淺析DCS系統在火電廠電氣控制方面的應用

南京國電南自維美德自動化有限公司 劉 舟

隨著電力集中自動化控制能力和電廠機組的自動化運行水平等的進一步提高，火電廠DCS 自控系統技術結構正日趨穩定成熟，實現了對發電廠整個運行機組狀態的自動化綜合監控。在我國火電廠自動化DCS 系統中的實際應用及設計實踐中，為全面提高DCS 設備系統整體的技術應用設計質量要求和整機運行操作安全的可靠性，有必要著重對DCS 自動化系統整機的關鍵功能、性能參數和客戶使用的習慣特征進行研究。DCS 系統已廣泛應用于加熱設備和加熱爐中。它直接影響汽輪發電機組、電爐和供電系統的集中控制和管理技術水平，影響發電效率。

為進一步實現大型火力發電廠機械、爐膛控制和輔助電氣系統智能化的系統集成應用和網絡化集中高效運行，有必要先對中小型發電廠系統現有設備的全部獨立輔助電氣控制系統網絡進行優化改造，并進一步將系統有效安全地整合集成，配置發電機組控制系統所進行服務管理的大型DCS 自動化分布式控制系統中。將把其設備有效集成納入整合到直接面向燃煤發電機組生產服務部門的智能化DCS 分散控制系統網中，進而全面實現電廠一體化系統智能自動控制。

隨著火力發電在我國電網建設中的重要性，火力發電技術越來越受到重視。火電廠的電氣控制非常重要，直接關系到供電質量。隨著科學技術的飛速發展，火力發電的電氣控制水平逐步提高。各種先進的信息、智能和自動化技術已廣泛應用于電力控制領域，為有效提高電力控制水平和火電廠的發展做出了巨大貢獻。DCS 系統的應用在火電廠電氣控制中起著重要作用，為火電廠的運行提供了便利條件。本文介紹了DCS 系統的特點，DCS 系統在火電廠的應用，及保證DCS 系統合理應用的預防措施。

1 電氣系統控制的特點

1.1 DCS 系統的特點介紹

可靠性很高。DCS 控制系統中的多種控制的功能都不是全部集中表現在了一臺微型計算機平臺上，而是直接由多臺大型計算機實現的。容錯的設計及結構將使整套DCS 的系統穩定性更加可靠，不會由此引起整個系統設備故障。根據應用需求優化設計調整了整機功能結構，大大提高了每一臺計算機系統的可靠性[1]。

開放性較廣。DCS 自動化系統還具有了模塊化、開放性設計和高度標準化控制等特點。在電氣設計生產過程網絡中，每一臺計算機系統都可使用計算機局域網系統進行電氣通信網絡和電子信息資料傳輸。如果電氣系統因增加某些功能后需要擴展或進行修改，可首先通過將新系統的用戶計算機重新連接擴展到其他系統信息網絡，并允許在其不受影響使用其他新系統網絡的情況下直接從該系統網絡資源中刪除，從而使DCS 系統非常開放。

系統運行靈活。DCS 系統的總體結構基于不同工藝應用對象的軟硬件組合。換句話說，DCS 系統必須測量控制信號和互連，從圖形庫的基本圖形元素中選擇合適的控制規則，并形成所需要的控制系統[2]。整個系統運行靈活，可根據實際需要滿足電控系統的運行要求。

1.2 火電廠電氣控制應用DCS 系統的原因

使得電氣系統的運行監控能力得到提升。目前火力發電廠自動化電氣控制系統內的許多設備重要運行參數顯示和設備運行監控狀態記錄已被輸入DCS 通訊系統，可用于實現遠程CRT 屏幕故障提示、多邊界自動報警、記錄、打印命令和輸出。基本操作系統是為維護整個工業電力系統安全可靠的高效運行模式而單獨建立的。然而，由于系統許多的運行基本參數都須使用各種模擬數字儀表顯示和指示信號燈，運行可靠性較低。因此，接入DCS 自動化系統也是為有效提高設備運行狀態監控分析能力，使整個自動化機組自動化運行，彌補我國傳統電力系統自動化運行管理的系統特殊性。DCS 自動化系統的實時自動聯網運行，提升了對整個機組全過程的智能化監控水平。

使得電氣控制系統的可靠性更高。首先DCS 系統本身可靠性較高。冗余控制系統還可有效取代傳統固態邏輯元件和機械繼電器，提高整個系統安全運行環境的高可靠性[3]。此外還可節省多個操作終端，消除硬接線、開關、按鈕失效等硬件故障，使整個系統的運行邏輯更加完整穩定、安全；可使電氣系統做到完全集控運行。由于DCS 系統的開放性和靈活性，可控制整個電力系統的運行和監控。操作員可通過與整個機組的聯動，在任何終端控制整個系統的運行，整個DCS 系統可實現全集中控制。

1.3 電氣系統控制的特點

對電氣系統的測量。電源系統只測量輸出電流頻率和輸入電壓，其他測量參數如測量功率、電阻大小和頻率相位也是作為電流輸入和測量電壓信號的測量二次的參數。測量采用Pt、CT 探頭和其他相應數量的測量功率變送器。狀態信號測量裝置只能簡單用作電氣開關回路的控制輔助及連接。電氣回路控制輔助的輸出對象可能是斷路器、開關箱和控制接觸器，但它直接進入電器控制系統中的控制輸出通常是電磁線圈[4]。特別的是這些輸入參數的內部和二次操作變得非常專業，這是電子控制系統控制的特殊要求。目前，DCS 設備不能直接接收Pt、CT信號以及電力系統所需的二次參數的特殊處理。

對電氣參量變化情況的掌握。在典型DCS 應用系統環境中，保護及聯動控制系統中的主要電氣參數的變化，系統邏輯及異常工況的發展響應速度要求均為ms 級。因此電力系統中對信號快速采集效率和故障處理恢復速度要求也有一個較高等級的速度要求。為進一步滿足所有這些控制要求，DCS 控制系統也須加快其本地和過程控制站間的交換處理速度，但在一定程度上影響到了控制系統主要功能的實現。

電氣系統運行過程中的操作。供電系統不良、工藝參數和勵磁電壓調整不當。大多數運行異常都由保護器自動處理[5]。電氣系統的正常運行是指本地電氣系統和設備的停機和運行模式。工作頻率低、速度響應不高，但精度高；電氣控制專項的功能。例如變壓器組、發電機勵磁調節、故障記錄、并聯自動發電機及其內部操作和處理都非常專業。目前DCS 的內部調用和組合功能難以完全滿足這一要求。

隨著微電子技術和數字控制技術在電站的廣泛應用。電子控制設備的數字化和信息化取得了很大進展。根據電子控制系統的特點，經過多年的反復開發研制了一種基于微處理器的電子控制裝置。如微機變壓器保護裝置、微機勵磁調節裝置、微機故障錄波裝置、微機自動同期裝置等均達到了預期水平。其功能和實用性優于DCS，可靠性不低于DCS。

2 控制方式探討

根據DCS 及電子控制系統和設備的現狀，實現DCS 電子控制的基本原理是電子控制的基本功能。必須充分利用現有專用數字計算機設備，如變壓器保護、發電機勵磁整定、故障記錄等。這些設備和系統過程的運行狀態、動作結果和數字輸入信息通過通信傳輸至DCS。同時，應保證這些控制系統和DCS 的功能性、安全性和獨立性，以確保電力系統在沒有外部干擾的情況下安全運行。

DCS 處理電氣系統的運行狀態(包括功能參數)和參數運行信息，實現屏幕顯示、聲光提示和打印輸出。各種遠程操作進入DCS，鼠標操作由CRT完成。DCS 中定義了操作權限，除發電機主開關、磁力開關跳閘按鈕和發電機電源儀表外，在可能的情況下DCS 電氣系統的輸入和輸出控制應進行通信，以節省DCS 輸入和輸出點的硬件和電纜。此外，DCS 中輸入的信息將用于集成機組控制和整個電廠信息系統。如果機組啟動停機控制系統，檢查整個機組(包括電氣系統)的啟動情況，當汽輪機接近額定轉速時啟動自動同步器。自動或操作電源開關；控制主控制電路，直到電氣系統關閉。

DCS 網絡配置：DCS 模塊化網絡結構，有效解決了由傳輸網絡介質堵塞或路由傳輸網絡設備故障等引起的連接冗余問題，大大提高了通信網絡運行的可靠性。采用雙冗余網絡結構，增加了對環網安全的技術保障，形成了容錯式冗余網絡。通過廣泛使用光纖等作為通訊傳輸的介質，解決了通信傳輸電纜過長的安全問題，為直接在遙控器設備之間建立遠程通信連接創造了基礎條件。在現場網絡節點位置分布設計上，遵循了點對點通信傳輸的優先原則，節點位置相對獨立。以太網交換機可隨時根據同一個網絡數據地址從不同網絡端口直接傳輸網絡數據。

3 DCS 系統在火電廠電氣控制中應用的注意事項

3.1 系統設計的配合問題

在國內傳統企業的DCS 自動化設計體系中，DCS 單元的總體結構的設計、容量、規模等選擇，以及相互技術關系調整等項目均要由自動化熱控專業工程師完成。電氣人員和控制等專業人員間的交流合作機制非常薄弱，電氣類專業人員設計好的DCS 控制系統應全部輸入到原設計電氣部分，選擇狀態、清單和工作計劃，并統一提交給熱控專業負責人進行分配。

電氣控制輸入DCS 后，DCS 必須實現一定的邏輯功能。一些大型專業中電氣功能，特別是大型機組電氣綜合及控制自動化功能模塊的電氣邏輯控制系統設計，以及各種電氣及控制綜合功能設備在整個DCS 行業中的合理分布方案和系統選址，需要由上述兩個專業合作完成。電氣學科人員還特別應重視與國際DCS 制造廠商聯合進行的相關產品技術問題咨詢，以更好地認識我國DCS 技術的主要特點，并對我國DCS 設備電氣及控制工藝提出技術性要求。在獨立DCS 設備和其它獨立的電氣與控制設備裝置之間直接建立數據與通信傳輸協議。

3.2 電氣控制功能的分配.

控制邏輯和設計參數變化很大，工程師對任何功能的修改都會影響過程控制。由于大多數DCS 不具備在線傳輸能力，因此在傳輸期間和任何狀態下都可能出現一些電廠輸出狀態。然后，只要電子控制和熱控制部件位于同一工藝站，更改熱控制功能或參數可能會導致電氣系統錯誤。另一方面，對于新機組，電廠的電源在DCS 之前恢復正常并通電。電子控制功能進入DCS 后，這是一個非常重要的矛盾。特別是當新項目的第一臺機組通電時，DCS 仍安裝在工廠中，沒有環境和生活條件。因此在電站的功率控制和保護中也應考慮工藝站。

3.3 裝置時鐘配合問題.

根據上述DCS 電氣控制原理，整個控制單元由DCS、獨立微處理器和數字設備組成。所有類型的獨立設備都有自己的時鐘。事實上，許多設備的設計都沒有考慮與外部時鐘的協調。在實踐中應統一考慮或制定相應的系統方法。否則會干擾系統的時間目標信息。

3.4 系統調試問題

通信設施的合理性和可靠性已成為整個系統正常運行的前提和系統調試的技術難點。通信方式在理論上不是問題，但從整個系統的角度來看，還需要雙向配置優化來分配每個系統的通信周期、周期、速率、傳輸量和信息優先級。否則，信息丟失、僵局和死亡等負面后果將不可避免。電站與DCS 之間的負荷沖突是一個需要解決的特殊問題。在調試準備階段，應根據具體情況提出相應的技術和安全措施，以確保全廠供電系統的安全過渡和機組的安全穩定運行。

綜上，通過對DCS 系統應用特點的深入分析，使目前DCS 應用系統及在各類電氣控制系統領域中的開發應用方法更完善科學，大大提高了對電氣智能控制網絡運行環境的質量監控評價能力和管理水平，增強了現代電力系統正常運行工作的系統可靠性和安全性。在未來激烈有序的電力市場和競爭形勢中，必須嚴格保證發電系統設施的可靠正常運行，有效提高電力企業效率，促進火電廠有序發展，對社會能源的充分可持續化利用具有著重要意義。