火力發電廠電氣監控系統ECS的應用和發展

阿城繼電器股份有限公司哈爾濱研發中心 吳勇波

華北電力大學 孫楚平

阿城繼電器股份有限公司哈爾濱研發中心 肖鵬翀

1.引言

隨著全球數字化信息技術的發展，火電廠在自動化技術也取得了飛速發展，在電力運營市場化的環境下，通過采用自動化更高的的技術和產品來實現生產過程自動化和管理現代化成為火電廠生存和發展的必經之路。目前國內新建的火力發電廠一般都配備了集散控制系統DCS、廠級監控信息系統SIS、廠級管理信息系統MIS和輸煤、化水等輔助控制系統。火電廠電氣監控系統ECS正是在這種背景下產生的，通過接入DCS，從而為實現火電廠機爐電一體化運行監控提供解決方案，本文從應用角度出發，分析了國內ECS的產生、發展和ECS接入DCS的不同模式在實際應用中存在的問題，展望了ECS實現全通信的最終目標。

2.ECS的產生

從20世紀80年代開始，我國單機容量300MW及以上的火電機組開始采用DCS，最初主要是控制汽機和鍋爐，但電氣控制仍采用硬手方式，使得機爐控制與電氣控制極不協調。20世紀90年代后期，隨著各種微機保護測控裝置的運用，電氣系統開始逐步接入到DCS中，接入到DCS的主要系統有：發變組系統、發電機勵磁系統、高壓常用電源系統。這種方式電氣信息通過硬接線接入DCS，如圖一。

接入信息主要包括遙信量輸入輸出和遙測量輸入，接入方式為空節點和4-20mA直流信號。采用這種方式后，通過DCS的CRT實現了電氣相關信息的顯示、報警以及對相關電氣設備的控制調節。這種方式的優點是：電氣量的I/O模件柜布局集中布置，方便管理；硬接線方式信號傳輸中轉環節少，對信號的反應快速可靠，連接電纜正確后，發生故障的幾率低，維護量小。雖然一次性投資高，但目前大部分電廠、設計院仍認為硬接線是ECS接入DCS的最快速可靠的方式。因此，在通信方式逐步擴大推廣應用的環境下，目前對可靠性、實時性要求很高的電氣控制仍然保留了硬接線的方式。但硬接線在實際實施和運行過程中也存在一些問題，例如：

(1)DCS需要配置大量的變送器、IO卡，機柜和連接電纜，施工復雜，成本高。

(2)接入DCS的信息量有限，系統擴展性差。

(3)廠用電需配置單獨的電度表，但又不能實現自動抄表。

(4)無法完成事故追憶、定值管理、操作票等復雜的電氣維護和管理工作。

(5)客觀上造成硬件資源的重復配置。

鑒于硬件接入方式的上述不足，采用通信方式替代硬接線方式是很有必要的。近年來，以工業以太網為代表的網絡通訊技術在電力自動化領域得到廣泛應用并日趨成熟穩定，為火電廠電氣系統接入DCS系統提供了成熟的運行經驗和技術保障。為了提高火電廠的自動化水平，一些電氣設備廠家陸續推出基于網絡通訊的電力監控系統，火電廠ECS接入DCS的方式也變為“硬接線+通信”的方式，目前，以通信方式部分取代硬接線已經得到了國內大部分電廠用戶和設計院的認可。對于采用完全取消硬接線的全通信方式，不少電力設備廠家也在積極探索中。相比國內，在歐美等發達國家的大中機組，DCS的應用更加成熟，自動化程度更高，并且ABB、西門子等設備廠家能提供從繼電保護、間隔測控單元的到DCS的完整解決方案，而國內DCS與繼電保護一般由不同的廠家提供，系統互連有一定難度。

3.“硬接線+通信”的方式的ECS構成

“硬接線+通信”方式的ECS一般采用分布式分層體系結構，一般分為站控層、通信層和間隔層三層，系統網絡結構如圖二。

圖一 硬接線方式結構圖

站控層一般采用C/S的分布結構，由服務器、工作站和通訊網關等組成，形成電氣監控系統。目前雖然電氣系統的大量信息通過通信接入DCS，但主要是用于監控功能，DCS并沒有開發爭對電氣的高級應用軟件。通過ECS相對獨立的實現對電氣系統的監控，不僅提供了DCS的后備控制手段，還能實現諸如保護定值管理、錄波分析等復雜的電氣維護操作，為電氣系統的維護、運行提供專業的管理平臺，這也是ECS的核心價值之一。

通信層一般以通信管理機為核心，對信息起到分組與上傳下達的作用，通過以太網接入站控層的實時主干網，廠用電綜保裝置通過RS485或者現場總線接入通信管理機，對于第三方智能電器設備，一般通過通信管理機實現通信接口和規約轉換，從而實現完整的電氣系統聯網，同時通信管理機可經過串行接口與DCS的分布式處理單元DPU相連，進行信息交換。目前ECS與DCS的通信可通過站控層的通信網關與通信層的通信管理機兩種方式實現，通信網關一般采用100M以太網，通信量大，但需DCS開發專門的軟件模塊，受DCS的開放性限制大，通信管理機與DPU之間一般采用RS485接口、modbus通信協議，簡單易行，因而得到了廣泛應用。

圖二 “硬接線+通信”方式結構圖

圖三 全通信方式結構圖

間隔層包括分散安裝的廠用電綜保裝置，如電動機保護裝置、變壓器保護裝置、發電機保護裝置等，完成對電氣系統現場信息的采集、保護、控制和數據通訊的功能。

“硬接線+通信”的方式使得ECS第一次把網絡化的應用引入到火電廠電氣系統，也使DCS中電氣信息的接入模式發生了根本改變，電壓、電流、功率和各種保護動作信號等大量電氣信息通過通信傳入DCS，與控制相關的開關量輸入輸出還保留硬接線。這種方式為火電廠的電氣運行和維護提供了新的平臺，其與完全的硬接線方式相比具備下述優點：

(1)接入DCS的電氣信息更加全面，系統擴展性高。

(2)DCS取消了大量的變送器、機柜和連接電纜，成本降低。

(3)通過電氣系統后臺可實現事故追憶、保護定值管理、錄波分析等復雜的電氣維護工作，極大的提高了電氣系統的整體自動化水平。

近幾年來，在新建的容量在300MW以上的火電機組，電氣系統都實現了不同程度的聯網，并通過通信接口向DCS傳送相關電氣信息，在提高電氣自動化水平方面，給用戶帶來了確確實實的好處，但ECS在實施的過程中也存在一些問題：

1)對DCS廠家來說，取消了大量相關硬件，市場利益受到沖擊，還需對通信接入投入精力，難免會不積極甚至抵觸。

2)目前國內大多數的DCS的相關設備均是進口，而進口DCS設備的通信開放性勢必會受到很大限制，對于DCS的通信信息、通信周期以及數據包長度等都會有限制。

3)與硬接線方式相比，信息中轉環節多，在可靠性與實時性方面會差一些。

4)ECS節點多，分散性強，由于不同廠家的解決方案良莠不齊，網絡通信中斷，信息刷新慢的問題會偶爾出現，給系統的維護帶來工作量，并影響客戶的使用信心。

對于以上問題的解決，一方面需要ECS廠家根據用戶需求提供穩定先進的產品技術和完善的服務，特別是提高網絡通信的實時性和可靠性、提供豐富完善的電氣管理功能。另一方面也需要DCS廠家做好ECS與DCS的互連規劃設計，從軟硬件配置上滿足系統互連的開放性、實時性。

4.全通信ECS通信的展望

ECS系統從產生到現在的廣泛應用，始終以提高電氣自動化水平，實現ECS與DCS的無縫連接為目標，目前的通信信息基本上還是以監測為主，不控制，離用戶真正期待的全通信還有一定的差距。目前一些國內ECS廠家和電廠一起在全通信方面進行了有益的探索，積累了一定經驗。對于目前投入工程應用的全通信方式，系統網絡結構如圖三所示。

在這種方式下，通信管理機按照電廠的工藝配置需求，參與工藝聯鎖控制的通信管理機和相應的DPU一對一進行通信，由于每個工藝過程的綜保裝置數量較少，因而通信實時性較高，完全可以滿足電廠工藝聯鎖控制的要求，對于不參與工藝聯鎖的電氣信息，通過ECS站控層的通信網關接入DCS。

通過這種方式，電氣系統的控制和聯鎖全部通過網絡通信實現，實時性和硬接線雖然有一定的差距，但都能滿足技術要求，在實現全通信的目標過程中，是一種大膽有益的嘗試，但這種方式也存在下面一些困難：

1）在ECS、DCS中，控制都是通過網絡實現的，但網絡結構一般都不大于三層，并且互聯的設備一般為一個廠家的產品和系統，在圖三中，控制信息的傳輸網絡為四層，DCS的開放性限制也影響了兩個系統之間的連接的緊密型，可靠性和實時性也受到較大制約。

2）通信管理機因工藝的過程來配置，因數量較多而使投資成本增加。

在未來應用中，如果參與工藝聯鎖的綜保裝置能夠根據DCS和ECS的不同要求，把控制信息和非控制信息分開，分別通過獨立的接口接入DPU和ECS的通信管理機，這樣接入DCS信息的可靠性和實時性會有很大提高，但通信負荷的增加、控制的切換等對綜保裝置提出了新的技術要求，同時DCS廠家在市場利益受沖擊的情況下，接入不同通信接口和規約的裝置，勢必會有較大阻力。因此，在新模式的探索中，不僅需要DCS廠級與ECS廠家的全力配合，同時如何平衡市場利益的沖突，也是需要相關方面直面和解決的問題。

5.結語

隨著我國電力系統的快速發展，ECS在大中型火電機組中得到了廣泛應用，“硬接線+通信”方式在目前條件下更好的解決了ECS接入DCS實現機爐電一體化控制的要求，隨著ECS的進一步完善和通信技術的不斷發展，相信不久的將來完全取消硬接線的全通信方式將真正為用戶所接受和廣泛應用。

[1]吳澤生,吳艷萍.數字化電氣監控管理系統的探討[J].電力自動化設備,2004,24(1)94-97.

[2]錢可弭.新型發電廠電氣監控系統的架構與實現[J].廣東電力，2005,18(3):21-25.