数字化电厂电气控制技术与应用探讨

李鹏飞

（河北新天科创新能源技术有限公司 河北 张家口 075000）

0 引言

新时代背景下，人们生产生活中对于电力资源的需求不断增加。数字化电厂发展过程中，发电机组的构造更加复杂、科技含量更高，与此同时对机组设备的控制、保养、维修等工作要求提高，以保证机组安全可靠运行[1]。传统管理模式下，对各类设备设施进行分散监控管理，无法将信息统一起来，导致管理效率不高。随着数字化电厂的建设，电气控制技术应用其中，能对设备设施的运行信息进行统一监测、统一分析、统一处理，达到降本增效的目标。下文结合笔者的工作实践，对电气控制技术在数字化电厂中的应用进行探讨。

1 数字化电厂概述

1.1 数字化电厂的概念

数字化电厂是指基于数字化技术下，对电厂物理和工作对象进行全生命周期的量化、分析和控制，做出科学决策，从而提高电厂的价值。从定义来看，数字化电厂不是工程项目，也不是系统或软件，而是一种理论和方法。数字化电厂的目标是实现信息数字化和管理数字化。其一，信息数字化方面，就是利用计算机、互联网等技术，对生产信息进行准确、规范传输和交换，能在不同平台上实现资源共享，保证信息的实时性和动态性。其二，管理数字化方面，就是利用智能专家系统分析数据信息，提出具有价值的建议，制定科学合理的决策，为电厂生产管理提供依据。数字化电厂的发展，能降低设备故障率，降低发电成本，增加上网电量，实现经济、节能、安全生产[2]。如下表1，是某电厂近3年的电气指标。

表1 某电厂近3年电气指标调查结果 单位：%

1.2 数字化电厂的发展现状

从数字化电厂的发展来看，可以分为4个层次，由低到高如下。

（1）直接控制层。电力生产中，通过采集数据对生产过程进行控制，涵盖了单元机组、数据采集与监控系统（SCADA）、数字电液控制系统（DEH）、辅机、除灰设备等。这一层是数字电厂的控制系统，能为电力生产提供基础数据，也是其他更高层的保障。

（2）管控一体层。对电力生产过程进行监控，对管理层收集的信息进行整合，优化基础性能，改进系统运行方式，是控制层和管理层之间的桥梁。

（3）生产管理层。这是数字化管理的核心，一方面通过分析经营决策，明确经营指标、挖掘有价值的信息，辅助制定生产计划，并监督生产计划的落实。另一方面能为其他层提供控制导向信息，是数字化电厂的管理基础[3]。

（4）经营决策层。管理内容包括商业运营、电子商务、经营管理、交易管理等，全面预算管理和成本管理是核心。该层不仅是数字化电厂的决策机构，也是整个管理系统的入口，直接影响电厂的日常生产和未来发展。

2 电气控制系统构架和工作原理

2.1 电气控制系统构架

为了适应数字化电厂的发展，发电机组设计更加复杂，凸显出多元化的特征，这就对机组的运行、维护提出高要求。电气控制系统的应用，可实现机组管理的信息化和一体化，不仅提高了监控管理水平，而且为检修工作提供了便利。从电气控制系统框架来看，主变中的设备有架空线路、变压器、电抗器、断路器、隔离开关等，二次设备包括母线保护、线路保护、电源管理单元（PMU）故障显示仪等。

2.2 各层级功能作用

整个控制系统分为过程层、间隔层、站控层3个层级，功能作用介绍如下。

（1）过程层。该层能对开关、电压、电流等指标进行数字化处理，可分为开关量信号、电压信号、电流信号3类。这些信号传输至处理层，离不开总线技术；信息合并过程，需运用互感器采集二次侧电量，并将其转化为数字信号。电气互感器、电流互感器经过合并单元后，即可传递电力信息。

（2）间隔层。该层能防止设备发生故障，确保设备安全稳定运行，降低维护工作量和成本。从组成结构看，间隔层主要有电压器保护、母线差动保护、短引线保护、线路保护等，另外还有电子计量装置、安全稳定装置、PMU设备等。利用预设好的逻辑，可以发送开关、电流、电压等信号，经过以太网设备和间隔层，可顺利发出跳闸指令，从而保护站内设备。

（3）站控层。该层主要包括五防机、工程师站、操作员站等，间隔设备将设备运行信息传输至站级以太网，站级设备经过间隔层和以太网，能和管理信息系统（MIS）、安全仪表系统（SIS）、中央变电站监控系统、集中控制系统、调度系统等相连接，实现协调控制。经过制造业报文规范（MMS）网络的站级设备，能和通信站级设备、站控装置、工艺设备相连接，实现协调运行。最后经过IEC61850调度通信站，可对设备进行远程监督和操控。

3 电气控制技术在数字化电厂中的应用

数字化电厂的安全稳定运行，必须有多种技术的支持，其中就包括电气控制技术。对工作人员而言，必须转变发展观念，树立创新意识，不断优化电气控制技术，才能推动数字化电厂可持续发展。以下介绍几种常见的电气控制技术，以及在数字化电厂中的应用情况。

3.1 发变组控制技术

变压器是由主变压、辅助电源变压、励磁变压、发电机等设备组成，同时配置变压器保护、励磁、同期、快切等保护系统。

（1）发变组保护。①在主变高压侧，合并单元接线时，将主线和电流、电压串联起来，形成合并单元。其中，电流合并单元和保护装置之间点对点接线，电压则利用母线电压合并单元和保护装置相连。②主变高压侧和中性点的电流接入，是电流合并单元和保护装置点对点并联起来。③发电机内部的中性点，电流接入是合并单元点对点连接，电压则是利用机端电压合并单元连接保护装置。④厂变高低压侧的保护措施，是电流合并单元保护装置点对点连接，低压侧电压则是利用电压合并单元连接保护装置。

（2）励磁系统。图1是数字化励磁系统。分析它的结构分布，可知作用体现在间隔层和过程层。间隔层能保护机组设备，在间隔层内设置两套励磁调节器，即使其中一套出现故障，另一套也能正常运行，确保间隔层的保护性能正常发挥，保障机组正常运行[4]。在过程层内设置励磁调节器，通常含有智能接口，保障电气回路统一运行。通过采集回路功率，可以获得开关量、温度量等指标；经由智能接口，即可将信息传输至控制中心。另外，励磁调节器使用非线性的鲁棒控制技术，具有时钟校对、信息通信等功能，既能采集机组运行数据，又可在线监控，及时发现故障问题。

（3）发电机自动准同期。在电力系统中，自动准同期是一项基本操作，依赖于自动准同期装置（ASS），见图2。它能控制机组调速、调压，确保频差、压差均满足准同期条件，达到安全准确并网的效果。

（4）快切。快切冷备技术，是采集电压、电流、开关量等数据，在启备变高压侧未合闸时，利用快切冷备装置转却切换厂用电源，降低启备变热备时损耗的费用。

3.2 厂用电控制技术

在数字化电厂中，厂用电控制体系是由电气设备和二次控制系统组成的。其中，电气设备主要包括厂用高/低压段、高/低压电机、变压器等；二次控制系统包括电机保护、线路保护、智能断路器等。厂用电控制技术，是在保护装置的基础上，支持profibs控制标准和集散控制系统（DCS），通过互联网将保护装置信息发送至DCS系统上。一般情况下，保护层是通过就地保护装置实现保护功能，电机连锁通过DCS完成。对于刀闸、开关等控制元件，通过硬接线联机，从而保证控制效果。某电厂厂用电高/低压段用电变化指数见表2，分析可知：高压用电C段和D段发生异常，可通过厂用电控制技术进行处理。

表2 厂用电高/低压段用电变化指数

3.3 现场总线技术

数字化电厂中，针对智能仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备，如果出现信息传递问题，现场总线技术是一种有效解决方案，具有简单、可靠、经济实用的特点。现场总线的网络拓扑结构，主要分为环形、星型、树型、总线型4种，不同拓扑结构各有优缺点，应结合实际生产和管理情况进行选择。将现场总线技术应用在工程师站和操作员站，系统功能和控制权限均设置在工程师站，能提高实时通信效率，高效准确完成现场通讯任务，最高通信速率达到20 Mbps[5]。在操作员站，利用监控软件能监控生产现场，确保系统按照预设好的程序执行，并且完成数据查询、打印等功能。

3.4 远程控制技术

在过去，电气自动化技术应用在电厂中，设置模拟电路时一般使用FMON模式。数字化电厂的发展，采用远程控制技术，能对运行数据进行采集、传输和分析，能方便工作人员操作，提高电气设备的监控效率。在此基础上，还可以在监视器上安装一个单独终端块，并且和总线适配器连接，即总线监视器。它利用开放节点的电路保护器，一方面能提高性价比，另一方面能减少线缆和连接配件，可降低安装和维护成本。另外，总线监视器拥有安全保密协议，能提高系统运行安全性。

4 继电器和PLC控制技术的应用比较

以某电厂为例，机组循环水二次滤网控制柜回路，采用继电器和PLC两种电气控制技术，简要介绍如下。

4.1 继电器控制技术

在继电器控制系统中，是由接触器、继电器、按钮和导线等组成，可控制电动机的启动或停止；配合更多的连接组合，还能对电力拖动系统进行调速、换向、制动。结合实际运行和维护工作，总结优缺点如下。

（1）控制系统结构简单，只需要几个、几十个电器元件，由于布局清晰，设备安装、调试、维护工作的难度小。（2）价格低廉，具有较高的经济性。随着科学技术进步，接触器、继电器、行程开关等元件的体型更小、寿命更长，而且功能应用更加多样。同时，因技术成本降低，这些元件设备的价格也不高，使用起来经济效益明显。（3）可靠性差，该系统利用电器触点实现控制，由于触点的可靠性差，导致整个系统的可靠性差。（4）系统接线是固定的，生产过程中一旦出现变化，就要对配线重新改动；如果生产变化较大，还需要重新设计制造，导致系统使用时的灵活性差。（5）继电器控制系统，需要根据不同的要求进行专用设计，不仅通用性差，而且设备生产周期长，不利于推广应用。

4.2 PLC控制技术

PLC控制系统将继电器、计算机等技术结合起来，利用输入、输出指令完成控制过程。该控制技术的应用，从简单控制设备转变为复杂控制系统，从硬接线控制转变为存储控制，是计算机、自动控制、电子、精密测量等技术综合应用的成果[6]。结合实际运行和维护工作，总结优缺点如下。

（1）抗干扰能力强，针对生产环境中的电磁、粉尘、温度等干扰因素，系统软硬件采取一系列抗干扰措施，提高了运行可靠性。（2）采用模块化结构，方便组合、扩展，能根据实际需求灵活选用，因此适用性强，能满足不同的控制要求。（3）编程时使用梯形图语言，直观易懂，受到电气技术人员的欢迎。（4）系统设计、安装、调试方便，尤其接线工作量少，可在实验室内进行模拟调试。且系统具有监视、自诊断等功能，出现故障能及时查明原因，从而方便维修工作。（5）系统体积更小、重量轻，实现了机电一体化，能推动数字化电厂的建设发展。（6）价格较高，而且需要具备电气专业知识、计算机知识，一定程度上限制PLC控制技术的应用。

4.3 两种技术比较

该电厂内，机组循环水二次滤网控制柜回路中，继电器和PLC两种控制技术交叉使用。平时正常运行投入自动，控制循环水和二次滤网；利用PLC编程，可促使滤网按照选定方式正确运行。单纯使用继电器控制，需要大量的时间继电器、中间继电器、接触器等元件，而且接线复杂、布局混乱，容易降低运行可靠性。采用PLC控制，通过合理编程就能取代这些元件实现相关功能，不仅简化了控制回路，而且二次滤网运行更加方便，可靠性和经济性均明显提升。在故障检修时，二次滤网投手动，由继电器进行系统控制，按下启动按钮即可运行；排污阀和滤网电机两者分开独立运行，使用继电器能实现控制功能，而且方便了日常检修和维护。这两种控制技术的联合使用，二次滤网运行性能良好，故障发生率极低，提高了经济效益，可在数字化电厂中推广应用。

5 结语

综上所述，数字化电厂的发展，能降低设备故障率，降低发电成本，增加上网电量，实现经济、节能、安全生产。本文介绍了电气控制系统构架和工作原理，以发变组控制技术、厂用电控制技术、现场总线技术、远程控制技术为例，阐述了电气控制技术的应用情况。希望通过本文，为电气控制系统和技术的实际应用提供参考，助力数字化电厂可持续发展，更好地满足人们的用电需求。