火電廠大型機組電氣自動化技術

1、火電廠大型機組電氣自動化技術.txt9母愛是一滴甘露，親吻干涸的泥土，它用細雨的溫情，用鉆石的堅毅，期待著閃著碎光的泥土的肥沃；母愛不是人生中的一個凝固點，而是一條流動的河，這條河造就了我們生命中美麗的情感之景。 本文由mengxiankun668貢獻 doc文檔可能在WAP端瀏覽體驗不佳。建議您優(yōu)先選擇TXT，或下載源文件到本機查看。 新一代火電廠大型機組電氣自動化技術 焦邵華 1 劉萬順 2 1：北京四方繼保自動化股份有限公司 100085 北京 2：華北電力大學四方研究所 100085 北京 摘要： 本文討論了新一代火電廠大型機組電氣自動化系統(tǒng)的內容和發(fā)展趨勢，分析了火電廠電氣自動化中現

2、場總線技術的應用，闡明了采用 基于現場總線的通信方案并具有與 dcs 經通信充分交換信息的 ecs 技術正在成為火電廠電氣自動化技術的發(fā)展趨勢。 0 引言 在本世紀的最初 10 年，我國電力系統(tǒng)在穩(wěn)固發(fā)展輸電網、配電網的同時，電源建設再次成為投資熱點，新一輪電廠建設已經在全國范 圍內展開。隨著電力體制改革和電力市場化的推進，新建電廠普遍采用最先進的自動化技術和自動化產品，以提高電廠的競爭力量。 在這樣的大背景下，發(fā)電廠自動化的整體水平必將進入一個新階段。本文就火電廠大型機組電氣自動化的范疇和技術方案進行了討論， 介紹了常用的現場總線及其在火電廠自動化系統(tǒng)中的應用，介紹了新一代電氣監(jiān)控系統(tǒng) ec

3、s 和 dcs 的一體化解決方案。 1 發(fā)電廠自動化的范疇和內容 發(fā)電廠自動化由若干個自動化系統(tǒng)組成，包括廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)(sis)、廠級管理信息系統(tǒng)(mis)，機組 dcs 系統(tǒng)、電氣監(jiān)控系統(tǒng) ecs 及輔 助車間 plc 等。sis 主要處理全廠實時數據，完成廠級生產過程的監(jiān)控和管理，廠級故障診斷和分析，廠級性能計算、分析和經濟負荷 調度等；mis 主要為全廠運營、生產和行政的管理工作服務，主要完成設備和維修管理、生產經營管理(包括電力市場報價子系統(tǒng))、財 務管理等； 機組 dcs 實現機組的鍋爐汽機自動化和實時運行控制； 電氣監(jiān)控系統(tǒng)包括單元機組的電氣監(jiān)控和廠用電自動化以及發(fā)電廠網 絡站

4、自動化，參見圖 1 所示。 2 大型單元機組自動化的技術趨勢 大型單元機組自動化將在下列幾個方面進一步向前發(fā)展： （1）實現真正的機爐電一體化，電氣監(jiān)控一體化并融入 dcs 系統(tǒng) dcs 系統(tǒng)在鍋爐、汽機的監(jiān)控和運行上技術十分成熟，但對電氣部分的監(jiān)控上技術相對落后。發(fā)電廠電氣設備的調節(jié)和控制與熱工 設備有很大區(qū)別，往往不存在 pid 控制等經典控制過程，電氣控制速度快，甚至運行人員無法實時參與，只能依靠電氣自動裝置實現； 繼電保護是電氣部分的最重要組成部分，保護信息，包括事件、錄波都是十分重要的電氣信息，這些信息在 dcs 的 io 采集控制中無法 全部獲取。dcs 對機組對電氣部分的監(jiān)控只能

5、實現最基本的操作，并且重復投資。電氣部分的監(jiān)控功能覆蓋網絡站監(jiān)控、廠用電自動化 和機組監(jiān)控。電氣部分廣泛采用現場總線通信，節(jié)省大量電纜，保護測控裝置就地安裝在一次設備上，節(jié)省大量占地面積；系統(tǒng)具有 豐富的接口，集成其它裝置的能力強；電氣監(jiān)控系統(tǒng)能夠與 dcs 系統(tǒng)協(xié)同完成機爐電一體化控制。 （2）監(jiān)控系統(tǒng)的物理配置從集中向分布發(fā)展 隨著計算機技術的發(fā)展，監(jiān)控系統(tǒng)將由以前的全部集中到一個控制樓里的配置方式，逐步趨向于采用適度物理分散配置的原則。龐大 的控制樓將取消或縮減，變成若干個小型的電子設備間，分別布置在鍋爐、汽輪機房或其它主設備附近。節(jié)省電纜，并為主廠房模塊 化設計、安裝、縮短工期，以及主

6、廠房合理布局創(chuàng)造條件。對現場來的信號，將大量采用遠程 i/o，其中驅動器控制用的 i/o，經過實踐， 也將廣泛采取現場配置，這種配置方式必將為大量節(jié)約監(jiān)控電纜，降低基建費用，縮短工期。目前先進的電廠電氣監(jiān)控模式是將保護 測控裝置安裝在開關柜上，取消大量電纜，采用現場總線實現完全分層分布的控制。 （3）監(jiān)控系統(tǒng)的功能配置從分布到集中發(fā)展 火電廠單元機組控制系統(tǒng)的 dcs 功能配置將與物理配置走正好相反的方向，正在趨向再適度集中一點的方向發(fā)展。因為：首先，單元機 組各個控制系統(tǒng)間有著千絲萬縷的信號聯系，一對控制器故障，往往會導致另一對控制器因沒有正確的聯系信號而不能正常工作，甚 至誤動；其次，由于

7、目前大多沒有常規(guī)后備監(jiān)控制設備，因此，對于大部分重要控制器，只要其中一對控制器故障，可能就要被迫停 機，而過多的控制器實際上反而增加了故障停機的概率；再次，目前控制器容量和速度均大大提高，多個相互聯系密切的控制系統(tǒng)集 中在一對控制器中，反而因內部信息交換方便而提高可靠性。 電氣監(jiān)控系統(tǒng)正是從分布到相對集中的實例，電廠中的網絡站監(jiān)控是將網絡站的保護、監(jiān)控、遠動等集成為一個系統(tǒng)，廠用電自動化 是將廠用電系統(tǒng)的保護測控裝置構成分層分布的系統(tǒng)，機組監(jiān)控保護將機組保護、錄波和機組測控綜合在一起，以上三部分集成為發(fā) 電廠的電氣監(jiān)控系統(tǒng)（ecs）。 3 機組及廠用電部分進入電氣監(jiān)控的范圍 新一代電氣自動化系

8、統(tǒng)從功能上覆蓋發(fā)電廠的廠用電系統(tǒng)、發(fā)電機組監(jiān)控、升壓站系統(tǒng)，并經通信接口將其他相對獨立的電氣自動裝 置信息集成在整個電氣自動化系統(tǒng) ecs 中。電氣自動化系統(tǒng)再經通信和 dcs 系統(tǒng)實現一體化，并徹底熔入 dcs 系統(tǒng)參與控制。 ecs 系統(tǒng)包括： 1) a) b) 2) 3) a) b) 4) a) b) c) d) e) f) g) h) 5) a) 廠用電系統(tǒng)； 高壓廠用電源系統(tǒng)； 低壓廠用電源系統(tǒng)和 400vpc、mcc； 升壓站 機組測控； 發(fā)變組系統(tǒng)測控； 高壓啟備變電源系統(tǒng)(2 臺機共用)； 經通信集成的其他電氣自動裝置； 發(fā)變組保護； 發(fā)變組錄波； 發(fā)電機勵磁系統(tǒng)； 自動同期系

9、統(tǒng)； 廠用電快切系統(tǒng)； 柴油發(fā)電機組； 安全穩(wěn)定裝置； 直流系統(tǒng)和 ups 系統(tǒng)。 實現的應用功能； 整個 ecs 系統(tǒng)的監(jiān)控； b) c) d) e) f) g) h) 電氣系統(tǒng)的運行狀態(tài)分析和故障診斷； 操作票； 防誤閉鎖； plc 邏輯控制 小電流選線； 為其他系統(tǒng)技術實時 io 信息； 設備管理； 4 電廠自動化中現場總線應用 現場總線是安裝在生產過程區(qū)域的現場設備/儀表與控制室內的自動控制裝置/系統(tǒng)之間的一種串行、數字式、多點通信的數據總線?，F 場總線是以單個分散的、數字化、智能化的測量和控制設備作為網絡節(jié)點，用總線相連接，實現相互交換信息，共同完成自動控制功 能的網絡系統(tǒng)與控制系統(tǒng)

10、。 目前國際上現有各種總線及總線標準不下二百多種，其中具有較大影響的現場總線有如下幾種： 1) profibus 現場總線 主要應用領域有：.制造業(yè)自動化、過程控制自動化、電力：發(fā)電、輸配電、樓宇、鐵路交通。 2) lonworks 總線 lonworks 現場總線全稱為分布式智能控制網絡技術，希望推出能夠適合各種現場總線應用場合的測控網絡。目前 longworks 應用范 圍廣泛，主要包括工業(yè)控制、樓宇自動化、數據采集、scada 系統(tǒng)等。國內主要應用于電力自動化和樓宇自動化方面。 3) canbus 現場總線 canbus 現場總線主要產品應用于汽車制造、公共交通車輛、機器人、液壓系統(tǒng)、分

11、散型 i/o。另外在電梯、醫(yī)療器械、工具機床、 樓宇自動化等場合均有所應用。 4) worldfip 現場總線 9091 年 fip 現場總線成為法國國家安全標準。96 年成為歐洲標準（en 50170 v.3）。下一步目標是靠近 iec 標準，現在技術上已做好 充分準備。worldfip 現場總線適用范圍廣泛，在過程自動化、制造業(yè)自動化、電力及樓宇自動化方面都有很好的應用。 5.1 現場總線技術應用的意義 1) 現場總線（fieldbus）技術是實現現場級控制設備數字化通信的一種工業(yè)現場層網絡通信技術；是一次工業(yè)現場級設備通信的數字 化革命?，F場總線技術可使用一條通信電纜將現場設備（智能化、

12、帶有通信接口）連接，用數字化通信代替 4-20ma/24vdc 信號，完成 現場設備控制、監(jiān)測、遠程參數化等功能。 2) 傳統(tǒng)的現場級自動化監(jiān)控系統(tǒng)采用一對一連線的、4-20ma/24vdc 信號，信息量有限，難以實現設備之間及系統(tǒng)與外界之間的信息 交換，使自控系統(tǒng)成為工廠中的"信息孤島"，嚴重制約了企業(yè)信息集成及企業(yè)綜合自動化的實現。 3) 基于現場總線的自動化監(jiān)控系統(tǒng)采用計算機數字化通信技術，使自控系統(tǒng)與設備加入工廠信息網絡， 構成企業(yè)信息網絡底層，使 企業(yè)信息溝通的覆蓋范圍一直延伸到生產現場。在工業(yè)自動化系統(tǒng)中，現場總線是工廠計算機網絡到現場級設備的延伸，是支撐現場

13、級與車間級信息集成的技術基礎。 5.2 基于現場總線的自動化監(jiān)控系統(tǒng)的主要優(yōu)點 1) 增強了現場級信息集成能力 現場總線可從現場設備獲取大量豐富信息，能夠更好的滿足工廠自動化及 cims 系統(tǒng)的信息集成要求。現場總線是數字化通信網絡，它 不單純取代 4-20ma 信號，還可實現設備狀態(tài)、故障、參數信息傳送。系統(tǒng)除完成遠程控制，還可完成遠程參數化工作。 2) 開放式、互操作性、互換性、可集成性 不同廠家產品只要使用同一總線標準，就具有互操作性、互換性，因此設備具有很好的可集成性。系統(tǒng)為開放式，允許其它廠商將自 己專長的控制技術，如控制算法、工藝流程、配方等集成到通用系統(tǒng)中去，因此，市場上將有許多

14、面向行業(yè)特點的監(jiān)控系統(tǒng)。 3) 系統(tǒng)可靠性高、可維護性好 基于現場總線的自動化監(jiān)控系統(tǒng)采用總線連接方式替代一對一的 i/o 連線，對于大規(guī)模 i/o 系統(tǒng)來說，減少了由接線點造成的不可靠因 素。同時，系統(tǒng)具有現場級設備的在線故障診斷、報警、記錄功能，可完成現場設備的遠程參數設定、修改等參數化工作，也增強了 系統(tǒng)的可維護性。 4) 降低了系統(tǒng)及工程成本 對大范圍、大規(guī)模 i/o 的分布式系統(tǒng)來說，省去了大量的電纜、i/o 模塊及電纜敷設工程費用，降低了系統(tǒng)及工程成本。 5.3 基于 lonworks 網絡的廠用電自動化系統(tǒng) 電氣監(jiān)控新技術則是全部采用現場總線，以廠用電系統(tǒng)為例，圖 2 所示是采用

15、 lonworks 網絡構成廠用電自動化系統(tǒng)的示意圖： 采用現場總線取代電纜硬接線的 dcs 被成為 fcs（fieldbus control system），采用 fcs 取代 dcs 比采用 dcs 取代模擬儀表具有更大的經濟 效益：如“變千百根電纜為一根”，可節(jié)約大量電纜；控制功能下放到現場，使控制信號傳輸的準確性、實時性、快速性和可靠性大為 提高；現場總線通信協(xié)議國際標準化后，可使不同廠家的產品互相連接和互相操作，消除了目前自動化的孤島現場；省去 io 端子柜 和控制柜后，使控制室占地面積大大減少并使系統(tǒng)簡化，帶來了系統(tǒng)設計、安裝、調試和維護費用的降低及工作量的大大減少；由于 機組控制

16、室(指 2 臺機組共用 1 個控制室)只有 2 根同軸電纜或光纜和幾根緊急停機開關的電纜進入， 大大有利于控制室的防火和火電廠 的安全運行。 電氣監(jiān)控系統(tǒng) ecs 在數字化方面由于現有的 dcs 系統(tǒng)，如果能夠綜合 fcs 和 ecs 的功能，將電氣部分的監(jiān)控、保護、錄波、設備管理完 全融入 fcs/dcs 系統(tǒng)將會大大提高現有電廠自動化水平，這對于電廠的安全運行、減員增效及提高設備的管理水平意義重大。 電廠自動化系統(tǒng)的全數字化通信將引起真正的革命。傳統(tǒng) dcs 的一個致命弱點是，它可以控制和監(jiān)視工藝過程，對自身進行診斷、維護 和組態(tài)。但是，由于其 i/o 信號采用傳統(tǒng)的模擬量信號，因此，它無

17、法在 dcs 的工程師站上對現場儀表(變送器、執(zhí)行機構等)進行遠方 診斷、維護和組態(tài)。fcs 的現場總線和全數字的現場總線智能化儀表熔入 dcs 后，將徹底解決這個問題。 6 電氣監(jiān)控系統(tǒng)（ecs）與 dcs 系統(tǒng)的接口 傳統(tǒng)的電廠廠用電自動化的測量、監(jiān)視、控制功能絕大部分采用硬接線方式，廠用電間隔層設備與后臺監(jiān)控系統(tǒng)之間配置了大量的控 制、通信電纜。為了實現電廠機、爐、電的一體化運行、管理，同時考慮到廠用電在電廠生產和運行過程中占有的重要地位，電氣監(jiān) 控系統(tǒng)需要和 dcs 系統(tǒng)通過數字接口融為一體，下面討論 ecs 通過數字通信進入 dcs 的方式。 6.1 ecs 完全采用網絡通信納入 d

18、cs 的接口模式 該模式詳見圖 3，廠用電的數字式綜合保護測控單元一方面通過通信接口和總線網絡與廠用電自動化子系統(tǒng)進行通信，并通過 cspad cs 通信主站，實現與 dcs 系統(tǒng)的數據交換；同時廠用電系統(tǒng)中與熱工聯系緊密的電動機等負載的數字式測控單元（包括大量的 380v 低 壓分支的測控）通過 dcs 系統(tǒng)的 dpu 與 dcs 系統(tǒng)進行直接通信，省去了所有的測量變送器、控制電纜。采用基于現場總線的網絡通信技 術構成監(jiān)控系統(tǒng)不但適用于電廠廠用電自動化子系統(tǒng)的保護、測量，也適用于電廠廠用電自動化系統(tǒng)的控制功能的實現，是電廠廠用 電自動化的發(fā)展方向。 這種完全采用網絡通信的接口模式， 在保證

19、dcs 系統(tǒng)與廠用電自動化系統(tǒng)相對獨立性的同時， 使廠用電自動化系統(tǒng)與 dcs 系統(tǒng)緊密聯系， 實現了電廠機、爐、電的一體化運行、管理。 在這種模式下，對廠用電系統(tǒng)設備的控制權可通過權限設置來實現：通常與熱工聯系緊密的電動機等負載的控制以 dcs 系統(tǒng)為主。對純 電氣開關、設備的控制，則可通過權限設置來決定控制模式（是以 ecs 廠用電自動化系統(tǒng)為主，還是以 dcs 系統(tǒng)為主）。該部分通常有 2 種模式：第一種模式以 ecs 廠用電自動化系統(tǒng)進行控制為主；第二種模式是以 dcs 系統(tǒng)控制為主，也可通過權限下放由 ecs 廠用電自 動化系統(tǒng)來實現。 以上監(jiān)控模式對新建電廠的建設和老電廠的改造都具

20、有很好的可靠性、經濟性和先進性，尤其適用于自動化水平要求較高的新建電廠。 接口方式包括以下兩種方式： 1)電廠熱力系統(tǒng)的電動機等測量、控制設備和保護設備等通過現場工業(yè)總線網、通信接口設備分別與 dcs 系統(tǒng)（通過 dpu分布式通信 單元）以及電氣監(jiān)控系統(tǒng)進行通信。 2)電廠電氣的測量、控制設備和保護設備等則通過現場工業(yè)總線網和通信接口設備先與電氣監(jiān)控系統(tǒng)進行通信，并通過 cspadcs 通信 主站，實現與 dcs 系統(tǒng)的信息交換。 電廠電氣監(jiān)控系統(tǒng)的總線網絡考慮到系統(tǒng)高可靠性、高通信速率和運行維護的方便性，通常采用雙網方式（通信介質可采用屏蔽雙絞 線、同軸電纜、光纖等），并采用按電壓等級或面向

21、功能的分段方法。間隔層總體分段原則如下： 1)6/0.38kv 廠用電電源及公用部分的保護、測控設備； 2)發(fā)變組、高備變的保護/測控設備、同期屏、勵磁調節(jié)控制單元的接入； 3)升壓站保護、測控設備的接入； 4)與熱工有關的電動機等負載設備的保護、監(jiān)測（控制）設備。 考慮到網絡通信的抗干擾能力和高速率、高可靠性，電氣后臺計算機監(jiān)控雙以太網和現場工業(yè)總線雙網均采用光纖通信方式。 6.2 ecs 在網絡通信基礎上保留部分硬接線的接口模式 該模式如圖 4 所示，廠用電的數字式綜合保護、測量、（控制）單元一方面通過通信接口和總線網絡與電廠廠用電監(jiān)控系統(tǒng)進行通信， 并通過 cspadcs 通信服務器，實

22、現與 dcs 系統(tǒng)的數據交換，同時省去了大量的測量變送器、控制電纜。該模式對廠用電系統(tǒng)中與熱工 聯系緊密的電動機等負載的控制和重要遙測、遙信信息（如開關位置、保護動作、電動機故障等少量重要信息）仍通過硬接線方式接 至 dcs 系統(tǒng)的模件柜，實現與 dcs 系統(tǒng)的聯絡。 在這種模式下，對廠用電系統(tǒng)中與熱工聯系緊密的電動機等負載的控制則完全由 dcs 系統(tǒng)來直接實現。至于純電氣部分開關、設備的控 制，則可通過權限設置來決定控制模式（是以 ecs 廠用電監(jiān)控系統(tǒng)為主，還是以 dcs 系統(tǒng)為主），通常由 ecs 廠用電自動化系統(tǒng)進行控 制，并通過 ecs-dcs 通信主站提供給 dcs 系統(tǒng)需要的信息。 以上監(jiān)控模式對老電廠改造具有一定的優(yōu)越性，同時也為將來廠用電系統(tǒng)完全網絡通信模式的實現提供了硬件設備和通信網絡，基本 上不需再增加投資。 但是該方案未能最大地發(fā)揮電氣監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)越性， 仍然是傳統(tǒng)的 dcs 硬接線控制， 僅適用于用戶特殊要求的系統(tǒng)。 7 結論 在電廠的電氣自動化亟待提高的今天，探討新一代電氣監(jiān)控系統(tǒng)具有很好的實際意義。本文就電廠電氣自動化的范疇進行了深入討論， 討論了新一代 ecs 系統(tǒng)的構