發(fā)電廠廠用電監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)建

作為發(fā)電廠自動化系統(tǒng)的一個組成部分，發(fā)電廠廠用電監(jiān)控系統(tǒng)ECS(Electric Control System)先后經(jīng)歷了一對一控制、集散控制系統(tǒng)(DCS)、全數(shù)字化電氣監(jiān)控三個階段的發(fā)展。

一、發(fā)電廠廠用電監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展

一對一的控制方式，即設置發(fā)電機廠用電控制屏，采用一對一的強電控制。這是一種比較原始的控制系統(tǒng)，自動化程度較低，但結(jié)構(gòu)簡單、監(jiān)控簡捷。隨著計算機信息技術(shù)的發(fā)展，為提高發(fā)電機組的電、熱負荷能力，集散控制系統(tǒng)DCS逐步得到廣泛應用。但該系統(tǒng)的通信能力較弱，對DCS下發(fā)的控制命令無法快速響應，也無法快速地把相關電氣量傳給DCS，通常要專門鋪設二次電纜，工作量大、投資高，而廠用電保護裝置或電機控制中心(MCC)、動力中心(PC)控制裝置本身所具有的采集和控制功能卻未能得到充分利用。全數(shù)字化的電氣監(jiān)控系統(tǒng)，為DCS提供了所需的信息接口和控制接口，采用廠用電保護裝置和MCC、PC控制裝置來滿足保護、測控和高速通信的要求，通過工業(yè)現(xiàn)場總線或以太網(wǎng)將廠用控制系統(tǒng)組成局域網(wǎng)，實現(xiàn)完全數(shù)字化的電氣信息量監(jiān)控。該系統(tǒng)中DCS采用通信軟報文的方式進行電氣信號的采集和控制，無需二次接線，節(jié)省成本。

二、如何提高ECS系統(tǒng)的通信速度和可靠性

要實現(xiàn)DCS對電氣監(jiān)控信號的快速采集控制，滿足順序控制的要求，就需要在ECS整體網(wǎng)絡方案設計時充分挖掘其通信速率的潛力，在ECS發(fā)展的第三階段主要采用分層、分布的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，由系統(tǒng)站控制層、通信層和間隔層3層所組成。然而對任一通信環(huán)節(jié)而言，通信介質(zhì)和通信規(guī)約的選擇才是提高通信速度的主要因素。由于歷史和習慣的原因，DCS系統(tǒng)大都使用串口Modbus規(guī)約與其他裝置通信。串口介質(zhì)本身相對低速，Modbus規(guī)約的通信帶寬有限，通信機制也過于簡單，只能進行全數(shù)據(jù)或部分數(shù)據(jù)的召喚和上傳，不能優(yōu)先提取變化的數(shù)據(jù)，DCS只能是根據(jù)連續(xù)2次查詢而ECS都不應答來判斷通信鏈路已斷。為此DCS和ECS控制層之間的通信介質(zhì)采用基于TCP/IP的以太網(wǎng)，通信規(guī)約采用IECl04，通信雙方都可以主動發(fā)起通信且支持變化數(shù)據(jù)的優(yōu)先上傳，這樣只要ECS中有變化數(shù)據(jù)，就會立即無延時地主動向DCS上傳。

ECS站控制層和電氣間隔層之間的通信包含2個部分：ECS站控制層各主機和通信層之間的通信、通信層和間隔層之間的通信。ECS站控制層由工控機組成，操作系統(tǒng)本身對各種商用以太網(wǎng)卡提供了很好的支持，所以基本都采用以太網(wǎng)組成ECS的組網(wǎng)方案，時間延遲可以最大限度地縮短。間隔層主要由2類裝置組成，一類是數(shù)量眾多的廠用電保護裝置，另一類是數(shù)量有限的發(fā)變組保護裝置、廠用電快切裝置、直流系統(tǒng)、UPS、勵磁系統(tǒng)控制裝置等，這些裝置可以獨立完成預定功能。間隔層裝置的數(shù)量最多，直接反映每個電氣間隔的實時運行狀況，所以間隔層的通信速度和可靠性直接決定了ECS系統(tǒng)的通信速度和可靠性。目前，間隔層組網(wǎng)主要采用RS-485、現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)。

RS-485只有1個主節(jié)點，其他均為從節(jié)點，主節(jié)點可以主動啟動通信過程，從接點被動應答。此網(wǎng)絡中主節(jié)點采取輪詢的方式依次訪問從節(jié)點，獲取數(shù)據(jù)，與此同時站控制層一般都是以太網(wǎng)通信，除了獲取從節(jié)點數(shù)據(jù)外還要向站控制層轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。為了提高通信速率，常用的方法是:加快主節(jié)點的查詢速度和頻度，減少從節(jié)點數(shù)量。加快主節(jié)點的查詢速度和頻度將加重主節(jié)點的任務負擔，況且提升也有其上限，畢竟主節(jié)點的通信管理機除了與間隔層裝置通信外，還有數(shù)據(jù)入庫處理和向站控制層轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)等任務，過度加快和間隔層裝置的通信任務勢必影響其他任務的正常運行，使其成為網(wǎng)絡中最脆弱的瓶頸。減少從節(jié)點數(shù)量會使整個ECS系統(tǒng)的性價比下降。顯然，RS-485網(wǎng)不太合適作間隔層的組網(wǎng)。

現(xiàn)場總線是以單個分散的數(shù)字化、智能化控制設備作網(wǎng)絡節(jié)點，用總線連接實現(xiàn)相互交換信息，完成控制功能，采用數(shù)字式通信方式取代模擬量或開關量信號，使用一根電纜連接所有現(xiàn)場設備。現(xiàn)場總線種類較多，主要有Profibus、CAN、LonworkS和WorldFip等，各種總線的主要應用領域也各有不同。

以太網(wǎng)是使用最為廣泛的局域網(wǎng)技術(shù)。以太網(wǎng)的傳輸速度有10/100/10OOMbit/s，是現(xiàn)場總線網(wǎng)所無法比擬的，可充分滿足ECS間隔層與站控制層進行高速通信的要求。以太網(wǎng)可靠性高、結(jié)構(gòu)簡單。隨著以太網(wǎng)技術(shù)的廣泛應用，技術(shù)日趨成熟，設備價格大幅下降，大大降低了ECS間隔層的組網(wǎng)費用。同時以太網(wǎng)具有完善的故障排除工具和強有力的網(wǎng)絡監(jiān)控功能，進一步確保了以太網(wǎng)的穩(wěn)定性。現(xiàn)場總線網(wǎng)的網(wǎng)管相故障排除工具很少或幾乎沒有。

可見，優(yōu)化ECS組網(wǎng)方案、恰當選擇通信規(guī)約，就能滿足DCS通過ECS對順序控制的高速要求。

（作者單位：青島科技大學 青島市技師學院）