探究火力發(fā)電廠廠用電監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)建

尹黔昊

（中煤能源新疆煤電化有限公司，新疆 昌吉 831799）

0 引言

發(fā)電廠的電監(jiān)控系統(tǒng)是發(fā)電廠的重要組成部分，作為電廠的重要組成部分，其安全、可靠的運(yùn)行對(duì)整個(gè)電廠都起著至關(guān)重要的作用。廠用電力一體化自動(dòng)化控制系統(tǒng)（ECS）是實(shí)現(xiàn)以上工作的前提。該系統(tǒng)在全廠的統(tǒng)一指揮和協(xié)調(diào)下，能夠?qū)﹄姀S的電力系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)的信息和設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并與DCS 進(jìn)行協(xié)同控制，保證電廠順利運(yùn)行。隨著電力企業(yè)自動(dòng)化、信息化技術(shù)的不斷發(fā)展和電力市場(chǎng)的不斷發(fā)展，電力系統(tǒng)的自動(dòng)化、管理、節(jié)能、增強(qiáng)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力成為火力發(fā)電廠的熱門(mén)課題。

1 發(fā)電廠廠用電監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展及監(jiān)控系統(tǒng)的重要性

一對(duì)一的控制，也就是安裝了發(fā)電廠的電力控制屏幕，并實(shí)行一對(duì)一的強(qiáng)力電力控制。該方法雖然比較原始，但是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。在計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展的今天，DCS 逐漸在電力和熱負(fù)荷方面得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。但是，由于通訊能力差，不能對(duì)DCS 下達(dá)的指令做出迅速的反應(yīng)，也不能迅速向DCS 發(fā)送相應(yīng)的電氣量，往往需要特別布線，工作量大、投資大，而沒(méi)有充分發(fā)揮電力保護(hù)設(shè)備或電動(dòng)機(jī)控制中心（MCC）、動(dòng)力中心（PC）控制設(shè)備自身的采集與控制功能。全數(shù)字電力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為DCS 系統(tǒng)提供必要的控制接口和信息接口，采用廠內(nèi)保護(hù)設(shè)備、MCC、PC 等設(shè)備，滿足保護(hù)、測(cè)控、高速通訊等要求[1]，同時(shí)采用現(xiàn)場(chǎng)總線或以太網(wǎng)將各設(shè)備組成一個(gè)局域網(wǎng)，從而達(dá)到對(duì)電力信息量的全面數(shù)字化監(jiān)測(cè)。DCS 通過(guò)通信軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)電力信號(hào)的采集與控制，不需要二次導(dǎo)線，節(jié)約了成本。

在電力系統(tǒng)的日常工作中，通過(guò)對(duì)優(yōu)化的電氣自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的使用，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)?shù)毓ぷ鲾?shù)據(jù)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)的采集、分析與處理，使得工作人員可以及早地發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的所在，有效地杜絕更大事故的發(fā)生。日后工作的調(diào)研也可以從中獲得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)信息。同時(shí)，電氣自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)還可以對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行及時(shí)的更新，使相關(guān)工作人員對(duì)工廠內(nèi)部存在的一些極為細(xì)小的問(wèn)題及不容易發(fā)現(xiàn)的故障能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理，從而從根本上提高了員工工作的效率，增大了員工工作的安全系數(shù)。

2 當(dāng)前發(fā)電廠廠用電監(jiān)控系統(tǒng)的總體狀況

在機(jī)組容量不斷增大的情況下，機(jī)組通常采用單機(jī)集中控制，這一系統(tǒng)的使用極大地提高了機(jī)組的自動(dòng)化程度，而對(duì)電監(jiān)控的影響則相對(duì)較小。

傳統(tǒng)的火力發(fā)電廠的電監(jiān)控系統(tǒng)采用了一個(gè)獨(dú)立的電子控制器，通過(guò)模塊來(lái)完成對(duì)電力部件的采集與控制。電監(jiān)控系統(tǒng)中的一些特別的控制功能，如保護(hù)、勵(lì)磁、同步、電源切換、故障錄波等，均是通過(guò)一個(gè)獨(dú)立的電子設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)的。盡管電監(jiān)控系統(tǒng)中的繼電器和自動(dòng)控制設(shè)備都實(shí)現(xiàn)了微機(jī)化、智能化，但是整個(gè)工廠的自動(dòng)化程度仍然很低，僅僅是通過(guò)電線和系統(tǒng)進(jìn)行有限的交流[2]。

為了提升電監(jiān)控系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，或者說(shuō)電監(jiān)控系統(tǒng)中某一設(shè)備的通訊能力得到了增強(qiáng)，最初的設(shè)想發(fā)電廠用電監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，這樣就可以減少開(kāi)關(guān)柜與電監(jiān)控系統(tǒng)之間的連接，但是由于管理上的制約和技術(shù)上的限制，比如，DSC 中心信號(hào)必須通過(guò)硬接線，這就造成了電纜的數(shù)目沒(méi)有下降，只是增加了線纜的數(shù)目。再之后，網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)也有所改變，目標(biāo)是提高電氣自動(dòng)化水平。

2.1 廠用電監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的自動(dòng)化和運(yùn)行管理，既可以通過(guò)DCS 來(lái)實(shí)現(xiàn)必要的控制功能和電氣數(shù)據(jù)的交換，也可以通過(guò)控制主機(jī)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)的全面控制。

（1）系統(tǒng)采用分布式現(xiàn)場(chǎng)安裝，集保護(hù)、測(cè)量、控制、通訊于一體的智能化前端裝置，其功能主要包括：電機(jī)綜合保護(hù)裝置、電壓互感器綜合保護(hù)裝置等。

（2）采用現(xiàn)場(chǎng)總線（屏蔽雙絞線）將各前端裝置的通信接口相連接，組成電力監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。

（3）利用以太網(wǎng)連接裝置，將數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，電氣操作工作站，維護(hù)工程師工作站，遠(yuǎn)程工作站組成電氣監(jiān)視與管理的計(jì)算機(jī)。

2.2 廠用電監(jiān)控分類

工廠的電力系統(tǒng)也可以分成兩類：①主設(shè)備；②輔助系統(tǒng)。主設(shè)備包括工廠電源快切裝置、同期裝置，綜合保護(hù)裝置等。輔助系統(tǒng)包括UPS、保安段系統(tǒng)等。工藝方面的內(nèi)容主要涉及各種類型的電機(jī)，其中有高壓電機(jī)、低壓電機(jī)等。高壓電機(jī)包括繞線異步電動(dòng)機(jī)、斗輪機(jī)、卸船機(jī)等配套設(shè)備。另外，針對(duì)一些特定的技術(shù)需求，個(gè)別電機(jī)還配備變頻調(diào)速、內(nèi)反饋調(diào)速、液力耦合調(diào)速等。低壓電機(jī)主要是指鼠籠型的異步電機(jī)和它的調(diào)速器，目前的低壓電機(jī)大多采用變頻調(diào)速。

2.3 現(xiàn)有電監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用不足

2.3.1 傳統(tǒng)硬接線融入DCS 方案

電力系統(tǒng)的特殊功能，例如繼電保護(hù)、故障錄波等，均由獨(dú)立的設(shè)備來(lái)完成，不依賴于DCS，DCS 的I/O 模塊與電保護(hù)是相互獨(dú)立的，DCS 的各個(gè)測(cè)點(diǎn)均由DCS 的AI、DI、DO、SOE 等卡片來(lái)完成。I/O 電路和電回路通過(guò)電纜相連，模擬信號(hào)的采集要求安裝有發(fā)射機(jī)[3]。

這種方法實(shí)現(xiàn)全廠的綜合監(jiān)測(cè)方式，隨著技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了許多弊端，這主要是因?yàn)镈CS 系統(tǒng)的運(yùn)行、控制和保護(hù)功能，沒(méi)有考慮到電器的具體情況，只通過(guò)硬電線進(jìn)行信息交流，不能充分地反映電力系統(tǒng)的各種信息，也不能進(jìn)行波形分析和定值管理等比較復(fù)雜的電力維護(hù)和管理，所以在通信技術(shù)日益成熟應(yīng)用及自動(dòng)化水平高度發(fā)展的今天，此方案不可取。

2.3.2 DCS+ECMS 方案

DCS 負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)工廠的所有設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并利用硬接線來(lái)實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的控制，而DCS 和工業(yè)用微機(jī)保護(hù)和測(cè)控設(shè)備之間僅保留必要的硬接線，而DI 點(diǎn)則被省去。此外，還建立了獨(dú)立的工廠電力監(jiān)視管理系統(tǒng)，即ECMS 系統(tǒng)，通過(guò)ECMS 系統(tǒng)中的通信管理單元或站點(diǎn)控制層的通信網(wǎng)關(guān)，將DCS 需要的其他信號(hào)傳輸?shù)紻CS。這種接人DCS 系統(tǒng)是DAS 模式下的ECS。在我國(guó)，已經(jīng)將其應(yīng)用于大中型發(fā)電廠，并取得了一些成功的經(jīng)驗(yàn)。

2.4 廠用電納入DCS 模式

2.4.1 分層分布模式

分層分布方式即為電力系統(tǒng)的全數(shù)字化，它為DCS 提供必要的信息接口和控制界面。工廠用電保護(hù)裝置和微機(jī)控制裝置可以滿足保護(hù)、測(cè)控、高速通信等方面的需要，工廠用電力系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)總線或以太網(wǎng)構(gòu)成，構(gòu)成一個(gè)專門(mén)的ECS，對(duì)電力信息進(jìn)行全面的數(shù)字化監(jiān)測(cè)，并為DCS 提供高速、實(shí)時(shí)的通信接口。此時(shí)DCS 只需通過(guò)通信軟件報(bào)文就能完成對(duì)序控制中的電力的采集和控制，無(wú)須二次電纜的硬接線減少了設(shè)計(jì)、建設(shè)的工作量，節(jié)約了大量的資金。

2.4.2 硬接線與通訊相結(jié)合的方式

在此模式下，將電廠用電監(jiān)測(cè)納入DCS 系統(tǒng)，主要是指通過(guò)DCS 對(duì)發(fā)電機(jī)變壓器組進(jìn)行檢測(cè)和控制；DCS 系統(tǒng)可以完成直流系統(tǒng)、UPS、工廠用電等數(shù)據(jù)的采集；6kV 工廠用電保護(hù)，380V 電動(dòng)機(jī)控制裝置，DCS控制系統(tǒng)直接完成測(cè)量和控制。但其主要問(wèn)題是：①通訊能力弱，可靠性差；②DCS 發(fā)布的控制指令不能迅速響應(yīng)，或不能迅速向DCS 發(fā)送有關(guān)的電力量，不能滿足DCS 對(duì)電氣量的快速采集。對(duì)于參加順序控制的電力量，特別是在二次線路上敷設(shè)了二次電纜，這不僅是一項(xiàng)費(fèi)時(shí)費(fèi)力的任務(wù)，而且還需要投入大量的資金。

3 構(gòu)建發(fā)電廠廠用電監(jiān)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

3.1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)

由于發(fā)電廠電力系統(tǒng)中的各個(gè)設(shè)備相互互鎖，如果生產(chǎn)流程被破壞，造成設(shè)備間的通信中斷，造成人員和設(shè)備的安全無(wú)法得到保障。同時(shí)，作為一種實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通信的穩(wěn)定性和可靠性非常關(guān)鍵，為了確保通信的可靠性，本文提出了一種基于雙網(wǎng)的互備方案。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)需求不大時(shí)，可以采用單網(wǎng)方式，以節(jié)約網(wǎng)絡(luò)成本。當(dāng)某一網(wǎng)（目前的主要網(wǎng)）發(fā)生故障，無(wú)法連接到通信時(shí)，該裝置的通信接口將會(huì)與備用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，同時(shí)通知操作人員進(jìn)行維修。由于兩條線路在同一時(shí)刻發(fā)生故障的可能性極低，從而確保了在同一時(shí)刻，至少有一條線路是暢通的，從而達(dá)到了可靠的數(shù)據(jù)通信。

3.2 電監(jiān)控系統(tǒng)各保護(hù)測(cè)控裝置通信設(shè)計(jì)

發(fā)電廠用電監(jiān)控系統(tǒng)中存在著大量的保護(hù)、監(jiān)測(cè)設(shè)備，以此實(shí)現(xiàn)保護(hù)和監(jiān)控的功能，并且這些設(shè)備需要傳送信息，其中方式有：對(duì)測(cè)控設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳送進(jìn)行保護(hù)；保護(hù)測(cè)控自動(dòng)化設(shè)備向數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、工作站等上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行遙測(cè)、遙脈等功能；數(shù)據(jù)庫(kù)、工作站等計(jì)算機(jī)系統(tǒng)向保護(hù)測(cè)控自動(dòng)化設(shè)備發(fā)送遠(yuǎn)程遙調(diào)等信息。由于各個(gè)保護(hù)與測(cè)控設(shè)備的通信協(xié)議千差萬(wàn)別，所需通信的保護(hù)測(cè)控設(shè)備不能完全進(jìn)行信息的傳遞，而主機(jī)與保護(hù)測(cè)控設(shè)備的通信也是如此，所以，可以通過(guò)增加前端通信管理準(zhǔn)元來(lái)進(jìn)行通信控制和規(guī)約變換，從而使各種設(shè)備間的數(shù)據(jù)互聯(lián)互通。

4 電監(jiān)控系統(tǒng)的軟件體系結(jié)構(gòu)

電監(jiān)控系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能如下。

4.1 基本功能

火電廠廠用電監(jiān)控系統(tǒng)，其首要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)基本的數(shù)據(jù)采集與處理，并對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，然后將數(shù)據(jù)經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)總線傳輸至前端設(shè)備（通信管理設(shè)備），再根據(jù)預(yù)定的協(xié)議將其打成數(shù)據(jù)包。再將其發(fā)送到互為主機(jī)的數(shù)據(jù)服務(wù)器。資料伺服器會(huì)規(guī)約的解釋接收的資料，然后再根據(jù)資料的解釋來(lái)處理。在運(yùn)行員工作站上，運(yùn)行員可以發(fā)出遙控遙調(diào)指令，把遙控、遙調(diào)指令發(fā)送到數(shù)據(jù)服務(wù)器，發(fā)送給遠(yuǎn)程執(zhí)行，完成后，再把執(zhí)行結(jié)果反饋給運(yùn)行操作員。

數(shù)據(jù)的采集與通信作為整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，主要承擔(dān)了設(shè)備之間的通信和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)收集；保護(hù)測(cè)試與控制設(shè)備是由前向主機(jī)傳輸?shù)乃倪b（數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器）[4]，這些數(shù)據(jù)都要存儲(chǔ)，因此，系統(tǒng)必須具備數(shù)據(jù)庫(kù)的功能，包括數(shù)據(jù)的產(chǎn)生與管理、數(shù)據(jù)查詢、統(tǒng)計(jì)報(bào)表、輸出、打印等功能；作為一種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，它必須具備警告、提醒用戶注意等功能。

4.2 管理功能

在電監(jiān)控系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)建設(shè)后，可以實(shí)現(xiàn)一系列先進(jìn)的應(yīng)用功能，從而使發(fā)電廠的電力操作自動(dòng)化程度得到進(jìn)一步的提升，其主要特點(diǎn)如下。

（1）電氣設(shè)備管理。包含了設(shè)備的維護(hù)記錄，檔案，維護(hù)記錄等。此外，該系統(tǒng)還能對(duì)電力主站進(jìn)行在線的設(shè)備管理，例如對(duì)設(shè)備的操作狀態(tài)、工作狀態(tài)等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。這一部分可以用來(lái)作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)的補(bǔ)充。

（2）故障信息管理。主要包括事件信息、事件回顧、事件重演、錄像分析等。事故重演和錄像分析是分析事故發(fā)生的原因，從而達(dá)到預(yù)防事故的目的。

5 提高ECS 系統(tǒng)的通信速度和可靠性

為了使DCS 能夠迅速地獲取、控制電力監(jiān)視信號(hào)，并達(dá)到控制的目的，必須在整個(gè)ECS 的總體網(wǎng)絡(luò)方案中，充分發(fā)揮其通信率的潛能。但是對(duì)于任何一個(gè)通訊環(huán)節(jié)來(lái)說(shuō)，通訊媒介和通訊規(guī)范的選取都是加快通訊速率的關(guān)鍵。DCS 系統(tǒng)中大多數(shù)采用串口Modbus 規(guī)范與其他設(shè)備進(jìn)行通訊，這是因?yàn)闅v史和習(xí)慣的緣故。由于串口媒體自身的速度較慢，Modbus 協(xié)議的通訊頻帶限制，通訊方式太過(guò)單一，僅能完成全部或部分的呼叫與傳輸，無(wú)法優(yōu)先抽取變化的資料，DCS 僅能通過(guò)連續(xù)兩次詢問(wèn)而ECS 無(wú)反應(yīng)來(lái)判定通訊中斷。在此基礎(chǔ)上，DCS 與ECS 的通訊媒介是以TCP/IP 為基礎(chǔ)的以太網(wǎng)，通訊協(xié)議是IECl04 協(xié)議，通信雙方都可以進(jìn)行主動(dòng)的通訊，并能在ECS 中自動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)。

在ECS 系統(tǒng)中，它能很好地支持各類以太網(wǎng)卡，因此ECS 的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)基本上都是以太網(wǎng)構(gòu)成，可以最大程度地減少時(shí)延。隔離層主要包括兩種裝置，一種是大量工廠用電保護(hù)裝置，它們能夠獨(dú)立地實(shí)現(xiàn)預(yù)定的功能。隔離層中的設(shè)備數(shù)目最多，它直接反映了各個(gè)電子設(shè)備的實(shí)時(shí)工作狀態(tài)，因此，隔離層通訊的速度和可靠性將直接影響到ECS 的通訊速度和可靠性。當(dāng)前，基于RS-485 的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)是當(dāng)前的主流技術(shù)。

以太網(wǎng)是目前應(yīng)用最廣的一種LAN 技術(shù)。以太網(wǎng)的傳輸速率達(dá)到10000Mbit/s，這在現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)中是不能相比的，可以很好地滿足ECS 間和基站之間的高速通訊。隨著以太網(wǎng)技術(shù)的普及和技術(shù)的發(fā)展，使得ECS 系統(tǒng)的成本大大降低，從而大大減少了ECS 隔離層的成本[5]。同時(shí)，以太網(wǎng)具備完善的故障診斷工具和強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)能力，使以太網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行得到了保障。現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)中的網(wǎng)管相故障診斷工具是非常罕見(jiàn)的。因此，對(duì)ECS 組網(wǎng)方案進(jìn)行優(yōu)化，選擇合適的通信規(guī)范，可以使DCS 在ECS 中實(shí)現(xiàn)對(duì)連續(xù)控制的高速需求。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，隨著電監(jiān)控系統(tǒng)的不斷發(fā)展，以及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，電監(jiān)控系統(tǒng)接入DCS 方案是火力發(fā)電廠電力系統(tǒng)的發(fā)展方向。這一工作能否成功，取決于各方面因素的掌握，相關(guān)部門(mén)要根據(jù)火力發(fā)電廠的實(shí)際情況，制定最切合實(shí)際的電監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)施方案。