火電廠DCS監(jiān)控系統(tǒng)幾種方案

1、火電廠DCS監(jiān)控系統(tǒng)幾種方案摘 要： 文章在火力發(fā)電廠電氣控制系統(tǒng)納入DCS監(jiān)控方式上提出了兩種方案，并對(duì)兩種方案以及硬 接線的方式進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析比較，為大型火力發(fā)電機(jī)組的新建或老發(fā)電廠的技術(shù)改造 提供了借鑒。關(guān)鍵詞：DCS；火電機(jī)組；電氣中圖分類(lèi)號(hào)：TM762 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：HT K10076921(2008)200086021 概述火力發(fā)電廠中，熱工系統(tǒng)及電氣系統(tǒng)的自動(dòng)化水平，反映了整個(gè)電廠的運(yùn)行管理水平，而電 廠廠用電系統(tǒng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行對(duì)機(jī)組的運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。發(fā)電廠電氣系統(tǒng)主要設(shè)備 納入機(jī)組的分散控制系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)DCS)進(jìn)行監(jiān)控，是當(dāng)前火力發(fā)電廠廣泛采用的控制模

2、式 ，可大大提高機(jī)組運(yùn)行的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。但還有很多老廠依靠常規(guī)的儀表、光字牌，采用 繼電器、控制開(kāi)關(guān)及其接點(diǎn)組成的控制邏輯來(lái)實(shí)現(xiàn)。目前，大容量機(jī)組的電氣系統(tǒng)納入DCS監(jiān)控的主要方式為：發(fā)變組保護(hù)、綜合自動(dòng)化裝 置、廠用電系統(tǒng)的保護(hù)及自動(dòng)裝置的動(dòng)作情況是通過(guò)各獨(dú)立的裝置動(dòng)作信號(hào)以及電氣設(shè)備的 位置狀態(tài)等開(kāi)關(guān)量作為輸入量(即DI)送至DCS系統(tǒng);模擬量(如電流、電壓、有功、無(wú)功)通過(guò) 電量變送器輸出420mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)送至DCS系統(tǒng)：DCS的控制命令作為輸出量(即DO)引至電氣 設(shè) 備，各電氣設(shè)備與DCS系統(tǒng)的聯(lián)系采用硬接線方式，即由電氣設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)用電纜將電氣量信號(hào) 一對(duì)一地送至DCS系統(tǒng)的I/O柜

3、上。然而由于大多數(shù)電廠的DCS系統(tǒng)都側(cè)重于汽機(jī)鍋爐，完成機(jī)組基本的運(yùn)行、控制等功能 ，對(duì)電氣系統(tǒng)的運(yùn)行監(jiān)控考慮較少，電氣系統(tǒng)的要求在DCS系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)中往往難于全面 考慮。因此上述方式存在著較明顯的缺點(diǎn)：占用DCS大量的I/O點(diǎn)，卡件多，投資大；DCS中反映電氣的保護(hù)、測(cè)量、開(kāi)關(guān)位置及其他需檢測(cè)的信息不完整;不能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方遙控、保護(hù)信號(hào)復(fù)歸；模擬量采用直流采樣、使用電量變送器，對(duì)一次設(shè)備要求高、投資大、抗干擾能力差；電氣二次接線復(fù)雜、耗費(fèi)大量電纜，施工及檢修工作量大；所有信息集中在DCS的DAS系統(tǒng)，系統(tǒng)承擔(dān)的風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較大；無(wú)法完成較多較復(fù)雜的電氣運(yùn)行管理工作，如電氣運(yùn)行檢修人員關(guān)心的電能管理

4、、 保護(hù)整定、事故追憶等信息。目前，大容量機(jī)組專(zhuān)用的繼電保護(hù)及自動(dòng)裝置主要有：微機(jī)發(fā)變組保護(hù)裝置、故障錄 波裝置、微機(jī)自動(dòng)勵(lì)磁裝置(AVR)、微機(jī)廠用電切換裝置(ATS)，微機(jī)發(fā)電機(jī)自動(dòng)同期裝置(A SS)，以上設(shè)備一般集中布置于電氣設(shè)備間或繼電器室內(nèi)，均為微機(jī)型裝置。中壓系統(tǒng)采用 分散式就地安裝的集保護(hù)、測(cè)量、控制、計(jì)量、通信于一體的智能前端設(shè)備，低壓系統(tǒng)選用 智能型框架斷路器，可帶通信接口，能將開(kāi)關(guān)狀態(tài)、電流、電壓、功率、電能、保護(hù)動(dòng)作等 信號(hào)通過(guò)其自帶的通信接口送出。對(duì)于塑殼斷路器回路，可設(shè)低壓微機(jī)保護(hù)測(cè)控裝置，如智 能型馬達(dá)控制器，微機(jī)型測(cè)控單元等。上述安裝于開(kāi)關(guān)柜內(nèi)的智能設(shè)備系統(tǒng)稱(chēng)為

5、智能終端裝 置(ST)。上述設(shè)備都是分散的保護(hù)、監(jiān)控裝置，都能獨(dú)立地完成各回路的監(jiān)控和保護(hù)功能，目前 的電氣納入DCS系統(tǒng)大都是通過(guò)硬接線與DCS聯(lián)接，沒(méi)有充分利用這些裝置所具有的測(cè)量、監(jiān) 控、通信功能。因此提高這些智能終端設(shè)備與DCS的通信水平，將直接關(guān)系到電廠運(yùn)行管理 水平和安全經(jīng)濟(jì)性。隨著微處理技術(shù)的發(fā)展，分層分布式控制結(jié)構(gòu)的廣泛應(yīng)用，特別是現(xiàn)場(chǎng)總線(FB)和智能 終端裝置(ST)技術(shù)的采用，其組成的控制系統(tǒng)在發(fā)電廠、變電站特別是在工廠得到了普通使 用，大大提高了微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性及經(jīng)濟(jì)性。當(dāng)前，世界發(fā)達(dá)國(guó)家，如美、英、法、德、日等在發(fā)電廠監(jiān)控中己廣泛采用現(xiàn)場(chǎng)總線和 智能終端設(shè)備，國(guó)內(nèi)

6、不少?gòu)S家也在開(kāi)發(fā)、研制陽(yáng)和ST發(fā)面做了大量工作，有許多產(chǎn)品己在工 程中使用;本章探討把成熟的微機(jī)監(jiān)控通信技術(shù)應(yīng)用于大型火力發(fā)電機(jī)組，與電廠DCS系統(tǒng)有 機(jī)結(jié)合，全面提高電廠電氣系統(tǒng)的監(jiān)控水平。2 常用電氣系統(tǒng)控制方案比較隨著火力發(fā)電廠自動(dòng)化水平的不斷提高，電氣系統(tǒng)納入DCS，實(shí)現(xiàn)爐、機(jī)、電一體化監(jiān) 控在國(guó)內(nèi)機(jī)組上已從試點(diǎn)進(jìn)入了正常實(shí)施階段，由于國(guó)內(nèi)對(duì)電氣系統(tǒng)監(jiān)控的有關(guān)規(guī)程、規(guī)范 還在不斷地修訂完善中，對(duì)電氣系統(tǒng)的控制方式?jīng)]有作統(tǒng)一的規(guī)定，國(guó)內(nèi)各電廠對(duì)電氣系統(tǒng) 納入DCS的方式采用了不同的方式，主要有以下三個(gè)方案：方案1：直接I/O連接方式：將電氣模擬量和開(kāi)關(guān)量經(jīng)電纜通過(guò)I/O通道直接接入DCS

7、進(jìn)行組態(tài) ，實(shí)現(xiàn)對(duì)電氣設(shè)備的監(jiān)控，即硬接線方式。方案2：遠(yuǎn)程I/O及分布式I/O連接方式：遠(yuǎn)程I/O的采集單元一般是在I/O相對(duì)集中的現(xiàn)場(chǎng)安裝I/O機(jī)柜，負(fù)責(zé)采集附近設(shè)備的I/O 量，通過(guò)I/O通訊網(wǎng)絡(luò)將數(shù)字化信息傳至DCS。分布式I/O是將采集單元分散安裝在各現(xiàn)場(chǎng)設(shè) 備中，通過(guò)總線將分散的I/O連接后送至DCS。具體地說(shuō)，就是利用分散安裝于就地開(kāi)關(guān)柜的 集保護(hù)、測(cè)量、控制、通迅于一體的智能測(cè)控保護(hù)裝置 (智能終端模塊)，將由10kV、6kV工 作段及400V工作(公用)PC段供電的要求集中控制的高低壓電動(dòng)機(jī)，由鍋爐、汽機(jī)及保安MCC 供電的要求集中控制的低壓電動(dòng)機(jī)，采用現(xiàn)場(chǎng)總線通過(guò)DCS配置

8、的通迅卡件、通迅切換器和 通迅電纜(雙絞線及光纖)直接連接到DCS的過(guò)程控制器。方案3：智能終端設(shè)備(ST)和現(xiàn)場(chǎng)總線(FB)連接方式：現(xiàn)場(chǎng)總線(FB)是一種開(kāi)放全數(shù)字化的、雙向多站的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)該網(wǎng)絡(luò)將智能終端 設(shè)備(ST)、主控制計(jì)算機(jī)和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連接起來(lái)。傳輸信息為數(shù)字信號(hào)，可以各個(gè)接點(diǎn)共用一 條物理傳輸介質(zhì)。智能終端設(shè)備(ST)是建立在微電子技術(shù)發(fā)展之上、大規(guī)模集成電路、嵌入式系統(tǒng)，由CP U、存儲(chǔ)器，A/D轉(zhuǎn)換器及I/O回路等集成的設(shè)備，主要由中壓及低壓系統(tǒng)的保護(hù)測(cè)控裝置和 自動(dòng)裝置構(gòu)成。這些裝置具有測(cè)量、控制、保護(hù)、信號(hào)、通訊等基本功能 并完成各自獨(dú)立 的特殊功能(保護(hù)功能獨(dú)立，

9、在就地完成)。利用智能終端設(shè)備(ST)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理及邏 輯控制等功能，就地可實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的控制、監(jiān)視功能，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)可將處理好的信息 上傳至DCS等控制層進(jìn)行監(jiān)控，也能將控制層的指令下達(dá)。這種方式實(shí)現(xiàn)了分散控制，可節(jié) 省電纜，同時(shí)提高了信號(hào)轉(zhuǎn)換精度和可靠性，簡(jiǎn)化了二次接線。具體實(shí)施為：擴(kuò)大用通迅接入DCS的內(nèi)容，增加電氣設(shè)備通過(guò)通迅接入DCS系統(tǒng)，增設(shè)電 氣后臺(tái)工作站。用現(xiàn)場(chǎng)總線將這些智能終端設(shè)備及專(zhuān)用裝置的通迅接口連接起來(lái)，通過(guò)通迅 管理裝置連接至DCS系統(tǒng)、電氣工作站及電廠MIS系統(tǒng)等，組成一個(gè)分層分布式的綜合自動(dòng)化 系統(tǒng)。采用現(xiàn)場(chǎng)總線接入DCS系統(tǒng)的范圍： 10kV、6kV工作

10、段及400V工作(公用)PC段廠用電 源進(jìn)線、聯(lián)絡(luò)斷路器及饋線，方案2中通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線接入DCS的高低電動(dòng)機(jī)，電氣專(zhuān)用裝置 ：發(fā)變組保護(hù)、故障錄波、AVR，ATS，ASS等?？紤]到系統(tǒng)的安全性和可靠性，發(fā)變組系統(tǒng)和10kV、6kV廠用電系統(tǒng)的DO及SOE等重要量 仍采用“硬接線”方式，380V廠用電系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)的監(jiān)控可以采用全通迅的方式。3 技術(shù)比較方案1：為采用常規(guī)的電氣納入DCS系統(tǒng)監(jiān)控的方式，既“硬接線”方式。該方案的缺點(diǎn) 如本文第一部分所述。方案2：高低壓電動(dòng)機(jī)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線接入DCS，每臺(tái)電動(dòng)機(jī)的智能終端模塊與DCS的聯(lián)系 信號(hào)除起動(dòng)/停止指令、運(yùn)行/停止?fàn)顟B(tài)反饋、遙控狀態(tài)、電源監(jiān)視、電

11、流共七個(gè)信號(hào)外，增 加了保護(hù)動(dòng)作信號(hào)、設(shè)備故障信號(hào)、設(shè)備起動(dòng)次數(shù)、參數(shù)設(shè)定、累計(jì)運(yùn)行時(shí)間等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備信 息，大大豐富了DCS的監(jiān)視內(nèi)容。其中的設(shè)備起動(dòng)次數(shù)、累計(jì)運(yùn)行時(shí)間等信息采集及分析， 為提高電廠管理和維護(hù)水平創(chuàng)造了有利條件。由于智能終端模塊集成了通訊、保護(hù)、二次控制電路等多項(xiàng)功能，其中低壓智能終端 模塊還集成了電流互感器，10kV、6kV智能終端模塊還提供故障錄波功能(上位機(jī)支持)，采 用交流采樣技術(shù)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線接入DCS，節(jié)省了控制電纜，取消了電量變送器及控制用中 間繼電器，使電氣開(kāi)關(guān)柜內(nèi)接線大為簡(jiǎn)化，安裝及設(shè)備制造的工作量比采用常規(guī)的“硬接線 ”方式大大減少。目前，滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)總線要求的智

12、能化的中壓開(kāi)關(guān)柜及低壓開(kāi)關(guān)柜得到了廣泛 使用。該方案在技術(shù)上具有明顯的先進(jìn)性，符合“燃煤示范電廠”功能分散、物理分散的設(shè)計(jì) 要求。該方案對(duì)DCS及智能終端模塊要求較高，要求智能終端模塊必須與DCS的通訊規(guī)約一致， 要求DCS的控制器按工藝系統(tǒng)提供數(shù)個(gè)通迅接口。方案3：整個(gè)系統(tǒng)由三個(gè)功能層構(gòu)成：第一層：測(cè)控保護(hù)層。由大量的保護(hù)和自動(dòng)裝置構(gòu)成，主要由分散安裝于就地開(kāi)關(guān)柜的智能 終端裝置、發(fā)變組保護(hù)、AVR，ATS，ASS等組成，保護(hù)功能完全獨(dú)立，利用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)， 采用光纖或屏蔽雙絞線連接至通信管理層，可以實(shí)現(xiàn)這些裝置的分散監(jiān)控。第二層：通信管理層。該層將DCS對(duì)測(cè)控保護(hù)層的控制命令，或電氣后臺(tái)工

13、作站發(fā)出的修改 定值命令等，下發(fā)至各有關(guān)裝置，同時(shí)，將各裝置上送的信息送至DCS系統(tǒng)或電氣后臺(tái)工作 站。通迅管理層具有通信接收、發(fā)送、規(guī)約轉(zhuǎn)換等功能，通迅管理層與上位機(jī)系統(tǒng)連接采用 以太網(wǎng)，通迅管理層一般配置前端機(jī)或通迅管理單元，提供1216個(gè)通迅接口。第三層：上位機(jī)系統(tǒng)。包括DCS系統(tǒng)和電氣后臺(tái)工作站系統(tǒng)。電氣后臺(tái)工作站系統(tǒng)主要負(fù)責(zé) 電氣系統(tǒng)設(shè)備的管理維護(hù)、電能計(jì)量、故障錄波和保護(hù)定值修改及下達(dá)等工作，由DCS系統(tǒng) 來(lái)完成畫(huà)面顯示、報(bào)表生成、打印、控制、事件記錄報(bào)警等。根據(jù)上述要求，提出如下系統(tǒng)組成方式：現(xiàn)場(chǎng)總線分別與10kV、6kV及400V智能終端設(shè) 備相連，并通過(guò)通信管理層與上位機(jī)系統(tǒng)

14、相連，對(duì)于一些比較成熟的專(zhuān)用裝置，如AVR，ASS 、發(fā)變組保護(hù)、故障錄波、廠用電源自動(dòng)切換裝置仍采用獨(dú)立的專(zhuān)用產(chǎn)品，也通過(guò)管理層與 上位機(jī)系統(tǒng)相連，在電氣后臺(tái)工作站及DCS的CRT上對(duì)以上系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視及控制。該方案結(jié)構(gòu) 清晰，靈活，可分階段實(shí)施，擴(kuò)充方便。系統(tǒng)的監(jiān)控管理層采用雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)可靠性高， 根據(jù)系統(tǒng)情況，既可以由通迅管理層直接與DCS通迅，也可以直接通過(guò)以太網(wǎng)與DCS通迅。通 過(guò)備用主機(jī)的通迅卡系統(tǒng)還可與電廠MIS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信息交換。通信單元與DCS系統(tǒng)和電氣后臺(tái)系統(tǒng)間均有接口，與二者間有信息交流但側(cè)重不同。設(shè) 電氣后臺(tái)系統(tǒng)的目的是為了讓電氣人員對(duì)所有廠用電氣保護(hù)自動(dòng)裝置進(jìn)行日常的監(jiān)

15、視和維護(hù) ，一般情況下不進(jìn)行控制操作，但在后臺(tái)機(jī)上的信息量卻可比DCS上多得多，在后臺(tái)系統(tǒng)上 ，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、電氣接線畫(huà)面顯示、定值查詢(xún)修改、動(dòng)作事件記錄、故障錄波、 報(bào)表生成、儲(chǔ)存打印及電能計(jì)量管理功能。為滿(mǎn)足電廠運(yùn)行的安全性、可靠性的要求，發(fā)變組系統(tǒng)納入DCS系統(tǒng)監(jiān)控采用“硬接線 ”方式，接入量主要有三種，即DI，DO和模擬量，一些保護(hù)動(dòng)作信號(hào)等則可經(jīng)串口與DCS通 信。10kV、6kV廠用電系統(tǒng)的DO及SOE等重要量仍采用“硬接線”方式，廠用電系統(tǒng)的控制也 采用“硬接線”方式，380V廠用電系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)的監(jiān)控?cái)M采用全通迅的方式。對(duì)每種電氣開(kāi) 關(guān)與DCS的接口按5個(gè)點(diǎn)考慮：合閘指令

16、、分閘指令、合閘狀態(tài) 、分閘狀態(tài)、遙控狀態(tài)信號(hào) 。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線交換的信息包括：遠(yuǎn)方信號(hào)復(fù)歸；遠(yuǎn)方修改定值(在上位機(jī)實(shí)現(xiàn))；模擬量測(cè) 量數(shù)據(jù)：f，I，0，P，Q，直流量，溫度等；開(kāi)關(guān)量：開(kāi)關(guān)分、合位置、保護(hù)動(dòng)作信號(hào)、裝 置故障信號(hào)等；脈沖量：有功、無(wú)功電度量；事故追憶數(shù)據(jù)；GPS或上位機(jī)對(duì)時(shí)?，F(xiàn)場(chǎng)總線傳輸介質(zhì)：光纖、同軸電纜或屏蔽雙絞線，可根據(jù)實(shí)際選擇。電氣量控制的邏輯設(shè) 計(jì)均在DCS內(nèi)，充分利用了DCS的監(jiān)視、控制功能。4 成本比較以采用方案3的粵 電集團(tuán)某廠的數(shù)據(jù)來(lái)看，隨著電氣控制的自動(dòng)化水平的提高 ，電氣設(shè)備的投資有所減少(未考慮由此增加的DCS的軟件費(fèi)用和減少的電纜施工費(fèi)用)。5 小結(jié)通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，可以看到方案3優(yōu)點(diǎn)是：系統(tǒng)采用分層分布式體系結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)清晰、 靈 活，可以分階段實(shí)施，擴(kuò)充方便，于現(xiàn)場(chǎng)一次設(shè)備增加只需增加相應(yīng)的智能終端，并將智能 終端連接到通信管理層就可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)底層擴(kuò)展，每個(gè)前端機(jī)或通信管理單元的擴(kuò)展多達(dá)數(shù)百 個(gè)智能終端。兼容性好。通信管理層所提供的前端機(jī)或者是通信管理單元可提供各種接口，如：RS232，R S422，RS485，Lonworks，CONBUS，PROFIBUS-DP及各種PLC通信規(guī)約等(不同的廠商可能配有 不同的接口)，用于連接各種不同類(lèi)型的智能終端來(lái)完成自動(dòng)化功能，可以將任何開(kāi)放設(shè)備 納入監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)?？煽啃愿摺Ｏ到y(tǒng)模塊化的設(shè)計(jì)理念，