某2×1000MW电厂用电监控系统设计与应用研究

徐思佳

摘  要：本文对江西某2×1000MW电厂厂用电监控方式的设计与应用进行分析与讨论。研究发现：采用完全现场总线方式接线，减少DCSI/O点，增加通讯信息量，加强电气软件功能，提高了自动化水平和判断故障的能力，减少了大量的电缆，使整个电气系统运行状态得到全面、及时有效地监控。基于工厂的用电监控系统运用使工程造价降低，成本得到了理想的控制。

关键词：电厂  用电监控  完全现场总线  工程造价

Abstract： This paper analyzes and discusses the design and application of auxiliary power monitoring mode in a 2×1000MW power plant in Jiangxi Province. It is found that DCs can be reduced by using full field bus connection I/o point， increase the amount of communication information， strengthen the function of electrical software， improve the level of automation and the ability of fault diagnosis， reduce a large number of cables， so that the operation status of the entire electrical system can be comprehensively， timely and effectively monitored. The application of the power monitoring system based on the factory reduces the project cost and achieves the ideal control of the cost.

Key Words： Power plant; Electricity monitoring; Complete fieldbus connection; Construction costs

随着电气设备的发展，其越来越趋近于智能化方向发展，在这种背景之下，电气监控系统與以往相比其水平得到了快速的提升。迄今为止，现场总线已用于工厂用电能源管理中，基于现场总线技术的厂电控制和监控系统（Electrical control and management system in power plants）实质上是当前电厂设计的关键组成部分[1-4]。

在集控室中设置一个模拟的硬手动监控盘，该盘比较拥挤，到处都是控制的开关，状态显示，测量仪器和光报警器等，并且有许多电气二次分离元件，接线以及维修和保养需要大量的时间。从1990年代中期开始，它被快速发展的DCS电厂取代。在电气运用DCS后，将运用I / O硬接线连接，并且现场仍使用标准设备。DCS一般应用于机、炉方面对其进行控制，它在操作方面并不复杂，可是它对于信息的收集方面则不是十分的到理想，另外，由于电气和热控之间还有着很多的不同，二者之间的差异导致了很多的矛盾存在。在1990年代中后期，电厂升压站开始开发网络控制技术，然后成功地使用了现场总线和智能I / O和控制工具[5-6]。智能I / O可以完成交流采样，从而使现场设备的配置减少;计算机逻辑的操作简化了二次回路的接线，同时充分考虑了电气控制系统的特性，并使系统的操作和结构变得更加的合理化。结果，不仅在设计方面而且在电气智能化设备中都通过电气监控实现了快速的发展。自2000年示范电厂提出将现场总线运用于厂用电监控系统的设想，到目前多个电厂的实施，电气自动化监控已越发体现出其先进性和经济性，成为集保护、控制、数据采集、报警、逻辑编程、故障自诊断、信息管理、设备管理、自动抄表、仿真培训等功能于一体的现代化电气监控系统[7-8]。

本文结合在电气纳入DCS，升压站计算机监控系统以及现场总线在电气控制设计中应用的经验，提出适用于大唐国际江西抚州电厂厂用电监控系统的方案。

1  电气设备的监控范围

电气设备的监控范围方面从其对象来看，主要有以下几方面（1）发电机变压器;（2）备用电源等等。

2  厂用电监控管理系统控制方式

热工系统和电气系统的自动化水平能够很好的反映电厂监控管理系统的效率，同时也能够反映出其是否安全的运作，可以说电力监控系统的控制水平有利于机组的正常安全运行。当前，发电厂电气系统在分散控制系统（称为DCS）下运行，该设施是一种新的管理系统，已在电厂中得到广泛使用，显着提高了可靠性和经济性，使自动化和控制水平都得到了明显的提升。

目前，大容量机组电气在6kV厂用配电装置内布置有厂用电综合测量监控保护装置;在400V厂用配电装置布置有：智能型断路器，智能型马达控制器，微机型监控单元等。上述安装于开关柜内的智能设备系统称为智能终端装置（ST）。

以上的种种设备都属于保护，监控等设备，它们能够实现对于回路的监控。当前，将厂用电源运用到DCS系统中非常依赖硬接线和DCS的链接，缺乏主动性。无法充分利用这些设备的测量、监控和通信功能影响了DCS监控中电气系统的纳入过程。因此，改善这些设备与DCS之间的通信水平将直接影响电厂管理水平、安全性和经济性[9-10]。

当前，现场总线（FB）的运用以及终端智能系统（ST）技术的使用大大的提升了微机监控系统的功能，使其可靠性以及经济性方面都有了不小的上升。

2.1 硬接线和现场总线相结合的方式

每个机组配备基于现场总线技术的电气厂用电监控系统。站控制层配有工程师站、通信层网络使双以太网，机组和6kV厂房系统是双网冗余配置，而400V系统是双网络配置。单元通信控制器机器通过网络端口连接DCS。公用系统站控制层独立于网络，它通过网关连接到计算机系统1和2，工程师站是共享的，它仅接受使用软件和硬件闭锁方法的一台机组控制系统的操作。

间隔层采用了强大的微机厂电测控管理系统，该系统集成了安全性，测量，计量，控制和通信功能于一体，将电流信号输出与各种保护和控制设备，功率测量信号以及设备反馈状态以及保护动作、控制命令和预报信号通过通信控制系统直接连接到DCS系统，而存储保留命令通过硬接线的方式连接到DCS系统模块，即通过“硬接线+通讯”系统连接DCS系统。图1显示了厂用电监控管理的网络配置图。

在6kV系统和380V系统上的大于75kW的回路中，此设计方案的保护回路和操作回路与综合安全测控设备综合在一起，并集成了安全信号和测控设备，例如反应回路开关状态和远方就地/操作状态等。安全连接测量并控制当前设备反馈状态，功率测量状态，报告状态，位置，安全性和每个设备上的预测信号等，通过通讯方式在DCS或PLC系统的DO和DI模块中顺序连接维护操作回路的断路器。设置综合保护测控也可以接受DCS发出的用于驱动相关断路器的管理命令。各个回路与DCS或PLC系统之间转换的信息包括：回路电流、回路电能、回路有功功率等等。

在380V系统上的小于75kW的回路中，此设计方案的保护回路和操作回路与综合安全测控设备综合在一起，操作指令与智能电机控制装置的端口是相连的，同时接触器的状态可以控制开关量对于智能马达的输入情况;DCS能够对于回路的接触器发生相应的控制指令进而实现对它的控制。保留操作指令能够将DCS系统DO模件相连接。每个回路与DCS或PLC系统之间存在包括回路电流等的交换信息。

发变组主要对DCS中起到监控的作用，它采用的方法是运用了硬接线方法，也运用了通讯的方式;分隔开关，接地刀位置信号等是通过DCS进行链接以外，单击并允许长距离操作信号，所有高科技安装信号其他电子设备直接来自DCS，例如变压器组及起备变保护，AVR，厂用电快速切换等都配备了通信接口，并由多串口通信服务器接入ECMS系统。数据由ECMS处理和过滤，然后通过通信接口发送到DCS。上述设备的以下功能通过硬线连接到DCS：AVR，柴油发动机和厂用电快切装置参与逻辑控制信号和警报信號。

如此以来，仅将配电回路中设置保护测控控制设备或智能综合保护，系统接线少，存储负载轻，并且模块化设计提高了回路的安全性和可靠性。利用与DCS或PLC系统进行通信，使PI，AI，DI模块得以减少。每个回路能够实现独立于的相关的操作，同时能够保障不限制电气信息的交换。保留操作指令硬结线，使整个电气系统不仅可靠性高，而且形成了一个完整的系统，可实现画面显示、报表生成、事件记录、报警、事故追忆和分析、故障信息管理、设备管理等高级应用功能。性价比和自动化程度高，自动化程度与热工专业协调。

当前，我国有许多发电厂在DCS的控制下将硬接线和现场总线结合起来使用，例如山西河曲电厂，华能沁北发电有限公司1号等。

2.2 以电气厂用电监控系统监控所有电气设备

现场级信息系统（即ECMS）中厂用电动机和保安电源的控制同于2.1。二者之间的差异在于厂用的电源系统（除安全电源）ECMS用于监控。操作员的辅助操作系统操作系统和DCS性能工作站集中在中央控制室中。

由DCS对发变组进行监控，并可以由电源管理工厂进行监控。DCS之间的少量通信和通信仍然很困难。其他所有电监控信号通过通信设备转交给厂用电监控系统;所有电气设备都连接到电厂监控系统进行检查，所有硬线均取消。在机炉电动机中，由于它与热工系统组件密切相关并且必须在DCS中进行监控，因此与机、炉逻辑相关的信息通过硬线连接到DCS配置，其他电气控制信息通过现场总线连接到ECMS。

2.3 硬接线方式

6kV系统和380V系统上大于75kW的回路，这部分回路主要对继电器，按钮等比较依赖。它由诸如开关点之类的分立组件组成，并配有电流表和电流变送器以测量回路。测量主要采用二次测量方法，将4～20mA输出电流以硬接线形式连接到DCS系统的AI模块，带脉冲输出的电度表进行计量，将脉冲输出信号，以硬接线形式连接到DCS系统的AI模块;控制信号，线圈监视采用常规的方法，包括通过硬线连接到DCS系统的每个设备的控制指令和反馈状态，位置，保护和预测信号等。

380V系统中小于75kW的I类II类电动机回路其组成部分主要有继电器等分立元器件。电流表和电流变送器形成了测量回路。采用二次测量方法。4～20mA电流信号通过硬电线连接到DCS系统的AI模件。控制和测量回路采用原始模式，控制系统和返回信息，并且该功能通过线束集成到DCS系统的DO和DI模型中。每个电路与DCS或PLC系统之间的数据连接包括：回路电流，触点常开位置等。

电源和开关保护设备，AVR，直流系统，UPS等直接连接到DCS的设备的连接;所有设备均由DCS数字输出控制，并且设备被强制逐一控制。

这样，保护装置、电流变送器、电度表、按钮、信号灯、电阻器、开关等包含在配电回路中，分立元器件很多，并且需要大量控制电缆和DCS或PLC系统连接，DCS或PLC需要多个PI，AI，DO，DI模块。每个电路都独立于DCS或PLC系统与，电气系统无统一。整个系统由控制电缆组成，该系统需要大量的维护，安全性和可靠性比较差，并且需要很高的投资成本，例如抄表、定值管理等。它们必须手工操作，并且自动化级别很低。该方案是将厂用电系统引入DCS控制时在初期中使用最广泛的方案。该方案在九江电力三期和贵溪电二期扩建等工程使用。

3  厂用电监控管理系统控制方式对比研究

3.1 技术方案

方案一是将硬接线和现场总线二者结合的方案，每个回路具有一些独立的元件，这些元件数量不多，通过硬接线的方式与DCS的信息交换少。厂用电监控管理系统范围广泛，自动化程度很高。通常，并不需要大量维护，安全性和可靠性高，投资成本低。

在第二种方案当中，每个回路具有一些独立功能的元件比较少，通过硬接线的方式与DCS的信息交换少，少量DCS卡件。厂用电监控管理系统范围广泛，自动化程度高。通常，并不需要大量维护，投资成本低，对于通讯设备的可靠性方面有着比较高的要求。

方案三硬接线方式中，每个回路具有一些独立的元件，数量比较多，通过硬接线的方式与DCS的信息交换细多，DCS卡件多。而且，没有一个整体的机组管理系统，自动化程度低。平时检修维护量较大，安全可靠性较差，投资成本较高。该方案优点是速度响应快，运行维护方便，控制站的防护等级低。由于DCS最初是基于机、炉的控制特点设计的，而电气系统的控制管理功能与机、炉有着较大的区别。由于DCS系统I/O点数的限制，不可能将所有电气信息量送入DCS，DCS只能完成基本的监控功能，而且在监控软件上，也不能完全满足电气系统监控的要求。

经过调研，国外的大型电厂中一般采用方案二完全现场总线方式。目前已有60万发电厂投运经验。但是如果运用此方法，需要将现场总线通信的可靠性作为该方案的前提。从技术方面来看，本次主要选用了方案二。

3.2 经济性研究

采用厂用电监控系统后，效益比较大致可有以下几点：

（1）从统计上讲，与常规（方案3，下同）相比，电气系统的DCS中的I / O点数量可以减少1/2（同时减少相应的控制电缆和桥架的数量）[11-12]。

（2）计算机监控系统比常规做法在信息量的获得方面是增加的，总体上增了三分之一，使自动化水平得到一定程度上的提高。

（3）将电度计量管理纳入了厂用电监控系统后减去了常规的电度管理系统。

（4）减少了发电机组，中央开关和低压开关柜中的电流，功率，电度等。

方案1和方案2使用基于现场总线技术的厂用电监控系统，DCS I / O模块和常规控制信号控制电缆以及相关的电缆结构和安装成本大大降低，经济效果非常明显。

因此，厂用电自动化水平越来越高，相关于ECMS组网方式基础设备也减少了相应的投资费用，管理和维护人员的工作也大大减轻，相关的维护费用也得到节省，维护成本大大降低，效益得到了显著的提高。

4  结语

在技术领域和经济领域，现场总线技术组网方案显然都比硬结线方案好。完全现场总线方式技术先进，可减少二次线独立分离元件，简化接线，减少DCS I/O点，减少了大量的电缆，经济上投资节省，维护工作量少。采用此方式，可极大地丰富电气设备的监控信息量，使整个电气系统运行状态得到全面、及时有效地监控，而且在異常运行、事故情况下，能及时地提供显示保护、设备各种异常、事故的有关数据和状态，提高运行人员对异常、事故判断及处理的及时性、准确性。提高整个电气系统的运行管理水平，提升电厂在发电市场上的竞争能力。

参考文献

[1] 李海争，袁学重. 基于总线技术的全厂数字化电气监控系统N-ECS工程实践[J]. 农村电气化，2019（11）：40-43.

[2] 李颖. TY水电站生产管理模式变革研究[D]. 昆明：云南大学，2019.

[3] 张克宇. 九江地区非统调电厂远程监控系统的方案设计和应用研究[D]. 北京：华北电力大学，2019.

[4] 张治朝. 岱海电厂厂级自动发电控制（AGC）调度系统设计[D]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学，2018.

[5] 王玥. 呼和浩特热电厂200MW机组厂用电电气监控管理系统应用研究[D].北京：华北电力大学，2018.

[6] 张洪.电厂电气监控系统组网模式及其分散控制系统接入方式的研究[J]. 现代工业经济和信息化，2016，6（20）：45-46.

[7] 何璟德.电厂厂用电监控系统ECS实例应用分析及建议[J].电子世界，2016（10）：92-93.

[8] 何世杰，孙乐嘉，刘增远. 发电厂厂用电监控系统接线分析及应用[J]. 科技创新与应用，2014（20）：153.

[9] 张雷.DCS在火力发电机组电气控制系统中的应用[D]. 济南：山东大学，2006.

[10] 毕有富，张福荣.浅谈DCS在火力发电机组电气控制中的应用[J].科技创业家，2011（6）：198.

[11] 张青山.电气监控管理系统应用方式研究及优化[J]. 江西电力，2013，37（2）：62-64.

[12] 梁静，吴冬文.35kV电容式电压互感器电磁单元发热故障分析[J].江西电力，2013，37（2）：65-68.