ECMS系統在百萬機組的應用分析

郭建仙 楊 帆

（1. 神華福能發電有限責任公司，福建 石獅 362712；2. 神華福建能源有限責任公司項目管理部，福州 350000）

隨著百萬火電機組運行自動化水平要求的不斷提高，鍋爐、汽機以及電氣實現智能化、自動化、一體化運行將是未來發電廠系統發展的趨勢[1]。目前多數電廠都設計有鍋爐、汽機及輔助廠房自動化控制的分布式集散控制系統DCS，以機組工藝化系統流程控制為主流方式，在新建及改造電廠得到大量應用；而機組廠用電系統的運行監控自動化應用設計較少，發電廠廠用電電氣系統的測量、保護動作、事故追憶等信息只能通過硬接線進入 DCS系統。因此，提高發電廠廠用電電氣系統的自動化及其信息管理水平，直接關系到整個發電廠運行監控的自動化及安全經濟性水平，發電廠廠用電系統運行監控融入整個電廠的運行監控自動化系統已成為目前發電廠迫切需要[2]。

火電廠采用電氣監控管理系統（ECMS），部分或全部取消了傳統的變送器、表計、電度表等設備，減少了DCS的I/O卡件、信號電纜與敷設電纜用的橋架，同時也減少了設計、安裝和維護的工作量，節省了投資，提高了整個發電廠廠用電系統的自動化水平和可靠性[3]，本文結合神福鴻電數字化電廠設計方案，對ECMS系統在實際工程的運用以及在實際運用中遇見的問題進行了分析、總結。

1 廠用電氣監控管理系統幾種模式介紹

1.1 電氣量信號硬接線方式接入DCS

硬接線模式實現方式是由 DCS系統設置的單獨電氣控制器（DPU），經I/O板實現對電氣部分數據采集和遠方控制功能，電氣回路與 I/O之間采用電纜連接。該方式電氣量的IO模件柜集中控制，信號傳輸中轉環節少，對現場信號的反應快速、可靠。但 DCS需要配置大量的變送器、IO卡件、機柜和連接電纜，成本高，自動化水平較低。

圖1 傳統的硬接線模式

1.2 電氣監測系統（ECS）控制模式

電氣監測系統（ECS）受當時系統各通信設備的可靠性、網絡的傳輸速率、系統性能穩定性的影響，ECS僅僅作為DCS系統的一個數據采集子系統，DCS系統通過 IO和硬接線采集電氣回路的電流、功率、開關位置、保護動作信息和相關的SOE，并實現對電動機啟停/開關分合的控制[4]。該模式系統結構簡單，不設置操作員站，只適用于監測，未實現控制功能，DCS節省了部分AI、DI卡件及電纜，可以說ECS是廠用電監控系統納入DCS初級階段，未實現協同控制和一體化。

圖2 ECS控制模式

1.3 電氣監控系統（FECS）模式

電氣監控系統（FECS）模式是指通過現場總線實現電氣部分的信息采集和控制、按照電廠工藝環節構成控制網絡的電氣自動化控制系統[4]。要求ECS的I/O信息直接通過DCS控制器DPU層接入DCS，取代DCS I/O采集的電氣量信息并參與DCS系統的計算、控制、連鎖和保護。利用廠用電綜合保護測控單元遠方遙控的功能，通過DCS與FECS系統的連接，對參與熱工控制的重要電動機的起?？刂撇捎肈CS的I/O模件經電纜硬接線實現控制。而對于廠用電源部分和非關鍵的電動機回路的控制采用FECS現場總線通信方式，實現了節省DCS I/O模件、電纜和變送器，通過FECS與DCS協同控制，提高電廠自動化水平的目的。

圖3 FECS控制模式

1.4 基于IEC 61850標準數字化電廠電氣監控管理系統（ECMS）

基于IEC 61850標準數字化電廠電氣監控管理系統（ECMS）特點是遵循IEC 61850標準，一次設備智能化，二次設備網絡化[5]。中國電力工程顧問集團公司推薦ECMS采用如下方案：發電機—變壓器組、高低壓廠用電源等電器設備的控制、監視和管理在 ECMS實現，電動機的監測管理信息進入ECMS。電動機的控制仍由DCS實現，DCS對電源部分可以監視但不控制。在集控室設置ECMS操作員站，設置獨立的監控系統，間隔層設備按照不同的機組及公用部分分別組成虛擬局域網（VLAN），機組間信息互相獨立，DCS不設ECS控制器及其I/O卡件，節省了DCS的投資成本。

圖4 ECMS控制模式

2 神福鴻電ECMS系統通信架構和現場總線組網形式

2.1 神福鴻電ECMS系統通信架構

神福鴻電ECMS系統采用四方繼保CSPA-2000發電廠分布式電氣自動化系統，系統采用兩層和三層混合結構通信模式，屬于在國內百萬機組首次使用的新型混合通信模式的 ECMS系統。系統采用IEC 61850標準規約和DP規約，實現數據傳輸、狀態監視、電源設備控制、事故分析及其他高級應用功能。現場組網方式為6kV間隔層設備通過以太網和光纜采用IEC 61850規約實現站控層與間隔層的數據傳輸；400V間隔層設備通過現場總線技術采用DP規約將數據上送通信控制層的通信管理機，由通信管理機將數據由DP規約轉化為IEC 61850規約，通過以太網和光纜實現與站控層服務器的數據傳輸。系統自上而下分站控層、通信控制層和間隔層，通信控制層和間隔層設備可分散分布配置，易于設備維護和系統擴展。

圖5 神福鴻電ECMS控制模式

站控層是整個系統的控制管理中心，完成對整個系統的數據收集、處理、顯示、監視功能，經過授權對電氣設備進行控制。

通信控制層是系統構成的樞紐，處于承上啟下的層次，由通信和控制兩類功能組成，完成站控層和間隔層之間的實時信息交換，實現與廠用電電源相關的部分邏輯控制功能。

間隔層由各種保護測控裝置和智能設備組成，完成就地電氣設備的保護、測量、控制功能，通過現場總線、工業以太網等通信方式與通信控制層通信。

2.2 神福鴻電ECMS系統的特點

擁有基于IEC 61850通信后的三層式數據網絡結構在發電廠電氣系統中實現海量數據收集存儲，實現集中控制管理技術，對廠用電系統管理、廠用事故分析、廠用電損耗分析的高效、快速、準確性分析起重要作用。ECMS系統在軟件上可通過自主開發和擴展實現實時數據采集與處理、操作控制、報警處理、事件順序記錄和事故追憶功能、在線計算及制表、系統自診斷和自恢復、運行管理等高級功能，極大地豐富和優化了發電廠自動化控制水平。

ECMS系統采用雙網冗余并列運行，實現快速雙網切換，保證了數據的可靠性與完整性和系統可靠穩定運行。高壓廠用電采用雙 100M以太網，與采用其他通信方式對比，提高了信息及波形上送、指令下發的速度[6]。

廠用電源開關負荷全部由ECMS實現其操作、控制、監視，“變千百根電纜為一根”，節約大量電纜，降低成本。省去 I/O端子柜和控制柜后，縮小了DCS系統的規模，使控制室占地面積大大減少并使系統簡化，帶來了系統設計、安裝、調試和維護費用的降低及工作量的大大減少。

3 神福鴻電廠用電的ECMS系統的應用分析

3.1 鴻電為確保ECMS系統可靠運行采取的措施

ECMS系統擁有許多優勢，如節約投資成本、實現智能化、自動化、一體化運行、提高信息管理水平等。但是自動化會帶來穩定性和可靠性的問題，鴻電為確保ECMS系統可靠運行，避免重大事故的發生，采取了一系列的措施。

由于ECMS系統的獨立性，ECMS系統在運行中發生異常后，運行人員無法在DCS系統中直接進行操作處理，增加異常處理的難度，異常處理的及時性也受到限制。為了解決這一問題，鴻電 ECMS系統監控設備通過 ModbusRTU通信協議將各開關分閘、合閘位置反饋、電壓測點、電流測點、事故總信號、報警總信號以及各設備A/B網通信信號等傳送至DCS進行監視（DCS電氣畫面與ECMS畫面一致，DCS只監不控），并且在DCS操作員站實現一鍵切屏的方式，提高發現異常及處理異常的及時性。

站控層服務器操作員站部分是ECMS系統的核心，關系到系統能否正常運行。但存在ECMS系統數據庫文件替換錯誤；通信管理機配置文件及參數下裝錯誤導致ECMS系統與間隔層設備通信中斷，失去監視等風險。

間隔層主要由綜合保護測控裝置、現場總線及外圍智能設備組成。當綜保裝置斷電時會造成ECMS系統與間隔層設備通信中斷；綜保裝置配置文件及參數下裝錯誤導致ECMS系統與間隔層設備通信中斷；綜保裝置交流采樣板故障、CPU故障以及裝置電源板故障時將導致遠方無法操作異常。

為此神福鴻電采取以下技術措施避免發生異常：①神福鴻電要求設備數據更新后及時做好數據備份，并對備份數據做好標記，記錄數據更新內容；②對更新的ECMS系統數據庫文件或修改通信管理機配置文件和調試過程中的備份文件采取多磁盤備份；③系統數據庫更新時，雙服務器不允許同時進行更新工作；④就地開關柜設計直流分屏，保證現場綜保裝置電源雙回路直流供電，提高可靠性；⑤綜保裝置具備自檢功能，將現場設備自檢信號實時傳送至后臺監視，在綜保裝置異常時能及時發現和處理。

3.2 ECMS系統在運用中發現的問題及解決方法

作為一種新型混合通信模式的ECMS系統，在運用的過程中出現了一些沒有預料到的問題。在對系統架構進行充分分析的基礎上，鴻電逐一解決了這些問題。

1）神福鴻電 ECMS系統監控設備通信信號在投運初期發現每間隔20min左右設備通信會發生中斷，失去監控。

經過分析，主要原因有以下兩個：①神福鴻電ECMS系統采用主/備服務器冗余模式，主服務器和備服務器在運行過程中分別有不同的進程許可配置，廠用電帶電過程中由于主服務器進程未與 IEC 61850通信進程進行關聯配置，導致ECMS系統數據庫數據周期性變為死數據，ECMS系統配置的死數據判斷間隔為1200s；②IEC 61850通信程序在處理6kV及400V綜保裝置上送遙信數據時，需要判斷遙信數據品質，在數據品質無效時程序對此遙信點不做入數據庫處理，導致ECMS系統畫面上部分設備通信中斷，失去監控。

針對這兩個原因，調整了主服務器和備服務器與IEC 61850通信進程許可配置，保證了主服務器運行時關聯IEC 61850通信進程，而備用服務器處于熱備用狀態。修改通信控制層主控單元CSC-861F掃描400V綜合保護測控裝置CSC-831的數據品質上送方式的參數，將遙信數據品質上送方式由變化上送更改為裝置上電后上送，重新起動主/備服務器的 61850通信模塊，然后將綜保裝置及主控單元CSC861F斷電后重新上電。同時應用IEC 61850報文截取分析軟件截取裝置的多段報文，分析裝置在連續5個總召周期內所有遙信入數據庫的情況。

經過處理后，ECMS系統監控后臺信號每間隔20min左右設備通信中斷現象未再發生，數據庫遙信數據及ECMS系統畫面上遙信光字牌和開關位置信號刷新正常。

2）神福鴻電#3機組400V鍋爐PC B段工作電源進線開關、備用電源進線開關在母線受電前開關傳動過程中均出現通信中斷異常。

經各方面排查后發現原因在于 DP總線通信特質：為了減少線路信號反射和干擾，DP總線在線路末端加一個220Ω的終端電阻，這個電阻一般設計接在該段母線最后一個開關綜合保護測控裝置上，然而#3機組400V鍋爐PC B段母線最后一個開關為抽屜式，必須將該開關推至工作位置，該電阻才能起作用，若由于負載停電等原因將該抽屜式開關拉至隔離位置，該電阻就不能起作用，母線上所有開關綜合保護測控裝置會發生通信異常。因此，為解決這一問題，將終端電阻接至該段母線上最后一個400V框架式開關的綜合保護測控裝置上。

4 結論

采用基于IEC 61850標準的兩層和三層混合結構通信模式的新型混合通信ECMS系統，能夠提高發電廠廠用電電氣系統的自動化及其信息管理水平，節約大量電纜，降低電廠投資成本，省去 I/O端子柜和控制柜后，縮小了DCS系統的規模，使控制室占地面積大大減少并使系統簡化，帶來了系統設計、安裝、調試和維護費用的降低及工作量的大大減少。

作為一種新型混合通信模式的ECMS系統，使用過程中出現了監控設備通信信號每間隔20min中斷，失去監控和 400V工作電源進線開關在母線受電前開關傳動過程中出現通信中斷的問題。通過修改通信進程的參數和配置，調整 DP總線終端電阻的接入位置，鴻電很好處理了出現的問題。

[1] 侯子良. 吹響新的號角——全面實現火電廠數字化[C]. 第 7屆全國熱工自動化專業學術年會論文集.北海, 2003: l-5.

[2] 劉偉. 火力發電機組監控系統一體化方案及現場總線技術應用的探討[C]. 第7屆全國熱工自動化專業學術年會論文集, 2003: 20.

[3] 陳麗琳. 趙燕茹. 廠用電監控管理系統的技術比較[J]. 電力自動化設備, 2006, 12(26).

[4] 北京四方繼保自動化股份有限公司. CSPA-2000發電廠分布式電氣自動化系統技術說明書 V2.0[Z].2007.

[5] 孫敏. 基于IEC 61850標準的ECMS技術在海門電廠的應用研究與實現[J]. 電力系統保護與控制,2012, 40(16): 148-151.

[6] 侯煒, 沈全榮, 嚴偉. ECMS系統的新型結構及其應用[J]. 電力系統及其自動化學報, 2010, 22(5): 92-96.