力資源的需求不斷增加。數字化電廠發展過程中，發電機組的構造更加復雜、科技含量更高，與此同時對機組設備的控制、保養、維修等工作要求提高，以保證機組安全可靠運行[1]。傳統管理模式下，對各類設備設施進行分散監控管理，無法將信息統一起來，導致管理效率不高。隨著數字化電廠的建設，電氣控制技術應用其中，能對設備設施的運行信息進行統一監測、統一分析、統一處理，達到降本增效的目標。下文結合筆者的工作實踐，對電氣控制技術在數字化電廠中的應用進行探討。

1 數字化電廠概述

1.1 數字化電廠的概念

數字化電廠是指基于數字化技術下，對電廠物理和工作對象進行全生命周期的量化、分析和控制，做出科學決策，從而提高電廠的價值。從定義來看，數字化電廠不是工程項目，也不是系統或軟件，而是一種理論和方法。數字化電廠的目標是實現信息數字化和管理數字化。其一，信息數字化方面，就是利用計算機、互聯網等技術，對生產信息進行準確、規范傳輸和交換，能在不同平臺上實現資源共享，保證信息的實時性和動態性。其二，管理數字化方面，就是利用智能專家系統分析數據信息，提出具有價值的建議，制定科學合理的決策，為電廠生產管理提供依據。數字化電廠的發展，能降低設備故障率，降低發電成本，增加上網電量，實現經濟、節能、安全生產[2]。如下表1，是某電廠近3年的電氣指標。

表1 某電廠近3年電氣指標調查結果 單位：%

1.2 數字化電廠的發展現狀

從數字化電廠的發展來看，可以分為4個層次，由低到高如下。

（1）直接控制層。電力生產中，通過采集數據對生產過程進行控制，涵蓋了單元機組、數據采集與監控系統（SCADA）、數字電液控制系統（DEH）、輔機、除灰設備等。這一層是數字電廠的控制系統，能為電力生產提供基礎數據，也是其他更高層的保障。

（2）管控一體層。對電力生產過程進行監控，對管理層收集的信息進行整合，優化基礎性能，改進系統運行方式，是控制層和管理層之間的橋梁。

（3）生產管理層。這是數字化管理的核心，一方面通過分析經營決策，明確經營指標、挖掘有價值的信息，輔助制定生產計劃，并監督生產計劃的落實。另一方面能為其他層提供控制導向信息，是數字化電廠的管理基礎[3]。

（4）經營決策層。管理內容包括商業運營、電子商務、經營管理、交易管理等，全面預算管理和成本管理是核心。該層不僅是數字化電廠的決策機構，也是整個管理系統的入口，直接影響電廠的日常生產和未來發展。

2 電氣控制系統構架和工作原理

2.1 電氣控制系統構架

為了適應數字化電廠的發展，發電機組設計更加復雜，凸顯出多元化的特征，這就對機組的運行、維護提出高要求。電氣控制系統的應用，可實現機組管理的信息化和一體化，不僅提高了監控管理水平，而且為檢修工作提供了便利。從電氣控制系統框架來看，主變中的設備有架空線路、變壓器、電抗器、斷路器、隔離開關等，二次設備包括母線保護、線路保護、電源管理單元（PMU）故障顯示儀等。

2.2 各層級功能作用

整個控制系統分為過程層、間隔層、站控層3個層級，功能作用介紹如下。

（1）過程層。該層能對開關、電壓、電流等指標進行數字化處理，可分為開關量信號、電壓信號、電流信號3類。這些信號傳輸至處理層，離不開總線技術；信息合并過程，需運用互感器采集二次側電量，并將其轉化為數字信號。電氣互感器、電流互感器經過合并單元后，即可傳遞電力信息。

（2）間隔層。該層能防止設備發生故障，確保設備安全穩定運行，降低維護工作量和成本。從組成結構看，間隔層主要有電壓器保護、母線差動保護、短引線保護、線路保護等，另外還有電子計量裝置、安全穩定裝置、PMU設備等。利用預設好的邏輯，可以發送開關、電流、電壓等信號，經過以太網設備和間隔層，可順利發出跳閘指令，從而保護站內設備。

（3）站控層。該層主要包括五防機、工程師站、操作員站等，間隔設備將設備運行信息傳輸至站級以太網，站級設備經過間隔層和以太網，能和管理信息系統（MIS）、安全儀表系統（SIS）、中央變電站監控系統、集中控制系統、調度系統等相連接，實現協調控制。經過制造業報文規范（MMS）網絡的站級設備，能和通信站級設備、站控裝置、工藝設備相連接，實現協調運行。最后經過IEC61850調度通信站，可對設備進行遠程監督和操控。

3 電氣控制技術在數字化電廠中的應用

數字化電廠的安全穩定運行，必須有多種技術的支持，其中就包括電氣控制技術。對工作人員而言，必須轉變發展觀念，樹立創新意識，不斷優化電氣控制技術，才能推動數字化電廠可持續發展。以下介紹幾種常見的電氣控制技術，以及在數字化電廠中的應用情況。

3.1 發變組控制技術

變壓器是由主變壓、輔助電源變壓、勵磁變壓、發電機等設備組成，同時配置變壓器保護、勵磁、同期、快切等保護系統。

（1）發變組保護。①在主變高壓側，合并單元接線時，將主線和電流、電壓串聯起來，形成合并單元。其中，電流合并單元和保護裝置之間點對點接線，電壓則利用母線電壓合并單元和保護裝置相連。②主變高壓側和中性點的電流接入，是電流合并單元和保護裝置點對點并聯起來。③發電機內部的中性點，電流接入是合并單元點對點連接，電壓則是利用機端電壓合并單元連接保護裝置。④廠變高低壓側的保護措施，是電流合并單元保護裝置點對點連接，低壓側電壓則是利用電壓合并單元連接保護裝置。

（2）勵磁系統。圖1是數字化勵磁系統。分析它的結構分布，可知作用體現在間隔層和過程層。間隔層能保護機組設備，在間隔層內設置兩套勵磁調節器，即使其中一套出現故障，另一套也能正常運行，確保間隔層的保護性能正常發揮，保障機組正常運行[4]。在過程層內設置勵磁調節器，通常含有智能接口，保障電氣回路統一運行。通過采集回路功率，可以獲得開關量、溫度量等指標；經由智能接口，即可將信息傳輸至控制中心。另外，勵磁調節器使用非線性的魯棒控制技術，具有時鐘校對、信息通信等功能，既能采集機組運行數據，又可在線監控，及時發現故障問題。

（3）發電機自動準同期。在電力系統中，自動準同期是一項基本操作，依賴于自動準同期裝置（ASS），見圖2。它能控制機組調速、調壓，確保頻差、壓差均滿足準同期條件，達到安全準確并網的效果。

（4）快切。快切冷備技術，是采集電壓、電流、開關量等數據，在啟備變高壓側未合閘時，利用快切冷備裝置轉卻切換廠用電源，降低啟備變熱備時損耗的費用。

3.2 廠用電控制技術

在數字化電廠中，廠用電控制體系是由電氣設備和二次控制系統組成的。其中，電氣設備主要包括廠用高/低壓段、高/低壓電機、變壓器等；二次控制系統包括電機保護、線路保護、智能斷路器等。廠用電控制技術，是在保護裝置的基礎上，支持profibs控制標準和集散控制系統（DCS），通過互聯網將保護裝置信息發送至DCS系統上。一般情況下，保護層是通過就地保護裝置實現保護功能，電機連鎖通過DCS完成。對于刀閘、開關等控制元件，通過硬接線聯機，從而保證控制效果。某電廠廠用電高/低壓段用電變化指數見表2，分析可知：高壓用電C段和D段發生異常，可通過廠用電控制技術進行處理。

表2 廠用電高/低壓段用電變化指數

3.3 現場總線技術

數字化電廠中，針對智能儀器儀表、控制器、執行機構等現場設備，如果出現信息傳遞問題，現場總線技術是一種有效解決方案，具有簡單、可靠、經濟實用的特點。現場總線的網絡拓撲結構，主要分為環形、星型、樹型、總線型4種，不同拓撲結構各有優缺點，應結合實際生產和管理情況進行選擇。將現場總線技術應用在工程師站和操作員站，系統功能和控制權限均設置在工程師站，能提高實時通信效率，高效準確完成現場通訊任務，最高通信速率達到20 Mbps[5]。在操作員站，利用監控軟件能監控生產現場，確保系統按照預設好的程序執行，并且完成數據查詢、打印等功能。

3.4 遠程控制技術

在過去，電氣自動化技術應用在電廠中，設置模擬電路時一般使用FMON模式。數字化電廠的發展，采用遠程控制技術，能對運行數據進行采集、傳輸和分析，能方便工作人員操作，提高電氣設備的監控效率。在此基礎上，還可以在監視器上安裝一個單獨終端塊，并且和總線適配器連接，即總線監視器。它利用開放節點的電路保護器，一方面能提高性價比，另一方面能減少線纜和連接配件，可降低安裝和維護成本。另外，總線監視器擁有安全保密協議，能提高系統運行安全性。

4 繼電器和PLC控制技術的應用比較

以某電廠為例，機組循環水二次濾網控制柜回路，采用繼電器和PLC兩種電氣控制技術，簡要介紹如下。

4.1 繼電器控制技術

在繼電器控制系統中，是由接觸器、繼電器、按鈕和導線等組成，可控制電動機的啟動或停止；配合更多的連接組合，還能對電力拖動系統進行調速、換向、制動。結合實際運行和維護工作，總結優缺點如下。

（1）控制系統結構簡單，只需要幾個、幾十個電器元件，由于布局清晰，設備安裝、調試、維護工作的難度小。（2）價格低廉，具有較高的經濟性。隨著科學技術進步，接觸器、繼電器、行程開關等元件的體型更小、壽命更長，而且功能應用更加多樣。同時，因技術成本降低，這些元件設備的價格也不高，使用起來經濟效益明顯。（3）可靠性差，該系統利用電器觸點實現控制，由于觸點的可靠性差，導致整個系統的可靠性差。（4）系統接線是固定的，生產過程中一旦出現變化，就要對配線重新改動；如果生產變化較大，還需要重新設計制造，導致系統使用時的靈活性差。（5）繼電器控制系統，需要根據不同的要求進行專用設計，不僅通用性差，而且設備生產周期長，不利于推廣應用。

4.2 PLC控制技術

PLC控制系統將繼電器、計算機等技術結合起來，利用輸入、輸出指令完成控制過程。該控制技術的應用，從簡單控制設備轉變為復雜控制系統，從硬接線控制轉變為存儲控制，是計算機、自動控制、電子、精密測量等技術綜合應用的成果[6]。結合實際運行和維護工作，總結優缺點如下。

（1）抗干擾能力強，針對生產環境中的電磁、粉塵、溫度等干擾因素，系統軟硬件采取一系列抗干擾措施，提高了運行可靠性。（2）采用模塊化結構，方便組合、擴展，能根據實際需求靈活選用，因此適用性強，能滿足不同的控制要求。（3）編程時使用梯形圖語言，直觀易懂，受到電氣技術人員的歡迎。（4）系統設計、安裝、調試方便，尤其接線工作量少，可在實驗室內進行模擬調試。且系統具有監視、自診斷等功能，出現故障能及時查明原因，從而方便維修工作。（5）系統體積更小、重量輕，實現了機電一體化，能推動數字化電廠的建設發展。（6）價格較高，而且需要具備電氣專業知識、計算機知識，一定程度上限制PLC控制技術的應用。

4.3 兩種技術比較

該電廠內，機組循環水二次濾網控制柜回路中，繼電器和PLC兩種控制技術交叉使用。平時正常運行投入自動，控制循環水和二次濾網；利用PLC編程，可促使濾網按照選定方式正確運行。單純使用繼電器控制，需要大量的時間繼電器、中間繼電器、接觸器等元件，而且接線復雜、布局混亂，容易降低運行可靠性。采用PLC控制，通過合理編程就能取代這些元件實現相關功能，不僅簡化了控制回路，而且二次濾網運行更加方便，可靠性和經濟性均明顯提升。在故障檢修時，二次濾網投手動，由繼電器進行系統控制，按下啟動按鈕即可運行；排污閥和濾網電機兩者分開獨立運行，使用繼電器能實現控制功能，而且方便了日常檢修和維護。這兩種控制技術的聯合使用，二次濾網運行性能良好，故障發生率極低，提高了經濟效益，可在數字化電廠中推廣應用。

5 結語

綜上所述，數字化電廠的發展，能降低設備故障率，降低發電成本，增加上網電量，實現經濟、節能、安全生產。本文介紹了電氣控制系統構架和工作原理，以發變組控制技術、廠用電控制技術、現場總線技術、遠程控制技術為例，闡述了電氣控制技術的應用情況。希望通過本文，為電氣控制系統和技術的實際應用提供參考，助力數字化電廠可持續發展，更好地滿足人們的用電需求。