發電廠電氣監控系統數字化技術初探

柴兆元，趙興泉，李 遠

（1.華北電力大學，河北 保定 071003；2.國網山西省電力公司，山西 太原 030001）

0 引言

隨著我國特高壓交直流大電網的發展，電力系統愈發龐大，單一同步電網的覆蓋面積擴大，而各節點之間電氣距離縮短，各類型電源之間相互作用更加明顯，對發電廠自動控制技術的要求越來越高。發電廠廠用電氣控制系統是一個新的綜合自動化系統，是近幾年隨著軟件技術和網絡通信的發展而發展來的，是發電廠自動化領域的一個新的熱點，是適應電力系統新時代新發展的重要技術手段之一。

由于傳統DCS的技術應用于廠用電氣自動化系統時，DCS對電壓電流等需要通過變送器轉換后接入DCS，二次接線復雜，抗干擾性能差，造價高，不如直接交流采樣精度高、速度快；DCS反應時間通常為s級，無法達到繼電保護、廠用電快速切換等通常要求處理的時間為ms級的要求。

隨著IT技術以及現場總線方式的快速發展，為了提高電廠的競爭能力，新建電廠通常應用更先進的自動化技術和產品。在這種情況下，發電廠的數字化、信息化進程正逐步加快，發電廠自動化的整體水平將進入一個新階段,成為自動化領域的一個新的熱點。

1 電氣系統中的數字化技術概述及應用

近年來，以工業以太網、現場總線技術為代表的數字化技術在變電站綜合自動化系統的成功應用，以及DCS系統硬接線方式缺點的逐漸暴露，使全面提高廠用電氣系統自動化水平的需求日益迫切。數字化技術主要優勢體現在以下幾方面。

a）提高了現場級信息集成能力。在電廠設備中使用數字化技術可以獲得大量的信息，能更好地滿足MIS系統的信息集成及工廠自動化要求。

b）開放式、可集成性。系統是開放式，允許其他廠商把自己擅長的控制技術，如工藝流程、控制算法、配方等集成到通用系統里，同時也允許在同一套系統中運行多個供應商的設備，便于用戶選擇。

c）系統可靠性強、可維護性好。基于數字化技術的自動化監控系統應用總線連接方式代替一對一的I/O連線，對于大規模的I/O系統來說，降低了由接線點造成的不可靠因素。

d）減少工程費用和縮短工程進度。使用數字化方案來替代大規模、大范圍I/O的分布式系統，節省了I/O模塊、大量的電纜及電纜敷設的費用，同時可以減少現場的安裝調試工作，通過合理的進度管理可以縮短工程進度。

目前電氣系統中應用的數字化技術主要有基于以太網的IEC61850標準及以Profibus為代表的現場總線技術兩種。其中基于以太網的IEC61850標準主要應用于電氣升壓站系統，以Profibus為代表的現場總線技術主要應用于電氣廠用電系統。

1.1 IEC61850標準概述及應用

IEC61850是數字化變電站自動化系統的標準，它指導了設計、開發、工程、維護等幾個領域。規范了數據的定義、數據命名、設備行為、設備的通用配置語言和自描述特征。IEC61850從功能角度而言相比傳統系統區別不大，但是從實現方法而言有本質的區別，它主要采用的是面向對象的方法重新建模，數據庫的結構，數據處理的方式也不同于傳統的遠動處理方式，主要表現在以下方面。

a）分布、分層體系及面向對象和應用的建模。

b）面向對象、面向應用的開放的自我描述。

c）使用抽象通信服務接口（ACSI）、特殊通信服務映射SCSM技術。

1.2 現場總線技術概述及應用

現場總線的定義是“安裝在制造和過程區域的現場裝置與控制室內的自動控制裝置之間的數字式、串行、多點通信的數據總線稱為現場總線”。目前電氣系統中常用的有Profibus-DP、CANbus、LonWorks、Modbus等。

考慮到電氣系統的特點同時考慮到實際使用效果反饋，Profibus-DP比較適合電氣系統應用。Profibus-DP的最大優點在于主站周期地讀取從站的輸入信息并周期地向從站發送輸出信息。此外，Profibus-DP還能提供智能化現場設備所需的非周期性通信，以進行診斷、組態和報警處理嚴格的定義和完善的功能，使其成為開放式系統的典范，并經實際應用驗證具有普遍性。

2 各種數字化技術在電氣系統中應用的比較

結合IEC61850標準和Profibus的技術特點描述，將IEC61850、Profibus與原先的IEC60870標準的技術特性對比見表1。

表1 技術特性對比

對其在表1中體現的差異分析如下。

2.1 實時性及可靠性

電氣系統對于通信網絡應有優先級和滿足時間同步要求。對應這兩個要求來看，Profibus總線速度慢同時無法實現特殊事件觸發；而IEC61850基于的以太網通信采用基于沖突檢測機制，速度較快且可由事故觸發，適合于在面向通用對象事件GOOSE等對傳輸成功概率要求較高的情況。在這方面IEC61850具有明顯的優勢。

2.2 對不同供應商設備的互操性

IEC61850采用面向對象建模的理念，將物理設備（IED）和邏輯功能完全分開，使功能數據不再依賴于具體設備，同時通過面向應用的自我描述，從根本上解決了不同供應商之間互操作性的問題。而Profibus總線主要依靠電子設備數據文件（GSD）來實現互操作性，靠Profibus-DP行規來確定數據的應用，并沒有從根本上解決不同廠家的設備內部數據的問題。

2.3 對不同通信協議及規約的開放性

電氣系統對不同信息傳輸響應時間的需求不同，在變電站的過程中有時會使用不同類型的網絡，如以太網、Profibus-FMS、CAN、RS485等。IEC61850是獨立于網絡的一種通信標準，當不同的工程使用不同的網絡或者隨著技術進步網絡形式發生變化時，IEC61850的抽象通信服務接口只需要改變特定的通訊服務映射即可接入，可很容易適應這種變化。Profibus現場總線沒有這方面的考慮。

2.4 現場安裝和布置的便利性

在現場實際安裝中，Profibus總線網的優勢“一根電纜可以解決所有問題”，現場實施方便，但是當發生電纜中斷時只能靠備用網絡繼續運行，此時整條網絡為單網運行可靠性下降。IEC61850基于的以太網一般采用星型組網，任何纜線終端都不影響其余設備和整個系統運行，但是采用的電纜多，集中在交換機處的電纜量大，實際應用中施工不注意相應工藝會出現通信不穩的現象。

2.5 現有智能設備的成熟性

對電氣系統設備而言，從總體上來說對中壓、500 kV升壓站來說，基于IEC61850的設備應用較成熟，對380 V低壓系統，基于Profibus-DP的設備應用較成熟。由于對IEC61850系統硬件仍與以前其標準的以太網相同，因此設備差異性不大。

基于以太網的IEC61850標準和PROFIBUS現場總線在實際應用中各有優缺點。結合電氣系統的實際情況和上述兩種數字化技術的特點，低壓廠用電控制裝置數量大，對系統配置工具軟件的處理容量提出更高要求，最后生成的SCD文件規模也大得多。而且布置分散需要配置大量高質量的工業以太網交換機，會增加系統的成本。同時單體數據量小，設備重要程度較低，綜合比較IEC61850和Profibus兩種數字化技術建議低壓廠用電系統采用Profibus標準。中壓系統根據實際情況選擇采用基于IEC61850標準的智能設備或者采用PROFIBUS現場總線經通訊管理機等設備實現規約轉換后接入后臺IEC61850標準的以太網。建議整套電氣自動化系統采用基于以太網的IEC61850標準，發變組系統，升壓站也使用基于IEC61850標準的智能化設備；低壓系統采用Profibus現場總線經過通訊管理機等設備實現規約轉換后接入后臺IEC61850標準的以太網。

3 數字化技術在電廠電氣系統中應用方案設計 （圖 1）

3.1 方案一，基于站控層IEC61850的數字化系統方案

目前，方案一主要是在間隔層與站控層通信采用了IEC61850標準（MMS），間隔層采用傳統設備，不應用過程層。

該方案與目前常規的火力發電廠電氣控制、保護系統基本相同,主要對間隔層的保護、控制設備采用統一的IEC61850通信規約以MMS接入NCS或ECMS，實現火力發電廠中智能設備的互聯互通及信息互操作。該方案中發電廠升壓站內的保護、控制系統可直接采用智能變電站中的相關設備,一次設備仍然采用常規設備；ECMS和NCS站控層采用IEC61850通信規約；勵磁系統、同期系統、廠用電快切、發電機－主變壓器組保護、起動/備用變壓器保裝置、故障錄波器、中壓廠用電系統的綜保及測控裝置以及電氣設備狀態監測裝置等均以MMS接入站控層。

該方案技術成熟、設備投資增加很少，卻能將發電廠電氣系統決大部分智能設備的通信標準和數據模型統一在IEC61850的標準范圍內，整個系統的每個節點的信息傳輸被標準化，進而使整個系統的可擴充性、可維護性能大大提高。

圖1 基于站控層和過程層的IEC61850的數字化系統方案

3.2 方案二，基于站控層和過程層的IEC61850的數字化系統方案

該方案是將在智能變電站中基于傳統互感器及過程層信息交換的應用方案和基于站控層和過程層全信息交換的的應用方案，應用在火力發電廠中。全廠的升壓站、發變組和廠用電等各部分的電氣監控系統統一為一套采用IEC61850標準的系統，同時根據實際情況在各部分的過程層及間隔層采用不同的方案。控制、保護系統在功能邏輯上分為站控層設備、過程層設備以及間隔層設備；三層設備間用分布、分層、開放式的二層網絡系統實現連接，即站控層網絡和過程層網絡。該方案的系統結構見圖1。

3.3 方案比較

常規方案：目前在火電廠、升壓站自動化領域中常規方案中采用以太網、CAN網、RS422/485/232、Profibus網等通信介質；Open2000、IEC60870-5-101、DNP3.0、Modbus、網絡103等通信協議，由于以上通信規約的功能有限，產品接口標準不統一，由于系統開放性不足，各廠家無法互操作對于應用功能自行擴充；應用功能的發展被規約數據的表達能力所限制。導致設備之間接口困難，設備的互操作性、互換性和新技術的包容性較差，不能夠滿足“即插即用”的需求，同時，系統集成費用高、可靠性降低、后期維護不方便。

基于站控層IEC61850的應用方案（方案一）：僅在站控層采用IEC61850通信規約，通過對站內智能電子設備的信息描述方法、訪問方法和通信網絡進行了全面定義，解決了不同廠家智能設備在傳統自動化系統方案中的互通互聯及互操作問題。由于IEC61850的標準約束了火力發電廠電氣系統中的智能設備的功能及通信，因此，整個系統中每個節點的信息傳輸被標準化，進而使整個系統的可擴充性、可維護性能大大提高。雖然，此方案與常規方案相比較不能節省電纜，但建立統一的通信標準和數據模型，解決了不同自動化設備廠家之間通信規約兼容性差的問題，實現了自動化系統整體無縫通信、自動化設備間的互聯互操。

基于站控層和過程層的IEC61850的數字化系統方案（方案二）：該方案不僅在站控層信息交換采用了IEC61850，而且在升壓站控制和保護系統、機組控制和保護系統中增加了過程層網絡進行信息交換。對于每個間隔，配置了智能操作箱、過程層設備合并單元，將常規一次設備的信息及操作數字化，與其相關聯的間隔層智能電子設備IED（保護及自動化裝置）則通過光纖以太網與對應間隔的智能操作箱、合并單元相連接。IED與智能操作箱、合并單元之間既可以網絡總線方式相連，也可以點對點的方式互聯。

方案二較方案一而言，將原來一次設備與IED之間傳統的大量銅芯電纜由少量的通信光纜替代，減少了敷設電纜的投資，此外，該方案相較傳統方案有下列的優點。

a）節約電纜等設備投資以及相應的施工費用。

b）減少了二次接線，便于施工、調試、運行，提高可靠性。

c）根本解決電磁干擾問題。

d）基于通訊和組態軟件的聯鎖功能比傳統硬接點聯鎖方便。

4 結論

經過對比分析，本文提出的基于網絡通信和現場總線構成的火電廠自動化控制系統，能夠有效增強電廠自動化控制功能及范圍，縮短工程進度，減少工程投資。與此同時，能實現對一次設備、保護裝置信息的采集管理，并具備設備資產管理、操作票、系統自診斷、防誤操作、故障信息管理、一鍵順控等高級應用功能，有效提高火電廠的自動化水平，具有廣闊的應用空間。