火电厂ECS电气监控系统纳入DCS监控的应用分析

佘丹宁

（神华陕西国华锦界能源有限责任公司，陕西榆林719300）

1 序言

在火力发电厂中，热工及电气系统的自动化水平，在很大程度上反映整个电厂节能经济调度运行管理水平。随着机组规模容量的进一步扩大、智能自动化水平的进一步提高，大中型电厂已将电能生产运营过程中越来越多服务控制对象纳入到统一的电厂集散控制系统（DCS）中。电气和热工间系统功能特性和自动化水平不协调问题一直是制约电厂继电保护系统发展的重要瓶颈。从20世纪90年代中后期开始，电厂电气监控系统（ECS）中的发变组、厂用电等系统陆续在DCS中展开集中监控，但由于当时建设技术水平的影响，电厂电气系统中的数字化继电保护和自动控制装置，依然采用I/O模件硬接线方式接入DCS系统，没有真正实现电气测量、保护、监控等数据信息通信共享和互操作功能。为实现电厂监控保护智能自动化功能，取消常规硬接线方式，采用通信方式将电气监控系统纳入到DCS监控中，实现火电厂机、炉、电的集控运行，是当前火力发电厂继电保护研究的焦点问题之一。将火电厂ECS系统的数据信息资源通过网络通信方式，实时准确接入到DCS监控中，成为电厂自动化监控系统发展的一种方向，在新建和改造大中容量机组继电保护工程中得到广泛的推广应用［1]。

2 火电厂ECS电气监控系统应用现状

DCS是火力发电厂监测、调控、保护的核心自动化系统，除了常规控制锅炉、汽轮机，以及公用辅助设备装置的协调控制系统（CCS）、顺序控制系统（SCS）、炉膛安保系统（FSSS）外，随着科学技术的进一步发展和电厂监控保护技术要求的进一步提高，汽轮机调速控制系统（DEH）、电气监控系统（ECS）等，也被纳入到DCS监控之列。目前，ECS系统中仅有部分重要信号通过硬接线方式接入到DCS集散控制系统中，进行集中动态监控，如：送风机、磨煤机等重要辅机的起停信号，厂用电分支线路开关动作信号等；绝大部分数据信号则经ECS系统的网关机通过光纤以太网实现与DCS网关机间数据信息的传输，比如：辅机设备装置运行电流、电压、功率等［2]。此种通信方式，虽然结构较为简单，但由于DCS监控将ECS系统作为数据信息采集前端，然后根据内部功能需求从ECS系统网关机上获得少量电气监控数据信息，也就是只有少部分电气设备装置能通过DCS系统完成运行工况性能的监视、操控和保护功能，绝大部分电气设备装置依然停留在ECS系统中进行独立操作控制，无法实现电厂智能一体化控制。另外，智能自动化电厂系统的建设，需要接入DCS系统的电气设备装置较多，接线较为复杂、通信点数量庞大，基本都在三四千点左右，有的大型电厂甚至出现上万个点，在常规硬接线方式下，不仅会增大设备投资，同时还会由于数据量的剧增引起DCS系统无法实时刷新数据，导致DCS监控操作工作站中的电气信号数据严重滞后，甚至还会影响DCS监控功能的正常运行。为了充分法发挥DCS系统强大的集中监视调控保护功能，实现机、炉、电等子系统的更高级、网络化、智能化、自动化的集中监控和实现“减人增效”降低电能生产运营成本等目的，采取全通信方式完成ECS系统与DCS监控的无缝实时链接，实现电厂DCS智能一体化监控功能，是电厂继电保护自动化系统建设发展的重要途径［3]。

3 ECS电气系统纳入DCS监控的范畴

火电厂继电保护系统中，ECS系统相对独立地实现电厂电能生产电气部分设备装置运行工况性能的监控与管理，同时也通过硬接线方式将部分重要信号与DCS和其他监控信息系统进行传输互享和协调工作。根据单元机组的运行特性和电气监控技术特点，火电厂ECS系统涵盖的监控范围主要包括厂用电系统、网控系统、发电机励磁系统、发电机-变压器组（发变组）控制系统等。其中，发变组控制系统、发电机励磁系统、厂用电源系统等电气监控系统应全部纳入到DCS监控范畴；另外，厂用电内的柴油发电机组和保安电源、直流电源系统、应急供电UPS系统等也应该纳入到DCS监视范畴［4]。

4 ECS系统纳入DCS的监控一体化方案的实现

4.1 控制方式的实现

将大中型容量热力发电机组的ECS电气监控系统，纳入到DCS监控的主要控制方法为：由DCS监控系统中的高级应用软件根据系统运行工况状态通过程序判断形成电气逻辑，然后经DCS监控的I/O通信端口或网络实时通信网，将调控指令直接发送到现地电气设备装置的智能终端，进而实现厂用电电源自动切换、断路器操作机构自动分、合闸操作；高压电动机起、停控制。DCS监控可以对操控人员所发出的操作命令和动作事件行为的合法性、可靠性的逻辑进行检查判别，避免“误动”、“拒动”等误操作事件发生。ECS系统纳入DCS监控系统的重要组成部分，如：发—变组保护、AVR自动调节、厂用电系统等自动调节保护装置的动作保护信号和位置状态开关量，以DI数字输入量模式送入到DCS监控中；对于电流、电压、功率等模拟信号则经A/D模数转换后，形成4～20mA标准信号送入到DCS监控中［5]。

4.2 总体设计方案

在全通信方式下，电厂电气和热控系统合用一套微机监控DCS系统，完成对电能生产运营各环节的集中管理和分散控制，实现电厂机、炉、电智能一体化监控管理。电气监控ECS系统纳入DCS的监控智能一体化方案，如图1所示。

图1 全通信方式监控智能一体化方案

由图1可知，ECS系统与DCS系统通过主控单元进行数据信息通信，即将智能化和网络化的主控单元作为DCS系统中分散处理单元DPU（Distributed Processing Unit)的电气专用远程I/O功能模件，相应的控制信号和动作事件命令由DPU完成，并通过串口通信服务网卡→通讯处理机→现场总线→测控保护单元，完成对电气设备装置的起停操控，实现电气监控ECS系统与电厂DCS系统的智能一体化监控管理。

4.3 监控一体化功能实现

4.3.1 机组自起停控制功能

在DCS监视系统中，机组自起停控制逻辑功能和命令信号通过主控单元，传输给电气监控ECS系统，实现机组的顺序控制或手动操作控制。当发电机转速上升到额定转速时，ECS系统就会自动判断将投入AVR自动调节装置；当发电机电压上升到额定值时，DCS监控系统将通过主控单元发出投入同期装置信号。在同期过程中，DCS监控中的ECS子系统将会实时监测AVR、DEH装置性能参数，待所有参数均满足同期条件时，向断路器发出合闸指令脉冲，并网运行后，机组启动完成。机组在正常停机过程中，ECS子系统控制DEH装置降低机组负荷，当机组负荷降低到整定值时，ECS将机组自身高压厂用电系统快速准确切换到到其他分段母线上进行供电，直到机组负荷降低到零为止，跳主机开关，并联跳汽轮机（主汽门关闭开关）和发电机灭磁开关。

4.3.2 厂用电监视功能

电厂中的高、低压厂用电系统的自动切换装置，其运行工况状态信号通过全通信方式进入到DCS监控系统中，进行运行工况数据信息的实时显示、记录、运算分析、报警、存储、以及其他综合应用功能。

4.3.3 电气公用监视功能

公用系统是电厂机组高效稳定运行的重要保障性装置，其主要包括：备用变电气开关及继电保护装置控制、AVR调压装置控制、照明电路控制等，这些均由DCS系统中的ECS子系统控制逻辑实现，并可通过主控单元由远方实现集中调控操作和保护联动。将ECS电气监控系统纳入到DCS监视系统后，其运行工况状态、特征电气参量，以及调节运行过程中的显示、运算分析、报警提示、报文报表等，均与热工信息一样在DCS上位机中实现集中监视和控制。各种现地电气远方操作信号由主控单元进入到DCS监控后，通过可视化人机互通界面进行鼠标操作，即可在DCS上位机上设置操作准许权限、闭锁条件等防误逻辑程序。将ECS电气监控系统纳入到DCS监控中，可以实现对机组动态自动化调控和全厂信息实时运算分析，便于电厂调控人员制定高效合理的调度运行决策，确保机组安全可靠、节能经济的高效稳定运行。

5 ECS系统纳入DCS监控实施过程中的安全措施

将ECS系统纳入DCS监控，设置单独的电气监控ECS子站，可以避免实际调控运行过程中机、炉等对电气设备运行工况性能的干扰，且在DCS监控中将电气设备性能参数的修正均设置“确认”软闭锁按钮，只有当电气操控人员确认该操作后方可生效，这样可以有效避免人为误操作事故发生。将ECS电气监控系统纳入到DCS监控，可以有效提高电气设备运行性能状态监视操控的智能自动化水平，同时可以避免专业间相互干扰问题，许多繁琐的逻辑判断和闭锁操作可由DCS监控系统自动逻辑判断完成，确保电气设备高效稳定的运行，降低各种误操作事故的发生率。但由于ECS系统纳入DCS监控，无形中会给DCS监控带来电磁干扰源。因此，为了进一步提高DCS监控系统运行的安全可靠性，在ECS电气监控系统纳入到DCS监控中的建设和升级改造实施过程中，应采取以下安全防护措施。

（1）根据设备装置性能特点要求，将供电电源按照强、弱两个电源进行独立分布布设，避免强电电源系统对DCS计算机监控系统产生干扰；

（2）对于断路器、隔离开关等部分电气控制回路而言，其跳、合闸电流通常较大，而DCS监控系统所能提供的输出触点容量很难满足其操控需求，此时必须通过扩展继电器将输出触点信号转接到二次电气控制回路中，确保电气回路的安全性和动作可靠性；

（3）设置机械闭锁与电气闭锁相匹配的综合闭锁系统，在就地开关柜门上设置“就地/远方”转换开关，当开关处于“就地”工位时，不仅要在DCS上位机上显示开关柜门状态，同时还需建立逻辑闭锁，避免操控人员在DCS监控上位机上出现误操作；

（4）从大量运行经验可知，仅将一对动合触点引入DCS监控系统反映开关状态时，容易造成系统的“误判”。因此，建议将开关的动合和动断触点同时接入到DCS监控系统，用以反映开关真实的动作工况状态；

（5）对于ECS系统中的重要电气参数（如AVR电压调节、功率调节等）接入DCS监控，应尽量采用“三取二”的方式，以提高DCS系统数据信息采集的可靠性和动作信号命令判断的准确性。

6 结论

对于新建和改造的大中型火力发电机组而言，将ECS电气监控系统纳入到全厂DCS监控系统中，实现了机、电、炉智能一体化监控，使实际运行调控操作更加简单、安全，监控更加集中完善。ECS系统通过全通信模式结构纳入DCS监控，优化DCS监控系统内部接线结构，节省大量信号电缆，降低了工程整体投资费用。全部电气的操作、监控均纳入全厂DCS监控中，且与机组机、炉控制系统共同构成电厂综合自动化集控系统，为单元机组实现智能一体化集控运行提供重要技术支撑。另外，机、炉、电大联锁主保护数据信号均全部纳入到DCS监控中，有效地提高了电厂电能生产运营安全、稳定、可靠的自动化监控管理水平，降低运行维护成本。因此，将ECS系统通过全通信方式纳入到DCS监控，能够满足电厂安全可靠、节能经济的高效调控运行需求。

［1] 柴 昕.电气控制系统在电厂的应用［J] .新疆电力技术，2009，（1）：18－19.

［2] 刘志超，丁建民，任锦兴，等.基于以太网的分布式发电厂电气监控系统实现［J] .电力系统自动化，2004，28（8）：84－87.

［3] 闰天军，郭 伟，赵树春.火电厂电气监控系统接入DCS方式的分析［J] .电力系统自动化，2006，30（11）：86－89.

［4] 沈良柳.电气监控系统纳入DCS一体化控制及系统对时［J] .热力发电，2006，（6）：50－52.

［5] 李 文.基于DCS的大中型火电厂电气控制系统的改造及应用［J] .电气应用，2012，（1）：63－67.