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新一代火电厂大型机组电气自动化技术

北极星电力网技术频道    作者:佚名   2008/1/22 17:59:47   

  所属频道:  火力发电    关键词:  电力自动化 自动化 电气

焦邵华1刘万顺2
1:北京四方继保自动化股份有限公司100085北京2:华北电力大学四方研究所100085北京


摘要:本文讨论了新一代火电厂大型机组电气自动化系统的内容和发展趋势,分析了火电厂电气自动化中现场总线技术的应用,阐明了采用基于现场总线的通信方案并具有与DCS经通信充分交换信息的ECS技术正在成为火电厂电气自动化技术的发展趋势。

0引言
在本世纪的最初10年,我国电力系统在稳固发展输电网、配电网的同时,电源建设再次成为投资热点,新一轮电厂建设已经在全国范围内展开。随着电力体制改革和电力市场化的推进,新建电厂普遍采用最先进的自动化技术和自动化产品,以提高电厂的竞争力量。在这样的大背景下,发电厂自动化的整体水平必将进入一个新阶段。本文就火电厂大型机组电气自动化的范畴和技术方案进行了讨论,介绍了常用的现场总线及其在火电厂自动化系统中的应用,介绍了新一代电气监控系统ECS和DCS的一体化解决方案。
1发电厂自动化的范畴和内容
发电厂自动化由若干个自动化系统组成,包括厂级监控信息系统(SIS)、厂级管理信息系统(MIS),机组DCS系统、电气监控系统ECS及辅助车间PLC等。SIS主要处理全厂实时数据,完成厂级生产过程的监控和管理,厂级故障诊断和分析,厂级性能计算、分析和经济负荷调度等;MIS主要为全厂运营、生产和行政的管理工作服务,主要完成设备和维修管理、生产经营管理(包括电力市场报价子系统)、财务管理等;机组DCS实现机组的锅炉汽机自动化和实时运行控制;电气监控系统包括单元机组的电气监控和厂用电自动化以及发电厂网络站自动化,参见图1所示。

2大型单元机组自动化的技术趋势
大型单元机组自动化将在下列几个方面进一步向前发展:
(1)实现真正的机炉电一体化,电气监控一体化并融入DCS系统
  DCS系统在锅炉、汽机的监控和运行上技术十分成熟,但对电气部分的监控上技术相对落后。发电厂电气设备的调节和控制与热工设备有很大区别,往往不存在PID控制等经典控制过程,电气控制速度快,甚至运行人员无法实时参与,只能依靠电气自动装置实现;继电保护是电气部分的最重要组成部分,保护信息,包括事件、录波都是十分重要的电气信息,这些信息在DCS的IO采集控制中无法全部获取。DCS对机组对电气部分的监控只能实现最基本的操作,并且重复投资。电气部分的监控功能覆盖网络站监控、厂用电自动化和机组监控。电气部分广泛采用现场总线通信,节省大量电缆,保护测控装置就地安装在一次设备上,节省大量占地面积;系统具有丰富的接口,集成其它装置的能力强;电气监控系统能够与DCS系统协同完成机炉电一体化控制。
(2)监控系统的物理配置从集中向分布发展
随着计算机技术的发展,监控系统将由以前的全部集中到一个控制楼里的配置方式,逐步趋向于采用适度物理分散配置的原则。庞大的控制楼将取消或缩减,变成若干个小型的电子设备间,分别布置在锅炉、汽轮机房或其它主设备附近。节省电缆,并为主厂房模块化设计、安装、缩短工期,以及主厂房合理布局创造条件。对现场来的信号,将大量采用远程I/O,其中驱动器控制用的I/O,经过实践,也将广泛采取现场配置,这种配置方式必将为大量节约监控电缆,降低基建费用,缩短工期。目前先进的电厂电气监控模式是将保护测控装置安装在开关柜上,取消大量电缆,采用现场总线实现完全分层分布的控制。
(3)监控系统的功能配置从分布到集中发展
火电厂单元机组控制系统的DCS功能配置将与物理配置走正好相反的方向,正在趋向再适度集中一点的方向发展。因为:首先,单元机组各个控制系统间有着千丝万缕的信号联系,一对控制器故障,往往会导致另一对控制器因没有正确的联系信号而不能正常工作,甚至误动;其次,由于目前大多没有常规后备监控制设备,因此,对于大部分重要控制器,只要其中一对控制器故障,可能就要被迫停机,而过多的控制器实际上反而增加了故障停机的概率;再次,目前控制器容量和速度均大大提高,多个相互联系密切的控制系统集中在一对控制器中,反而因内部信息交换方便而提高可靠性。
电气监控系统正是从分布到相对集中的实例,电厂中的网络站监控是将网络站的保护、监控、远动等集成为一个系统,厂用电自动化是将厂用电系统的保护测控装置构成分层分布的系统,机组监控保护将机组保护、录波和机组测控综合在一起,以上三部分集成为发电厂的电气监控系统(ECS)。
3 机组及厂用电部分进入电气监控的范围
新一代电气自动化系统从功能上覆盖发电厂的厂用电系统、发电机组监控、升压站系统,并经通信接口将其他相对独立的电气自动装置信息集成在整个电气自动化系统ECS中。电气自动化系统再经通信和DCS系统实现一体化,并彻底熔入DCS系统参与控制。
ECS系统包括:
1)厂用电系统;
a)高压厂用电源系统;
b)低压厂用电源系统和400VPC、MCC;
2)升压站
3)机组测控;
a)发变组系统测控;
b)高压启/备变电源系统(2台机共用);
4)经通信集成的其他电气自动装置;
a)发变组保护;
b)发变组录波;
c)发电机励磁系统;
d)自动同期系统;
e)厂用电快切系统;
f)柴油发电机组;
g)安全稳定装置;
h)直流系统和UPS系统。
5)实现的应用功能;
a)整个ECS系统的监控;
b)电气系统的运行状态分析和故障诊断;
c)操作票;
d)防误闭锁;
e)PLC逻辑控制
f)小电流选线;
g)为其他系统技术实时IO信息;
h)设备管理;

4电厂自动化中现场总线应用
现场总线是安装在生产过程区域的现场设备/仪表与控制室内的自动控制装置/系统之间的一种串行、数字式、多点通信的数据总线。现场总线是以单个分散的、数字化、智能化的测量和控制设备作为网络节点,用总线相连接,实现相互交换信息,共同完成自动控制功能的网络系统与控制系统。
目前国际上现有各种总线及总线标准不下二百多种,其中具有较大影响的现场总线有如下几种:
1)PROFIBUS现场总线
主要应用领域有:.制造业自动化、过程控制自动化、电力:发电、输配电、楼宇、铁路交通。
2)LONWORKS总线
LONWORKS现场总线全称为分布式智能控制网络技术,希望推出能够适合各种现场总线应用场合的测控网络。目前LONGWORKS应用范围广泛,主要包括工业控制、楼宇自动化、数据采集、SCADA系统等。国内主要应用于电力自动化和楼宇自动化方面。
3)CANBUS现场总线
CANBUS现场总线主要产品应用于汽车制造、公共交通车辆、机器人、液压系统、分散型I/O。另外在电梯、医疗器械、工具机床、楼宇自动化等场合均有所应用。
4)WorldFIP现场总线
90~91年FIP现场总线成为法国国家安全标准。96年成为欧洲标准(EN50170V.3)。下一步目标是靠近IEC标准,现在技术上已做好充分准备。WorldFIP现场总线适用范围广泛,在过程自动化、制造业自动化、电力及楼宇自动化方面都有很好的应用。

5.1现场总线技术应用的意义
1)现场总线(Fieldbus)技术是实现现场级控制设备数字化通信的一种工业现场层网络通信技术;是一次工业现场级设备通信的数字化革命。现场总线技术可使用一条通信电缆将现场设备(智能化、带有通信接口)连接,用数字化通信代替4-20mA/24VDC信号,完成现场设备控制、监测、远程参数化等功能。
2)传统的现场级自动化监控系统采用一对一连线的、4-20mA/24VDC信号,信息量有限,难以实现设备之间及系统与外界之间的信息交换,使自控系统成为工厂中的"信息孤岛",严重制约了企业信息集成及企业综合自动化的实现。
3)基于现场总线的自动化监控系统采用计算机数字化通信技术,使自控系统与设备加入工厂信息网络,构成企业信息网络底层,使企业信息沟通的覆盖范围一直延伸到生产现场。在工业自动化系统中,现场总线是工厂计算机网络到现场级设备的延伸,是支撑现场级与车间级信息集成的技术基础。

5.2基于现场总线的自动化监控系统的主要优点
1)增强了现场级信息集成能力
现场总线可从现场设备获取大量丰富信息,能够更好的满足工厂自动化及CIMS系统的信息集成要求。现场总线是数字化通信网络,它不单纯取代4-20mA信号,还可实现设备状态、故障、参数信息传送。系统除完成远程控制,还可完成远程参数化工作。
2)开放式、互操作性、互换性、可集成性
不同厂家产品只要使用同一总线标准,就具有互操作性、互换性,因此设备具有很好的可集成性。系统为开放式,允许其它厂商将自己专长的控制技术,如控制算法、工艺流程、配方等集成到通用系统中去,因此,市场上将有许多面向行业特点的监控系统。
3)系统可靠性高、可维护性好
基于现场总线的自动化监控系统采用总线连接方式替代一对一的I/O连线,对于大规模I/O系统来说,减少了由接线点造成的不可靠因素。同时,系统具有现场级设备的在线故障诊断、报警、记录功能,可完成现场设备的远程参数设定、修改等参数化工作,也增强了系统的可维护性。
4)降低了系统及工程成本
对大范围、大规模I/O的分布式系统来说,省去了大量的电缆、I/O模块及电缆敷设工程费用,降低了系统及工程成本。
5.3基于LonWorks网络的厂用电自动化系统
电气监控新技术则是全部采用现场总线,以厂用电系统为例,图2所示是采用LonWorks网络构成厂用电自动化系统的示意图:

采用现场总线取代电缆硬接线的DCS被成为FCS(FieldbusControlSystem),采用FCS取代DCS比采用DCS取代模拟仪表具有更大的经济效益:如“变千百根电缆为一根”,可节约大量电缆;控制功能下放到现场,使控制信号传输的准确性、实时性、快速性和可靠性大为提高;现场总线通信协议国际标准化后,可使不同厂家的产品互相连接和互相操作,消除了目前自动化的孤岛现场;省去I/O端子柜和控制柜后,使控制室占地面积大大减少并使系统简化,带来了系统设计、安装、调试和维护费用的降低及工作量的大大减少;由于机组控制室(指2台机组共用1个控制室)只有2根同轴电缆或光缆和几根紧急停机开关的电缆进入,大大有利于控制室的防火和火电厂的安全运行。
电气监控系统ECS在数字化方面由于现有的DCS系统,如果能够综合FCS和ECS的功能,将电气部分的监控、保护、录波、设备管理完全融入FCS/DCS系统将会大大提高现有电厂自动化水平,这对于电厂的安全运行、减员增效及提高设备的管理水平意义重大。  
电厂自动化系统的全数字化通信将引起真正的革命。传统DCS的一个致命弱点是,它可以控制和监视工艺过程,对自身进行诊断、维护和组态。但是,由于其I/O信号采用传统的模拟量信号,因此,它无法在DCS的工程师站上对现场仪表(变送器、执行机构等)进行远方诊断、维护和组态。FCS的现场总线和全数字的现场总线智能化仪表熔入DCS后,将彻底解决这个问题。
6电气监控系统(ECS)与DCS系统的接口
传统的电厂厂用电自动化的测量、监视、控制功能绝大部分采用硬接线方式,厂用电间隔层设备与后台监控系统之间配置了大量的控制、通信电缆。为了实现电厂机、炉、电的一体化运行、管理,同时考虑到厂用电在电厂生产和运行过程中占有的重要地位,电气监控系统需要和DCS系统通过数字接口融为一体,下面讨论ECS通过数字通信进入DCS的方式。
6.1ECS完全采用网络通信纳入DCS的接口模式
该模式详见图3,厂用电的数字式综合保护测控单元一方面通过通信接口和总线网络与厂用电自动化子系统进行通信,并通过CSPA-DCS通信主站,实现与DCS系统的数据交换;同时厂用电系统中与热工联系紧密的电动机等负载的数字式测控单元(包括大量的380V低压分支的测控)通过DCS系统的DPU与DCS系统进行直接通信,省去了所有的测量变送器、控制电缆。采用基于现场总线的网络通信技术构成监控系统不但适用于电厂厂用电自动化子系统的保护、测量,也适用于电厂厂用电自动化系统的控制功能的实现,是电厂厂用电自动化的发展方向。
这种完全采用网络通信的接口模式,在保证DCS系统与厂用电自动化系统相对独立性的同时,使厂用电自动化系统与DCS系统紧密联系,实现了电厂机、炉、电的一体化运行、管理。
在这种模式下,对厂用电系统设备的控制权可通过权限设置来实现:通常与热工联系紧密的电动机等负载的控制以DCS系统为主。对纯电气开关、设备的控制,则可通过权限设置来决定控制模式(是以ECS厂用电自动化系统为主,还是以DCS系统为主)。该部分通常有2种模式:第一种模式以ECS厂用电自动化系统进行控制为主;第二种模式是以DCS系统控制为主,也可通过权限下放由ECS厂用电自动化系统来实现。
以上监控模式对新建电厂的建设和老电厂的改造都具有很好的可靠性、经济性和先进性,尤其适用于自动化水平要求较高的新建电厂。
接口方式包括以下两种方式:
1)电厂热力系统的电动机等测量、控制设备和保护设备等通过现场工业总线网、通信接口设备分别与DCS系统(通过DPU-分布式通信单元)以及电气监控系统进行通信。
2)电厂电气的测量、控制设备和保护设备等则通过现场工业总线网和通信接口设备先与电气监控系统进行通信,并通过CSPA-DCS通信主站,实现与DCS系统的信息交换。

电厂电气监控系统的总线网络考虑到系统高可靠性、高通信速率和运行维护的方便性,通常采用双网方式(通信介质可采用屏蔽双绞线、同轴电缆、光纤等),并采用按电压等级或面向功能的分段方法。间隔层总体分段原则如下:
1)6/0.38kv厂用电电源及公用部分的保护、测控设备;
2)发变组、高备变的保护/测控设备、同期屏、励磁调节控制单元的接入;
3)升压站保护、测控设备的接入;
4)与热工有关的电动机等负载设备的保护、监测(控制)设备。
考虑到网络通信的抗干扰能力和高速率、高可靠性,电气后台计算机监控双以太网和现场工业总线双网均采用光纤通信方式。

6.2ECS在网络通信基础上保留部分硬接线的接口模式
该模式如图4所示,厂用电的数字式综合保护、测量、(控制)单元一方面通过通信接口和总线网络与电厂厂用电监控系统进行通信,并通过CSPA-DCS通信服务器,实现与DCS系统的数据交换,同时省去了大量的测量变送器、控制电缆。该模式对厂用电系统中与热工联系紧密的电动机等负载的控制和重要遥测、遥信信息(如开关位置、保护动作、电动机故障等少量重要信息)仍通过硬接线方式接至DCS系统的模件柜,实现与DCS系统的联络。
在这种模式下,对厂用电系统中与热工联系紧密的电动机等负载的控制则完全由DCS系统来直接实现。至于纯电气部分开关、设备的控制,则可通过权限设置来决定控制模式(是以ECS厂用电监控系统为主,还是以DCS系统为主),通常由ECS厂用电自动化系统进行控制,并通过ECS-DCS通信主站提供给DCS系统需要的信息。
以上监控模式对老电厂改造具有一定的优越性,同时也为将来厂用电系统完全网络通信模式的实现提供了硬件设备和通信网络,基本上不需再增加投资。但是该方案未能最大地发挥电气监控系统的优越性,仍然是传统的DCS硬接线控制,仅适用于用户特殊要求的系统。

7结论
在电厂的电气自动化亟待提高的今天,探讨新一代电气监控系统具有很好的实际意义。本文就电厂电气自动化的范畴进行了深入讨论,讨论了新一代ECS系统的构成及其与DCS系统一体化的接口方案,认为基于现场总线的电气自动化系统是发电厂电气自动化的发展趋势。本文进一步分析了电气监控系统ECS内容应包括网络站自动化、厂用电自动化和机组监控,新一代ECS技术采用基于现场总线的通信方案,系统向DCS开放,具有与DCS的通信接口。ECS系统在实现网络站自动化、厂用电自动化的同时,能够实现将发变组保护、录波、励磁、同期、厂用电快切、直流系统、UPS、电度表等设备的接入,进而实现整个电厂的电气综合控制,该技术正在成为电厂自动化技术的发展趋势。


ABSTRACT:
Thispaperdiscussesthecontentandthedevelopingtrendofthenewelectricautomationsysteminthepowerplant,analysestheapplicationoffieldbusinthepowerplantautomation.ItclarifiestheECStechnologythatusesthecommunicationschemebasedonfieldbusandhasthecommunicationconnectiontoDCSisbecomingthedevelopingtrendofthepowerplantautomation.

作者简介:
焦邵华,男,1972年生,博士,从事继电保护、配网自动化及电厂电气自动化的研究和开发。
刘万顺,男,1941年生,博士生导师,华北电力大学教授,从事继电保护、电力系统仿真、配电系统智能化的研究。

来源:
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