大中型電站電氣現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)應(yīng)用研究與設(shè)計

近年來, 隨著電力行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步及分散控制系統(tǒng)(DCS) 在電廠中的廣泛應(yīng)用, 300MW及以上容量機(jī)組的熱工控制已全面采用分散控制系統(tǒng)(DCS),逐步形成了數(shù)據(jù)采集(DAS)、模擬量控制(MCS)、順序控制(SCS)、燃燒器管理(BMS)四大系統(tǒng)。但DCS 主要完成的是汽輪機(jī)、鍋爐的自動化過程控制, 對電氣部分的自動化結(jié)合較少,DCS 一般未充分考慮電氣設(shè)備的控制特點(diǎn), 所以無論是功能上還是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上, 與網(wǎng)絡(luò)微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)相比在自動化程度、開放性等方面都有較大的差距。實(shí)施以現(xiàn)場總線技術(shù)為基礎(chǔ)電站電氣控制系統(tǒng)(ECS)，進(jìn)而將該系統(tǒng)以相對獨(dú)立的單元實(shí)體模式最終納入DCS體系之中,充分利用FCS先進(jìn)的全分散控制技術(shù),提高電氣控制自動化水平和可靠性?？沙浞掷肍CS的徹底分散和數(shù)字信息現(xiàn)場化、智能設(shè)備自診斷等特點(diǎn)，使電氣防誤操作等功能實(shí)現(xiàn)更方便、更完備,并且將相關(guān)量的顯示報警與電氣設(shè)備的控制調(diào)節(jié)有機(jī)地結(jié)合起來,有效提高整個電氣控制的安全性和可靠性。

一、電站電氣控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)

電站ECS與熱工自動化在控制要求及運(yùn)行過程中都有較大的區(qū)別,電站ECS的主要特點(diǎn)為:(1)電氣設(shè)備相對熱工設(shè)備而言控制對象少,操作頻率低,有的系統(tǒng)或設(shè)備運(yùn)行正常時,時常幾個月或更長時間才操作1次;控制系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的是順序控制, 即數(shù)字量控制, 模擬量信號僅作監(jiān)視, 不參與系統(tǒng)邏輯控制 (2)電氣設(shè)備保護(hù)自動裝置要求可靠性高,動作速度快。如發(fā)變組保護(hù)動作速度要求在40ms以內(nèi),廠用電快切裝置快速切換時間一般小于60～80ms。 (3)300MW及以上機(jī)組一般每2臺機(jī)組共用1臺啟/備變,任一機(jī)組檢修都不能影響另一臺機(jī)組的正常運(yùn)行。(4)電氣設(shè)備電氣系統(tǒng)的聯(lián)鎖邏輯較簡單,但電氣設(shè)備本身操作機(jī)構(gòu)復(fù)雜。因此要求控制系統(tǒng)具有很高的可靠性。除了能實(shí)現(xiàn)正常啟停和運(yùn)行操作外,尤其要求能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時顯示異常運(yùn)行和事故狀態(tài)下的各種數(shù)據(jù)和狀態(tài),并提供相應(yīng)的操作指導(dǎo)和應(yīng)急處理措施,保證電氣系統(tǒng)自動控制在最安全合理的工況下工作。

二、電站電氣控制系統(tǒng)的監(jiān)控范圍

一般來說, 電站電氣控制系統(tǒng)的監(jiān)控對象主要有:

1) 發(fā)電機(jī)- 變壓器組, 其監(jiān)控范圍主要包括發(fā)電機(jī)、發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)、主變壓器、220 kV 斷路器;

2) 高壓廠用工作及備用電源, 其監(jiān)控范圍主要包括高壓廠用工作變壓器、起動- 備用變壓器等;

3) 主廠房內(nèi)低壓廠用電源, 其監(jiān)控范圍主要包括低壓廠用工作和公用變壓器、照明變壓器、檢修變壓器和除塵變壓器等主廠房的低壓廠用變壓器;

4) 輔助車間低壓廠用電源;

5) 動力中心至電動機(jī)控制中心電源饋線;

6) 單元機(jī)組發(fā)電機(jī)和鍋爐DCS 控制電動機(jī);

7) 保安電源;

8) 直流系統(tǒng);交流不停電電源。

三、現(xiàn)場總線的技術(shù)特點(diǎn)及EFCS的優(yōu)勢

20 世紀(jì)90 年代中后期, 現(xiàn)場總線控制技術(shù)興起并蓬勃發(fā)展起來，并開始逐漸應(yīng)用于電站自動化。近年來，隨著電氣控制運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的成熟，各類電氣智能化控制設(shè)備不斷出現(xiàn)，為現(xiàn)場總線技術(shù)應(yīng)用于電站電氣控制做好了準(zhǔn)備。現(xiàn)場總線將集中與分散相結(jié)合的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)變稱為新型的全分布式結(jié)構(gòu)，把控制功能徹底下放到現(xiàn)場，依靠現(xiàn)場智能設(shè)備自身實(shí)現(xiàn)基本控制功能;同時，由于采用了全數(shù)字化的現(xiàn)場智能設(shè)備和數(shù)字通信技術(shù)，使系統(tǒng)具備了完全的自診斷和綜合信息集成的能力，為電站綜合自動化和全程自動化的實(shí)現(xiàn)奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)。現(xiàn)場總線的特點(diǎn)主要表現(xiàn)在：

1) 系統(tǒng)的開放性。開放系統(tǒng)是指通信協(xié)議公開, 各不同廠家的設(shè)備之間可進(jìn)行互連并實(shí)現(xiàn)信息交換, 現(xiàn)場總線開發(fā)者就是要致力于建立統(tǒng)一的工廠底層網(wǎng)絡(luò)的開放系統(tǒng)。這里的開放是指對相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的一致、公開性, 強(qiáng)調(diào)對標(biāo)準(zhǔn)的共識與遵從。一個開放系統(tǒng), 它可以與任何遵守相同標(biāo)準(zhǔn)的其它設(shè)備或系統(tǒng)相連。一個具有總線功能的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)必須是開放的, 開放系統(tǒng)把系統(tǒng)集成的權(quán)利交給了用戶。用戶可按自己的需要和對象把來自不同供應(yīng)商的產(chǎn)品組成大小隨意的系統(tǒng)。

2) 互可操作性與互用性, 這里的互可操作性, 是指實(shí)現(xiàn)互連設(shè)備間、系統(tǒng)間的信息傳送與溝通, 可實(shí)行點(diǎn)對點(diǎn), 一點(diǎn)對多點(diǎn)的數(shù)字通信。而互用性則意味著不同生產(chǎn)廠家的性能類似的設(shè)備可進(jìn)行互換而實(shí)現(xiàn)互用。

3) 現(xiàn)場設(shè)備的智能化與功能自治性。它將傳感測量、補(bǔ)償計算、工程量處理與控制等功能分散到現(xiàn)場設(shè)備中完成, 僅靠現(xiàn)場設(shè)備即可完成自動控制的基本功能, 并可隨時診斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

4) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性。由于現(xiàn)場設(shè)備本身已可完成自動控制的基本功能, 使得現(xiàn)場總線已構(gòu)成一種新的全分布式控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。從根本上改變了現(xiàn)有DCS 集中與分散相結(jié)合的集散控制系統(tǒng)體系, 簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu), 提高了可靠性。

5) 對現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性。工作在現(xiàn)場設(shè)備前端, 作為工廠網(wǎng)絡(luò)底層的現(xiàn)場總線, 是專為在現(xiàn)場環(huán)境工作而設(shè)計的, 它可支持雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線、電力線等, 具有較強(qiáng)的抗干擾能力, 能采用兩線制實(shí)現(xiàn)送電與通信, 并可滿足本質(zhì)安全防爆要求等?！∮捎诂F(xiàn)場總線的以上技術(shù)特點(diǎn), 特別是現(xiàn)場總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的簡化, 使控制系統(tǒng)的設(shè)計、安裝、投運(yùn)到正常生產(chǎn)運(yùn)行及其檢修維護(hù), 都體現(xiàn)出優(yōu)越性。

對于電氣系統(tǒng)全部采用硬接線進(jìn)入DCS 的控制系統(tǒng), 缺點(diǎn)是硬件設(shè)備對數(shù)據(jù)的采集只能采用I/ O 方式, 電氣系統(tǒng)的信息量均要采用I/ O 方式接入DCS , 電氣模擬量還要經(jīng)過變送器轉(zhuǎn)換成4~20 mA 直流信號送入DCS , 由于DCS 的I/ O 點(diǎn)數(shù)總量控制及I/ O 采集方式本身的限制, 不可能將所有電氣信息量送入DCS , 信息量不完整, 無法滿足電氣系統(tǒng)故障分析、狀態(tài)處理、設(shè)備管理等高級應(yīng)用功能的需要;同時所有信息均要采用硬接線接入DCS , I/ O 接口多, 硬接線測點(diǎn)量大, 系統(tǒng)接線復(fù)雜, 控制電纜用量多, 系統(tǒng)中有大量的變送器和I/ O 接口, 系統(tǒng)運(yùn)行、維護(hù)的工作量較大, 對提高電廠運(yùn)行管理水平不利。EFCS 是將在變電站和發(fā)電廠網(wǎng)絡(luò)控制中已經(jīng)積累了豐富運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的計算機(jī)分布式控制系統(tǒng)用于火力發(fā)電廠的電氣系統(tǒng)控制, 其特點(diǎn)是采用現(xiàn)場總線的設(shè)計思路, 所有電氣設(shè)備的信息采集主要采用綜合智能測控單元進(jìn)行轉(zhuǎn)換和采集, 對于特別重要的信號(如參與聯(lián)鎖控制的信號量) 和控制量,除保留通信接口方式外, 采用硬接線接入DCS 的I/ O 柜進(jìn)行采集, 如運(yùn)行(合閘) 、停止(跳閘) 、故障、允許操作等與控制聯(lián)鎖邏輯有關(guān)的信號均采用硬接線接入DCS 的I/ O 柜, 對于所有控制量如各斷路器的跳閘、合閘指令也通過DCS 的I/ O 柜用硬接線方式接入各開關(guān)控制回路, 避免了萬一通信不暢時不能進(jìn)行監(jiān)控的問題。由于采用綜合智能測控單元進(jìn)行電氣數(shù)據(jù)采集, 除能完成數(shù)據(jù)采集任務(wù)外, 還能對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理, 并通過敷設(shè)在配電室開關(guān)柜內(nèi)的現(xiàn)場總線將處理后的數(shù)據(jù)送入通信管理機(jī), 系統(tǒng)接線十分簡單。為便于運(yùn)行維護(hù)和調(diào)試,各通信管理機(jī)均提供調(diào)試接口, 可供機(jī)組維護(hù)人員在廠用電倒送和檢修調(diào)試期間使用。系統(tǒng)還配置有電氣工程師站, 其主要功能是實(shí)現(xiàn)電氣系統(tǒng)故障信息管理及故障分析、設(shè)備管理、自動抄表等管理功能, 供運(yùn)行維護(hù)人員進(jìn)行電氣系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫、界面、報表等的維護(hù)修改以及電氣自動化系統(tǒng)的監(jiān)視與維護(hù), 還可以作為培訓(xùn)工作站進(jìn)行操作流程預(yù)演及對運(yùn)行人員的培訓(xùn)仿真或作為DCS 操作員站的備用, 可在建設(shè)初期DCS 未投入時滿足廠用電倒送或DCS 退出時對電氣系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。EFCS采用現(xiàn)場總線方式, 電氣信息量采集完整, 為實(shí)現(xiàn)電廠電氣系統(tǒng)高度自動化運(yùn)行及管理水平提供了硬件基礎(chǔ)。該方案除具有遠(yuǎn)程I/ O 的全部優(yōu)點(diǎn)外, 還可以減少大量DCS 的隔離器件、端子柜、I/ O 卡件等, 且綜合智能測控單元直接安裝在開關(guān)柜上, 開關(guān)柜外采用總線進(jìn)行通信連接, 可大幅度節(jié)省控制電纜及施工安裝工作量和系統(tǒng)調(diào)試、檢修及維護(hù)工作量。對廠用電系統(tǒng)等基本上取消了硬接線, 使控制系統(tǒng)接線更為簡單, 能最大程度地節(jié)省控制電纜, 減小施工、安裝、調(diào)試、檢修和維護(hù)工作量。此外, 由于各智能測控單元功能獨(dú)立, 風(fēng)險分散, 任何一個測控裝置的故障僅涉及到相應(yīng)元件, 不影響其它間隔, 使整個系統(tǒng)可靠性得到很大提高, 又增加了備用操作手段(既可在控制層操作, 也可在間隔層操作) , 提高了信息轉(zhuǎn)換精度和可靠性, 也避免了信號(特別是4～20 mA 模擬量信號) 在傳輸中的衰減和干擾等問題。