三門核電主交流電系統與DCS接口方式分析

摘要：為實現電氣設備的自動化控制和智能化監測，三門核電機組主交流電系統應用了智能電氣設備以及現場總線技術。文章介紹了三門核電機組主交流電系統智能化電氣設備的使用情況，以及與DCS的接口方式，分析了使用智能化電氣設備、現場總線技術的優勢，并指出了后續可以改進的地方。

關鍵詞：電氣設備；主交流電系統；DCS；設備接口；現場總線；AP1000

中圖分類號：TM761文獻標識碼：A文章編號：1009-2374（2014）21-0073-03

隨著工業行業現場設備的智能化以及現場總線技術的不斷發展，現場設備逐漸具備了自動控制和保護功能，連接方式也從常規的硬接線方式發展到了現場總線方式，且電氣類裝置在自動化、智能化方面發展更快，應用也更為成熟。三門核電機組主交流電系統使用了自動化、智能化電氣設備，并結合使用了現場總線技術與DCS（Distributed Control System，分散控制系統）接口，以此實現電氣設備的自動化控制和智能化監測。

1系統功能簡介

1.1儀表和控制系統

三門核電一期兩臺機組采用西屋公司AP1000三代核電技術，采用全數字化儀控技術，按照核安全相關性，安全級儀控系統采用ABB的Common Q控制平臺，非安全級儀控系統即DCS采用艾默生的Ovation控制平臺。

1.2主交流電系統

機組的主交流電系統不履行任何安全功能，由正常、優先、輔助電源組成。正常電源由電廠主發電機經廠用變壓器供電；優先電源是通過500kV開關站、主變壓器和廠用變壓器供電；輔助電源通過輔助變壓器供電；備用電源是由備用柴油發電機向有特殊保護功能負荷供電。母線額定電壓分別為10.5kV和400V/380V，負荷供電原則如圖1所示：

圖1主交流電系統供電原則

1.3現場設備及現場總線技術發展

傳統的工業應用中，由于現場設備大多自動化、智能化程度不高，不具備自動化保護功能，需要使用多個單獨電氣器件，通過硬接線連接方式來實現就地的控制和保護功能，現場設備也都是采用硬接線方式與DCS的輸入/輸出模塊進行連接，從而接入DCS系統，在DCS系統實現與工藝系統的連鎖保護功能。

隨著工業行業要求提高設備運行的可靠性以及減少設備故障，現場設備逐漸向自動化、智能化方向發展，控制方式也向現場總線數字化通訊技術發展，但各領域現場設備的自動化發展水平是有差異的：

1.3.1過程儀表、氣動閥門等智能設備，由于設備需要傳輸的信號量較少，一般是使用常規硬接線傳輸模擬量、開關量，并可以在傳輸模擬量的硬接線上結合HART等總線技術實現設備控制功能，在一定程度減少了電纜使用量。另外，在實際應用中，一些現場智能設備即使已經具備現場總線通訊能力，大多也會因為不能規模化普遍采用的原因，轉而采用常規的硬接線連接。

1.3.2對于電氣類設備，由于設備（如斷路器、電機）需要監測的參數多，電氣繼電保護功能在可靠性、響應速度方面有要求，所以在自動化、智能化方面普遍發展水平較高，設備自身具備輸入輸出、邏輯組態能力，可以就地實現定值保護功能，可以通過現場總線通訊方式傳遞現場設備更多的狀態信息供運行和維護人員參考和決策，從而提高電廠信息化水平，相關的電氣自動化設備及現場總線技術在常規的工業行業也得到了比較廣泛的應用和實踐。

目前各大公司根據各自應用領域開發了不同的現場總線技術，并沒有形成統一的現場總線標準，各現場總線技術由于不能直接互聯通訊，在一定程度上制約了現場總線技術在更大范圍的普及和應用。而且由于各公司產品在不同地域的推廣力度不同，各現場總線技術在各地域的應用和普及度是有差異的，工業應用中主要是根據使用的電氣設備所支持的現場總線技術來適配應用。目前應用較廣的現場總線技術有Profibus、Modbus、Devicenet、FF等，IEC針對自動化開關站制定的IEC 61185規范也開始有了應用。

2主交流電系統的接口方式

三門核電機組主交流電系統，根據現場電氣設備的智能化水平、采用的不同公司產品，各電壓等級的電氣設備與DCS的接口相應采用了不同方式，共有以下三種方式，采用的技術包括硬接線、現場總線Modbus和Profibus。

2.110.5kV中壓電氣設備

10.5kV中壓母線供電給功率大于200kW的中壓電機和400V交流負荷中心，使用SEL公司的智能繼電保護模塊進行綜合繼電保護和控制，采用硬接線和現場總線相結合的方式與DCS接口，即斷路器的控制指令和位置狀態通過硬接線直接送至DCS進行控制和連鎖，滿足快速響應的要求；而回路的電流、電壓、保護報警、電能量等通過Modbus現場總線通信方式傳送到DCS服務器，進而在主控制室顯示和報警供運行人員參考。這種相對平衡的策略兼顧了響應速度、穩定性以及滿足充分的監測信息各方面的需求。

對于電機負荷，使用了開關柜內繼電保護模塊自帶的熱電阻輸入通道采集電機的定子線圈溫度和軸承溫度，由繼電保護模塊進行保護。另外，一些中壓電機由于與中壓開關柜距離較遠（例如循環水泵電機），溫度采集采取了就近接入DCS的方式，由DCS開發相關邏輯進行保護。

目前，中壓設備未采用現場總線進行控制，但SEL繼保設備本身是支持通過Devicenet和IEC 61185進行通訊和控制的，具備后續改造的硬件條件。

2.2低壓電氣設備——負荷中心

400V交流負荷中心供電給75～200kW的電機和380V交流電機控制中心，使用ABB帶智能保護功能的斷路器，全部采用常規的硬接線與DCS接口進行控制和信號反饋，這部分設備沒有使用現場總線技術與DCS接口，沒有傳輸詳細的報警、電能量信息到DCS，后續如果需要改造采用現場總線控制，可以考慮加裝額外的通訊模塊實現。

2.3低壓電氣設備——電機控制中心

380V交流電機控制中心為不直接從負荷中心供電的電機、電動閥門供電，電氣設備采用接觸器以及西門子SIMOCODE智能電機控制器，通過Profibus現場總線與DCS的Profibus模塊接口進行控制和監測。考慮到功能和實時性要求，每一段電機控制中心可以劃分成幾個Profibus網段進行組網，可以分散風險；一些特殊負荷（如穩壓器主加熱器）因為其重要性，DCS側的Profibus模塊進行了冗余配置；一些負荷需要額外的監測和聯鎖，是通過為SIMCODE基本控制單元增加輸入/輸出模塊，從而來實現功能的擴充。

3實際應用的優缺點分析

三門核電機組將工業領域已經成熟應用的自動化、智能化設備以及現場總線技術應用到部分電氣設備的控制和監測，提高了設備的自動化、智能化管理水平，工程項目在設計、建安、調試、運行和維護各階段的工作局面有了新的變化。下文對其優缺點進行分析。

3.1主要優點

3.1.1由于電氣繼電保護設備具備集成化和智能化特點，設備級的繼電保護功能直接由現場的繼電保護設備通過邏輯組態實現，例如中壓電機的定子線圈溫度和軸承溫度保護功能就直接在電氣柜內繼電保護設備實現，這樣電氣設備逐漸向現場級保護發展，從而進一步分散系統的風險，提高了系統的可靠性。

3.1.2現場設備采用現場總線技術，結合使用光纖通訊技術，大大增強了信號的抗干擾能力，可以提供穩定可靠的通訊；相對來說，硬接線方式由于很大一部分傳輸的是變化的電壓、電流模擬量信號，而現場的電氣、電磁環境復雜，本身抗干擾能力較弱，需要采取其他措施來提高抗干擾能力，例如需要在橋架和電纜屏蔽等方面進行考慮和設計。

3.1.3采用現場總線通訊，相對于一對一的硬接線連接方式，節省了二次控制電纜及橋架設計，減少了常規輸入/輸出模塊的使用量，工程施工量也相應減少。

3.1.4基于智能化繼電保護設備、現場總線技術，可以通過參數化的配置和組態來調試設備，減輕了調試工作量；系統也具有了較高的可靠性和靈活性，系統很容易進行重組和擴建，設備的一些保護功能變更也可以直接通過修改邏輯和定值實現，便于功能優化和維護。

3.1.5對于運行和維護而言，降低了設備的故障率，提升了設備的信息化管理水平，便于設備的故障診斷和維護。

3.2主要缺點

3.2.1目前電氣設備結合使用現場總線技術、硬接線與DCS接口，沒有全部應用統一的現場總線技術，不利于現場總線技術更大范圍的應用。

3.2.2由于沒有為主交流電系統設置一套獨立的監控主站，而DCS調試由于其是機組各系統的儀控平臺，DCS系統的可用往往是在倒送電之后，這種客觀情況是不利于電氣系統的調試開展的，很難在初期倒送電階段滿足設備的控制功能。目前對于倒送電范圍的中壓開關柜，是額外通過硬接線連接臨時就地控制柜進行操作，這在一定程度上制約了電氣系統的可用性。

4結語

三門核電機組主交流電系統使用智能電氣設備以及現場總線技術，提升了電廠的自動化、智能化水平，進一步分散了系統的風險，可以整體提高系統的可靠性和穩定性，在積累應用經驗后可以為其他后續項目提供參考，以進一步擴大應用的范圍。

參考文獻

[1]顧軍，繆亞民，范福平，等．AP1000核電廠系統與設備（第1版）[M]．北京：原子能出版社，2010．

[2]孫茗．現場總線技術在火力發電廠電氣控制系統中的應用[J]．電力勘測設計，2008，2（55）．

作者簡介：董云川（1985-），男，重慶人，三門核電有限公司調試處助理工程師，研究方向：核電分布式控制與信息系統的調試和維護。

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