·控制技术·火电厂仪电一体化电气监控系统的理论与实践

书书书　第３０卷第９期华电技术Ｖｏｌ．３０　Ｎｏ．９　　　２００８年９月ＨｕａｄｉａｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＳｅｐ．２００８　　·控制技术·火电厂仪电一体化电气监控系统的理论与实践Ｔｈｅｔｈｅｏｒｙａｎｄｐｒａｃｔｉｃｅｏｆｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｅｌｅｃｔｒｉｃｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｉｎｔｈｅｒｍａｌｐｏｗｅｒｐｌａｎｔ李元，朱能飞ＬＩＹｕａｎ，ＺＨＵＮｅｎｇｆｅｉ（国电南京自动化股份有限公司，江苏南京　２１０００３）（ＧｕｏｄｉａｎＮａｎｊｉｎｇＡｕｔｏｍａｔｉｏｎＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎＬｉｍｉｔｅｄ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１０００３，Ｃｈｉｎａ）摘　要：分析了目前国内火电厂电气监控实现的方式（ＤＣＳ＋ＥＣＳ），并指出了这种实现方式依然存在通讯数据交换的瓶颈、难于实现电气设备信息管理等高级功能。在仪电一体化火电厂监控系统架构下，提出了一种与ＤＣＳ系统通过通讯技术实现数据交换的火电厂电气监控系统的实现方法。将全通讯ＥＣＳ统一在ＤＣＳ平台架构下，通过与ＤＣＳ系统在各级网络层进行数据交换来彻底取消ＤＣＳ系统的电气二次硬接线。同时，对实现这种ＥＣＳ系统的几个技术要点进行了分析，即组网方式、通讯性能评估、在间隔层实现数据通讯。关键词：仪电一体化；火电厂电气监控系统（ＥＣＳ）；火电厂集散控制系统（ＤＣＳ）；全通讯中图分类号：ＴＫ３２３　　　文献标志码：Ａ　　　文章编号：１６７４－１９５１（２００８）０９－００５９－０６Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｃｏｎｔｒｏｌｍｏｄｅ（ＤＣＳ＋ＥＣＳ）ｏｆｔｈｅｒｍａｌｐｏｗｅｒｐｌａｎｔｉｎｔｈｅｄｏｍｅｓｔｉｃｗａｓａｎａｌｙｚｅｄ，ｉｔｉｓｐｏｉｎｔｅｄｏｕｔｔｈａｔｕｎｄｅｒｔｈｉｓｍｏｄｅｔｈｅｒｅｉｓｂｏｔｔｌｅｎｅｃｋｆｏｒｄａｔａｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，ａｎｄｓｏｍｅａｄｖａｎｃｅｄｆｕｎｃｔｉｏｎｓ，ｓｕｃｈａｓｅｌｅｃｔｒｉｃｅｑｕｉｐｍｅｎｔｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｍａｎａｇｅｍｅｎｔ，ｗｅｒｅｄｉｆｆｉｃｕｌｔｔｏｉｍｐｌｅｍｅｎｔ．Ｕｎｄｅｒｔｈｅｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｅｌｅｃｔｒｉｃｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｐｏｗｅｒｐｌａｎｔｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，ａｎｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｓｃｈｅｍｅｗａｓｐｕｔｆｏｒｗａｒｄｗｈｉｃｈｉｍｐｌｅｍｅｎｔｄａｔａｅｘｃｈａｎｇｅｂｙｍｅａｎｓｏｆｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｗｉｔｈＤＣＳ，ｔｈｅｆｕｌｌｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎＥＣＳｗｉｌｌｂｅｌｏｃａｔｅｄｏｎｔｈｅＤＣＳｐｌａｔｅｆｏｒｍａｎｄｃａｎｉｍｐｌｅｍｅｎｔｄａｔａｅｘｃｈａｎｇｅｗｉｔｈＤＣＳａｔｖａｒｉｏｕｓｎｅｔｗｏｒｋｌａｙｅｒｓ，ｓｏｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｈａｒｄｗａｒｅｓｅｃｏｎｄａｒｙｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｏｆＤＣＳｗｉｌｌｂｅｃａｎｃｅｌｌｅｄ．ＳｅｖｅｒａｌｔｅｃｈｎｉｃａｌｋｅｙｐｏｉｎｔｓｆｏｒｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎｏｆｔｈｉｓＥＣＳｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄ，ｗｈｉｃｈｉｎｃｌｕｄｅｓｎｅｔｗｏｒｋｉｎｇｍｏｄｅ，ｅｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｎｄｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｉｎｔｅｒｖａｌｌａｙｅｒｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｅｌｅｃｔｒｉｃｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ；ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｏｆｔｈｅｒｍａｌｐｏｗｅｒｐｌａｎｔ（ＥＣＳ）；ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｏｆｔｈｅｒｍａｌｐｏｗｅｒｐｌａｎｔ（ＤＣＳ）；ｆｕｌｌｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ收稿日期：２００８－０８－０４１　问题的提出火电厂电气监控系统实现的功能大致有：对火电厂内电气设备的运行状况进行监视；对火电厂内电气配送电方式的改变进行监控；对火电厂内电气设备运行中出现的异常状况的处理。电气监控功能自火电厂出现至今基本未发生实质性变化，随着配电系统不断扩大、保护自动装置的大量应用，用户在监控对象数量、信息量类型、系统实时性等方面的要求不断提高。仪电一体化火电厂监控系统是集火电厂锅炉、汽机和发电机自动控制、监视操作以及电气设备操作监视等监控于一体的多功能、大容量、高性能的一体化火电厂综合自动化解决方案。统一在一个平台下的各级系统通过网络畅通地互联并各取所需，带来的好处不仅在于原有数据孤岛的消失避免了测点的重复建设，还在于提高了火电厂的整体自动化水平，有利于大型机组的建设、运行及维护。目前，火电厂电气监控系统实现的主流模式为ＤＣＳ＋ＥＣＳ，即硬接线＋通讯共同实现对火电厂电气设备的监控功能，其结构如图１所示。电气设备的基本控制信号（合分闸操作）、测量信号（开关状态、变送器转发模拟量）通过硬接线方式接入ＤＣＳ来实现控制与监视。　·２·华电技术第３０卷　图１　ＤＣＳ＋ＥＣＳ（硬接线＋通讯）网络结构示意图　　ＥＣＳ系统采用现场总线技术将位于就地开关柜上的保护测控装置内的信息接入到系统中，并通过与ＤＣＳ系统架设网关网桥等通讯接口设备（系统服务器级）将更加丰富的电气设备运行工况信息传输给ＤＣＳ系统。这种实现方式虽然节省了部分现场硬接线和就地变送器，但由于系统互联的通讯量、通讯实时性、通讯可靠性的限制，仅能达到节省ＤＣＳ系统硬接线电缆及补充少量信息的效果。电气监控运行操作依然在ＤＣＳ系统电气操作站上实现，其监控功能只局限于有限的ＤＡＳ（数据采集系统）点监测及遥控操作。该模式对ＤＣＳ没有实质影响，为ＤＣＳ提供了较丰富的电气信息，同时可以实现对厂用电保护的管理，ＤＣＳ仍保持原有经全部硬接线的电气采集控制。ＤＣＳ和ＥＣＳ仍是一个大的自动控制系统和一个小的监控系统，远未实现协同控制和一体化［１］。随着机组规模的不断扩大、电气设备的不断增多，对电厂电气监控自动化系统的要求也越来越高。一方面，生产工艺监控系统（ＤＣＳ系统实现）希望能够监测到更丰富的电气设备信息量；另一方面，电气运行及检修专业对于电气监控不但需要能够对全厂的电气设备实现监测控制，还希望能够对全厂电气设备的工作状况、历史数据、操作管理等信息有一个比较全面的掌握。显然，目前仅满足基本电气监控功能的电气监控系统难以达到这一要求。ＤＣＳ系统电气监控部分的Ｉ／Ｏ测点较少、信息管理功能较弱，但这些测点与工艺控制联系紧密。ＥＣＳ系统的信息量多、信息管理功能较强，但与ＤＣＳ系统的联系薄弱，因而难以成为主监控站而无法发挥其长处。因此，将火电厂热工控制系统和电气监控系统统一在一个监控系统平台下来实现并使之能够互动，提高电厂设备自动化运行水平，提高电厂设备管理维护工作效率。相关企业顺应这一市场需求，提出了在火电厂实现热工控制＋电气监控一体化系统的构想。其基本思想是：基于成熟的ＤＣＳ控制系统平台实现电气监控系统，并使热工控制系统与电气控制系统的平台统一，消除数据孤岛，增强２大系统间的互动，保证电厂完整的生产监控运行模式。经过２年多的理论探索和实践，推出了在仪电一体化技术基础下以现场总线技术实现的全通讯新一代火电厂电气监控系统，并与仪电一体化系统架构下的ＤＣＳ系统一同在华电齐齐哈尔２×３００ＭＷ电厂成功地实现了商业运行。２　全通讯ＥＣＳ系统的分析硬接线＋通讯共同实现的火电厂电气监控系统是基于火电厂“ＤＣＳ系统一体化设计”模式下的一种变通的节省成本的过渡方案，是现场总线技术在ＤＣＳ系统电气监控部分的一种应用，但仅是基于现　第９期李元，等：火电厂仪电一体化电气监控系统的理论与实践·３·　图２　全通讯方式下实现的火电厂电气监控系统结构图场总线技术实现的变电站综合自动化系统于火电厂电气配电系统———一种特殊工业环境下的移植。ＥＣＳ从产生、发展到被用户广泛接受，始终围绕着提高电气系统整体自动化水平、实现ＥＣＳ和ＤＣＳ无缝连接这个目标，目前的通信信息“只监测不控制”，离用户真正期望的全通信方式还有一定的差距［２］。ＥＣＳ系统的技术源于早期的以串行通讯技术实现的中低压变电站综合自动化技术（集数据采集、设备信息管理、监测操作、远动传输于一体），ＥＣＳ系统几乎可以囊括对电气配电系统的所有功能要求，并且是定制于电气配电系统的应用，但这种移植型的ＥＣＳ系统尚不能独立和全面完成火电厂电气监控功能。２．１　难于实现现场总线技术下火电厂ＥＣＳ系统的原因为了满足对生产工艺控制的要求，ＤＣＳ系统必须实现对电气设备（负荷设备）的控制。因为这些配电设备既是工艺控制的一个基础，又是工艺控制系统的重要组成部分，所以，电气设备特别是厂用电负荷设备的运行工况及控制对实现生产工艺要求有很大影响，在实际应用中很难把工艺控制与对电气设备的操作分开。加之ＤＣＳ系统推广应用时，基于现场总线技术实现的变电站综合自动化系统才刚刚起步，除了采用当时的ＤＣＳ系统平台来实现电气监控外并无更好的自动化解决方案，这才有了“ＤＣＳ系统一体化设计”的应用模式。ＥＣＳ系统虽然是电气监控系统的完整解决方案，但在火电厂电气监控配电系统领域，存在与ＤＣＳ系统通讯数据交换瓶颈。如前所述，ＥＣＳ系统应用受限于其不能很好地与ＤＣＳ系统实现通讯数据互动。ＥＣＳ系统与ＤＣＳ系统的数据交换本质上是在２种软硬件结构不同系统间的数据通讯，必须加入网关或网桥才能实现，而不能在对等的网络环境中实现数据通讯。这种传输速度、效率、环节、途径均受限制的通讯方式导致丰富的现场数据中只有少部分通过ＥＣＳ系统传输至ＤＣＳ系统，而重要的控制数据无法放心地交由系统间通讯完成。该模式传输的ＥＣＳ测点与ＤＣＳ工艺流程控制关联不大，无法与ＤＣＳ的ＤＰＵ一对一通讯，与ＤＣＳ交换数据的速度受到制约，因此，ＤＣＳ对电气设备的控制一般仍需通过硬接线实现［３］。由此可以看出，解决ＥＣＳ系统在火电厂电气监控方面的深入应用必须实现其与ＤＣＳ系统的互动。ＥＣＳ系统与ＤＣＳ系统的互动应当是通过多层次、对等的网络架构来实现的。为了便于这种互动的实现，不但应当将ＥＣＳ系统与ＤＣＳ系统统一在同一系统平台下，还应当保证在这一平台下的多层次对等网络结点的各向数据交换都可靠并通畅，系统结构如图２所示。２．２　独立实现火电厂电气监控功能的全通讯ＥＣＳ系统ＥＣＳ系统作为独立的火电厂电气监控系统而存在，就需要将电气监控从ＤＣＳ系统中剥离出来。ＤＣＳ系统对工艺控制功能的实现必须具有对参与工艺控制电气设备的监控功能，这一需求主要集中在　·４·华电技术第３０卷　图３　全通讯方式下实现的火电厂电气监控系统监控数据流向示意图用电负荷设备上，并且所需测点类型基本上有：控制操作（ＤＯ），遥控分合闸；状态监视（ＤＩ），开关本体信号（如开关位置、手车位置、闭锁状态）等；运行监视（ＡＩ），负荷电流、功率、母线电压等。以上测点中仅有ＤＯ／ＤＩ参与直接的逻辑控制。ＡＩ量则为运行人员判断负荷运行状况的辅助参数，并不直接参与ＤＣＳ系统中ＤＰＵ的逻辑控制计算，只在运行界面上进行观察。以上几种数据恰是ＥＣＳ系统通过就地保护测控设备采集交换的基本数据。从数据的完整性上说，完全可以通过ＥＣＳ系统传输给ＤＣＳ系统。为达到数据传输或交换的实时性要求，采用对等网络方式能够将不同用途的数据快速可靠地传输到ＤＣＳ系统各层中去。具体实现方式是：ＤＯ／ＤＩ数据的交换采用ＤＰＵ与通讯管理机之间的通讯来实现；ＡＩ数据及部分次重要ＤＩ数据的监视采用ＥＣＳ系统服务器上传至ＤＣＳ系统操作员站的方式进行传输。监控系统数据流向如图３所示。由图３可知，在站控层采用分布式网络结构的ＤＣＳ系统可以允许系统中存在多组服务器，操作员站（客户端）可以平等地任意调用多组服务器的数据，将ＥＣＳ系统统一在一个系统平台中，使得ＥＣＳ系统在系统服务器级向ＤＣＳ系统无缝的传输数据成为了可能。这种数据传输方式省去了网关、网桥等通讯连接设备，系统架构更加简单明了，更加稳定可靠，数据上传效率更高。图３中在间隔层采用对等网络实现了ＤＰＵ与通讯管理机交换数据。ＤＰＵ所需参与逻辑控制的电气设备ＤＩ数据和ＤＯ命令的发出都在通讯管理机内实现，取消了ＤＣＳ系统电气部分的硬接线。ＤＰＵ与通讯管