现场总线技术在火力发电厂电气控制系统中的应用

     随着火力发电厂建设规模的不断扩大，电厂自动化水平的不断提高，对电厂的生产运行和管理提出了更高的要求，为实现电厂全面的信息化管理，大型火力发电厂基本上都逐步建立了电厂管理信息系统，通过各子系统提供丰富的实时和非实时的现场信息，对各系统状况和设备运行情况作出分析与故障预警，以提高电厂管理效率和决策正确性，使电厂实现全厂管理控制一体化。理想的火力发电厂管理控制应分为三层网络结构:上层网络为厂级自动化管理信息的高速以太网，中间网络为生产过程自动化网络，底层网络是各子系统之间的现场总线网络。根据电厂生产、管理等各环节的特点，火力发电厂自动化管理信息系统是划分成若干个子系统，子系统是按功能来划分的，与电厂管理体制相适应。子系统的划分遵循的原则:一是逻辑相对独立，每个子系统能独立完成某方面的管理功能;二是子系统内部各模块之间的联系程度大，而与其它子系统之间的联系程度小。
    随着电气自动化和现场总线技术的迅速发展，专用的电气装置和就地测控设备均己智能化，普遍采用交流采样技术，同时还具备通信接口传送信息的能力，因此电气系统的智能化、网络化己经成为发展趋势。发电厂电气监控管理系统 (简称ECMS)是在智能化和网络化的电气设备的基础上，采用大量现场总线通信技术实现的电气自动化产品，它的出现势必会对火力发电厂现有的计算机网络监控系统产生很大的影响，本文将对发电厂电气监控系统的设计范围、功能定位和与其它监控系统的关系等方面进行分析和探讨。

一、现场总线控制系统的特点
    开放性、分散化和低成木是现场总线最显著的三大特征
1.1 系统的开放性
    目前，火力发电厂中单元机组控制普遍采用的是分散控制系统(简称DCS)，其网络结构基本上是封闭式结构，其它厂家的智能设备很难接入。而现场总线系统是采用开放性分层分布式网络结构，将各控制器节点下放分散到现场，监控功能进一步分散到智能现场设备，构成一种彻底的、分布式控制体系结构，网络拓扑结构任意，可为总线形、星形、环形等，通信介质不受限制，可用双绞线、同轴电缆、光纤电缆等各种形式。采用现场总线控制系统可以减轻主机的工作负担。
1.2 系统的分散性
    现场总线系统彻底的分散性意味着系统具有较高的可靠性和灵活性，系统很容易进行重组和扩建，通过使用现场总线对现场设备进行调试、校验等工作，系统易于维护，可以减少维修人员，降低劳动强度。
1.3 系统的低成本
    衡量一套控制系统的总体成本，不仅考虑其造价，还应该考虑控制系统从安装调试到运行维护整个生产周期内的总投入。相对DCS而言，现场总线系统开放的体系结构和OEM技术将大大缩短开发周期，降低开发成本，且彻底分散的分布式结构将1对1模拟信号传输方式变为l对N的数字信号传输方式，节省了模拟信号传输过程中大量的A/D、D/A转换装置、布线安装成本和维护费用。因此从总体上来看，现场总线系统的成本大大低于DCS的成本。

二、火力发电厂电气控制系统现状
    火力发电厂单元机组被控对象众多，按发电厂负荷性质可划分为工艺负荷和电气负荷。工艺负荷主要是指各类电动机，包括中压电动机和低压电动机，以及就地传感器和热工仪表。电气负荷主要包括主变压器、高压厂用变压器、起动/备用变压器、厂用线路、低压厂用变压器、低压厂用电源等;以及独立的电气智能装置，包括发电机励磁装置、同期装置、中压厂用电源快切装置、低压电源备用自投装置、综合保护装置等。当前火力发电厂普遍是以DCS系统作为单元机组的主要控制系统，现场级设备主要采用传统的模拟量和开关量信号，即采用1对1模拟或二进制信号传输方式，即每个测点经硬接线接至DCS系统I/0卡件，生产过程的监控到达I/0子系统。DCS系统可以满足运行人员基本的控制操作要求，可替代原来的发电机控制台和厂用系统控制盘，实现单元机组炉、机、电操作手段统一。但随着电力生产企业信息化管理的发展，很多发电公司投入大量的资金构建电厂实时监控系统(SIS)和电厂信息管理系统(MIS)，以实现对设备维护和设备管理的智能化和信息化。如果现场级的设备依然采用传统的方式接入控制系统I/0子系统，MIS和SIS系统无疑成为"无源之水"，其作用将会大打折扣。
    在己投运的发电厂中，对单元机组电气设备的监控主要采用两种方式:一是硬接线和现场总线相结合方案，即所有断路器的控制指令及参与连锁所需要的位置状态经硬接线送至DCS的DO、D1卡件;而回路的电流、电压量、保护动作及报警信号则以现场总线通信方式传送，经ECMS系统通信管理机汇总后送入相应的DCS-DPU通信接口。在实际应用中，该方案各方比较容易接受，电厂应用较多。虽然ECMS系统具备对就地电气设备进行控制功能，但在正常运行时，该功能被闭锁，就地电气设备仍需要通过硬接线实现DCS系统监控，且经现场总线通信传送的电气信息没有送到控制室，运行人员无法看到，使ECMS系统没有充分发挥出应有的作用;二是完全现场总线方案，该方案的设计思想是希望将ECMS系统与DCS系统完全融合，实现无缝连接。ECMS系统通信管理机是按电厂工艺过程配置，参与工艺联锁控制的通信管理机与相应的DCS-DPU一对一进行通信，对于不参与工艺联锁的电气信息，通过电气站控层的通信网关接入DCS。该方案在云南宣威电厂六期(2×3OOMW机组)、云南巡检司电厂(2×135MW机组)等少数电厂己投入运行。从厂家提供的测试数据来看:电气监控系统通讯接入DCS的实时性能大体达到火电厂监控实时性的技术要求指标，但为保证实时性和可靠性，DCS系统仍保留部分硬接线。从技术上分析:该方案利用DCS-DPU串口通信和以太网通信方式与电气就地智能装置实现双向通信，由于通信实时性要求，ECMS系统通信管理机需要与DCS-DPU对应配置，导致通信管理机数量庞大，就地通信系统结构复杂，接口环节多，网络通信信息量大，各方配合调试工作量大。对于DCS系统来说，对外通信不是它的强项，大量的电气信息通过通信串口和网络传输引起通讯接口软、硬件配置问题以及网络结构问题等，对DCS系统和ECMS系统的可靠性均产生不利影响。由于机炉过程控制对象多，设备间相互关系紧密，操作频繁，逻辑运算复杂，采用全通信方式需要冒一定的技术风险。因此，后续工程能够采用此方案的不多。

三、在发电厂电气系统的应用效果
    在常规的DCS系统中，电气信息受到DCS系统规模的限制，引入的电气I/0数量不能过大，采用现场总线技术后，ECMS系统可以从现场得到更多的实时信息，信息容量远大于DCS系统，基本上将主要的就地电气智能装置纳入监测/监控范围，使运行和管理人员掌握更多现场的电气信息。
    采用现场总线通信后，除保留控制命令和开关位置状态外，其它电气遥测、遥信信号(如测量、保护、状态)等通过现场总线向DCS系统传送。模拟量(电流、电压、功率等)利用就地智能装置交流采样，数字通信传送代替传统的DCS系统模拟量信号采集模式。就地信息可通过一根专用的通信电缆传送，节省了大量硬接线控制电缆。同时，ECMS系统为运行管理人员提供了可在控制室方便查询到就地电气设备的运行状态，诊断和维护信息的手段，系统具有的事故追忆和事故记录功能，辅助运行人员快速处理现场问题。

四、在发电厂应用中存在的问题
4.1 设计中存在的问题
    由于早期认识上的偏差，在系统设计时片面的追求就地智能装置上送的信息量越多越好，范围越大越好。由于现场总线的通信速率与节点数、传输量和距离远近都有关，节点数和传埔量越大，距离越远，通信速率越慢。因此系统范围无限制扩大，影响了系统运行的实时性和可靠性，降低了系统的性价比。通信信息量过大，还使一些不重要的负荷信息占用了不少通信资源，造成数据通道过于拥挤，出现通信不畅、数据刷新周期过慢等情况。
    为了让运行人员能够看到更多的电气信息，ECMS系统与DCS系统通信信息量较大，受到通信方式和通信速率的限制，传送电气信息量较多时(特别是模拟量)，在DCS操作员站响应速度慢，影响实际使用效果。
4.2 招标中存在的问题
    由于现场总线技术越来越受到广泛关注和欢迎，声称能提供现场总线的厂家也越来越多，但由于还没有完善的准入机制，造成电气自动化产品鱼龙混杂，选择困难。ECMS系统涉及面广，设备数量众多，对ECMS系统供货商的设计、制造、通讯和配合协调能力要求很高，但在已实施项目中，ECMS系统被分成很多部分，分别由不同供货商供货，增加了系统通信接口和配合调试工作量，影响系统的可靠性和实时性。
     因此，在ECMS系统招标中应尽量减少设备接口，选择一家有实力、有业绩的集成商负责系统申各设备之间的协调，使ECMS系统技术性能满足电厂自动化要求。
4.3 安装方面存在的问题
    现场总线的正确安装是保证ECMS系统安全、稳定运行的重要前提，在实际工程中发现，很多ECMS系统的运行不正常是因安装不当引起的。
    (1)低压抽屉开关柜安装问题
     低压智能装置安装在低压开关柜抽屉内，由于低压柜抽屉是可以插拔的，部分工程在施工中没有考虑到预留一段通信网线，造成在抽屉插拔过程中经常发生通信信号不稳或信号中断现象，影响系统运行的稳定性。
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