数字化电厂电气控制技术与应用分析

胡林海

（淮南田家庵发电厂，安徽淮南 232007）

0 引言

随着时代不断发展，人们对电力的需求与日俱增，促使我国现代火力发电机组构造逐渐变得复杂，对于火力发电机组自身的控制、维修、保养以及优化等要求也越来越高，以此来保证其稳定运行。在传统的技术控制过程中，主要控制内容是对工艺测点进行合理的监测，并对设备设施进行分散管理与监控，导致管理信息与监控信息难以得到有效的统一，未能实现统一信息化管理，因此，应加强数字化电厂电气控制技术的应用，以保证操作机组稳定运行。

1 数字化电厂的概念

所谓的数字化电厂，就是运用数字化的技术手段，对电厂物理以及其工作对象的整个生命周期进行分析、量化、决策以及控制，以此强化电厂整体价值的方法以及理论。从这一方面进行理解，数字电厂不是既定的某一个项目的类型，也不是基于计算机的某种系统或者软件。从概念上进行分析，可以将其理解为一种理论以及方法。从其研究对象上进行分析，数字电厂的研究对象就是电厂之中的物理对象以及工作对象，其研究的方式就是基于研究对象的整个周期出发，研究内容是对研究对象进行分析，量化、控制、决策的有效性方法。

数字化电厂的构建，就是实现所有信号的完全数字化变现，所有的管理内容也都以数字化的形式进行。通过现代互联网技术以及计算机技术，能够准确、安全、可靠、规范的实现数字化信息的有效交换，并实现跨平台的资源共享，同时，在最大程度上保证资源共享的实时性以及动态性。如此，能够有机的应用智能专家系统对各种数据信息进行分析，进而提出各种优化建设的建议以及决策，为数字化电厂的科学构建提供重要的指导。这一技术的应用，能够在最大程度上降低电厂的发电成本，增加上网的电量，降低设备故障的概率，保证电厂运行的经济性、安全性、节能性，促进电厂的可持续发展。表1是某数字化电厂近3 a的电气指标情况。

根据现阶段的数字电厂技术的发展情况进行分析，可以将其客观的划分为4个层次。第一层，直接控制层。就是指在电厂生产的过程中的直接控制以及数据收集，其结构上涵盖了单元机组、SCADA（Supervisory Control and Data Acquisition，数据采集与监视控制系统），DEH（Digital Electric Hydraulic Control System，汽轮机数字电液控制系统或数字电调），水处理、辅机、除灰等等辅助性设备，是数字电厂的控制系统。这一层可以明确为生产所需基础数据的提供层，是其他分层运行的基础保证。第二层是管控一体化层，其主要是完成生产过程的整体监督，整合管理层收集的信息，对基础的性能以及控制系统的运行进行分析以及整体优化。可以说，这一层是管理层与控制层之间沟通的有效桥梁。第三层，生产管理层。这一层是电厂数字化管理的基础层次，其能够从经营决策层之中获取相应的经营指标以及数据信息，以此来生成科学的生产计划，并落实计划的实施。同时，其还能够 层提供关键的控制导向信息。可以说，这一层是数字化电厂的管理基础。第四层，经营决策层，其主要是落实商业化运营、经营管理、电子商务、物资交易等方面，其管理主线是综合计划、管理核心是成本管理以及全面预算。这一层，是数字化电厂系统的决策枢纽以及系统入口。此外，电气控制系统是现代数字化电厂的重要构成部分，其工作目标主要是对电厂的电气设备进行科学的监督以及控制，保证其运行的安全性以及稳定性。在数字化电厂之中，这一控制过程以及控制目标主要依靠现代信息技术完成。与传统的控制方式相比，其更加集中的体现了电气控制的科学性以及可靠性，能够在最大程度上保证电气设备的正常运行。

表1 电气指标情况调查

2 数字化电厂电气控制的工作原理

随着我国科学技术的不断发展，现代化火力发电机组设计逐渐开始呈现出复杂化、系统化、多元化的发展趋势，与此同时，也对机组的优化、后期维护以及运行等均提出了更高要求。传统的控制方式随着时间的推移，其弊端也在逐渐暴露，若不进行及时改进和优化，便会对控制系统的应用性能造成严重影响。而通过数字化电厂电气控制技术的实践应用，不仅可有效解决上述问题，同时，还可实现一体化、信息化控制和管理，系统的应用性能不断提升，在此也为后续的检修工作提供了便利条件。以下为该技术应用的基本原理分析。

如图1所示，在主变电站中，主要的设备包括架空线路（电缆）、电抗器、隔离开关、断路器、变压器等等，而主要的变电站二次设备具体包括母线保护、线路保护以及PMU（Power Management Unit，电源管理单元）安全设备故障显示仪等。

图1 电厂控制系统

2.1 过程层

过程层的主要作用，是可对开关、电压、电流等相关指标进行数字化处理。在此过程中，其信号一般可分为开关量、电压和电流。其中，电压和电流具体负责收集光变压器单元通过合并将数字信息置于处理层，之后在将相关的开关信息传输到处理层。在整个这一环节中，与总线方式的工艺水平息息相关。在完成到设备水平装置的传发之后，在合并过程中，需涉及到运用互感器所收集的二次侧电量，与此同时，还需同步转换成数字信号。电气互感器和电子式电流互感器在经过合并单元后，可完成相关电子信息的传递。

2.2 间隔层

电气设备的间隔层包括电压器保护、短引线保护、母线差动保护、线路保护等等，同时，也包含安全稳定装置、电子计量装置、PMU设备以及故障录波等。开关、电流、电压等可借助相关逻辑和计算实现发送。在经过以太网设备装置以及间隔层保护之后，可对间隔层进行有效保护，跳闸令经过智能终端可顺利发出，进而可对变电站设备进行有效保护。经过上述一系列流程之后，能够最大限度的防止设备故障问题的发生，为设备的安全、平稳运行提供了良好保障，同时，也减少了后续维护的次数。

2.3 站控层

在站控层中，主要的设备包括五防机、工程师北京站以及操作员站等等。在此过程中，间隔设备能够将实时的状态信息，传输到站级以太网中，站级设备在经过监控功能的间隔层设备和以太网，可实现与MIS（Management Information System，管理信息系统）、SIS系统、中央变电站监控系统、集中控制系统的通信控制系统、调度系统等实现协调控制。经过纵向、横向的MMS（Manufacturing Message Specification，制造业报文规范）网络的站级设备，还可实现与通信站级设备、站控制装置以及工艺设备之间的协调、稳定运行。最后，经过各级IEC 61850调度通信站能够有效实现远程操控和监督。

3 数字化电厂电气控制技术的应用

经过上述分析，已经对数字化电厂电气控制系统的工作原理进行了较为客观的明确。可以发现，控制系统的运行以及工作，对数字化电厂的运行发展具有非常重要的实际影响。也就是说，要想保证数字化电厂的健康、稳定运行，落实可持续发展的重要发展战略，就必须要落实科学、合理的电气控制技术。对此，相关系统建设以及工作人员，应该树立现代化的发展观念，以创新的角度，优化电气控制技术的应用方式，以此保证数字化电厂的切实落实，推进数字化电厂的可持续发展。

3.1 发变组控制

一般来说，发电站的变压器设备主要由主变压、辅助电源变压、发电机、励磁变压等电气设备，以及励磁、变压器保护、快切、同期等二次电保护系统构成。因此，可以明确，电流的控制由主变、发电机、高厂变压、励磁变压等实现。电压量可以由变电站母线、厂用段变压、发电机来实现控制。开关量则主要由发变组的开关以及刀闸、厂变压器的开关进行控制。基于这一特点，可以落实两个方面的应用控制方案：一方面，可以应用光学电子变压器进行收集工作，并对该组合单元进行传送。变压器的CT（Current Transformer，电流互感器）可以就可以应用柔性光学电子变压器技术实现对发变组的控制。另一方面，可以应用电磁，是其他非电气量经过变压器的合并单元进行传输以及收集。对于开关量则可以通过其他的智能终端进行传输。

3.2 厂用电控制技术

现阶段电厂的厂用体系，主要涵盖厂用高压段、厂用低压段、低压电机、高压电机、厂用变压器、变压保护其、电机保护、线路保护、备自投、智能断路器等电器设备以及二次控制系统构成。厂用电控制方案，主要是基于现代profibs控制标准以及DCS（Distributed Control System，集散控制系统）控制系统的基础之上。也就是基于所有保护装置之上，统一支持profibs标准规约。通过这一系统，能够通过互联的网络，将保护装置的信息发送到DCS系统之中。一般来说，保护层的保护功能主要是通过就地保护装置完成、电机之间的连锁则由DCS完成。开关、刀闸等控制元件的操作可以使用硬接线进行联机，以此保证良好的控制效果。表2所示，是某电厂的厂用电高压段及低压段用电变化指数分析结果。从中可以发现，该电厂的高压用电指数在c段以及d段发生了严重的异常变化。在这一基础上，就那个实现系统的控制处理。

表2 厂用电电压变化指数

4 结束语

数字化电厂电气控制技术的应用，可以从根本上提升现代发电机组的稳定性与效率，充分发挥出操作机组运行优化与检修的作用，因此，在当前的时代背景下，应将数字化理念与电厂发展进行合理的融合，并对电厂的热控设备的配置、选型等进行综合的考虑，利用现有的智能设备对运行设备各项信息进行统一化管理，如，运行信息、诊断信息、故障信息以及维护信息等，将各系统充分与数字化理念相融合，从根本上提升电厂运行、维修以及管理的工作效率。