1000MW火電機組ECMS架構及故障優化處理

國家電力投資集團協鑫濱海發電有限公司 王丁一

在發電廠日常運維過程中，電氣系統設備的主要電氣量是重要的監測對象[1]。在現場，除使用變送器采樣4～20mA電信號用于DCS系統顯示及邏輯判斷外，發電廠普遍通過搭建廠用電氣監管系統（ECMS）進行電氣設備的監測與管理，系統通過現場采集及網絡管理設備，形成集中的電測量數據顯示和匯總，以提高發電廠自動化管理水平[2-3]。常見ECMS系統網絡結構如圖1所示。

圖1 ECMS系統網絡結構示意圖

1 ECMS網絡拓撲結構概述

某2×1000MW大型火電廠的廠用電監控管理系統（ECMS）后臺主機架構選用金智科技公司的DCAP-4000發電廠電氣監控管理系統，系統采用分層分布式的系統結構，整個系統分站控層、通訊管理層、間隔層三層，自上而下采用雙網冗余結構，系統由#1機組、#2機組及公用系統三部分組成，其中#1機組與#2機組相互獨立，配置有各自完整的網絡結構，公用系統經交換機分別至兩臺機組系統的站控層實施監測，通過獨立區分的網絡結構，一方面能夠減緩數據實時傳輸的容量及速率壓力，保證系統長時間穩定運行，另一方面也更加適應發電廠機組獨立管控的思路，極大程度上滿足了集控運行人員追蹤監測電氣設備狀態的需求。

該電廠ECMS通過雙網冗余配置，保障電氣測量與信號的穩定監測，并設置兩臺服務器互為備用，通過顯示屏直觀顯示各監測系統運行情況，避免主機發生死機等異常情況時影響系統數據的監測和共享。系統通過工業以太網交換機（wisLink W-2000）及光纖傳輸設備，整合集中下層各監控端采集的數據信息在后臺畫面中顯示，同時提供異常報警、定值維護、報表統計等功能；SIS系統和DCS系統可根據各自需求，通過網關機采集相應數據和狀態信息測點，以實現設備運行及電能量的監控共享。考慮到機組運行安全穩定性，該電廠ECMS僅實行全廠電氣設備監測任務，不啟用控制功能。

參考圖1所示的ECMS網絡結構，設備數據自下而上傳輸途徑的基本流程如圖2所示。現場設備通過自動化設備、綜保裝置、測控裝置及各電量表計進行電流、電壓、功率、電度等電量及開關分合狀態的采集，并基于各裝置所具備的唯一通訊地址，將上述數據以RS485接線的通訊方式傳輸到通訊層ECM-5908裝置中，進而完成通訊及規約轉換。系統配置有通訊裝置的雙機冗余系統，裝置配置：8路RS485串口、2個Profibus—DP通信口、4路以太網口，兩臺裝置具有完全獨立的電氣單元，實時同步裝置數據分別進行匯總，雙機之間互為備份，并各自具備A、B網端，將數據同步上送至工業交換機完成通訊連接。為滿足現場監測需求，系統中還配置有整套的ECMS系統測控裝置（iPACS 5779），進行發電機及廠用電的電壓、電流采樣監測，同樣經雙網結構傳輸至站控層。在站控層，系統配置有網關機，以供SIS、DCS系統采集電氣數據；通過服務器實現就地數據顯示，并增設工程師工作站、操作員工作站，為集控人員提供數據實時觀測功能。

圖2 ECMS傳輸路徑

依此拓撲結構組建的ECMS系統在較大程度上保障了數據傳輸通道的正常運作，通過多重的冗余設計避免了個別電源、接線及串口通訊問題對監控系統的影響，減輕了現場監測和維護壓力，提高了數據的完整性。同時，為滿足運維人員日常檢查，系統各層設備布局采用“就近原則”，將網關機、服務器、交換器、通訊管理機等均布置在所監測系統的配電室內，減少通信線路長度，便于查驗維護，也在一定程度上減少了數據傳輸通道維護的成本[4-5]。

2 通訊組態配置及數據處理

該電廠ECMS監控范圍包括發變組、高廠變、起備變保護及自動裝置、勵磁、直流、UPS系統、10kV及380V廠用電、電能計量等系統，涉及保護裝置、測控裝置、電測表計等多種設備，涵蓋全廠電氣系統及各重要負荷，基本實現了對兩臺機組及公用系統中主要電氣設備的監控管理，全面掌控了廠用電設備的運行狀況，通過實時顯示數據及狀態量，反饋異常信息，方便運行和檢修人員及時確認和處理，可有效保障機組安全運行。

ECMS的有效運行是以數據的正常通訊傳輸為根本的，由上述拓撲結構可知，數據在傳輸過程中存在多種形式，經由各轉換裝置得以實現傳輸和利用。該電廠ECMS監察范圍內的各類測控裝置、智能裝置、電測表計等的通信規約各不相同，因而需要通信裝置進行統一性處理。現場裝置通過RS485接線連接至通訊串口，并完成相應的規約配置，配置在同一串口下的裝置的RS485通訊線路是串接的，每個裝置各具有A、B雙網通道，通過唯一地址進行獨立區分，每臺通訊裝置依據各自獨立的IP地址完成與上層交換機的聯絡，將完成規約轉換的數據以“統一的格式”傳輸到系統網絡中[6-8]。

為滿足數據的傳輸及數值顯示，ECMS后臺主系統需依據現場裝置的通訊地址完成信號組態，定義區分遙測（電流、電壓等）、遙信（開關量）及遙脈（電能量）數據。后臺顯示界面為貼合現場設置的系統結構圖，通過關聯對應測點，完成各數據及開關狀態顯示，同時反饋各測點通訊情況。

為保障顯示結果的直接可觀，需對系統內傳輸的數據內容進行處理和轉換。由于在通訊裝置的處理過程中，數據的上傳格式被轉換為系統內部碼值，在各裝置組態中，結合現場裝置參數（如CT、PT、額定值等）計算出不同裝置對應的轉換比率，從而保證后臺及共享數據為真實值。

3 故障分析及處理

3.1 數據傳輸中斷

作為一種基于RS485、光纖及網絡通訊的監測系統，不可避免地會出現數據采集、傳輸問題，針對此類問題，需要根據具體現象分情況進行檢查和處理。

如全系統數據中斷，在服務器、工作站上均無法監測所有數據的更新，應自上而下、分層檢查站控層、通信層、間隔層的通訊情況；

如個別用電段普遍異常，由于該段設備經RS485通訊線串接至就地通訊管理機（ECM5908），此時需要檢查管理機工作狀態，有無異常報警；

如某個單體設備的數據和信號中斷，應使用運維工具檢查裝置網絡（通訊）狀態及內部碼值刷新情況，檢查通訊地址是否正確，確認RS485硬接線狀態，同時排查裝置自身是否存在故障。

3.2 設備變更后的配置點更新

ECMS搭建完成后，其組織架構基本固定，對于現場設備變更、改造導致的配置更新，需從系統的通訊配置、畫面更新、測點關聯等方面進行補充完善，重點關注設備通訊地址、內部碼值轉換系數、測點及報表名稱等方面，以免影響系統監測正確及穩定性。

4 優化配置

4.1 遠距離設備通訊

為簡化系統結構，避免不必要的空間閑余，現場裝置按工作系統及就近原則進行通訊結構的整合，其中包括設備與通訊裝置的跨距離通訊。考慮到數據在距離傳輸中可能遇到的通訊信號干擾或屏蔽問題，系統中引入光電轉換器（wisLink W-200），利用光纖實現數據傳輸，同時通過對光電轉換器設置地址編碼完成通訊連接。

4.2 增設工程師及操作員工作站

在站控層設置有服務器及網關機的基礎上，增設ECMS系統工程師工作站、操作員工作站，分別安置在工程師站和集控室內，便于DCS人員和運行人員實時關注系統運行情況，直觀地查看各電氣系統參數和狀態，站控層數據同步更新，維護人員可在服務器端進行更新和維護，不影響工作站的持續運行和觀察。

4.3 匯總多系統數據

為提高ECMS使用率，增強系統的集成性，該廠充分發揮系統的通訊包容性，同步采集電能計量數據、勵磁系統信號、機組保護裝置信號，并引入機組測控和廠用電裝置，在顯示畫面中按系統、電壓等級，分區設置，與現場設備布局基本一致，提高系統查閱的直觀性，并設置有系統主結構圖、網絡結構示意圖，便于人員了解系統基本架構。

4.4 歷史數據統計

發電系統對重要設備的運行監控要求相對較高，需要對其數據進行階段性的統計和分析，通過ECMS系統進行數據統計，可有效減輕DCS運行壓力。

以電能計量監測為例，該電廠首先在主界面上設置電能實時數據表，并利用ECMS系統中的報表功能，設計生成電度統計表，以一小時為采集周期，記錄設備電度數據，直觀顯示其變化情況，匯總生成日報表、月報表等不同類型，方便不同工作需要，清晰表征機組發電與設備用電情況，為提升機組運行效益提供數據參考與支撐。

在后期的使用過程中，該電廠進一步發揮ECMS本體功能，逐漸豐富了系統的數據統計對象，優化了電流、電壓、功率等重要數據的實時和歷史曲線，可進行異常數據的追溯和統計。

4.5 系統軟對時

ECMS系統及其監測裝置實現對時的方式有以下兩種：

ECMS服務器通過廠內GPS對時系統進行時間校準，通過系統內部軟對時方式，經由通訊管理裝置的對時配置，實現對各層及大部分現場裝置（如10kV綜合保護裝置）的時間同步；位于電氣繼電器室的重要電氣設備及ECMS測控裝置，直接接入GPS信號實現對時，保障對時的準確性和穩定性，不再進行ECMS對時功能配置，簡化本系統搭建和維護管理成本。

5 結語

該2×1000MW超超臨界火力發電廠在全廠范圍內依靠ECMS實時監控重要電機運行電度的監測，能夠有效地跟蹤并分析運行狀態，便于發電系統更高效的管理，但該系統的利用效率還有待開發與升級，進一步適配企業信息化發展和綜合智慧能源的提升要求。

廠用電氣監管系統（ECMS）在各類發電廠中的應用愈加廣泛，其應用重點多為狀態監測及故障告警，對設備的控制作用仍基于DCS對采集數據的處理與反饋，相信在未來的發展過程中，ECMS實現的功能將不斷深入，表現出更加顯著的優越性。