发电厂电气监控管理系统研究

摘要：随着数字化发电厂自动化水平的不断提高，电气系统采用计算机控制已经成为当前设计的主流。由于发电机-变压器组(以下简称发-变组)系统的自动控制、保护功能均由专用装置完成。DCS对发-变组系统、厂用电系统的操作功能以手动操作和简单的顺控为主，操作频次较少，而DCS主要以闭环模拟量调节、控制为主，用于电气监控势必造成资源浪费。多项相关技术的成熟运用使电气监控管理系统( ECMS)代替DCS实现火电厂监控系统已成为可能。

关键词：发电厂；电气监控；管理系统

1 火力发电厂电气系统常规监控方案

电气设备采用“通信+硬接线”的方式接入DCS，是目前国内大多数工程采用的模式。主厂房电气各个回路的合、分闸命令，部分重要的I/O信息等通过硬接线的方式一对一送入DCS接口柜。其余的I/O信息，模拟测量等，则由各个回路的保护测控装置通过总线方式进入电气现场总线监测系统(EFCS)的通信管理机，EFCS后台通过100 M以太网接口与DCS服务器进行通信。对于电气其余的自动装置如:自动准同期装置(ASS)、自动励磁调节装置(AVR)、厂用电源快速切换装置、备用电源自动切换装置、直流电源系统监控装置、不间断电源(UPS)装置、发-变组保护装置、发-变组故障录波器、柴油发电机、启动/备用变压器保护装置等，则专门设置机组通信管理机，将这些自动装置的信息通过RS485 总线方式进入电气EFCS的通信管理机，EFCS后台通过100 M以太网接口与DCS通信。

EFCS与DCS硬接线相结合的方案具有如下的特点。

a.该模式下的EFCS与DCS一体化控制除了信息融合以外，控制功能有所分工，对于断路器的控制仍沿用DCS I/O单通道硬接线方式，但是对于电气厂用电的非关键的信息传输则采用了EFCS的高速现场总线方式，EFCS还可通过网关将大量信息送给除DCS以外的厂级监控信息系统(SIS)。

b.取消了原有的部分变送器、表计、电度表等传统设备，减少了DCS的I/O卡件、减少了一部分电缆与敷设电缆用的桥架等，节省了部分投资。

电气管理系统的另一种控制模式为ECMS，下面以实际工程为例介绍ECMS方案的具体实施及特性。

2 火力发电厂电气系统“全通信”监控方案

2.1 ECMS的方案实施

某工程采用ECMS对单元机组和辅助车间所有电气设备进行监控，并在单元控制室设置ECMS操作员站，ECMS不与机组DCS通信。全厂电气系统设备直接在ECMS操作员站上实现监控。其与DCS一键顺控启/停功能相关的控制、机组保安负荷的控制、数字电液调节系统(DEH)相关的联锁信号等采用硬接线，其他监控信号以通信方式经测控装置送入ECMS，对于高低压厂用电源系统，所有电气量全部采用通信方式接入ECMS进行监控，取消所有硬接线。

ECMS由单元机组电气监控系统、公用电气监控网络组成，单元机组ECMS采用分层、分布式计算机监控系统，设备采用分散布置。

监控主站层负责整个系统的集中监控，由双冗余的主机服务器、电气操作员站、工程师站、网络交换机和负责与SIS等其他系统通信的通信服务器等组成。

通信子站层主要由通信管理机和多串口通信服务器组成。它具有数据处理及通信功能，用于实现间隔层设备和站控层设备之间的“上传下发”，并监视和管理各测控单元设备，还完成实时数据的加工和分布式数据库管理。通信管理机负责6 kV开关柜内的综合保护测控装置和400 V动力中心(PC)开关柜内智能测控装置和400 V电动机控制中心(MCC)开关柜内马达控制器等间隔层智能设备。ASS、AVR、厂用电源快速切换装置、备用电源自动切换装置、直流电源系统监控装置、UPS监控装置、发-变组保护装置、故障录波器、柴油发电机、启动/备用变压器保护装置等通过多串口通信服务器进行规约转换后与电气监控系统通信。

间隔层负责各间隔就地监控，间隔层设备通过现场总线网络与通信管理单元连接。间隔层设备主要包括安装在电气电子设备间内的发-变组、启动备用变压器测控装置、6 kV开关柜内综合保护测控装置和400 V PC开关柜内的智能测控装置、400 V MCC开关柜内的马达控制器等。

2.2 ECMS的方案特点

2.2.1 高系统网络可靠性

为保证ECMS网络的高可靠性，采用了如下措施。

a.系统网络采用分层、分布式结构，在设备布置上分散。避免了由于部分系统设备故障引起的整个系统网络故障的可能性。

b.监控主站层设备间采用冗余的高速以太网连接，网络拓扑结构采用全交换星型网状拓扑，主服务器双冗余，任意一个主站层网络设备故障不影响ECMS运行。

c.监控主站层与通信子站层通信管理机间采用冗余100 Mb/s光纤工业以太网连接，避免了网络布线路径的电磁干扰，提高了网络通信的可靠性。

2.2.2 高系统硬件可靠性

由于ECMS代替了DCS实现全厂电气系统的监控，对ECMS硬件可靠性要求比以往只实现监测功能的电气监测系统硬件的要求更高。体现在:采用高性能、多CPU、多内核架构的系统服务器，完全满足ECMS对可靠性和系统响应速度的要求;大量采用工业以太网交换机，保证主站层与通信子站层间的通信网络稳定、高效地运行;发-变组测控装置采用冗余配置，保证在一台测控装置故障或失电的情况下，仍能对发-变组等主要电气设备进行监控，提高机组运行的可靠性。

2.2.3 高系统软件可靠性

对ECMS软件稳定性和安全性的要求较常规电气监测系统有较大提高。ECMS的操作系统软件采用安全、稳定、可靠性高的UNIX操作系统。为防止由于软件程序故障引起的电气系统误操作、提高机组安全运行的能力，ECMS软件系统设置了三个层次的防误操作功能，分别有发变组测控装置、系统主服务器和五防工作站内的闭锁软件实现。

2.3 ECMS的技术优势

节约硬件数量与投资成本。取消了全部原有开关柜内的变送器、表计、电度表等传统设备，大幅度减少了DCS的I/O卡件，还可以用工控PC机作为操作站，从而节省了一大笔硬件投资。

全开放式的通信网络。由于规定了网络的通信协议，对遵循同一通信协议的不同供货商的控制产品，都可以实现通信互联，为实现现代电厂工业级自动化系统提供了必要的条件。

提高了系统的稳定性与可靠性。由于现场总线设备的智能化、数字化，与模拟信号相比，它从根本上提高了测量与控制的准确度，减少了传送误差，提高了系统的工作可靠性。

减少了现场布线及投资。由于全部取消了厂用电6 kV、380 V开关柜至DCS的硬接线，大幅度减少了DCS的I/O卡件、减少大部分电缆与敷设电缆用的桥架等，节省了大量的投资。

3 结束语

综上所述，采用现场总线方式的电气监控管理系统，不仅能节约大量的投资，也能使全厂的电气控制的自动化程度和管理水平提高到一个更高的层次，实现了电厂电气系统的数字化、信息化。采用“全通信”的厂用电监测管理系统则是一种全新的技术方案，依赖于先进的现场总线技术，向实现数字化电厂和信息化电厂的目标迈出了重要的一步，是今后电厂电气部分自动化控制的一种趋势，目前在发电厂厂用电系统监控采用全总线方案从技术上是完全可行的。