浅析DCS系统在火电厂电气控制方面的应用

南京国电南自维美德自动化有限公司 刘 舟

随着电力集中自动化控制能力和电厂机组的自动化运行水平等的进一步提高，火电厂DCS 自控系统技术结构正日趋稳定成熟，实现了对发电厂整个运行机组状态的自动化综合监控。在我国火电厂自动化DCS 系统中的实际应用及设计实践中，为全面提高DCS 设备系统整体的技术应用设计质量要求和整机运行操作安全的可靠性，有必要着重对DCS 自动化系统整机的关键功能、性能参数和客户使用的习惯特征进行研究。DCS 系统已广泛应用于加热设备和加热炉中。它直接影响汽轮发电机组、电炉和供电系统的集中控制和管理技术水平，影响发电效率。

为进一步实现大型火力发电厂机械、炉膛控制和辅助电气系统智能化的系统集成应用和网络化集中高效运行，有必要先对中小型发电厂系统现有设备的全部独立辅助电气控制系统网络进行优化改造，并进一步将系统有效安全地整合集成，配置发电机组控制系统所进行服务管理的大型DCS 自动化分布式控制系统中。将把其设备有效集成纳入整合到直接面向燃煤发电机组生产服务部门的智能化DCS 分散控制系统网中，进而全面实现电厂一体化系统智能自动控制。

随着火力发电在我国电网建设中的重要性，火力发电技术越来越受到重视。火电厂的电气控制非常重要，直接关系到供电质量。随着科学技术的飞速发展，火力发电的电气控制水平逐步提高。各种先进的信息、智能和自动化技术已广泛应用于电力控制领域，为有效提高电力控制水平和火电厂的发展做出了巨大贡献。DCS 系统的应用在火电厂电气控制中起着重要作用，为火电厂的运行提供了便利条件。本文介绍了DCS 系统的特点，DCS 系统在火电厂的应用，及保证DCS 系统合理应用的预防措施。

1 电气系统控制的特点

1.1 DCS 系统的特点介绍

可靠性很高。DCS 控制系统中的多种控制的功能都不是全部集中表现在了一台微型计算机平台上，而是直接由多台大型计算机实现的。容错的设计及结构将使整套DCS 的系统稳定性更加可靠，不会由此引起整个系统设备故障。根据应用需求优化设计调整了整机功能结构，大大提高了每一台计算机系统的可靠性[1]。

开放性较广。DCS 自动化系统还具有了模块化、开放性设计和高度标准化控制等特点。在电气设计生产过程网络中，每一台计算机系统都可使用计算机局域网系统进行电气通信网络和电子信息资料传输。如果电气系统因增加某些功能后需要扩展或进行修改，可首先通过将新系统的用户计算机重新连接扩展到其他系统信息网络，并允许在其不受影响使用其他新系统网络的情况下直接从该系统网络资源中删除，从而使DCS 系统非常开放。

系统运行灵活。DCS 系统的总体结构基于不同工艺应用对象的软硬件组合。换句话说，DCS 系统必须测量控制信号和互连，从图形库的基本图形元素中选择合适的控制规则，并形成所需要的控制系统[2]。整个系统运行灵活，可根据实际需要满足电控系统的运行要求。

1.2 火电厂电气控制应用DCS 系统的原因

使得电气系统的运行监控能力得到提升。目前火力发电厂自动化电气控制系统内的许多设备重要运行参数显示和设备运行监控状态记录已被输入DCS 通讯系统，可用于实现远程CRT 屏幕故障提示、多边界自动报警、记录、打印命令和输出。基本操作系统是为维护整个工业电力系统安全可靠的高效运行模式而单独建立的。然而，由于系统许多的运行基本参数都须使用各种模拟数字仪表显示和指示信号灯，运行可靠性较低。因此，接入DCS 自动化系统也是为有效提高设备运行状态监控分析能力，使整个自动化机组自动化运行，弥补我国传统电力系统自动化运行管理的系统特殊性。DCS 自动化系统的实时自动联网运行，提升了对整个机组全过程的智能化监控水平。

使得电气控制系统的可靠性更高。首先DCS 系统本身可靠性较高。冗余控制系统还可有效取代传统固态逻辑元件和机械继电器，提高整个系统安全运行环境的高可靠性[3]。此外还可节省多个操作终端，消除硬接线、开关、按钮失效等硬件故障，使整个系统的运行逻辑更加完整稳定、安全；可使电气系统做到完全集控运行。由于DCS 系统的开放性和灵活性，可控制整个电力系统的运行和监控。操作员可通过与整个机组的联动，在任何终端控制整个系统的运行，整个DCS 系统可实现全集中控制。

1.3 电气系统控制的特点

对电气系统的测量。电源系统只测量输出电流频率和输入电压，其他测量参数如测量功率、电阻大小和频率相位也是作为电流输入和测量电压信号的测量二次的参数。测量采用Pt、CT 探头和其他相应数量的测量功率变送器。状态信号测量装置只能简单用作电气开关回路的控制辅助及连接。电气回路控制辅助的输出对象可能是断路器、开关箱和控制接触器，但它直接进入电器控制系统中的控制输出通常是电磁线圈[4]。特别的是这些输入参数的内部和二次操作变得非常专业，这是电子控制系统控制的特殊要求。目前，DCS 设备不能直接接收Pt、CT信号以及电力系统所需的二次参数的特殊处理。

对电气参量变化情况的掌握。在典型DCS 应用系统环境中，保护及联动控制系统中的主要电气参数的变化，系统逻辑及异常工况的发展响应速度要求均为ms 级。因此电力系统中对信号快速采集效率和故障处理恢复速度要求也有一个较高等级的速度要求。为进一步满足所有这些控制要求，DCS 控制系统也须加快其本地和过程控制站间的交换处理速度，但在一定程度上影响到了控制系统主要功能的实现。

电气系统运行过程中的操作。供电系统不良、工艺参数和励磁电压调整不当。大多数运行异常都由保护器自动处理[5]。电气系统的正常运行是指本地电气系统和设备的停机和运行模式。工作频率低、速度响应不高，但精度高；电气控制专项的功能。例如变压器组、发电机励磁调节、故障记录、并联自动发电机及其内部操作和处理都非常专业。目前DCS 的内部调用和组合功能难以完全满足这一要求。

随着微电子技术和数字控制技术在电站的广泛应用。电子控制设备的数字化和信息化取得了很大进展。根据电子控制系统的特点，经过多年的反复开发研制了一种基于微处理器的电子控制装置。如微机变压器保护装置、微机励磁调节装置、微机故障录波装置、微机自动同期装置等均达到了预期水平。其功能和实用性优于DCS，可靠性不低于DCS。

2 控制方式探讨

根据DCS 及电子控制系统和设备的现状，实现DCS 电子控制的基本原理是电子控制的基本功能。必须充分利用现有专用数字计算机设备，如变压器保护、发电机励磁整定、故障记录等。这些设备和系统过程的运行状态、动作结果和数字输入信息通过通信传输至DCS。同时，应保证这些控制系统和DCS 的功能性、安全性和独立性，以确保电力系统在没有外部干扰的情况下安全运行。

DCS 处理电气系统的运行状态(包括功能参数)和参数运行信息，实现屏幕显示、声光提示和打印输出。各种远程操作进入DCS，鼠标操作由CRT完成。DCS 中定义了操作权限，除发电机主开关、磁力开关跳闸按钮和发电机电源仪表外，在可能的情况下DCS 电气系统的输入和输出控制应进行通信，以节省DCS 输入和输出点的硬件和电缆。此外，DCS 中输入的信息将用于集成机组控制和整个电厂信息系统。如果机组启动停机控制系统，检查整个机组(包括电气系统)的启动情况，当汽轮机接近额定转速时启动自动同步器。自动或操作电源开关；控制主控制电路，直到电气系统关闭。

DCS 网络配置：DCS 模块化网络结构，有效解决了由传输网络介质堵塞或路由传输网络设备故障等引起的连接冗余问题，大大提高了通信网络运行的可靠性。采用双冗余网络结构，增加了对环网安全的技术保障，形成了容错式冗余网络。通过广泛使用光纤等作为通讯传输的介质，解决了通信传输电缆过长的安全问题，为直接在遥控器设备之间建立远程通信连接创造了基础条件。在现场网络节点位置分布设计上，遵循了点对点通信传输的优先原则，节点位置相对独立。以太网交换机可随时根据同一个网络数据地址从不同网络端口直接传输网络数据。

3 DCS 系统在火电厂电气控制中应用的注意事项

3.1 系统设计的配合问题

在国内传统企业的DCS 自动化设计体系中，DCS 单元的总体结构的设计、容量、规模等选择，以及相互技术关系调整等项目均要由自动化热控专业工程师完成。电气人员和控制等专业人员间的交流合作机制非常薄弱，电气类专业人员设计好的DCS 控制系统应全部输入到原设计电气部分，选择状态、清单和工作计划，并统一提交给热控专业负责人进行分配。

电气控制输入DCS 后，DCS 必须实现一定的逻辑功能。一些大型专业中电气功能，特别是大型机组电气综合及控制自动化功能模块的电气逻辑控制系统设计，以及各种电气及控制综合功能设备在整个DCS 行业中的合理分布方案和系统选址，需要由上述两个专业合作完成。电气学科人员还特别应重视与国际DCS 制造厂商联合进行的相关产品技术问题咨询，以更好地认识我国DCS 技术的主要特点，并对我国DCS 设备电气及控制工艺提出技术性要求。在独立DCS 设备和其它独立的电气与控制设备装置之间直接建立数据与通信传输协议。

3.2 电气控制功能的分配.

控制逻辑和设计参数变化很大，工程师对任何功能的修改都会影响过程控制。由于大多数DCS 不具备在线传输能力，因此在传输期间和任何状态下都可能出现一些电厂输出状态。然后，只要电子控制和热控制部件位于同一工艺站，更改热控制功能或参数可能会导致电气系统错误。另一方面，对于新机组，电厂的电源在DCS 之前恢复正常并通电。电子控制功能进入DCS 后，这是一个非常重要的矛盾。特别是当新项目的第一台机组通电时，DCS 仍安装在工厂中，没有环境和生活条件。因此在电站的功率控制和保护中也应考虑工艺站。

3.3 装置时钟配合问题.

根据上述DCS 电气控制原理，整个控制单元由DCS、独立微处理器和数字设备组成。所有类型的独立设备都有自己的时钟。事实上，许多设备的设计都没有考虑与外部时钟的协调。在实践中应统一考虑或制定相应的系统方法。否则会干扰系统的时间目标信息。

3.4 系统调试问题

通信设施的合理性和可靠性已成为整个系统正常运行的前提和系统调试的技术难点。通信方式在理论上不是问题，但从整个系统的角度来看，还需要双向配置优化来分配每个系统的通信周期、周期、速率、传输量和信息优先级。否则，信息丢失、僵局和死亡等负面后果将不可避免。电站与DCS 之间的负荷冲突是一个需要解决的特殊问题。在调试准备阶段，应根据具体情况提出相应的技术和安全措施，以确保全厂供电系统的安全过渡和机组的安全稳定运行。

综上，通过对DCS 系统应用特点的深入分析，使目前DCS 应用系统及在各类电气控制系统领域中的开发应用方法更完善科学，大大提高了对电气智能控制网络运行环境的质量监控评价能力和管理水平，增强了现代电力系统正常运行工作的系统可靠性和安全性。在未来激烈有序的电力市场和竞争形势中，必须严格保证发电系统设施的可靠正常运行，有效提高电力企业效率，促进火电厂有序发展，对社会能源的充分可持续化利用具有着重要意义。