發(fā)電廠電氣自動化控制關(guān)鍵技術(shù)探究

許小華

摘 要：近年來，隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展和國民經(jīng)濟的高速增長，我國各個領(lǐng)域的建設(shè)都取得了長足的進步。市場競爭日益激烈，各行各業(yè)的發(fā)展面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)，為保障人民群眾的美好生活，發(fā)電廠使用電氣自動化控制關(guān)鍵技術(shù)滿足電力需求，提高發(fā)電廠工作效率，具有十分重要的現(xiàn)實意義。自動化控制在各個領(lǐng)域和行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用主要針對工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事和科學(xué)研究，能夠利用外加裝置設(shè)備促使機器設(shè)備或生產(chǎn)中某個工作狀態(tài)或參數(shù)自動按照預(yù)期參數(shù)和規(guī)律運行，運用電氣自動化控制關(guān)鍵技術(shù)能夠消除人工控制中存在的危險問題和誤操作，提高生產(chǎn)效率和管理水平。文章通過深入研究發(fā)電廠電氣自動化控制技術(shù)，為發(fā)電廠未來的發(fā)展指明新的方向。

關(guān)鍵詞：發(fā)電廠;電氣系統(tǒng);自動化控制;關(guān)鍵技術(shù)

中圖分類號：TM621 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-1064（2022）04-0-03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2022.04.023

隨著現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展和工業(yè)化進程的加快，社會生產(chǎn)力逐漸提高，發(fā)電廠全面實現(xiàn)電氣自動化控制，已經(jīng)取得十分顯著的成效。社會各領(lǐng)域?qū)﹄娏π枨蟮牟粩嘣黾哟偈拱l(fā)電廠面臨新的發(fā)展形勢，滿足現(xiàn)代社會對發(fā)電廠產(chǎn)能需求量的大幅提高，應(yīng)用電氣自動化控制關(guān)鍵技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對發(fā)電廠的自動化控制，提高生產(chǎn)效率和管理水平[1]。

電氣自動化控制具有集成性和綜合性的特點，借助計算機進行模擬操作，集中掌控和評價發(fā)電廠的動態(tài)信息，具備靈活、直觀、高效的優(yōu)勢，在發(fā)電廠管理方面具有良好的應(yīng)用前景。電氣自動化控制關(guān)鍵技術(shù)能夠根據(jù)預(yù)設(shè)參數(shù)和程序?qū)崿F(xiàn)自動化管控，科學(xué)調(diào)整發(fā)電廠發(fā)電環(huán)節(jié)，提高發(fā)電廠管理效率[2]。

1 發(fā)電廠傳統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)的缺陷

發(fā)電廠傳統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)主要依靠集散式控制技術(shù)通過輸入輸出設(shè)備采集和控制電氣信息，DCS（Dis-Tributed Control System）控制技術(shù)的實施，除了需要在發(fā)電廠實施供電的同時，及時調(diào)整發(fā)電機組電壓和其他基礎(chǔ)信息，通過監(jiān)控發(fā)電機組各項指標(biāo)，保證發(fā)電機組正常運轉(zhuǎn)，控制發(fā)電廠電壓和發(fā)電頻率。

DCS屬于結(jié)合計算機、通信、顯示和控制于一體的分布式控制系統(tǒng)，通過分級管理和靈活組態(tài)進行集中管控和分散控制。盡管DCS在發(fā)電廠運行中擁有靈活的操作性和嚴謹?shù)墓芾韮?yōu)勢，但是缺陷十分明顯，對信息的處理載量十分有限，轉(zhuǎn)換器應(yīng)用直接增加全過程生產(chǎn)費用，接線復(fù)雜，抗干擾性不強，瞬態(tài)電信號的處理速度相對緩慢，無法獲得十分準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。大量復(fù)雜的線纜系統(tǒng)造成空間被大量占用，在產(chǎn)生快速變換電流過程中不能科學(xué)定位信號。同時，DSC系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)相對分散，在采集發(fā)電廠相關(guān)數(shù)據(jù)的過程中需要投入大量人力物力[3]。

2 發(fā)電廠電氣自動化控制關(guān)鍵技術(shù)的主要特征

隨著電氣自動化控制技術(shù)的快速發(fā)展和進步，逐漸凸顯功能多樣化、集成程度豐富、綜合能力強大的特征，在信息技術(shù)和人工智能技術(shù)的大力推廣和綜合應(yīng)用下，計算機作為電氣自動化控制關(guān)鍵技術(shù)的實施載體，得到電力系統(tǒng)的廣泛認可。

電氣自動化控制關(guān)鍵技術(shù)涵蓋諸多領(lǐng)域，由多種技術(shù)綜合構(gòu)成，這些關(guān)鍵技術(shù)能夠在電力系統(tǒng)大規(guī)模應(yīng)用，尤其在發(fā)電廠自動化控制過程中產(chǎn)生十分重要的作用。

目前，發(fā)電廠的電氣自動化控制系統(tǒng)主要通過電力調(diào)度系統(tǒng)、電力通信管理系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)組成，關(guān)鍵技術(shù)主要表現(xiàn)在實現(xiàn)生產(chǎn)、傳輸和使用中的自動控制系統(tǒng)，尤其在變電站自動控制過程中，自動控制系統(tǒng)是電網(wǎng)運行的核心[4]。

3 發(fā)電廠電氣自動化控制關(guān)鍵技術(shù)

3.1 電網(wǎng)調(diào)度自動化技術(shù)

電網(wǎng)調(diào)度自動化技術(shù)是發(fā)電廠電氣自動化控制關(guān)鍵技術(shù)的主要內(nèi)容，是現(xiàn)代化電力工作的核心。電網(wǎng)調(diào)度自動化技術(shù)以信息技術(shù)為載體，主要依靠計算機技術(shù)進行輔助和支持。

目前，電網(wǎng)調(diào)度自動化主站的發(fā)展受到智能電網(wǎng)框架思想的影響，在經(jīng)濟和科技發(fā)展的大背景下，逐漸從計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)向智能化方向過渡，根據(jù)電網(wǎng)運行狀態(tài)和系統(tǒng)元件需要，將收集信息同步反饋至發(fā)電廠，便于實時分析有效信息，控制和協(xié)調(diào)電網(wǎng)運行，主要目的在于改善電力的傳送速率和使用效率，提高可靠性和安全性。

因此，電網(wǎng)調(diào)度自動化技術(shù)能夠解決電力系統(tǒng)中的常見故障，優(yōu)化經(jīng)濟效益[5]。

3.2 發(fā)電廠電氣自動化控制系統(tǒng)

3.2.1 ECS系統(tǒng)概述

ECS系統(tǒng)屬于信息化技術(shù)和電氣自動化控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，使用計算機處理技術(shù)、信號采集處理技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)、以太網(wǎng)技術(shù)和繼電保護技術(shù)，測量、控制、監(jiān)控、維護和處理分析故障，保護發(fā)電廠發(fā)電機、變壓設(shè)備、電動機、反饋線等電氣設(shè)備和電氣自動化裝置。ECS系統(tǒng)主要采用分層分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架，將系統(tǒng)自下而上分為站控層、通信管理層和間隔層。

站控層主要包括數(shù)據(jù)庫服務(wù)器（WEB）、運行+監(jiān)視+維護工作站等硬件。

通信管理層為實現(xiàn)數(shù)據(jù)連接，可以加入通信管理裝置完成通信管控和規(guī)約轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)通信接收、發(fā)送、規(guī)約轉(zhuǎn)化等功能，通信協(xié)議采用電力行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，能夠?qū)崿F(xiàn)不同設(shè)備互聯(lián)，硬件上支持多種通信接口，軟件上具有規(guī)約庫，支持多種類型標(biāo)準(zhǔn)通信接口。

間隔層按照一次設(shè)備組織，間隔層設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)測量、控制、保護、通信、錄波等基本功能，通過完成特殊功能，實現(xiàn)信息的共享、保護、監(jiān)控功能，簡化二次回路，節(jié)省系統(tǒng)投資，極大程度減少主控面積，節(jié)約控制電纜使用數(shù)量，提高系統(tǒng)可靠性和延展性。

3.2.2 ECS系統(tǒng)主要特征和功能

ECS系統(tǒng)主要采用站控層和通信管理層的組態(tài)一體化設(shè)計，充分保證組態(tài)調(diào)試一次性完成，在調(diào)試過程中更加方便快捷，使調(diào)試工作更加簡單高效，符合人體工程學(xué)的操作習(xí)慣，滿足工作人員在最短時間內(nèi)調(diào)試的需要。

這種一體化設(shè)計綜合考慮系統(tǒng)的通信功能，提高系統(tǒng)的信息傳播速度，能夠保證組態(tài)調(diào)試的高效率，實現(xiàn)站控層、通信層、間隔層通信的高速傳輸，通過開放DCS接口、SIS接口和MIS接口，節(jié)約成本高昂的變送器和通信線纜，通過先進可靠的電氣裝置保證通訊功能不受限制且獨立運行，確保系統(tǒng)安全可靠。

ECS系統(tǒng)的間隔層采用可靠先進的容錯控制技術(shù)，控制測控裝置保護和自動化電氣裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)良好的保密功能和電磁干擾屏蔽功能，提高系統(tǒng)的抗外界干擾能力。

為維護網(wǎng)絡(luò)的安全性和穩(wěn)定性，確保網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的通暢無阻，ECS系統(tǒng)通過可靠先進的冗余控制技術(shù)，確保雙現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)、站控層雙以太網(wǎng)等措施能夠獨立運行，科學(xué)保證網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和順暢程度。

ECS系統(tǒng)中，為快速實現(xiàn)對數(shù)據(jù)錯誤的修正和硬件故障的高效處理，ECS系統(tǒng)通過自我診斷、恢復(fù)功能提高系統(tǒng)的恢復(fù)能力，保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)的安全性，促使系統(tǒng)間隔層、通信管理層和站控層具備相應(yīng)的錯誤診斷處理功能。

在電氣控制系統(tǒng)通信管理層和站控層的通信過程中使用性能更加優(yōu)秀的DSP和多CPU智能化結(jié)構(gòu)的硬件系統(tǒng)，結(jié)合嵌入式實時任務(wù)操作系統(tǒng)，提高電氣自動化控制系統(tǒng)的效率和質(zhì)量，全面優(yōu)化數(shù)據(jù)處理速率。

ECS系統(tǒng)站控層使用100 M/1 000 M的工業(yè)以太網(wǎng)，配備適應(yīng)控制應(yīng)用的高性能交換機、網(wǎng)管等網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備，構(gòu)成強大的通信平臺，同時利用數(shù)據(jù)庫和商業(yè)數(shù)據(jù)挖掘處理技術(shù)實現(xiàn)運行控制，為發(fā)電廠快速訪問數(shù)據(jù)奠定良好基礎(chǔ)。

ECS系統(tǒng)采用雙通道的傳輸模式高效實現(xiàn)了數(shù)據(jù)備份和恢復(fù)功能，通過支持以太網(wǎng)、現(xiàn)場總線、CAN總線等，提高通信使用程度，及時處理運行中的故障，維護時不需要電源切換就可以保障電氣設(shè)備系統(tǒng)的連續(xù)性[6]。

4 發(fā)電廠電氣自動化控制關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用要點

4.1 集中式監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用

集中監(jiān)控是保障數(shù)據(jù)中心可用性的第一道防線，主要通過管理技術(shù)，監(jiān)控發(fā)電廠基礎(chǔ)設(shè)施和IT基礎(chǔ)架構(gòu)運行情況，發(fā)現(xiàn)并告知故障和異常，快速收集與整理監(jiān)控數(shù)據(jù)，將其作為容量管理、事件管理、問題管理和符合性管理的分析基礎(chǔ)。

發(fā)電廠應(yīng)用集中式監(jiān)控技術(shù)，通過對應(yīng)的監(jiān)控系統(tǒng)，能夠提高電氣工程的運行效率和質(zhì)量，這一點區(qū)別于傳統(tǒng)監(jiān)控技術(shù)，通過簡潔的維護操作模式降低對工作環(huán)境的要求，切實提高發(fā)電廠的管控水平。

4.2 遠程監(jiān)控技術(shù)

遠程監(jiān)控技術(shù)主要由TCP/IP和網(wǎng)絡(luò)組播（Multicast）技術(shù)提供支持，采用技術(shù)先進、穩(wěn)定性強、抗干擾能力優(yōu)秀的自動化監(jiān)測系統(tǒng)儀器和設(shè)備，全面規(guī)劃遠程監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由系統(tǒng)子站和調(diào)度中心主站組成，通過對遠端計算機進行日常設(shè)置，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能、數(shù)據(jù)通信功能、數(shù)據(jù)管理功能，同時擁有系統(tǒng)自檢功能、系統(tǒng)顯示功能，減少人力和工程成本，實現(xiàn)對不同地點的監(jiān)控。

遠程監(jiān)控技術(shù)通過優(yōu)秀的監(jiān)控管理系統(tǒng)軟件實現(xiàn)防雷、抗干擾功能，準(zhǔn)確提高電力系統(tǒng)運行效率和質(zhì)量，彌補在電氣自動化運行中產(chǎn)生的盲區(qū)。

一旦發(fā)電廠規(guī)模較大或發(fā)電機組所在區(qū)域相對特殊，遠程監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用受到現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的嚴重干擾，造成遠程監(jiān)控技術(shù)實施成本顯著上升，大型發(fā)電廠對遠程監(jiān)控技術(shù)的應(yīng)用相對較少，小型發(fā)電廠對遠程監(jiān)控技術(shù)的應(yīng)用比較常見。

4.3 現(xiàn)場總線技術(shù)

現(xiàn)場總線（Fieldbus）技術(shù)是發(fā)電廠數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)的重要基礎(chǔ)，能夠溝通現(xiàn)場及控制設(shè)備間及其和更高控制管理層次間的聯(lián)系，因此，現(xiàn)場總線技術(shù)適用于開放式、全分布控制系統(tǒng)，能夠解決發(fā)電廠智能化儀器儀表、控制器和執(zhí)行機構(gòu)等現(xiàn)場設(shè)備和更高級別控制系統(tǒng)間的信息傳遞問題，因而受到多方面的高度重視。

發(fā)電廠通過嚴謹?shù)默F(xiàn)場勘查，可以根據(jù)實際環(huán)境進行布局和裝配，建立現(xiàn)場總線監(jiān)控體系，提高電力系統(tǒng)自動化運行效率和質(zhì)量，進而控制成本。

在現(xiàn)場總線監(jiān)控中，現(xiàn)場總線技術(shù)能夠合理監(jiān)督現(xiàn)場問題，對應(yīng)處理單一故障，降低故障對工程的影響，使發(fā)電廠電氣自動化控制關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用更加具有時效性和針對性，成為國內(nèi)電氣自動化控制關(guān)鍵技術(shù)中應(yīng)用最為廣泛的一種技術(shù)[7]。

5 優(yōu)化發(fā)電廠電氣自動化控制關(guān)鍵技術(shù)路徑

隨著電氣自動化控制技術(shù)應(yīng)用范圍逐步擴大，自動化控制需要逐步拓展自動化系統(tǒng)規(guī)模、優(yōu)化編程控制技術(shù)、改進集散控制技術(shù)和FCS控制技術(shù)等路徑，改革優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)發(fā)電廠管理和管理現(xiàn)場的無縫銜接，促使電氣自動化設(shè)備產(chǎn)生真正的價值，充分節(jié)約運行成本，提高發(fā)電廠經(jīng)濟效益指標(biāo)。

發(fā)電廠的電力設(shè)備需要長時間連續(xù)運行。基于電氣自動化設(shè)備的特點，發(fā)電廠要建立長期的運維機制，通過定期檢查，優(yōu)化發(fā)電廠電氣自動化控制關(guān)鍵技術(shù)，加大運維力度，認真對待機組故障，通過及時檢修維護消除存在的安全隱患，避免產(chǎn)生不可挽回的損失[8]。

6 結(jié)語

發(fā)電廠作為工業(yè)發(fā)展的重要源頭和基礎(chǔ)，能夠?qū)颐裆蜕鐣髁x經(jīng)濟發(fā)展產(chǎn)生十分重要的推動作用。隨著電氣自動化控制關(guān)鍵技術(shù)的大范圍應(yīng)用，電氣自動化涉及領(lǐng)域逐漸多元化，技術(shù)更新趨向多極化，通過電氣自動化控制系統(tǒng)的升級改造，能夠提高發(fā)電廠管理水平，減少機械設(shè)備故障發(fā)生頻次，強化發(fā)電廠的市場競爭實力和經(jīng)濟效益。

因此，為更加適應(yīng)社會需求，發(fā)電廠可以通過加大資金投入、充分應(yīng)用自動化控制設(shè)備、提高工作人員綜合素質(zhì)等手段升級電氣自動化控制關(guān)鍵技術(shù)，促進發(fā)電廠可持續(xù)發(fā)展。

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