淺析DCS系統(tǒng)在火電廠電氣控制方面的應用

南京國電南自維美德自動化有限公司 劉 舟

隨著電力集中自動化控制能力和電廠機組的自動化運行水平等的進一步提高，火電廠DCS 自控系統(tǒng)技術(shù)結(jié)構(gòu)正日趨穩(wěn)定成熟，實現(xiàn)了對發(fā)電廠整個運行機組狀態(tài)的自動化綜合監(jiān)控。在我國火電廠自動化DCS 系統(tǒng)中的實際應用及設(shè)計實踐中，為全面提高DCS 設(shè)備系統(tǒng)整體的技術(shù)應用設(shè)計質(zhì)量要求和整機運行操作安全的可靠性，有必要著重對DCS 自動化系統(tǒng)整機的關(guān)鍵功能、性能參數(shù)和客戶使用的習慣特征進行研究。DCS 系統(tǒng)已廣泛應用于加熱設(shè)備和加熱爐中。它直接影響汽輪發(fā)電機組、電爐和供電系統(tǒng)的集中控制和管理技術(shù)水平，影響發(fā)電效率。

為進一步實現(xiàn)大型火力發(fā)電廠機械、爐膛控制和輔助電氣系統(tǒng)智能化的系統(tǒng)集成應用和網(wǎng)絡(luò)化集中高效運行，有必要先對中小型發(fā)電廠系統(tǒng)現(xiàn)有設(shè)備的全部獨立輔助電氣控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)進行優(yōu)化改造，并進一步將系統(tǒng)有效安全地整合集成，配置發(fā)電機組控制系統(tǒng)所進行服務(wù)管理的大型DCS 自動化分布式控制系統(tǒng)中。將把其設(shè)備有效集成納入整合到直接面向燃煤發(fā)電機組生產(chǎn)服務(wù)部門的智能化DCS 分散控制系統(tǒng)網(wǎng)中，進而全面實現(xiàn)電廠一體化系統(tǒng)智能自動控制。

隨著火力發(fā)電在我國電網(wǎng)建設(shè)中的重要性，火力發(fā)電技術(shù)越來越受到重視?；痣姀S的電氣控制非常重要，直接關(guān)系到供電質(zhì)量。隨著科學技術(shù)的飛速發(fā)展，火力發(fā)電的電氣控制水平逐步提高。各種先進的信息、智能和自動化技術(shù)已廣泛應用于電力控制領(lǐng)域，為有效提高電力控制水平和火電廠的發(fā)展做出了巨大貢獻。DCS 系統(tǒng)的應用在火電廠電氣控制中起著重要作用，為火電廠的運行提供了便利條件。本文介紹了DCS 系統(tǒng)的特點，DCS 系統(tǒng)在火電廠的應用，及保證DCS 系統(tǒng)合理應用的預防措施。

1 電氣系統(tǒng)控制的特點

1.1 DCS 系統(tǒng)的特點介紹

可靠性很高。DCS 控制系統(tǒng)中的多種控制的功能都不是全部集中表現(xiàn)在了一臺微型計算機平臺上，而是直接由多臺大型計算機實現(xiàn)的。容錯的設(shè)計及結(jié)構(gòu)將使整套DCS 的系統(tǒng)穩(wěn)定性更加可靠，不會由此引起整個系統(tǒng)設(shè)備故障。根據(jù)應用需求優(yōu)化設(shè)計調(diào)整了整機功能結(jié)構(gòu)，大大提高了每一臺計算機系統(tǒng)的可靠性[1]。

開放性較廣。DCS 自動化系統(tǒng)還具有了模塊化、開放性設(shè)計和高度標準化控制等特點。在電氣設(shè)計生產(chǎn)過程網(wǎng)絡(luò)中，每一臺計算機系統(tǒng)都可使用計算機局域網(wǎng)系統(tǒng)進行電氣通信網(wǎng)絡(luò)和電子信息資料傳輸。如果電氣系統(tǒng)因增加某些功能后需要擴展或進行修改，可首先通過將新系統(tǒng)的用戶計算機重新連接擴展到其他系統(tǒng)信息網(wǎng)絡(luò)，并允許在其不受影響使用其他新系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的情況下直接從該系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)資源中刪除，從而使DCS 系統(tǒng)非常開放。

系統(tǒng)運行靈活。DCS 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)基于不同工藝應用對象的軟硬件組合。換句話說，DCS 系統(tǒng)必須測量控制信號和互連，從圖形庫的基本圖形元素中選擇合適的控制規(guī)則，并形成所需要的控制系統(tǒng)[2]。整個系統(tǒng)運行靈活，可根據(jù)實際需要滿足電控系統(tǒng)的運行要求。

1.2 火電廠電氣控制應用DCS 系統(tǒng)的原因

使得電氣系統(tǒng)的運行監(jiān)控能力得到提升。目前火力發(fā)電廠自動化電氣控制系統(tǒng)內(nèi)的許多設(shè)備重要運行參數(shù)顯示和設(shè)備運行監(jiān)控狀態(tài)記錄已被輸入DCS 通訊系統(tǒng)，可用于實現(xiàn)遠程CRT 屏幕故障提示、多邊界自動報警、記錄、打印命令和輸出?；静僮飨到y(tǒng)是為維護整個工業(yè)電力系統(tǒng)安全可靠的高效運行模式而單獨建立的。然而，由于系統(tǒng)許多的運行基本參數(shù)都須使用各種模擬數(shù)字儀表顯示和指示信號燈，運行可靠性較低。因此，接入DCS 自動化系統(tǒng)也是為有效提高設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)控分析能力，使整個自動化機組自動化運行，彌補我國傳統(tǒng)電力系統(tǒng)自動化運行管理的系統(tǒng)特殊性。DCS 自動化系統(tǒng)的實時自動聯(lián)網(wǎng)運行，提升了對整個機組全過程的智能化監(jiān)控水平。

使得電氣控制系統(tǒng)的可靠性更高。首先DCS 系統(tǒng)本身可靠性較高。冗余控制系統(tǒng)還可有效取代傳統(tǒng)固態(tài)邏輯元件和機械繼電器，提高整個系統(tǒng)安全運行環(huán)境的高可靠性[3]。此外還可節(jié)省多個操作終端，消除硬接線、開關(guān)、按鈕失效等硬件故障，使整個系統(tǒng)的運行邏輯更加完整穩(wěn)定、安全；可使電氣系統(tǒng)做到完全集控運行。由于DCS 系統(tǒng)的開放性和靈活性，可控制整個電力系統(tǒng)的運行和監(jiān)控。操作員可通過與整個機組的聯(lián)動，在任何終端控制整個系統(tǒng)的運行，整個DCS 系統(tǒng)可實現(xiàn)全集中控制。

1.3 電氣系統(tǒng)控制的特點

對電氣系統(tǒng)的測量。電源系統(tǒng)只測量輸出電流頻率和輸入電壓，其他測量參數(shù)如測量功率、電阻大小和頻率相位也是作為電流輸入和測量電壓信號的測量二次的參數(shù)。測量采用Pt、CT 探頭和其他相應數(shù)量的測量功率變送器。狀態(tài)信號測量裝置只能簡單用作電氣開關(guān)回路的控制輔助及連接。電氣回路控制輔助的輸出對象可能是斷路器、開關(guān)箱和控制接觸器，但它直接進入電器控制系統(tǒng)中的控制輸出通常是電磁線圈[4]。特別的是這些輸入?yún)?shù)的內(nèi)部和二次操作變得非常專業(yè)，這是電子控制系統(tǒng)控制的特殊要求。目前，DCS 設(shè)備不能直接接收Pt、CT信號以及電力系統(tǒng)所需的二次參數(shù)的特殊處理。

對電氣參量變化情況的掌握。在典型DCS 應用系統(tǒng)環(huán)境中，保護及聯(lián)動控制系統(tǒng)中的主要電氣參數(shù)的變化，系統(tǒng)邏輯及異常工況的發(fā)展響應速度要求均為ms 級。因此電力系統(tǒng)中對信號快速采集效率和故障處理恢復速度要求也有一個較高等級的速度要求。為進一步滿足所有這些控制要求，DCS 控制系統(tǒng)也須加快其本地和過程控制站間的交換處理速度，但在一定程度上影響到了控制系統(tǒng)主要功能的實現(xiàn)。

電氣系統(tǒng)運行過程中的操作。供電系統(tǒng)不良、工藝參數(shù)和勵磁電壓調(diào)整不當。大多數(shù)運行異常都由保護器自動處理[5]。電氣系統(tǒng)的正常運行是指本地電氣系統(tǒng)和設(shè)備的停機和運行模式。工作頻率低、速度響應不高，但精度高；電氣控制專項的功能。例如變壓器組、發(fā)電機勵磁調(diào)節(jié)、故障記錄、并聯(lián)自動發(fā)電機及其內(nèi)部操作和處理都非常專業(yè)。目前DCS 的內(nèi)部調(diào)用和組合功能難以完全滿足這一要求。

隨著微電子技術(shù)和數(shù)字控制技術(shù)在電站的廣泛應用。電子控制設(shè)備的數(shù)字化和信息化取得了很大進展。根據(jù)電子控制系統(tǒng)的特點，經(jīng)過多年的反復開發(fā)研制了一種基于微處理器的電子控制裝置。如微機變壓器保護裝置、微機勵磁調(diào)節(jié)裝置、微機故障錄波裝置、微機自動同期裝置等均達到了預期水平。其功能和實用性優(yōu)于DCS，可靠性不低于DCS。

2 控制方式探討

根據(jù)DCS 及電子控制系統(tǒng)和設(shè)備的現(xiàn)狀，實現(xiàn)DCS 電子控制的基本原理是電子控制的基本功能。必須充分利用現(xiàn)有專用數(shù)字計算機設(shè)備，如變壓器保護、發(fā)電機勵磁整定、故障記錄等。這些設(shè)備和系統(tǒng)過程的運行狀態(tài)、動作結(jié)果和數(shù)字輸入信息通過通信傳輸至DCS。同時，應保證這些控制系統(tǒng)和DCS 的功能性、安全性和獨立性，以確保電力系統(tǒng)在沒有外部干擾的情況下安全運行。

DCS 處理電氣系統(tǒng)的運行狀態(tài)(包括功能參數(shù))和參數(shù)運行信息，實現(xiàn)屏幕顯示、聲光提示和打印輸出。各種遠程操作進入DCS，鼠標操作由CRT完成。DCS 中定義了操作權(quán)限，除發(fā)電機主開關(guān)、磁力開關(guān)跳閘按鈕和發(fā)電機電源儀表外，在可能的情況下DCS 電氣系統(tǒng)的輸入和輸出控制應進行通信，以節(jié)省DCS 輸入和輸出點的硬件和電纜。此外，DCS 中輸入的信息將用于集成機組控制和整個電廠信息系統(tǒng)。如果機組啟動停機控制系統(tǒng)，檢查整個機組(包括電氣系統(tǒng))的啟動情況，當汽輪機接近額定轉(zhuǎn)速時啟動自動同步器。自動或操作電源開關(guān)；控制主控制電路，直到電氣系統(tǒng)關(guān)閉。

DCS 網(wǎng)絡(luò)配置：DCS 模塊化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，有效解決了由傳輸網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)堵塞或路由傳輸網(wǎng)絡(luò)設(shè)備故障等引起的連接冗余問題，大大提高了通信網(wǎng)絡(luò)運行的可靠性。采用雙冗余網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，增加了對環(huán)網(wǎng)安全的技術(shù)保障，形成了容錯式冗余網(wǎng)絡(luò)。通過廣泛使用光纖等作為通訊傳輸?shù)慕橘|(zhì)，解決了通信傳輸電纜過長的安全問題，為直接在遙控器設(shè)備之間建立遠程通信連接創(chuàng)造了基礎(chǔ)條件。在現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)節(jié)點位置分布設(shè)計上，遵循了點對點通信傳輸?shù)膬?yōu)先原則，節(jié)點位置相對獨立。以太網(wǎng)交換機可隨時根據(jù)同一個網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)地址從不同網(wǎng)絡(luò)端口直接傳輸網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。

3 DCS 系統(tǒng)在火電廠電氣控制中應用的注意事項

3.1 系統(tǒng)設(shè)計的配合問題

在國內(nèi)傳統(tǒng)企業(yè)的DCS 自動化設(shè)計體系中，DCS 單元的總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計、容量、規(guī)模等選擇，以及相互技術(shù)關(guān)系調(diào)整等項目均要由自動化熱控專業(yè)工程師完成。電氣人員和控制等專業(yè)人員間的交流合作機制非常薄弱，電氣類專業(yè)人員設(shè)計好的DCS 控制系統(tǒng)應全部輸入到原設(shè)計電氣部分，選擇狀態(tài)、清單和工作計劃，并統(tǒng)一提交給熱控專業(yè)負責人進行分配。

電氣控制輸入DCS 后，DCS 必須實現(xiàn)一定的邏輯功能。一些大型專業(yè)中電氣功能，特別是大型機組電氣綜合及控制自動化功能模塊的電氣邏輯控制系統(tǒng)設(shè)計，以及各種電氣及控制綜合功能設(shè)備在整個DCS 行業(yè)中的合理分布方案和系統(tǒng)選址，需要由上述兩個專業(yè)合作完成。電氣學科人員還特別應重視與國際DCS 制造廠商聯(lián)合進行的相關(guān)產(chǎn)品技術(shù)問題咨詢，以更好地認識我國DCS 技術(shù)的主要特點，并對我國DCS 設(shè)備電氣及控制工藝提出技術(shù)性要求。在獨立DCS 設(shè)備和其它獨立的電氣與控制設(shè)備裝置之間直接建立數(shù)據(jù)與通信傳輸協(xié)議。

3.2 電氣控制功能的分配.

控制邏輯和設(shè)計參數(shù)變化很大，工程師對任何功能的修改都會影響過程控制。由于大多數(shù)DCS 不具備在線傳輸能力，因此在傳輸期間和任何狀態(tài)下都可能出現(xiàn)一些電廠輸出狀態(tài)。然后，只要電子控制和熱控制部件位于同一工藝站，更改熱控制功能或參數(shù)可能會導致電氣系統(tǒng)錯誤。另一方面，對于新機組，電廠的電源在DCS 之前恢復正常并通電。電子控制功能進入DCS 后，這是一個非常重要的矛盾。特別是當新項目的第一臺機組通電時，DCS 仍安裝在工廠中，沒有環(huán)境和生活條件。因此在電站的功率控制和保護中也應考慮工藝站。

3.3 裝置時鐘配合問題.

根據(jù)上述DCS 電氣控制原理，整個控制單元由DCS、獨立微處理器和數(shù)字設(shè)備組成。所有類型的獨立設(shè)備都有自己的時鐘。事實上，許多設(shè)備的設(shè)計都沒有考慮與外部時鐘的協(xié)調(diào)。在實踐中應統(tǒng)一考慮或制定相應的系統(tǒng)方法。否則會干擾系統(tǒng)的時間目標信息。

3.4 系統(tǒng)調(diào)試問題

通信設(shè)施的合理性和可靠性已成為整個系統(tǒng)正常運行的前提和系統(tǒng)調(diào)試的技術(shù)難點。通信方式在理論上不是問題，但從整個系統(tǒng)的角度來看，還需要雙向配置優(yōu)化來分配每個系統(tǒng)的通信周期、周期、速率、傳輸量和信息優(yōu)先級。否則，信息丟失、僵局和死亡等負面后果將不可避免。電站與DCS 之間的負荷沖突是一個需要解決的特殊問題。在調(diào)試準備階段，應根據(jù)具體情況提出相應的技術(shù)和安全措施，以確保全廠供電系統(tǒng)的安全過渡和機組的安全穩(wěn)定運行。

綜上，通過對DCS 系統(tǒng)應用特點的深入分析，使目前DCS 應用系統(tǒng)及在各類電氣控制系統(tǒng)領(lǐng)域中的開發(fā)應用方法更完善科學，大大提高了對電氣智能控制網(wǎng)絡(luò)運行環(huán)境的質(zhì)量監(jiān)控評價能力和管理水平，增強了現(xiàn)代電力系統(tǒng)正常運行工作的系統(tǒng)可靠性和安全性。在未來激烈有序的電力市場和競爭形勢中，必須嚴格保證發(fā)電系統(tǒng)設(shè)施的可靠正常運行，有效提高電力企業(yè)效率，促進火電廠有序發(fā)展，對社會能源的充分可持續(xù)化利用具有著重要意義。