火電廠電氣自動化系統(tǒng)中的以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線

郝建云 劉慧敏

（陽城國際發(fā)電有限責(zé)任公司，山西 晉城 048000）

電廠電氣自動化系統(tǒng)，簡稱ECS，是電廠自動化領(lǐng)域近年來興起的一個新的熱點。與DCS側(cè)重于熱工系統(tǒng)的監(jiān)控相對應(yīng)，ECS側(cè)重于電氣系統(tǒng)的監(jiān)控；與NCS側(cè)重于電廠接入電網(wǎng)部分的電氣監(jiān)控相對比，ECS側(cè)重于發(fā)電廠內(nèi)部，實現(xiàn)廠用電中低壓電氣系統(tǒng)的保護、測量、計量、控制、分析等綜合功能。

1 傳統(tǒng)的電廠電氣監(jiān)控方案

傳統(tǒng)的電廠電氣監(jiān)控的實現(xiàn)方式是由DCS系統(tǒng)經(jīng)I/O板實現(xiàn)對電氣部分的數(shù)據(jù)采集和遠方控制。電氣部分特殊控制功能如繼電保護、故障錄波等都由獨立的裝置來實現(xiàn)，與DCS系統(tǒng)無關(guān)。

2 電廠電氣自動化系統(tǒng)方案

隨著微機在繼電保護和自動裝置中的廣泛應(yīng)用，電氣綜合保護測控裝置可以實現(xiàn)基于交流采樣的保護、測量、錄波、控制和通信，這些新型的微機保護測控裝置可以非常方便地采用現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)等技術(shù)組成網(wǎng)絡(luò)，電廠電氣監(jiān)控也發(fā)展為以交流采樣、數(shù)字通信為主要特點的綜合自動化系統(tǒng)。

2.1 現(xiàn)場總線簡介

現(xiàn)場總線（Field Bus）是工廠底層設(shè)備之間的通信網(wǎng)絡(luò)，是計算機數(shù)字通信技術(shù)在自動化領(lǐng)域的應(yīng)用，為底層設(shè)備信息及生產(chǎn)過程信息集成提供了通信平臺。工廠底層應(yīng)用現(xiàn)場總線技術(shù)實現(xiàn)了全廠信息縱向集成的透明通信，即從管理層到自動化底層的數(shù)據(jù)存取。現(xiàn)場總線的介質(zhì)訪問控制方式可滿足工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的要求，即通信的實時性和確定性，但是現(xiàn)場總線的通信速率相對比較低，不適合大量的數(shù)據(jù)傳輸。

2.2 工業(yè)以太網(wǎng)簡介

以太網(wǎng)和TCP/IP協(xié)議在IT行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，隨著IEC61158統(tǒng)一現(xiàn)場總線標準的失敗，使得工業(yè)控制領(lǐng)域的專家將目標轉(zhuǎn)向在IT行業(yè)獲得成功的以太網(wǎng)技術(shù)，以太網(wǎng)具有兼容性好、成本低廉、通信速率高等優(yōu)點，但是也有實時性差、不確定性等問題。以太網(wǎng)適合應(yīng)用于大數(shù)據(jù)量，實時性要求不是特別高的場合。

2.3 電廠電氣監(jiān)控的特點

電廠電氣監(jiān)控系統(tǒng)的范圍包括廠用電系統(tǒng)、網(wǎng)控系統(tǒng)、機組系統(tǒng)等，其中網(wǎng)控系統(tǒng)可采用目前非常成熟的變電站自動化系統(tǒng)的技術(shù)，電廠電氣監(jiān)控系統(tǒng)具有以下特點：

2.3.1 系統(tǒng)的設(shè)備數(shù)量和種類多，信息量大，物理位置分散。要接入的裝置類型包括6kV綜保、380V綜保、發(fā)變組保護測控、錄波、勵磁、同期、廠用電快速切換、UPS、柴油發(fā)電機組、安全穩(wěn)定裝置、直流系統(tǒng)等，裝置數(shù)量經(jīng)常是幾百臺甚至上千臺，每臺裝置都有幾百個信息點，裝置分布在電子設(shè)備間及各個廠房。

2.3.2 與其他系統(tǒng)的接口復(fù)雜，需要與ECS系統(tǒng)接口的其他系統(tǒng)包括機組的DCS系統(tǒng)、電廠SIS系統(tǒng)、MIS系統(tǒng)等，而與DCS的接口方式既有硬接線方式，又有通信方式，通信接口方式既有系統(tǒng)級的接口又有主控單元和DPU級的接口。

2.3.3 ECS是DCS系統(tǒng)的一個子系統(tǒng)。

2.4 基于工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線的電廠電氣自動化系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

根據(jù)電廠電氣監(jiān)控的要求以及工業(yè)以太網(wǎng)、現(xiàn)場總線的特點，電廠電氣自動化系統(tǒng)采用以下網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，站控層采用工業(yè)以太網(wǎng)，間隔層采用現(xiàn)場總線組網(wǎng)。整個系統(tǒng)采用分層分布式結(jié)構(gòu)，分為站控層、通信控制層和間隔層，下層的功能不依賴于上層設(shè)備及通信網(wǎng)絡(luò)。站控層由主站系統(tǒng)構(gòu)成，是整個ECS系統(tǒng)的控制管理中心，完成對整個ECS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)收集、處理、顯示、監(jiān)視、控制功能。通信控制層不僅完成間隔層裝置和主站系統(tǒng)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，可實現(xiàn)與DCS的DPU的數(shù)據(jù)交換，而且可以實現(xiàn)與電氣相關(guān)的部分邏輯控制功能，通信控制層主要由通信和控制兩個功能組成。間隔層也叫設(shè)備層或者裝置層，主要由各種保護測控裝置和智能設(shè)備組成，可以通過現(xiàn)場總線、以太網(wǎng)、串口等方式和上一層主控單元進行數(shù)據(jù)通信。

整個系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)由兩種網(wǎng)絡(luò)組成，站控層網(wǎng)絡(luò)和間隔層網(wǎng)絡(luò)。

站控層網(wǎng)絡(luò)包括兩個部分功能，一是站控層設(shè)備和通信控制層設(shè)備或間隔層裝置之間的通信，一是站控層各個節(jié)點之間的通信。主站系統(tǒng)中有兩個相互冗余的作為數(shù)據(jù)處理核心的通信服務(wù)器，通信服務(wù)器負責(zé)通過以太網(wǎng)絡(luò)、站級通信規(guī)約與通信控制層的主控單元或者直接與裝置進行數(shù)據(jù)交換，同時通過實時數(shù)據(jù)庫與站控層其他主站接口交換數(shù)據(jù)。站控層網(wǎng)絡(luò)采用高速以太網(wǎng)絡(luò)，通信介質(zhì)采用五類雙絞線，當距離遠時采用光纖。

間隔層網(wǎng)絡(luò)指通信控制層與間隔層裝置之間的通信網(wǎng)絡(luò)，主要采用LON現(xiàn)場總線為基本測控網(wǎng)絡(luò)，傳輸通道物理介質(zhì)采用屏蔽雙絞線。LON現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)過了充分的實驗驗證和現(xiàn)場考驗，是較理想的自動化系統(tǒng)的測控網(wǎng)絡(luò)。間隔層也可根據(jù)用戶需求和現(xiàn)場實際情況采用工業(yè)以太網(wǎng)、CAN現(xiàn)場總線、RS-485等作為通信網(wǎng)絡(luò)。

系統(tǒng)吸收了DCS系統(tǒng)和變電站自動化系統(tǒng)的優(yōu)點，具有以下特點：

·采用分層分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，站控層和間隔層分別用工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線組網(wǎng)；

·采用雙機雙網(wǎng)的冗余設(shè)計，各種關(guān)鍵的主機和網(wǎng)絡(luò)均采用熱備冗余方式；

·保護測控一體化設(shè)計；

·開放的通信系統(tǒng)，支持與各種綜保、智能裝置、DCS系統(tǒng)、SIS系統(tǒng)的通信接口；

·可根據(jù)用戶的需要按照DCS的生產(chǎn)工藝流程組網(wǎng)，也可按照電氣分段組網(wǎng)。

2.5 電廠電氣自動化系統(tǒng)與DCS的接口

采用電氣自動化系統(tǒng)后，ECS系統(tǒng)內(nèi)部的信息交換以網(wǎng)絡(luò)通信方式為主，但是ECS與DCS的信息交換還主要采用硬接線方式，主要原因是通信方式還沒有被廣大用戶和設(shè)計院接受，全通信方式在有些對新技術(shù)比較容易接受的電廠中也有采用，甚至是大容量和高電壓等級的機組。目前ECS與DCS的接口方式主要有以下幾種：

·DAS（Data Acquirment System）模式，即ECS作為DCS的一個數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)。

·保留關(guān)鍵硬接線的方式，采用現(xiàn)場總線、按照電廠工藝流程構(gòu)成控制網(wǎng)絡(luò)的電氣自動化控制系統(tǒng)，通過現(xiàn)場總線實現(xiàn)電氣部分的信息采集和控制；參與熱工控制的重要電動機的起停控制以硬接線實現(xiàn)控制。

·完全采用通信方式。

3 結(jié)束語

ECS系統(tǒng)充分利用了工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線的優(yōu)點，將各自獨立運行的保護測控裝置、自動裝置以及其他智能設(shè)備等通過現(xiàn)場總線或以太網(wǎng)聯(lián)結(jié)起來構(gòu)成自動化系統(tǒng)，同時實現(xiàn)了采用通信方式與DCS系統(tǒng)交換信息，減少了DCS的測點投資和硬接線方式下的電纜投資，同時提高了整個發(fā)電廠的自動控制水平和運行管理水平。與DCS的通信方式的信息交換也必將隨著軟硬件技術(shù)的成熟和運行經(jīng)驗的豐富成為主流的方式。

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