基于IEC61850标准ECMS厂用电监控系统在大型火力发电厂的应用与实施

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(神华福能发电有限责任公司,福建 石狮 362712)

基于IEC61850标准ECMS厂用电监控系统在大型火力发电厂的应用与实施

郭良基，王文栋

(神华福能发电有限责任公司,福建 石狮 362712)

针对目前大部分大型火电厂电气监控系统实现模式的构架、特点及功能应用进行简讨；介绍了基于IEC61850标准的数字化电厂电气监控管理系统设计理念，详细介绍了神华福建石狮鸿山热电厂二期2×1000MW工程ECMS系统组网结构、特点、实施应用及注意事项，最大限度的利用智能终端设备以IEC61850通信、现场总线技术实现火电厂厂用电系统控制、监视、管理等的全通信应用方案。针对ECMS在实施过程中容易对海量信息应用不足现象，为充分发挥系统组网后优势，提出ECMS系统功能二次开发及深度建设的重要性。

设计思路;应用方案;特点;二次开发;实施建设

1 引言

随着火力发电厂建设规模的不断扩大，发电厂运行自动化水平的不断提高，要求发电厂锅炉、汽机和电气实现运行自动化，多数电厂都设计有锅炉、汽机自动化控制的分布集散控制系统DCS，以机组工艺系统控制为主，并在新建和改建电厂中得以大量应用，但机组厂用电系统的测量、保护动作、事故追忆等信息只能通过硬接点有限地进入DCS[1]，纵观近年电气监控自动化的发展方向及技术应用也遇到一些瓶颈，业界对电气监控系统组网方式或控制模式因从经济性、可靠性及技术先进性等方向的诉求不一，所以在对厂用电源监控方式的选择上一直是关注的焦点。根据神华福建石狮鸿山热电厂二期工程数字化电厂设计方案，基于IEC61850通信、现场总线技术为依托的发电厂厂用电源监控管理系统(ECMS)在该工程得到了最大程度的推广应用，以切实提高电气系统的运行监控自动化及其信息管理水平。

2 现有ECMS系统应用不足

2.1 传统硬接线融入DCS方案

传统的电厂电气监控的实现方式是由DCS系统设置单独的电气控制器(DPU)，经I/O板实现对电气部分的数据采集和远方控制，如图1所示[2]。电气部分的特殊功能如继电保护、故障录波等有独立的装置来实现，与DCS无关，DCS的I/O模件与电气继电保护独立工作，DCS所需要的所有测点都有DCS中I/O的AI、DI、DO、SOE等卡件来完成，这些卡件只完成最基本的采集功能。I/O部分与电气回路采用电缆连接，模拟量的采集需要安装变送器。

图1 传统硬接线模式

该模式实现全厂监控一体化的方式随着科技发展显现了很多不足，主要由于DCS系统侧重于机炉系统的运行、控制和保护功能，对电气设备情况考虑较少，与DCS系统间仅用硬接线进行有限的信息交换，无法反映全面完整的电气设备信息，也无法完成波形分析、保护定值管理等较为复杂的电气维护和管理工作，因此在通信技术日益成熟应用及自动化水平高度发展的今天，此方案不可取。

2.2 DCS+ECMS(硬接线与通信相结合)方案

DCS负责全厂设备的监控，通过硬接线对电气系统进行控制，但DCS与厂用电微机保护测控装置等智能设备间只保留必要的硬接线，省略部分DI点。在此之外，设立单独的厂用电气监控管理系统——ECMS系统，DCS所需的其余信号经由ECMS系统中的通信管理单元或位于站控层的通信网关传送至DCS，如图2所示[2]。该方式接人DCS系统方案属于数据采集系统DAS(Data Acquisition System)模式的ECS。目前，国内已在大中型发电厂工程中推广使用，取得了一定的经验。

图2 “硬接线+通信”ECS模式

显然该方案虽为DCS提供了较丰富的电气信息，但其大量的信息是通过通信管理机与DCS网络交换信息，信息从装置采集至DCS监控系统画面显示中途经过多次规约转换及通信方式的改变，数据的可靠性、响应速度和通信速率难以满足现场运行的要求，远未实现协同控制和一体化。同时从从投资成本看，DCS仍保持原有部分硬接线的电气控制，并未产生量级的成本节约。

在实际工程建设及应用效果看，因电气控制后台不涉及控制，厂商对网络的组网构架进行系统规划上未容易不用心开发，且基建过程需各方调试工作量大，实施监管不力导致通信海量信息应用不足，相应系统和高级功能未能充分开发应用或闲置、废弃。

3 基于IEC61850标准的 ECMS系统新结构方案

当前，随着国内众多数字化变电站工程成功投运，IEC 61850标准已从变电站走向整个电力行业自动化领域，明确了其在各发电厂领域的应用。然而这是个复杂的过程，电厂自动化系统包含众多子系统，全面的电厂数字化建设不可能一蹴而就，需要我们找好合适的技术切入点，以点带面，逐步进行相关技术在电厂中的推广运用，只能是一个长期的分步推进的过程，当前电气系统的数字化大融合值得深入研究探讨和推广尝试。

神福鸿电ECMS数字化应用就是基于该数字化建设理念和当前所处技术环境背景下建设。

3.1 该模式的优点

(1)将厂用电源负荷的监控功能全部由ECMS实现，DCS可以不设ECS控制器及其IO卡件，大大节省了DCS的工程费用，同时节省了大量电缆，成本有了较大降低；

(2)ECMS与DCS系统相互独立，ECMS、DCS配合职责清晰，电源负荷归ECMS监控，工艺负荷由DCS控制；

(3)高压厂用电部分采用100M以太网，大大提高了信息及波形上送、指令下发等速度；

(4)ECMS系统更强调运行管理功能，并提供丰富的管理应用软件。除利用这些数据监测、控制、统计、远方整定、事故分析、自动抄表、运行检修管理、参数优化等高级功能，并逐步向更完善的功能发展(如在线诊断、分析等)，从而降低设备运营成本，优化系统运行。

(5)采用新型的独立于DCS的ECMS系统结构，与现存的其他方式相比，可以提高电厂厂用电气部分的自动化水平，便于更好地监控、管理，缩小了DCS系统的规模，节约电厂的投资；

(6)电厂的热工和电气检修人员的职责更加明确、清晰，各司其职，便于日常的检修维护；

(7)因电气控制特点、属性与热工区别大，随着电气设备在线状态诊断及状态检修管理体系实施，该模式有利于电力市场对电气专业高级功能的开发和应用需求；

(8)基于统一的通信标准能更好地实现各系统之间信息的互通，打破过去受信息传输瓶颈制约而无法避免的各控制系统间的信息割裂，解决操控断点和盲点问题，实现了数字化整合，带来的海量信息，同时通信速率、功能等都将得到较大的提升；

(9)厂用电过程层数字化技术应用。通过网络共享信息和信息交换，保护装置功能和判据可跨间隔优化，整体性能更趋合理，实现常规系统难以实现的一些保护和控制功能，如厂用母线数字式差动保护。

3.2 该模式需注意的问题

(1)ECMS系统设计、安装及调试验收暂无统一标准、规范，且基建过程需各方调试工作量大，容易造成安装、调试不到位等问题；

(2)电厂接入设备比变电站多，即节点多，分散性强，对系统容量、网络构架的扩展性和设备厂家的售后服务能力都有很高的要求，而不同厂家的解决方案良莠不齐，这就需要设计、厂商人员进行深入细致的系统方案设计，合理规划网络结构，优化信息传输方式；

(3)ECMS系统涉及面广，设备数量众多，对ECMS系统供货商的设计、制造、通讯和配合协调能力要求很高，否则将影响系统的可靠性和实时性；

(4)为使ECMS系统尽量减少设备接口，应选择一家有实力、有业绩的集成商负责系统中各设备之间的协调，使ECMS系统技术性能满足电厂自动化要求，故供货商选择面较窄；

(5)就地智能装置上送的信息量大，通信量过大，将使一些不重要的负荷信息占用了不少通信资源，造成数据通道过于拥挤，出现通信不畅、数据刷新周期过慢等情况，影响使用效果；

(6)数字化新技术给发电厂运行、检修人员提出了更高的要求。应及时进行技术培训，准确掌握新设备的检修和维护方法。

4 鸿山二期ECMS方案现场应用与实施

4.1 实现方法

(1)因6kV电动机负荷与机炉过程控制密切相关，对参与机组顺控程序，实时性要求较高的电动机的控制命令和为运行所必需的状态反馈信号以传统硬接线纳入DCS系统实现。6kV电动机的监测管理信息仍通过基于IEC61850工业以太网进入ECMS系统；

(2)400V低压电动机负荷采用现场总线方式接入DCS系统，并实现电机的控制；

(3)对全厂高低压厂用系统电源，则采用全通信控制方式，即将就地测控单元通过基于IEC61850工业以太网(低压部分采用profibus现场总线，通过通信管理机转换为IEC 61850规约，再与厂用电IEC 61850监控后台通信)联网后纳入电气监控系统(ECMS)控制、监视和管理；

(4)ECMS同时通过通信实现对发变组保护、励磁系统、启备变保护、同期装置、快切装置、智能仪表、直流系统、UPS、柴发监控单元等二次设备的监视和管理。

4.2 组网结构

该工程(2×1 000 MW机组)ECMS电气站控层按机组设置，双以太网冗余配置。其中每台机设置一个网段及二台冗余的电气操作员工作站、1台电气工程师站以及双冗余的系统服务器，公用部分单独设置一个网段，组网后分别接入各台机组的ECMS系统，不再单独设置操作员工作站，最终形成电气系统监控管理中心，并设置了与DCS和SIS系统通讯接口机。

CSPA-2000型ECMS(北京四方)系统在组网配置上采用分层、分布、开放式网络系统结构，具有典型的三层结构：站控层、通信管理层、智能间隔层。网络结构图如图3所示。

图3 神华福建石狮鸿山热电厂二期2×1000MW工程基于IEC61850标准ECMS系统组网图

站控层采用IEC61850标准双以太网冗余结构(远程通过光纤中转)，设置有数据库服务器、电气操作员站、电气工程师站、打印机以及负责与其它系统通信的转发站，是整个系统的监控、管理中心。

通信管理层主要由通信管理单元、交换机等组成，均为双机双网双冗余热备用设计，主要负责站控层与间隔层的数据交换，实现电气站控层与现场智能间隔层之间信息的“上传下发”，其中通信管理单元主要进行规约及通讯方式的转换。

智能间隔层由分散的电气智能装置(如高低压配电柜的保护测控装置、微机型元件保护装置、AVR、ASS、UPS等智能单元)构成，双网双冗余热备用设计，通过通讯管理层向ECMS监控层发送监控、监测信息，并可执行ECMS的各种指令。其中，6kV间隔层设备按IEC61850通讯标准实现，在6kV配电间配置光纤交换机直接接入站控层交换机，通讯协议采用MMS；380V低压厂用电保护测控装置采用Profibus-DP总线通讯，通讯规约采用V0+V1+V2版本，这些装置通过通讯规约转换器将其转换为IEC61850规约，接入站控层。其它不支持IEC61850的厂用电的保护及智能装置(如发变组保护、直流系统、电度表、UPS等)通过通讯管理机将其转换为IEC61850规约，接入站控层。

由于厂用电源系统的操作、监控操作员站与DCS系统相独立，为使运行人员在DCS的终端(CRT)上实现厂用电源及相关智能电气系统进行监控和干预，该工程采用显示器鼠标共享器，使ECMS操作员站与DCS实现画面共享。

4.3 ECMS系统的功能开发

4.3.1 实时数据采集与处理

所有电气量采用交流采样,通过采集CT和PT的二次值，在间隔层计算实时数据。通信管理机按扫描周期定时采集所有电气量信号并更新数据库[3]，在基于IEC61850通信下，同时还具备查询保护通道电流实时数据功能。提供实时曲线和历史曲线的查看窗口，分辨率达ms级，为运维人员查询设备运行情况提供数据。

4.3.2 报警信息监视和查询

通过变量报警事件、操作事件、用户登录事件和工作站等事件，可以方便地记录和查看系统的报警、操作和各个工作站的运行情况。也可以根据需要查询历史报警记录及其他事件。

4.3.3 控制操作

ECMS正常运行时，根据设备运行需要对相应电气设备进行顺序成组操作或手动键盘独立操作，各种操作均具有操作闭锁功能，具备对保护定值进行修改的功能和对保护进行远方复归等功能[3]。

4.3.4 事件顺序记录及事故追忆

ECMS对断路器位置信号、继电保护动作信号等中断型开关量进行事件顺序记录SOE。在出现事故后，能追忆事故前后一定时间内有关开关量的动作顺序和相关重要模拟量的变化情况[3]，分辨率达ms级。事故追忆的触发可以是开关的事故跳闸或人工触发，支持多重事故追忆功能。

4.3.5 画面生成及显示

操作员站能完成机组电气设备各种监控系统图等，每幅画面均能显示过程电量的实时数据和运行设备的状态。

4.3.6 运行管理功能

事故分析检索、在线设备分析、自动抄表等。

4.3.7 设备管理

ECMS对主要电气设备如断路器、变压器、电动机等运行工况进行监视，以指导设备维护和检修工作。

4.3.8 在线计算及制表

ECMS能对采集的数据进行在线计算。各种制表主要包括：实时值表，正点值表，负荷运行日志，电度量累计，事件顺序记录一览表，报警记录表，保护定值一览表，主要设备参数表和自诊断报告。

4.3.9 防误操作闭锁

ECMS对于通过CRT、键盘进行的电气操作由系统的软件进行闭锁，防止误操作。

4.4 ECMS系统深度建设的重要性

在大部分的项目中由于对海量信息应用不足的情况比较严重。仅仅完成了报表统计和对电气系统的模拟量、交流量、开关量、脉冲量等信息的数据采集、计算、报警等功能，而进一步的事故顺序记录、定值管理、曲线分析电气设备管理功能不具备或过于粗浅以至于不能满足实际应用的要求，而运行管理、设备管理等更高级的功能则基本上完全不具备。这些功能上的欠缺就使用户对相应目前提供的系统无法保持足够的粘性，从而进一步导致相应系统和功能的闲置和废弃[4]。产生此问题的原因有多方面的原因：首先厂家和设计院等工程参与方对电厂运行维护人员的需求了解不够彻底；其次电厂运行维护人员也比较难于提出具体的需求；再次由于以上的需求无法具体提出，导致在以上设备或系统采购中对于硬件的关注较高而对应用软件的关注度不够，从而厂家不愿意投入精力从事相应的开发工作。因此在该工程的全通信ECMS方案执行过程中，为了更充分的发挥通信组网方案的优势，对该系统的调试、信息的后期处理及系统性能测试验收等应引起足够的重视并要求各方都投入相应的精力。确实提高厂用电监控系统的自动化水平及可靠性，以满足该工程数字化电厂的建设需求。

5 结论

除参与机炉工艺控制电动机采用DCS控制外，其余均最大限度地采用全通信的厂用电监控管理(ECMS)系统，可以使厂用电气系统信息得到了最大的体现以及自动化程度和管理水平得以更高层次的提升，随着网络通信技术及软硬件技术的不断发展，ECMS系统在该工程周密、详细的推进实施，必将使系统功能变得更加完善、可靠，得到电厂运行及维护人员的青睐，同时为该工程实现数字化电厂建设提供坚实的保障。

[1] 陈丽琳，赵燕茹.厂用电监控管理系统的技术比较[J].电力自动化设备，2006,26(12).

[2] 焦邵华，李娟，李卫，等.大型火力发电厂电气控制系统的实现模式[J].电力系统自动化，2005，29(15).

[3] 汪文琦.厂用电监控系统的应用和展望[J].科技情报开发与经济，2009,19(35).

[4] 中国电力工程顾问集团，华北电力设计院工程有限公司.福建石狮鸿山热电厂二期2*1000MW机组工程 初步设计 第九卷 电气部分 说明书[Z].北京：2011,6.

ApplicationandImplementationofECMSFactoryPowerMonitoringSystemBasedonIEC61850inShenfuHongdianPowerPlant

GUOLiang-ji,WANGWen-dong

(Shenhua Funeng Generation Co.,Ltd.,Shishi 362712,China)

This essay consists of a brief discussion on the architecture,characteristics and application of the Factory Power Monitoring System that most existing large-scale thermal power plant use.This essay introduces the design concept of digital power plant Electrical Control and Management System based on the IEC61850.It details ECMS's networking architectures,characteristics,application and considerations of the Second Phase of Shenfu Hongshan Power Plant 2×1000MW Project.The essay also introduces the communication application plan that maximizes the use of intelligent terminal equipment base on IEC61850 communication and fieldbus technology to realize the control,monitor and management of thermal power plant.For the insuffitiencies of the massive information application when ECMS implements and give full play to the system networking advantages,this essay emphasizes the importance of the secondary development and further construction of ECMS functions.

design;application plan;characteristics;secondary development;implementation of construction

1004-289X(2017)02-0092-05

TM62

B

2016-03-03

郭良基(1981- )，男，汉族，福建龙岩，助理工程师，一级建造师，本科，电气二次主管，从事大型火力发电厂电气二次专业技术管理工作。