探究火力发电厂厂用电监控系统的构建

2023-04-05尹黔昊

大科技 2023年11期

尹黔昊

（中煤能源新疆煤电化有限公司，新疆昌吉 831799）

0 引言

发电厂的电监控系统是发电厂的重要组成部分，作为电厂的重要组成部分，其安全、可靠的运行对整个电厂都起着至关重要的作用。厂用电力一体化自动化控制系统（ECS）是实现以上工作的前提。该系统在全厂的统一指挥和协调下，能够对电厂的电力系统进行实时的信息和设备状态进行监测，并与DCS 进行协同控制，保证电厂顺利运行。随着电力企业自动化、信息化技术的不断发展和电力市场的不断发展，电力系统的自动化、管理、节能、增强企业竞争力成为火力发电厂的热门课题。

1 发电厂厂用电监控系统的发展及监控系统的重要性

一对一的控制，也就是安装了发电厂的电力控制屏幕，并实行一对一的强力电力控制。该方法虽然比较原始，但是结构简单。在计算机技术飞速发展的今天，DCS 逐渐在电力和热负荷方面得到了越来越多的应用。但是，由于通讯能力差，不能对DCS 下达的指令做出迅速的反应，也不能迅速向DCS 发送相应的电气量，往往需要特别布线，工作量大、投资大，而没有充分发挥电力保护设备或电动机控制中心（MCC）、动力中心（PC）控制设备自身的采集与控制功能。全数字电力监测系统，为DCS 系统提供必要的控制接口和信息接口，采用厂内保护设备、MCC、PC 等设备，满足保护、测控、高速通讯等要求[1]，同时采用现场总线或以太网将各设备组成一个局域网，从而达到对电力信息量的全面数字化监测。DCS 通过通信软件实现对电力信号的采集与控制，不需要二次导线，节约了成本。

在电力系统的日常工作中，通过对优化的电气自动化监控系统的使用，可以实现对当地工作数据信息进行实时的采集、分析与处理，使得工作人员可以及早地发现问题的所在，有效地杜绝更大事故的发生。日后工作的调研也可以从中获得准确的数据信息。同时，电气自动化监控系统还可以对数据信息进行及时的更新，使相关工作人员对工厂内部存在的一些极为细小的问题及不容易发现的故障能及时发现和处理，从而从根本上提高了员工工作的效率，增大了员工工作的安全系数。

2 当前发电厂厂用电监控系统的总体状况

在机组容量不断增大的情况下，机组通常采用单机集中控制，这一系统的使用极大地提高了机组的自动化程度，而对电监控的影响则相对较小。

传统的火力发电厂的电监控系统采用了一个独立的电子控制器，通过模块来完成对电力部件的采集与控制。电监控系统中的一些特别的控制功能，如保护、励磁、同步、电源切换、故障录波等，均是通过一个独立的电子设备来实现的。尽管电监控系统中的继电器和自动控制设备都实现了微机化、智能化，但是整个工厂的自动化程度仍然很低，仅仅是通过电线和系统进行有限的交流[2]。

为了提升电监控系统的自动化程度，或者说电监控系统中某一设备的通讯能力得到了增强，最初的设想发电厂用电监控系统联网，这样就可以减少开关柜与电监控系统之间的连接，但是由于管理上的制约和技术上的限制，比如，DSC 中心信号必须通过硬接线，这就造成了电缆的数目没有下降，只是增加了线缆的数目。再之后，网络的目标也有所改变，目标是提高电气自动化水平。

2.1 厂用电监控系统结构

该系统可以实现电力系统的自动化和运行管理，既可以通过DCS 来实现必要的控制功能和电气数据的交换，也可以通过控制主机系统来实现对电力系统的全面控制。

（1）系统采用分布式现场安装，集保护、测量、控制、通讯于一体的智能化前端装置，其功能主要包括：电机综合保护装置、电压互感器综合保护装置等。

（2）采用现场总线（屏蔽双绞线）将各前端装置的通信接口相连接，组成电力监测网络。

（3）利用以太网连接装置，将数据库服务器，电气操作工作站，维护工程师工作站，远程工作站组成电气监视与管理的计算机。

2.2 厂用电监控分类

工厂的电力系统也可以分成两类：①主设备；②辅助系统。主设备包括工厂电源快切装置、同期装置，综合保护装置等。辅助系统包括UPS、保安段系统等。工艺方面的内容主要涉及各种类型的电机，其中有高压电机、低压电机等。高压电机包括绕线异步电动机、斗轮机、卸船机等配套设备。另外，针对一些特定的技术需求，个别电机还配备变频调速、内反馈调速、液力耦合调速等。低压电机主要是指鼠笼型的异步电机和它的调速器，目前的低压电机大多采用变频调速。

2.3 现有电监控系统应用不足

2.3.1 传统硬接线融入DCS 方案

电力系统的特殊功能，例如继电保护、故障录波等，均由独立的设备来完成，不依赖于DCS，DCS 的I/O 模块与电保护是相互独立的，DCS 的各个测点均由DCS 的AI、DI、DO、SOE 等卡片来完成。I/O 电路和电回路通过电缆相连，模拟信号的采集要求安装有发射机[3]。

这种方法实现全厂的综合监测方式，随着技术的发展，出现了许多弊端，这主要是因为DCS 系统的运行、控制和保护功能，没有考虑到电器的具体情况，只通过硬电线进行信息交流，不能充分地反映电力系统的各种信息，也不能进行波形分析和定值管理等比较复杂的电力维护和管理，所以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。

2.3.2 DCS+ECMS 方案

DCS 负责对整个工厂的所有设备进行监测，并利用硬接线来实现电力系统的控制，而DCS 和工业用微机保护和测控设备之间仅保留必要的硬接线，而DI 点则被省去。此外，还建立了独立的工厂电力监视管理系统，即ECMS 系统，通过ECMS 系统中的通信管理单元或站点控制层的通信网关，将DCS 需要的其他信号传输到DCS。这种接人DCS 系统是DAS 模式下的ECS。在我国，已经将其应用于大中型发电厂，并取得了一些成功的经验。

2.4 厂用电纳入DCS 模式

2.4.1 分层分布模式

分层分布方式即为电力系统的全数字化，它为DCS 提供必要的信息接口和控制界面。工厂用电保护装置和微机控制装置可以满足保护、测控、高速通信等方面的需要，工厂用电力系统由现场总线或以太网构成，构成一个专门的ECS，对电力信息进行全面的数字化监测，并为DCS 提供高速、实时的通信接口。此时DCS 只需通过通信软件报文就能完成对序控制中的电力的采集和控制，无须二次电缆的硬接线减少了设计、建设的工作量，节约了大量的资金。

2.4.2 硬接线与通讯相结合的方式

在此模式下，将电厂用电监测纳入DCS 系统，主要是指通过DCS 对发电机变压器组进行检测和控制；DCS 系统可以完成直流系统、UPS、工厂用电等数据的采集；6kV 工厂用电保护，380V 电动机控制装置，DCS控制系统直接完成测量和控制。但其主要问题是：①通讯能力弱，可靠性差；②DCS 发布的控制指令不能迅速响应，或不能迅速向DCS 发送有关的电力量，不能满足DCS 对电气量的快速采集。对于参加顺序控制的电力量，特别是在二次线路上敷设了二次电缆，这不仅是一项费时费力的任务，而且还需要投入大量的资金。

3 构建发电厂厂用电监控系统的硬件结构

3.1 系统网络架构设计

由于发电厂电力系统中的各个设备相互互锁，如果生产流程被破坏，造成设备间的通信中断，造成人员和设备的安全无法得到保障。同时，作为一种实时监测系统，通信的稳定性和可靠性非常关键，为了确保通信的可靠性，本文提出了一种基于双网的互备方案。当网络需求不大时，可以采用单网方式，以节约网络成本。当某一网（目前的主要网）发生故障，无法连接到通信时，该装置的通信接口将会与备用网络进行通信，同时通知操作人员进行维修。由于两条线路在同一时刻发生故障的可能性极低，从而确保了在同一时刻，至少有一条线路是畅通的，从而达到了可靠的数据通信。

3.2 电监控系统各保护测控装置通信设计

发电厂用电监控系统中存在着大量的保护、监测设备，以此实现保护和监控的功能，并且这些设备需要传送信息，其中方式有：对测控设备之间的数据传送进行保护；保护测控自动化设备向数据库服务器、工作站等上位计算机进行遥测、遥脉等功能；数据库、工作站等计算机系统向保护测控自动化设备发送远程遥调等信息。由于各个保护与测控设备的通信协议千差万别，所需通信的保护测控设备不能完全进行信息的传递，而主机与保护测控设备的通信也是如此，所以，可以通过增加前端通信管理准元来进行通信控制和规约变换，从而使各种设备间的数据互联互通。

4 电监控系统的软件体系结构

电监控系统要实现的功能如下。

4.1 基本功能

火电厂厂用电监控系统，其首要任务是实现基本的数据采集与处理，并对实时数据进行采集，然后将数据经现场总线传输至前端设备（通信管理设备），再根据预定的协议将其打成数据包。再将其发送到互为主机的数据服务器。资料伺服器会规约的解释接收的资料，然后再根据资料的解释来处理。在运行员工作站上，运行员可以发出遥控遥调指令，把遥控、遥调指令发送到数据服务器，发送给远程执行，完成后，再把执行结果反馈给运行操作员。

数据的采集与通信作为整个系统的基础，主要承担了设备之间的通信和现场设备的数据收集；保护测试与控制设备是由前向主机传输的四遥（数据库服务器）[4]，这些数据都要存储，因此，系统必须具备数据库的功能，包括数据的产生与管理、数据查询、统计报表、输出、打印等功能；作为一种监测系统，它必须具备警告、提醒用户注意等功能。

4.2 管理功能

在电监控系统的联网建设后，可以实现一系列先进的应用功能，从而使发电厂的电力操作自动化程度得到进一步的提升，其主要特点如下。

（1）电气设备管理。包含了设备的维护记录，档案，维护记录等。此外，该系统还能对电力主站进行在线的设备管理，例如对设备的操作状态、工作状态等进行统计。这一部分可以用来作为系统数据的补充。

（2）故障信息管理。主要包括事件信息、事件回顾、事件重演、录像分析等。事故重演和录像分析是分析事故发生的原因，从而达到预防事故的目的。

5 提高ECS 系统的通信速度和可靠性

为了使DCS 能够迅速地获取、控制电力监视信号，并达到控制的目的，必须在整个ECS 的总体网络方案中，充分发挥其通信率的潜能。但是对于任何一个通讯环节来说，通讯媒介和通讯规范的选取都是加快通讯速率的关键。DCS 系统中大多数采用串口Modbus 规范与其他设备进行通讯，这是因为历史和习惯的缘故。由于串口媒体自身的速度较慢，Modbus 协议的通讯频带限制，通讯方式太过单一，仅能完成全部或部分的呼叫与传输，无法优先抽取变化的资料，DCS 仅能通过连续两次询问而ECS 无反应来判定通讯中断。在此基础上，DCS 与ECS 的通讯媒介是以TCP/IP 为基础的以太网，通讯协议是IECl04 协议，通信双方都可以进行主动的通讯，并能在ECS 中自动发送数据。

在ECS 系统中，它能很好地支持各类以太网卡，因此ECS 的网络架构基本上都是以太网构成，可以最大程度地减少时延。隔离层主要包括两种装置，一种是大量工厂用电保护装置，它们能够独立地实现预定的功能。隔离层中的设备数目最多，它直接反映了各个电子设备的实时工作状态，因此，隔离层通讯的速度和可靠性将直接影响到ECS 的通讯速度和可靠性。当前，基于RS-485 的网络技术、现场总线技术、工业以太网技术是当前的主流技术。

以太网是目前应用最广的一种LAN 技术。以太网的传输速率达到10000Mbit/s，这在现场总线网络中是不能相比的，可以很好地满足ECS 间和基站之间的高速通讯。随着以太网技术的普及和技术的发展，使得ECS 系统的成本大大降低，从而大大减少了ECS 隔离层的成本[5]。同时，以太网具备完善的故障诊断工具和强大的网络监测能力，使以太网的稳定运行得到了保障。现场总线网中的网管相故障诊断工具是非常罕见的。因此，对ECS 组网方案进行优化，选择合适的通信规范，可以使DCS 在ECS 中实现对连续控制的高速需求。