核電廠升壓站納入DCS監(jiān)控的遠程I/O解決方案

孫 輝

(深圳中廣核工程設計有限公司，廣東 深圳 518001)

核電廠升壓站納入DCS監(jiān)控的遠程I/O解決方案

孫 輝

(深圳中廣核工程設計有限公司，廣東 深圳 518001)

核電廠的升壓站往往距離主廠房較遠，而電氣系統已普遍納入全廠DCS進行監(jiān)控，如果繼續(xù)采取硬接線的方式實現升壓站和DCS之間的數據交換將面臨電纜傳輸距離長、信號衰減大、抗干擾等一系列問題。借鑒DCS遠程I/O站的技術特點，在升壓站設置遠程I/O以實現與DCS的數據交換。遠程I/O具有抗干擾能力強，節(jié)省電纜投資和易擴展的優(yōu)點，在遠程I/O與DCS主站之間采取光纜傳輸克服了信號干擾問題，并可以減少常規(guī)電纜的使用量。根據核電廠運行要求，確定核電廠升壓站需要進入DCS監(jiān)控的信號種類和數量，并列出通過遠程I/O交換的模擬量和開關量。能夠解決規(guī)劃機組數量較多的廠址普遍存在的升壓站與主廠房距離較遠的問題，可作為類似工程的典型設計方案。

DCS;遠程I/O;升壓站;電氣設計;核電設計

分散控制系統 (DCS)已經在發(fā)電廠的設計中得到普遍應用［1］。隨著發(fā)電廠DCS技術的日益成熟，電氣系統已經全面納入了DCS的控制范疇。以一個典型的百萬千瓦核電機組為例，除了部分對實時性、快速性和可靠性要求高的功能如電氣設備保護、同期、發(fā)電機勵磁、廠用電快切等仍由電氣專用裝置實現外，其他與機組操作、控制相關的功能均已在DCS內實現［2］。國內核電廠的設計從嶺澳二期開始采用DCS作為全廠范圍的控制系統。

電氣系統與DCS的接口目前還是以硬接線為主，部分專用電氣設備也有采取全通信方式接入DCS。一般對于重要的信號還是保留硬接線的方式，同時通過現場總線或其他規(guī)約以通信方式實現電氣系統的信息采集和控制。

核電廠的升壓站子項負責將每臺發(fā)電機組發(fā)出電能進行匯集并通過多條輸電線路輸送到電網。核電廠裝機容量一般都較大，因而普遍是以500 kV電壓等級和3/2斷路器主接線方式將核電廠的電能送出。目前國內一個核電廠址一般都規(guī)劃建設4～6臺核電機組，加之核電廠的輔助廠房較多，導致廠址占地范圍較大，升壓站往往布置在距離核島主廠房較遠的地方。DCS機柜采取集中布置方式，布置在核島廠房的控制房間，這導致從升壓站到DCS機柜的電纜長度可能達到1～2 km，這么遠的距離如果仍然采用硬接線的傳輸方式會帶來電壓降大、信號易受干擾等問題。此問題在國內在建核電機組的設計過程中間已經頻繁遇到。

升壓站按照無人值守設計，電廠在正常運行期間需要進行的日常操作和監(jiān)視功能必須通過DCS工作站完成，因此需要找到成熟可靠的方案將升壓站納入DCS監(jiān)控才能保證核電廠的安全運行。

1 遠程I/O介紹

遠程I/O是DCS技術的進一步發(fā)展并且已成為DCS的一部分。傳統DCS的I/O采集方案是將現場的全部信號通過硬接線送到DCS控制機柜內的I/O模板，由控制機柜的CPU模板完成I/O信息的集中采集和處理。

這種技術方案在某些特定情況下會存在一定的局限性。比如當控制對象的所在位置距離DCS機柜較遠的情況下，就會面臨前面升壓站設計類似的長距離電纜傳輸困難;同時大量電纜的使用也增加了投資;現場信號帶來的干擾問題;由于控制機柜的集中處理機制沒有達到真正的分散控制的目的，導致DCS失效的一些故障因素也不能做到完全分散［3］。

遠程I/O正是應對此問題，結合微機可編程控制器PLC和數字通信技術等形成的過程I/O裝置。它將DCS的I/O采集和處理功能移到了設備現場，盡量靠近現場布置遠程I/O站，采集完成的信號由遠程I/O站的通信模板與布置在主廠房的DCS機柜間以總線方式進行信號傳輸。傳輸介質一般采用光纜，解決了長距離傳輸和抗干擾的問題。遠程控制站在火電廠的工藝系統如循環(huán)水系統等的設計中已經獲得了成熟的應用［4］。國內廠家的產品也得到了成熟的應用［5］。結合現場總線技術的發(fā)展和完善，可以將控制真正做到分散，當其功能不再僅局限于I/O時，則構成了現場總線控制系統(FCS)［6］。

遠程I/O具有特點:遠程I/O距離現場設備近，信號衰減小;節(jié)省電纜投資;I/O機柜分散布置，減小控制室面積;遠程I/O安裝靈活，擴展方便。

2 升壓站應用遠程I/O實現DCS監(jiān)控的方案

百萬千瓦核電機組一般都以500 kV電壓等級接入電網，升壓站普遍采用3/2斷路器接線方式。圖1為2臺機組進線和2條線路出線的示意圖，將以此為例說明升壓站進入DCS監(jiān)控的實現方案。實際工程中為了保證核電機組送電的可靠性，一般至少設計3回輸電線路，此示意圖僅是為了說明DCS監(jiān)控方案而做的簡化。

升壓站按照無人值守設計，除了定期的巡檢和倒閘操作之外，機組正常運行期間的監(jiān)視、控制功能都應該在DCS內進行。因此，雖然升壓站的網絡控制系統NCS能夠對升壓站所有設備實施完整的監(jiān)視控制，但與機組運行相關的信息仍然應該送入DCS。

圖1 升壓站主接線示意圖

DCS需要完成的與升壓站相關的功能可以分為兩部分:控制功能和監(jiān)視功能。

以機組1為例，與機組1相關的2臺高壓斷路器102和103需要在DCS內完成合閘與分閘控制。

核電機組雖然在發(fā)電機出口設置有斷路器，一般是通過這個斷路器完成機組的同期并網和解列停機。不過核電機組具備100%甩負荷的能力，因此在某些運行工況下，比如系統發(fā)生電壓、頻率的異常波動，而機組自身狀態(tài)正常，則可以通過直接跳開升壓站的高壓斷路器將機組與系統解列，待系統恢復正常后再通過高壓斷路器完成機組的準同期并網。由于核電機組的反應堆從停堆狀態(tài)轉入功率運行狀態(tài)的時間較長，通過實現這種運行模式可以盡量減少機組進入停堆狀態(tài)，進而提高機組的負荷因子，提高經濟性。

核電機組脫網帶廠用負荷孤立運行這種運行模式稱為孤島運行。為了實現孤島運行，單元機組的DCS必須對于主接線中與機組相關的2臺高壓斷路器實施全部的控制監(jiān)視功能。與這部分功能相關的信息屬于機組相關信息，直接送入單元機組DCS的控制機柜。

除了上述單元機組信息之外，升壓站其他設備的重要信息也應該送入到DCS，以方便運行人員的運行管理。這部分信息包括升壓站主接線中各斷路器、隔離開關的狀態(tài)，故障信息，保護設備動作信息，電壓、電流等交流量的顯示等。升壓站的這些信息送入DCS之后，就可以實現升壓站日常運行期間的無人值守。只有當出現異常或保護動作，或者需要進行檢修倒閘等操作時，運行人員才需要到升壓站使用升壓站自身的網絡監(jiān)控系統NCS。

升壓站與DCS之間需要交換的信號一般包括開關量輸入 (DI)、開關量輸出 (DO)和模擬量輸入 (AI)，具體如下。

a. 開關量輸入

每串的開關合、分位置;

每串的隔離開關合、分位置;

每串500 kV主變進線及500 kV線路出線的隔離開關合、分位置;

每串500 kV主變進線邊、中斷路器SF6壓力異常;

每串500 kV主變進線邊、中斷路器操作機構異常;

每串500 kV主變進線邊、中斷路器保護動作;

每串500 kV主變進線邊、中斷路器操作箱異常;

每串500 kV主變進線邊、中斷路器保護裝置異常;

各500 kV主變管道母線SF6壓力低。

b. 模擬量輸入 (AI量)

各500 kV主變進線有功電度 (脈沖信號);

各500 kV母線電壓、頻率 (4～20 mA)。

c. 開關量輸出 (DO量)

各500 kV主變進線邊、中斷路器的合閘和分閘。

按照遠程I/O接入DCS的方式不同，可以設計圖2(方案1)及圖3(方案2)所示的2種方案。

圖2 信號連接示意圖A(方案1)

圖3 信號連接示意圖B(方案2)

無論哪種方案，遠程I/O機柜與升壓站的信息交換方式一樣。升壓站與遠程I/O交換的信息按其屬性可歸類為1號機組相關信息，2號機組相關信息以及所有機組都相關的公共信息。無論信息屬性如何，都通過電纜連接到遠程I/O機柜的信號采集卡件。遠程I/O柜對信號進行就地處理后，轉換為數字信號。遠程I/O機柜的通信模塊與布置在后端的DCS機柜進行通信，以完成與各機組DCS的信息交換。根據遠程I/O機柜性能的不同及DCS系統配置方案的不同，可以分為方案1和方案2兩種接入方式。

方案1:如果遠程I/O機柜內的通信模塊具備同時與多臺遠端模塊通信的能力，則可以將1號機DCS與2號機DCS直接與遠程I/O柜的通信模塊進行數據交換，如圖2所示。到1號機組DCS傳輸的信息是1號機組信息加公共信息，到2號機組DCS傳輸的信息是2號機組信息加公共信息。

方案2:如果遠程I/O機柜不具備實時與多臺遠端模塊通信的能力，則可以采取圖3所示的方案。此方案的核心是在多機組電廠設置專門處理公用系統的全廠公共DCS機柜 (在核電廠一般稱為0號機組)。0號機組DCS前端采集的信息與方案1相同，該DCS機柜利用DCS內部的網絡協議通過增設網關實現與不同機組DCS的連接。增加網關設備可以在不同機組DCS之間實現隔離，保證只有公共機組信息可以通過1號網關和2號網關送到2臺機組，而機組相關信息只能通過本機組的網關。信息隔離的要求可以通過對網關進行定義和管理來實現。

遠程I/O與DCS之間的傳輸介質可以根據廠家產品特性要求進行配置，但在距離較長的情況下為了保證信號傳輸的可靠性推薦采用光纜，只需要幾根光纜就可以將升壓站的信息同時送到各機組DCS內。另外，還可以采取冗余光纜以提高遠程I/O與DCS之間的信號傳輸可靠性［7］。

這2種方案都具備如下特點:每臺機組的單元控制室都可以獲取其需要的全部升壓站的信息;與機組控制相關的功能僅在本機組實現，其他機組沒有控制權限;減少了常規(guī)電纜的使用;升壓站與單元控制室之間通過光纜傳輸，不受距離限制。

3 結束語

本文論述了通過在升壓站設置了DCS的遠程I/O站，實現開關站與DCS之間的信息交換。針對遠程I/O技術性能的不同，采取2種不同的方式將遠程I/O接入機組DCS，從而保證設計方案的靈活性。由于遠程I/O站布置在升壓站，最大限度地靠近用戶端，減少了電纜長度的同時避免了長距離信號傳輸帶來的干擾問題。而遠程I/O與DCS之間是光纜傳輸，基本不受距離的限制。此方案能夠解決規(guī)劃機組數量較多的廠址普遍存在的升壓站與主廠房距離較遠的問題。

［1］ 王 敏，馬成久，李辰龍.阜新發(fā)電廠200 MW機組中電氣控制系統納入DCS［J］.東北電力技術，2003，24(4):35-37.

［2］ 張 薇，唐 毅.電氣系統監(jiān)控納入DCS的探討 ［J］.電力建設，2005，26(1):67-69.

［3］ 劉一福.火電廠DCS應用中的技術問題及分析 ［J］.發(fā)電設備，2004，18(增刊):110-114.

［4］ 許小沖，胡立生.XDPS系統在600 MW機組中的應用［J］.控制工程，2007，14(7):6-9.

［5］ 賈偉志，王喜豐，金春林.電氣量監(jiān)控在DCS中的實現［J］.吉林電力，2002，30(3):38-40.

［6］ 魏 巍，王 銳.PLC、DCS和FCS的特點及在電廠中的應用［J］.東北電力技術，2009，30(5):37-39.

［7］ 錢培峻.遠程I/O的實踐和應用 ［J］.發(fā)電設備，2004，18(增刊):46-48.

Remote I/O Technology Applied in Substation Design of Nuclear Power Plant

SUN Hui
(China Nuclear Power Design Company Ltd.(Shenzhen)，Shenzhen，Guangdong 518001，China)

The substation of nuclear power plant usually is far away from the main building，leading to long distance transmission of signals between substation and main building.If hard-wired cables are used，the signals could be interfered easily.In order to solve this problem，the author proposes applying the remote I/O technology into the substation design.Remote I/O technology has advantages in reducing interference，saving cables and extension.According to the operation procedure of nuclear power plant，the signals which are necessary to be monitored by DCS are listed.A detail design scheme is introduced in this article.

DCS;Remote I/O;Substation;Electrical design;Nuclear power plant design

TM623

A

1004-7913(2014)04-0055-03

孫 輝 (1973—)，男，雙學士，高級工程師，研究方向為核電廠電氣設計。

2014-01-03)