探究火力發電廠廠用電監控系統的構建

尹黔昊

（中煤能源新疆煤電化有限公司，新疆 昌吉 831799）

0 引言

發電廠的電監控系統是發電廠的重要組成部分，作為電廠的重要組成部分，其安全、可靠的運行對整個電廠都起著至關重要的作用。廠用電力一體化自動化控制系統（ECS）是實現以上工作的前提。該系統在全廠的統一指揮和協調下，能夠對電廠的電力系統進行實時的信息和設備狀態進行監測，并與DCS 進行協同控制，保證電廠順利運行。隨著電力企業自動化、信息化技術的不斷發展和電力市場的不斷發展，電力系統的自動化、管理、節能、增強企業競爭力成為火力發電廠的熱門課題。

1 發電廠廠用電監控系統的發展及監控系統的重要性

一對一的控制，也就是安裝了發電廠的電力控制屏幕，并實行一對一的強力電力控制。該方法雖然比較原始，但是結構簡單。在計算機技術飛速發展的今天，DCS 逐漸在電力和熱負荷方面得到了越來越多的應用。但是，由于通訊能力差，不能對DCS 下達的指令做出迅速的反應，也不能迅速向DCS 發送相應的電氣量，往往需要特別布線，工作量大、投資大，而沒有充分發揮電力保護設備或電動機控制中心（MCC）、動力中心（PC）控制設備自身的采集與控制功能。全數字電力監測系統，為DCS 系統提供必要的控制接口和信息接口，采用廠內保護設備、MCC、PC 等設備，滿足保護、測控、高速通訊等要求[1]，同時采用現場總線或以太網將各設備組成一個局域網，從而達到對電力信息量的全面數字化監測。DCS 通過通信軟件實現對電力信號的采集與控制，不需要二次導線，節約了成本。

在電力系統的日常工作中，通過對優化的電氣自動化監控系統的使用，可以實現對當地工作數據信息進行實時的采集、分析與處理，使得工作人員可以及早地發現問題的所在，有效地杜絕更大事故的發生。日后工作的調研也可以從中獲得準確的數據信息。同時，電氣自動化監控系統還可以對數據信息進行及時的更新，使相關工作人員對工廠內部存在的一些極為細小的問題及不容易發現的故障能及時發現和處理，從而從根本上提高了員工工作的效率，增大了員工工作的安全系數。

2 當前發電廠廠用電監控系統的總體狀況

在機組容量不斷增大的情況下，機組通常采用單機集中控制，這一系統的使用極大地提高了機組的自動化程度，而對電監控的影響則相對較小。

傳統的火力發電廠的電監控系統采用了一個獨立的電子控制器，通過模塊來完成對電力部件的采集與控制。電監控系統中的一些特別的控制功能，如保護、勵磁、同步、電源切換、故障錄波等，均是通過一個獨立的電子設備來實現的。盡管電監控系統中的繼電器和自動控制設備都實現了微機化、智能化，但是整個工廠的自動化程度仍然很低，僅僅是通過電線和系統進行有限的交流[2]。

為了提升電監控系統的自動化程度，或者說電監控系統中某一設備的通訊能力得到了增強，最初的設想發電廠用電監控系統聯網，這樣就可以減少開關柜與電監控系統之間的連接，但是由于管理上的制約和技術上的限制，比如，DSC 中心信號必須通過硬接線，這就造成了電纜的數目沒有下降，只是增加了線纜的數目。再之后，網絡的目標也有所改變，目標是提高電氣自動化水平。

2.1 廠用電監控系統結構

該系統可以實現電力系統的自動化和運行管理，既可以通過DCS 來實現必要的控制功能和電氣數據的交換，也可以通過控制主機系統來實現對電力系統的全面控制。

（1）系統采用分布式現場安裝，集保護、測量、控制、通訊于一體的智能化前端裝置，其功能主要包括：電機綜合保護裝置、電壓互感器綜合保護裝置等。

（2）采用現場總線（屏蔽雙絞線）將各前端裝置的通信接口相連接，組成電力監測網絡。

（3）利用以太網連接裝置，將數據庫服務器，電氣操作工作站，維護工程師工作站，遠程工作站組成電氣監視與管理的計算機。

2.2 廠用電監控分類

工廠的電力系統也可以分成兩類：①主設備；②輔助系統。主設備包括工廠電源快切裝置、同期裝置，綜合保護裝置等。輔助系統包括UPS、保安段系統等。工藝方面的內容主要涉及各種類型的電機，其中有高壓電機、低壓電機等。高壓電機包括繞線異步電動機、斗輪機、卸船機等配套設備。另外，針對一些特定的技術需求，個別電機還配備變頻調速、內反饋調速、液力耦合調速等。低壓電機主要是指鼠籠型的異步電機和它的調速器，目前的低壓電機大多采用變頻調速。

2.3 現有電監控系統應用不足

2.3.1 傳統硬接線融入DCS 方案

電力系統的特殊功能，例如繼電保護、故障錄波等，均由獨立的設備來完成，不依賴于DCS，DCS 的I/O 模塊與電保護是相互獨立的，DCS 的各個測點均由DCS 的AI、DI、DO、SOE 等卡片來完成。I/O 電路和電回路通過電纜相連，模擬信號的采集要求安裝有發射機[3]。

這種方法實現全廠的綜合監測方式，隨著技術的發展，出現了許多弊端，這主要是因為DCS 系統的運行、控制和保護功能，沒有考慮到電器的具體情況，只通過硬電線進行信息交流，不能充分地反映電力系統的各種信息，也不能進行波形分析和定值管理等比較復雜的電力維護和管理，所以在通信技術日益成熟應用及自動化水平高度發展的今天，此方案不可取。

2.3.2 DCS+ECMS 方案

DCS 負責對整個工廠的所有設備進行監測，并利用硬接線來實現電力系統的控制，而DCS 和工業用微機保護和測控設備之間僅保留必要的硬接線，而DI 點則被省去。此外，還建立了獨立的工廠電力監視管理系統，即ECMS 系統，通過ECMS 系統中的通信管理單元或站點控制層的通信網關，將DCS 需要的其他信號傳輸到DCS。這種接人DCS 系統是DAS 模式下的ECS。在我國，已經將其應用于大中型發電廠，并取得了一些成功的經驗。

2.4 廠用電納入DCS 模式

2.4.1 分層分布模式

分層分布方式即為電力系統的全數字化，它為DCS 提供必要的信息接口和控制界面。工廠用電保護裝置和微機控制裝置可以滿足保護、測控、高速通信等方面的需要，工廠用電力系統由現場總線或以太網構成，構成一個專門的ECS，對電力信息進行全面的數字化監測，并為DCS 提供高速、實時的通信接口。此時DCS 只需通過通信軟件報文就能完成對序控制中的電力的采集和控制，無須二次電纜的硬接線減少了設計、建設的工作量，節約了大量的資金。

2.4.2 硬接線與通訊相結合的方式

在此模式下，將電廠用電監測納入DCS 系統，主要是指通過DCS 對發電機變壓器組進行檢測和控制；DCS 系統可以完成直流系統、UPS、工廠用電等數據的采集；6kV 工廠用電保護，380V 電動機控制裝置，DCS控制系統直接完成測量和控制。但其主要問題是：①通訊能力弱，可靠性差；②DCS 發布的控制指令不能迅速響應，或不能迅速向DCS 發送有關的電力量，不能滿足DCS 對電氣量的快速采集。對于參加順序控制的電力量，特別是在二次線路上敷設了二次電纜，這不僅是一項費時費力的任務，而且還需要投入大量的資金。

3 構建發電廠廠用電監控系統的硬件結構

3.1 系統網絡架構設計

由于發電廠電力系統中的各個設備相互互鎖，如果生產流程被破壞，造成設備間的通信中斷，造成人員和設備的安全無法得到保障。同時，作為一種實時監測系統，通信的穩定性和可靠性非常關鍵，為了確保通信的可靠性，本文提出了一種基于雙網的互備方案。當網絡需求不大時，可以采用單網方式，以節約網絡成本。當某一網（目前的主要網）發生故障，無法連接到通信時，該裝置的通信接口將會與備用網絡進行通信，同時通知操作人員進行維修。由于兩條線路在同一時刻發生故障的可能性極低，從而確保了在同一時刻，至少有一條線路是暢通的，從而達到了可靠的數據通信。

3.2 電監控系統各保護測控裝置通信設計

發電廠用電監控系統中存在著大量的保護、監測設備，以此實現保護和監控的功能，并且這些設備需要傳送信息，其中方式有：對測控設備之間的數據傳送進行保護；保護測控自動化設備向數據庫服務器、工作站等上位計算機進行遙測、遙脈等功能；數據庫、工作站等計算機系統向保護測控自動化設備發送遠程遙調等信息。由于各個保護與測控設備的通信協議千差萬別，所需通信的保護測控設備不能完全進行信息的傳遞，而主機與保護測控設備的通信也是如此，所以，可以通過增加前端通信管理準元來進行通信控制和規約變換，從而使各種設備間的數據互聯互通。

4 電監控系統的軟件體系結構

電監控系統要實現的功能如下。

4.1 基本功能

火電廠廠用電監控系統，其首要任務是實現基本的數據采集與處理，并對實時數據進行采集，然后將數據經現場總線傳輸至前端設備（通信管理設備），再根據預定的協議將其打成數據包。再將其發送到互為主機的數據服務器。資料伺服器會規約的解釋接收的資料，然后再根據資料的解釋來處理。在運行員工作站上，運行員可以發出遙控遙調指令，把遙控、遙調指令發送到數據服務器，發送給遠程執行，完成后，再把執行結果反饋給運行操作員。

數據的采集與通信作為整個系統的基礎，主要承擔了設備之間的通信和現場設備的數據收集；保護測試與控制設備是由前向主機傳輸的四遙（數據庫服務器）[4]，這些數據都要存儲，因此，系統必須具備數據庫的功能，包括數據的產生與管理、數據查詢、統計報表、輸出、打印等功能；作為一種監測系統，它必須具備警告、提醒用戶注意等功能。

4.2 管理功能

在電監控系統的聯網建設后，可以實現一系列先進的應用功能，從而使發電廠的電力操作自動化程度得到進一步的提升，其主要特點如下。

（1）電氣設備管理。包含了設備的維護記錄，檔案，維護記錄等。此外，該系統還能對電力主站進行在線的設備管理，例如對設備的操作狀態、工作狀態等進行統計。這一部分可以用來作為系統數據的補充。

（2）故障信息管理。主要包括事件信息、事件回顧、事件重演、錄像分析等。事故重演和錄像分析是分析事故發生的原因，從而達到預防事故的目的。

5 提高ECS 系統的通信速度和可靠性

為了使DCS 能夠迅速地獲取、控制電力監視信號，并達到控制的目的，必須在整個ECS 的總體網絡方案中，充分發揮其通信率的潛能。但是對于任何一個通訊環節來說，通訊媒介和通訊規范的選取都是加快通訊速率的關鍵。DCS 系統中大多數采用串口Modbus 規范與其他設備進行通訊，這是因為歷史和習慣的緣故。由于串口媒體自身的速度較慢，Modbus 協議的通訊頻帶限制，通訊方式太過單一，僅能完成全部或部分的呼叫與傳輸，無法優先抽取變化的資料，DCS 僅能通過連續兩次詢問而ECS 無反應來判定通訊中斷。在此基礎上，DCS 與ECS 的通訊媒介是以TCP/IP 為基礎的以太網，通訊協議是IECl04 協議，通信雙方都可以進行主動的通訊，并能在ECS 中自動發送數據。

在ECS 系統中，它能很好地支持各類以太網卡，因此ECS 的網絡架構基本上都是以太網構成，可以最大程度地減少時延。隔離層主要包括兩種裝置，一種是大量工廠用電保護裝置，它們能夠獨立地實現預定的功能。隔離層中的設備數目最多，它直接反映了各個電子設備的實時工作狀態，因此，隔離層通訊的速度和可靠性將直接影響到ECS 的通訊速度和可靠性。當前，基于RS-485 的網絡技術、現場總線技術、工業以太網技術是當前的主流技術。

以太網是目前應用最廣的一種LAN 技術。以太網的傳輸速率達到10000Mbit/s，這在現場總線網絡中是不能相比的，可以很好地滿足ECS 間和基站之間的高速通訊。隨著以太網技術的普及和技術的發展，使得ECS 系統的成本大大降低，從而大大減少了ECS 隔離層的成本[5]。同時，以太網具備完善的故障診斷工具和強大的網絡監測能力，使以太網的穩定運行得到了保障?，F場總線網中的網管相故障診斷工具是非常罕見的。因此，對ECS 組網方案進行優化，選擇合適的通信規范，可以使DCS 在ECS 中實現對連續控制的高速需求。

6 結語

綜上所述，隨著電監控系統的不斷發展，以及計算機網絡技術的不斷發展，電監控系統接入DCS 方案是火力發電廠電力系統的發展方向。這一工作能否成功，取決于各方面因素的掌握，相關部門要根據火力發電廠的實際情況，制定最切合實際的電監控系統的實施方案。