电气监控管理系统应用方式研究及优化

2013-02-20张青山

江西电力 2013年2期

张青山

（国电黄金埠发电有限公司，江西余干 335101）

0 引言

随着电力行业的技术发展，发电厂自动化水平日趋提高，多数发电厂广泛采用了以机组工艺系统控制为主的分散控制系统（DCS）。电气系统也从强电一对一硬手操监控盘控制方式，进入了DCS中的ECS系统进行监控。电气纳入DCS，采用的是I/O硬接线连接，就地仍然采用常规设备。但DCS主要侧重于机、炉的自动化过程控制，对电气系统仅局限于简单操作控制，在I/O采样频率，测点采集信息量，乃至控制水平上都很有限，另外电气与热控专业的差异也导致协调矛盾突出。

目前大部分电气控制设备均是微机型的并带有数据通信接口。控制设备的大量信息可以从通信口传出。厂用电中、低压开关柜中的综合保护装置、测控装置的通信口不但可以传出装置本身的许多信息，而且也可接受外加的命令进行分合闸操作。但目前我们并未对这些由通信接口及其传出的信息加以有效的利用。原因在于DCS无法同这许许多多慢速传送的不同类型通讯规约的信号进行有效连接。为了有效使用以上信息就必须建立一个通信网络，即我们所称的“电气监控管理系统（ECMS）”。

以现场总线技术为基础的电气监控管理系统已在国内大中型发电厂的工程设计中推广使用，并已有多个电厂顺利投运，取得了相当宝贵的经验。电气监控管理系统主要由工业专用的通讯管理机组成，主要任务是将不同场所许多不同电气控制设备的各种通信协议转换成统一的协议，经过主机处理后经由网关机通讯至DCS。DCS对转换后通讯来的信号很容易处理，这样由各电气控制设备通讯口采集到的各种信号就能在DCS中加以使用了。简而言之“电气监控管理系统”是一个通信网络，这个网络中的信息源已经存在（它们包括中、低压厂用电的综合保护装置、测控装置，发电机变压器的继电保护装置，自动励磁调整装置，厂用电快切装置，UPS装置等等），信息的收受端DCS也已存在，它们不需任何新增投资。建立这个网络新增加的费用仅仅是通讯管理机、网络连接线和完成网络维护及数据处理、加强电气功能等的主站设备。

本文根据以往电厂的经验，对黄金埠电厂二期2×1000 MW扩建工程ECMS系统的系统配置、监控范围等提出了合理化建议，并提出了ECMS系统在工程应用中须特别注意的问题。

1 系统配置

ECMS系统一般采用可靠的分层、分步式网络结构，双网配置。一般可设置二层网络，三层设备，包括间隔层、通信管理层和站控层。

1.1 站控层

站控层设备集中布置，主要完成对间隔层设备采集的信息进行处理，具有显示、对时、打印、控制操作、报表生成、系统自诊断/自恢复、数据库管理等功能。站控层主要包括系统主机2台，电气工程师站（兼后备操作员站功能）1台，系统服务器和网络交换机等，双套设备互为热备，故障时可无扰切换。

火力发电厂ECMS系统一般采用单元机组组网方式，每台机组设置一个机组ECMS网，两台机组设置一个公用ECMS网。为节约设备投资，公用ECMS网一般不设置专用主机，而将公用ECMS网的数据分别同时存储在机组ECMS网的主机内。在实际工程应用中，系统主机可组屏安装。

系统服务器主要用于与机组DCS进行通信，电气监控管理系统中的大量信息（如：电流、电压、有功功率等）可以通过系统服务器传送给DCS系统，由于通讯采用以太网，可以保证传输速率。

1.2 通信管理层

通讯管理层具有数据处理及通信功能，用以实现间隔层设备和站控层设备之间信息的“上传下发”。通过通讯管理层还可以实现ECMS系统与其他智能设备（如：同期、快切、故障录波器等）之间的连接，完成规约转换。

在主厂房区域的通讯管理层设备通常集中组屏安装于电气继保室内，也可组屏分散就地安装于配电装置室内。在辅助厂房区域的通讯管理层设备则通常组屏安装于配电装置室内。

成对的通讯管理机（热备用）并列运行，一旦其中一个通信接口故障，实现切换。通信管理层与站控层采用双冗余光纤以太网连接，通信管理层与间隔层采用双冗余现场总线连接。

1.3 间隔层

间隔层主要由各种型号的测控装置、智能仪表等智能装置组成，这些设备通常分散安装于现场中、低压开关柜内。间隔层设备主要完成设备保护和数据采集上传的功能，在站控层或网络失效的情况下，间隔层设备仍能独立完成设备的就地监控和保护功能。根据不同的功能要求，还负责将上层传来的数据传送到所对应的电气设备，完成相应的功能。

现场层的网络结构采用现场总线并根据需要采用自身双网或环型网络结构。现场层设备通过冗余现场总线接入双机热备的通信管理层设备，完成对电气设备模拟量、开关量、报警量等数据的采集和管理，经规约转换后上传至站控层设备。

2 目前主要构成方式

2.1 “硬接线+通信”方式

该方式在电气监控管理系统初期阶段应用较多，主要是考虑到电气监控管理系统刚刚普及，系统及设备的可靠性、网络的传输速率、系统的性能等还有待于运行考验，故ECMS系统采用只监视的方式（I/O信息可通过以太网传送给DCS或与DCS不通信）。DCS控制仍然保留传统设计的全部硬接线。

2.2 “保留关键硬接线+通信”方式

该方式是基于“硬接线+通信”方式提出的更为有效的方式。采用此种方式时，参与机炉电大联锁的电动机（如：顶轴油泵、盘车、送风机、引风机等）、发变组断路器、励磁开关等采用DCS硬接线控制，其余电气设备的控制均纳入ECMS系统，通过站控层、通讯管理机、现场总线完成全部监控功能。

2.3 “全通信”方式

机炉电动机、电气发变组和厂用电系统均纳入该ECMS系统，原则上不设非必须的硬接线。所有电气设备的命令信号和反馈信号均接入ECMS。

该方式对于通讯技术的要求比较高，尤其对于可靠性、安全性要求苛刻的火力发电厂，采用全通信方式仍需要相当长的一段时间的实践检验。但随着技术水平的提高，智能设备通讯能力的加强，此种方式很可能成为未来火力发电厂监控的主要方式。

2.4 推荐方式

由于DCS系统主要关心的是汽机、锅炉系统的安全，并不需要大量的电气量信息。因此，电气厂用电系统的信息量不宜再大量引入DCS系统。尤其对于厂用电源的监控完全可以由ECMS系统通过通讯独立完成，但是发变组断路器、励磁开关、同期的监控仍须由DCS系统完成。建议厂用电监控系统（ECMS）与DCS系统实现通信。DCS如需其他电气信息，可通过之间的通信从ECMS系统获取。而对于电动机，DCS系统控制常规仅须合闸指令、分闸指令、合闸反馈、分闸反馈、切换开关就地位置、保护动作信号，其余信号反馈完全可以通讯送至ECMS系统。若电动机配有就地控制箱，则就地控制箱的信号反馈采用硬接线方式送入DCS系统。而电源开关的监控完全可以由ECMS系统实现。如果DCS系统须对电源开关进行监视，则信号反馈可通过与ECMS的通信即时获取。

采用上述所方式，既能够保证远方信息获得的最大化，也能够保证DCS系统机炉大联锁监控的可靠性。因此，本文推荐采用方式二实现全厂电气系统一体化自动控制。

3 监控范围

以推荐方式为基础，现对厂用电监控ECMS系统监控和监测的设备区分如下：

3.1 发变组

监控：无。

监测：机组励磁系统、发电机同期、离相封闭母线、发变组保护、发变组测量系统、主变和高厂变。

3.2 厂用电

1）主厂房内机组厂用电：

监控：机组中压电源馈线断路器或接触器；机炉低压（380/220V）配电装置进线和母联断路器；机组低压380/220VPC至MCC电源馈线断路器；保安电源系统；

监测：中压（6 kV）厂用电源切换；机组中压配电装置工作进线和备用进线断路器；机组中压配电装置工作进线PT、备用进线PT、母线PT；机炉中压电动机电源断路器或接触器；机炉低压变压器；机炉低压配电装置母线PT；机炉低压电动机电源断路器或接触器；220/110 V直流系统；交流不停电电源系统UPS。

2）主厂房内公用厂用电：

监控：起备变有载调压；公用/照明/检修低压配电装置进线和母联断路器；公用/照明/检修低压380/220 VPC至MCC电源馈线断路器。

监测：起备变高压侧断路器等；公用/照明/检修低压变压器；公用/照明/检修低压配电装置母线PT。

3）辅助厂房公用厂用电：

厂区电源一般进入就地进行监控，因此暂不考虑接入ECMS系统。

对需要接入ECMS系统进行监控的厂区电源开关，可根据实际情况集中设置通讯管理机屏，通过光纤接入主系统。

4 监控要求

4.1 发变组

机组励磁系统、发电机同期装置、发变组保护管理机、起备变保护管理机、中压厂用电源切换装置、故障录波器、GPS同步时钟系统、变压器就地智能式在线监视仪（IDD）均为具有通信接口的专用装置，监测信号均可通过通信方式接入ECMS系统。

发变组测量系统可利用测控装置对CT、PT进行交流采样，通过通讯方式上传至ECMS系统。但是，对于DEH控制系统所需的有功功率信号（与机组控制密切相关）仍推荐采用变送器输出4~20 mA直接接入DEH系统。

电气监控管理系统的发变组部分主要监测各元件的运行参数、保护动作信号、保护定值、故障录波、设备状态、异常报告等。对发电机磁场断路器、励磁系统运行方式的设置和给定值的调节，同期装置的投退、起停，发电机出口断路器或主变高压侧断路器、隔离开关，主变压器冷却器等的控制仍由DCS系统完成。

4.2 厂用电

起备变测量系统可利用测控装置对CT、PT进行交流采样，通过通讯方式上传至ECMS系统。起备变冷却器、有载调压开关的控制可利用测控装置下达至设备。

中压进出线、低压厂用变压器中压侧断路器或接触器等的控制、保护、测量、计量由综合型保护装置完成。回路的电流、电压、电度量、位置反馈、切换开关状态、跳合闸线圈状态、保护动作及预报信号、保护定值、故障录波、装置状态等由综合型保护装置以通信方式上传至现场总线，经通讯管理层汇总后，一并传入站控层设备。控制指令则由站控层经过通讯管理层下达至综合型保护装置实现。

中压电动机断路器或接触器的控制指令及参与连锁所需要的位置状态、保护动作信号、切换开关状态信号经硬接线送至DCS的DO、DI卡件，回路的电流、电压、电度量、跳合闸线圈状态、保护动作及预报信号、保护定值、故障录波、装置状态等由综合型保护装置以通信方式上传至现场总线，经通讯管理层汇总后，一并传入站控层设备。

低压采用断路器的回路，控制、保护、测量、计量均采用通信方式，通过配置380 V综保测控装置实现，此时通信内容可包括电流、电压、跳合闸线圈状态、保护动作及预报信号、保护定值、故障录波、装置状态等信息。

直流系统和UPS等都配套有通信接口，可通过多串口通信服务器设备接入ECMS系统。直流系统的总控单元、绝缘监测装置、蓄电池巡检装置的相关信息，UPS系统主机柜的相关信息均能够上传至ECMS系统。

5 系统应用的改进与须注意的问题

采用目前通常的方法，发电机变压器组、高压厂用工作电源的控制进入机组的DCS控制系统。为了节省机组DCS的投资，可作以下几点改进：

1）机组双套继电保护的各种保护动作信号不再进入机组DCS的SOE系统，改为进入电气系统的故障录波器。故障录波器与机组DCS取同一个GPS对时系统。每台机组可以减少DCS80个左右的I/O点。

2）机组双套继电保护的各种保护动作信号通过保护装置的RS485通信口接至电气监控管理系统，不再送入DCS系统。运行人员可以通过电气监控管理系统的站控层设备详细知道继电保护的动作情况。

3）数字式自动励磁调整装置的控制部份用硬接线同DCS连接，信号部份也通过RS485信号经电气监控管理系统接至DCSDPU。

要使电气监控管理系统很好地投入运行，必须不断提高监控系统的可靠性和实时性。为了提高可靠性，在工程设计中采用了下列措施：

1）使用电力工业专用的通讯管理机，而不是使用一般的工控机。

2）通讯管理机冗余配置。

3）所有的信息均用两路独立线路分别同两组冗余的通讯管理机连接。

4）从现场设备到通讯管理机使用光缆。

为了提高实时性我们在工程设计中采用了下列措施：

1）正确选择现场设备的通讯协议。为了避免干扰，现场设备一般采用低速率的RS485的通讯接口。而通信协议也是多种多样的，较普遍的有MODBUS、PROFIBUS、 CANBUS、 LONWORKS、 DEVI⁃CENET、IEC60870-5-103等。监控系统的实时性主要受制于现场设备通信接口的传送方式，其中MOD⁃BUS速度最慢PROFIBUS较好，但成本较高。为此工程中将对使用的协议慎重考虑，统一规划。

2）每一路通信线路所接的设备通讯口限制在10~15个。使整个网络的相应的响应指标达到2秒以内。

应用了电气监控管理系统后，须对电气监控管理系统提供GPS对时信号，以保证现场通讯传送来的信号具有准确无误的时标。对于主厂房内设备，对时信号可以采用硬对时的方式一对一接入间隔层设备，而对于辅助厂房设备，对时信号则应考虑采用软对时的方式。