火電廠ECS電氣監控系統納入DCS監控的應用分析

佘丹寧

（神華陜西國華錦界能源有限責任公司，陜西 榆林719319）

在火力發電廠中，熱工及電氣系統的自動化水平，在很大程度上反映了整個電廠節能經濟調度運行管理水平。隨著機組規模容量的進一步擴大，智能自動化水平的進一步提高，大中型電廠已將電能生產運營過程中越來越多服務控制對象納入到統一的電廠集散控制系統（Distributed Control System，DCS）中。電氣、熱工間系統功能特性和自動化水平不協調問題一直是制約電廠繼電保護系統發展的重要瓶頸。從20世紀90年代中后期開始，電廠電氣監控系統（Electrical Control System，ECS）中的發變組、廠用電等系統陸續在DCS中展開集中監控，但由于當時建設技術水平的影響，電廠電氣系統中的數字化繼電保護和自動控制裝置，依然采用I／O模件硬接線方式接人DCS系統，沒有真正實現電氣測量、保護、監控等數據信息通信共享和互操作功能。為實現電廠監控保護智能自動化功能，取消常規硬接線方式，采用通信方式將ECS納入到DCS監控中，實現火電廠機、爐、電的集控運行，是當前火力發電廠繼電保護研究的焦點問題之一。將火電廠ECS的數據信息資源通過網絡通信方式，實時準確地接入DCS監控中，成為電廠自動化監控系統發展的一種方向，在新建和改造大中容量機組繼電保護工程中得到廣泛推廣應用［1］。

1 火電廠ECS應用現狀

DCS是火力發電廠監測、調控、保護的核心自動化系統，除了常規控制鍋爐、汽輪機以及公用輔助設備裝置的協調控制系統（Coordinated Control System，CCS）、順 序 控 制 系 統 （Sequence Control System，SCS）、爐 膛 安 保 系 統 （Furnace Security Supervisory System，FSSS）外，隨著科學技術的進一步發展，電廠監控保護技術要求的進一步提高，汽輪機調速控制系統（Digital Electro Hydraulic，DEH）、ECS等，也被納入到DCS監控之列。目前，ECS中僅有部分重要信號通過硬接線方式接入到DCS集散控制系統中，進行集中動態監控，如送風機、磨煤機等重要輔機的啟停信號，廠用電分支線路開關動作信號等；絕大部分數據信號則經ECS系統的網關機通過光纖以太網實現與DCS網關機間數據信息的傳輸，比如輔機設備裝置運行電流、電壓、功率等［2］。此種通信方式，雖然其結構較為簡單，但由于DCS監控將ECS系統作為數據信息采集前端。根據內部功能需求從ECS網關機上獲得少量電氣監控數據信息，也就是只有少部分電氣設備裝置能通過DCS完成運行工況性能的監視、操控和保護功能，絕大部分電氣設備裝置依然停留在ECS中進行獨立操作控制，無法實現電廠智能一體化控制。智能自動化電廠系統的建設，需要接入DCS的電氣設備裝置較多，接線較為復雜、通信點數量龐大，基本都在三四千點左右，有的大型電廠甚至出現上萬個點，在常規硬接線方式下，不僅會增大設備投資，同時還會由于數據量的劇增引起DCS無法實時刷新數據，導致DCS監控操作工作站中的電氣信號數據嚴重滯后，甚至還會影響到DCS監控功能的正常發揮。為了充分發揮DCS強大的集中監視調控保護功能，實現機、爐、電等子系統的更高級、網絡化、智能化、自動化的集中監控和實現“減人增效”降低電能生產運營成本等目的，采取全通信方式完成ECS與DCS監控的無縫實時鏈接，實現電廠DCS智能一體化監控功能，是電廠繼電保護自動化系統建設發展的重要途徑［3］。

2 ECS納入DCS監控范疇

火電廠繼電保護系統中，ECS系統相對獨立地實現電廠電能生產電氣部分設備裝置運行工況性能的監控與管理，同時也通過硬接線方式將部分重要信號與DCS和其他監控信息系統進行傳輸互享和協調工作。根據單元機組的運行特性和電氣監控技術特點，筆者認為火電廠ECS系統涵蓋的監控范圍主要包括廠用電系統、網控系統、發電機勵磁系統、發電機—變壓器組（發變組）控制系統等。其中，發變組控制系統、發電機勵磁系統、廠用電源系統等電氣監控系統應全部納入到DCS監控范疇；廠用電內的柴油發電機組和保安電源、直流電源系統、應急供電UPS系統等也應該納入到DCS監視范疇［4］。

3 監控一體化方案的實現

3.1 控制方式的實現

將大中型容量熱力發電機組的ECS納入到DCS監控的主要控制方法為：由DCS監控系統中的高級應用軟件根據系統運行工況狀態通過程序判斷形成電氣邏輯，然后經DCS監控的I／O通信端口或網絡實時通信網，將調控指令直接發送到現場電氣設備裝置的智能終端，進而實現廠用電電源自動切換，斷路器操作機構自動分、合閘操作；高壓電動機啟、停控制。DCS監控可以對操控人員所發出的操作命令和動作事件行為的合法性、可靠性的邏輯進行檢查判別，避免“誤動”、“拒動”等誤操作事件發生。ECS納入DCS監控系統的重要組成部分，如發—變組保護、AVR自動調節、廠用電系統等自動調節保護裝置的動作保護信號和位置狀態開關量，以DI數字輸入量模式送入到DCS監控中；對于電流、電壓、功率等模擬信號則經A／D模數轉換后，形成4～20mA標準信號送入到DCS監控中［5］。

3.2 總體設計方案

在全通信方式下，電廠電氣和熱控系統合用一套微機監控DCS系統，完成對電能生產運營各環節的集中管理和分散控制，實現電廠機、爐、電智能一體化監控管理。ECS納入DCS的監控智能一體化方案，如圖1所示。

圖1 全通信方式監控智能一體化方案

從圖1可知，ECS與DCS通過主控單元進行數據信息通信，即將智能化和網絡化的主控單元作為DCS中分散處理單元（Distributed Processing Unit，DPU）的電氣專用遠程I／O功能模件，相應的控制信號和動作事件命令由DPU完成，并通過串口通信服務網卡→通訊處理機→現場總線→測控保護單元，完成對電氣設備裝置的啟停操控，實現ECS與電廠DCS的智能一體化監控管理。

3.3 監控一體化功能實現

3.3.1 機組自啟停控制功能

在DCS監視系統中，機組自啟停控制邏輯功能和命令信號通過主控單元，傳輸給ECS，實現機組的順序控制或手動操作控制，當發電機轉速上升到額定轉速時，ECS就會自動判斷將投入AVR自動調節裝置；當發電機電壓上升到額定值時，DCS監控系統將通過主控單元發出投入同期裝置信號。在同期過程中，DCS監控中的ECS子系統將會實時監測AVR、DEH裝置性能參數，待所有參數均滿足同期條件時，向斷路器發出合閘指令脈沖，并網運行后，機組啟動完成。機組在正常停機過程中，ECS子系統控制DEH裝置降低機組負荷，當機組負荷降低到整定值時，ECS將機組自身高壓廠用電系統快速準確切換到到其他分段母線上進行供電，直到機組負荷降低到零為止，跳主機開關，并聯跳汽輪機（主汽門關閉開關）和發電機滅磁開關。

3.3.2 廠用電監視功能

電廠中的高、低壓廠用電系統的自動切換裝置，其運行工況狀態信號通過全通信方式進入到DCS監控系統中，進行運行工況數據信息的實時顯示、記錄、運算分析、報警、存儲以及其他綜合應用功能。

3.3.3 電氣公用監視功能

公用系統是電廠機組高效穩定運行的重要保障性裝置，其主要包括：備用變電氣開關及繼電保護裝置控制、AVR調壓裝置控制、照明電路控制等，這些均由DCS中的ECS子系統控制邏輯實現，并可通過主控單元由遠方實現集中調控操作和保護聯動。將ECS電氣監控系統納入到DCS監視系統后，其運行工況狀態、特征電氣參量以及調節運行過程中的顯示、運算分析、報警提示、報文報表等，均與熱工信息一樣在DCS上位機中實現集中監視和控制。各種現地電氣遠方操作信號通過主控單元進入到DCS監控后，通過可視化人機互通界面進行鼠標操作，即可以在DCS上位機上設置操作準許權限、閉鎖條件等防誤邏輯程序。將ECS納入到DCS監控中，可以實現對機組動態自動化調控和全廠信息實時運算分析，便于電廠調控人員制定高效合理的調度運行決策，確保機組安全可靠、節能經濟的高效穩定運行。

4 DCS監控實施過程中的安全措施

將ECS納入DCS監控，設置單獨的ECS子站，可以避免實際調控運行過程中機、爐等對電氣設備運行工況性能的干擾，且在DCS監控中將電氣設備性能參數的修正均設置“確認”軟閉鎖按鈕，只有當電氣操控人員確認該操作后方可生效，這樣可以有效避免人為誤操作事故發生。將ECS電氣監控系統納入到DCS監控，可以有效提高電氣設備運行性能狀態監視操控的智能自動化水平，同時可以避免專業間相互干擾問題，許多繁瑣的邏輯判斷和閉鎖操作可由DCS監控系統自動邏輯判斷完成，確保電氣設備高效穩定的運行，降低各種誤操作事故的發生率。但由于ECS納入DCS監控，無形中會給DCS監控帶來電磁干擾源；因此，為了進一步提高DCS監控系統運行的安全可靠性，在ECS納入到DCS監控中的建設和升級改造實施過程中，筆者認為應采取以下安全防護措施：① 根據設備裝置性能特點要求，將供電電源按照強、弱兩個電源進行獨立分布布設，避免強電電源系統對DCS計算機監控系統產生干擾；② 對于斷路器、隔離開關等部分電氣控制回路而言，其跳、合閘電流通常較大，而DCS監控系統所能提供的輸出觸點容量很難滿足其操控需求，此時必須通過擴展繼電器將輸出觸點信號轉接到二次電氣控制回路中，確保電氣回路的安全性和動作可靠性；③ 設置機械閉鎖與電氣閉鎖相匹配的綜合閉鎖系統，在就地開關柜門上設置“現場／遠方”轉換開關，當開關處于“現場”工位時，不僅要在DCS上位機上顯示開關柜門狀態，同時還需建立邏輯閉鎖，避免操控人員在DCS監控上位機上出現誤操作；④ 從大量運行經驗可知，僅將一對動合觸點引入DCS監控系統反映開關狀態時，容易造成系統的“誤判”；因此，建議將開關的動合和動斷觸點同時接入到DCS監控系統，用以反映開關真實的動作工況狀態；⑤ 對于ECS中的重要電氣參數（如電壓調節功率調節等）接入DCS監控，應盡量采用“三取二”的方式，以提高DCS數據信息采集的可靠性和動作信號命令判斷的準確性。

5 結 語

在新建和改造的大中型火力發電機組，將ECS用到全廠DCS監控系統中，實現了機、電、爐智能一體化監控，可使實際運行調控操作更加簡單、安全，監控更加集中完善。ECS通過全通信模式結構納入DCS監控，優化DCS監控系統內部接線結構，節省大量信號電纜，降低了工程整體投資費用。全部電氣的操作、監控均納入全廠DCS監控中，且與機組機、爐控制系統共同構成電廠綜合自動化集控系統，為單元機組實現智能一體化集控運行提供重要技術支撐。機、爐、電大聯鎖主保護數據信號均全部納入到DCS監控中，有效提高電廠電能生產運營安全、穩定、可靠的自動化監控管理水平，降低運行維護成本。因此，將ECS系統通過全通信方式納入到DCS監控，能夠滿足電廠安全可靠、節能經濟的高效調控運行需求。

［1］柴 昕.電氣控制系統在電廠的應用［J］.新疆電力技術，2009（1）：18－19.

［2］劉志超，丁建民，任錦興，等.基于以太網的分布式發電廠電氣監控系統實現［J］.電力系統自動化，2004，28（8）：84－87.

［3］閏天軍，郭 偉，趙樹春.火電廠電氣監控系統接入DCS方式的分析［J］.電力系統自動化，2006，30（11）：86－89.

［4］沈良柳.電氣監控系統納入DCS一體化控制及系統對時［J］.熱力發電，2006（6）：50－52.

［5］李 文.基于DCS的大中型火電廠電氣控制系統的改造及應用［J］.電氣應用，2012（1）：63－67.