1、火電廠DCS監控系統幾種方案摘 要： 文章在火力發電廠電氣控制系統納入DCS監控方式上提出了兩種方案，并對兩種方案以及硬 接線的方式進行了技術經濟分析比較，為大型火力發電機組的新建或老發電廠的技術改造 提供了借鑒。關鍵詞：DCS；火電機組；電氣中圖分類號：TM762 文獻標識碼：A 文章編號：HT K10076921(2008)200086021 概述火力發電廠中，熱工系統及電氣系統的自動化水平，反映了整個電廠的運行管理水平，而電 廠廠用電系統的安全經濟運行對機組的運行起著至關重要的作用。發電廠電氣系統主要設備 納入機組的分散控制系統(以下簡稱DCS)進行監控，是當前火力發電廠廣泛采用的控制模

2、式 ，可大大提高機組運行的可靠性和經濟性。但還有很多老廠依靠常規的儀表、光字牌，采用 繼電器、控制開關及其接點組成的控制邏輯來實現。目前，大容量機組的電氣系統納入DCS監控的主要方式為：發變組保護、綜合自動化裝 置、廠用電系統的保護及自動裝置的動作情況是通過各獨立的裝置動作信號以及電氣設備的 位置狀態等開關量作為輸入量(即DI)送至DCS系統;模擬量(如電流、電壓、有功、無功)通過 電量變送器輸出420mA標準信號送至DCS系統：DCS的控制命令作為輸出量(即DO)引至電氣 設 備，各電氣設備與DCS系統的聯系采用硬接線方式，即由電氣設備現場用電纜將電氣量信號 一對一地送至DCS系統的I/O柜

3、上。然而由于大多數電廠的DCS系統都側重于汽機鍋爐，完成機組基本的運行、控制等功能 ，對電氣系統的運行監控考慮較少，電氣系統的要求在DCS系統的工程設計中往往難于全面 考慮。因此上述方式存在著較明顯的缺點：占用DCS大量的I/O點，卡件多，投資大；DCS中反映電氣的保護、測量、開關位置及其他需檢測的信息不完整;不能實現遠方遙控、保護信號復歸；模擬量采用直流采樣、使用電量變送器，對一次設備要求高、投資大、抗干擾能力差；電氣二次接線復雜、耗費大量電纜，施工及檢修工作量大；所有信息集中在DCS的DAS系統，系統承擔的風險相對較大；無法完成較多較復雜的電氣運行管理工作，如電氣運行檢修人員關心的電能管理

4、、 保護整定、事故追憶等信息。目前，大容量機組專用的繼電保護及自動裝置主要有：微機發變組保護裝置、故障錄 波裝置、微機自動勵磁裝置(AVR)、微機廠用電切換裝置(ATS)，微機發電機自動同期裝置(A SS)，以上設備一般集中布置于電氣設備間或繼電器室內，均為微機型裝置。中壓系統采用 分散式就地安裝的集保護、測量、控制、計量、通信于一體的智能前端設備，低壓系統選用 智能型框架斷路器，可帶通信接口，能將開關狀態、電流、電壓、功率、電能、保護動作等 信號通過其自帶的通信接口送出。對于塑殼斷路器回路，可設低壓微機保護測控裝置，如智 能型馬達控制器，微機型測控單元等。上述安裝于開關柜內的智能設備系統稱為

5、智能終端裝 置(ST)。上述設備都是分散的保護、監控裝置，都能獨立地完成各回路的監控和保護功能，目前 的電氣納入DCS系統大都是通過硬接線與DCS聯接，沒有充分利用這些裝置所具有的測量、監 控、通信功能。因此提高這些智能終端設備與DCS的通信水平，將直接關系到電廠運行管理 水平和安全經濟性。隨著微處理技術的發展，分層分布式控制結構的廣泛應用，特別是現場總線(FB)和智能 終端裝置(ST)技術的采用，其組成的控制系統在發電廠、變電站特別是在工廠得到了普通使 用，大大提高了微機監控系統的可靠性及經濟性。當前，世界發達國家，如美、英、法、德、日等在發電廠監控中己廣泛采用現場總線和 智能終端設備，國內

6、不少廠家也在開發、研制陽和ST發面做了大量工作，有許多產品己在工 程中使用;本章探討把成熟的微機監控通信技術應用于大型火力發電機組，與電廠DCS系統有 機結合，全面提高電廠電氣系統的監控水平。2 常用電氣系統控制方案比較隨著火力發電廠自動化水平的不斷提高，電氣系統納入DCS，實現爐、機、電一體化監 控在國內機組上已從試點進入了正常實施階段，由于國內對電氣系統監控的有關規程、規范 還在不斷地修訂完善中，對電氣系統的控制方式沒有作統一的規定，國內各電廠對電氣系統 納入DCS的方式采用了不同的方式，主要有以下三個方案：方案1：直接I/O連接方式：將電氣模擬量和開關量經電纜通過I/O通道直接接入DCS

7、進行組態 ，實現對電氣設備的監控，即硬接線方式。方案2：遠程I/O及分布式I/O連接方式：遠程I/O的采集單元一般是在I/O相對集中的現場安裝I/O機柜，負責采集附近設備的I/O 量，通過I/O通訊網絡將數字化信息傳至DCS。分布式I/O是將采集單元分散安裝在各現場設 備中，通過總線將分散的I/O連接后送至DCS。具體地說，就是利用分散安裝于就地開關柜的 集保護、測量、控制、通迅于一體的智能測控保護裝置 (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機，由鍋爐、汽機及保安MCC 供電的要求集中控制的低壓電動機，采用現場總線通過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的過程控制器。方案3：智能終端設備(ST)和現場總線(FB)連接方式：現場總線(FB)是一種開放全數字化的、雙向多站的計算機網絡，通過該網絡將智能終端 設備(ST)、主控制計算機和現場設備連接起來。傳輸信息為數字信號，可以各個接點共用一 條物理傳輸介質。智能終端設備(ST)是建立在微電子技術發展之上、大規模集成電路、嵌入式系統，由CP U、存儲器，A/D轉換器及I/O回路等集成的設備，主要由中壓及低壓系統的保護測控裝置和 自動裝置構成。這些裝置具有測量、控制、保護、信號、通訊等基本功能 并完成各自獨立 的特殊功能(保護功能獨立，

9、在就地完成)。利用智能終端設備(ST)進行數據采集和處理及邏 輯控制等功能，就地可實現對設備的控制、監視功能，通過現場總線系統可將處理好的信息 上傳至DCS等控制層進行監控，也能將控制層的指令下達。這種方式實現了分散控制，可節 省電纜，同時提高了信號轉換精度和可靠性，簡化了二次接線。具體實施為：擴大用通迅接入DCS的內容，增加電氣設備通過通迅接入DCS系統，增設電 氣后臺工作站。用現場總線將這些智能終端設備及專用裝置的通迅接口連接起來，通過通迅 管理裝置連接至DCS系統、電氣工作站及電廠MIS系統等，組成一個分層分布式的綜合自動化 系統。采用現場總線接入DCS系統的范圍： 10kV、6kV工作

10、段及400V工作(公用)PC段廠用電 源進線、聯絡斷路器及饋線，方案2中通過現場總線接入DCS的高低電動機，電氣專用裝置 ：發變組保護、故障錄波、AVR，ATS，ASS等。考慮到系統的安全性和可靠性，發變組系統和10kV、6kV廠用電系統的DO及SOE等重要量 仍采用“硬接線”方式，380V廠用電系統的電動機的監控可以采用全通迅的方式。3 技術比較方案1：為采用常規的電氣納入DCS系統監控的方式，既“硬接線”方式。該方案的缺點 如本文第一部分所述。方案2：高低壓電動機通過現場總線接入DCS，每臺電動機的智能終端模塊與DCS的聯系 信號除起動/停止指令、運行/停止狀態反饋、遙控狀態、電源監視、電

11、流共七個信號外，增 加了保護動作信號、設備故障信號、設備起動次數、參數設定、累計運行時間等現場設備信 息，大大豐富了DCS的監視內容。其中的設備起動次數、累計運行時間等信息采集及分析， 為提高電廠管理和維護水平創造了有利條件。由于智能終端模塊集成了通訊、保護、二次控制電路等多項功能，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(上位機支持)，采 用交流采樣技術，通過現場總線接入DCS，節省了控制電纜，取消了電量變送器及控制用中 間繼電器，使電氣開關柜內接線大為簡化，安裝及設備制造的工作量比采用常規的“硬接線 ”方式大大減少。目前，滿足現場總線要求的智

12、能化的中壓開關柜及低壓開關柜得到了廣泛 使用。該方案在技術上具有明顯的先進性，符合“燃煤示范電廠”功能分散、物理分散的設計 要求。該方案對DCS及智能終端模塊要求較高，要求智能終端模塊必須與DCS的通訊規約一致， 要求DCS的控制器按工藝系統提供數個通迅接口。方案3：整個系統由三個功能層構成：第一層：測控保護層。由大量的保護和自動裝置構成，主要由分散安裝于就地開關柜的智能 終端裝置、發變組保護、AVR，ATS，ASS等組成，保護功能完全獨立，利用現場總線技術， 采用光纖或屏蔽雙絞線連接至通信管理層，可以實現這些裝置的分散監控。第二層：通信管理層。該層將DCS對測控保護層的控制命令，或電氣后臺工

13、作站發出的修改 定值命令等，下發至各有關裝置，同時，將各裝置上送的信息送至DCS系統或電氣后臺工作 站。通迅管理層具有通信接收、發送、規約轉換等功能，通迅管理層與上位機系統連接采用 以太網，通迅管理層一般配置前端機或通迅管理單元，提供1216個通迅接口。第三層：上位機系統。包括DCS系統和電氣后臺工作站系統。電氣后臺工作站系統主要負責 電氣系統設備的管理維護、電能計量、故障錄波和保護定值修改及下達等工作，由DCS系統 來完成畫面顯示、報表生成、打印、控制、事件記錄報警等。根據上述要求，提出如下系統組成方式：現場總線分別與10kV、6kV及400V智能終端設 備相連，并通過通信管理層與上位機系統

14、相連，對于一些比較成熟的專用裝置，如AVR，ASS 、發變組保護、故障錄波、廠用電源自動切換裝置仍采用獨立的專用產品，也通過管理層與 上位機系統相連，在電氣后臺工作站及DCS的CRT上對以上系統進行監視及控制。該方案結構 清晰，靈活，可分階段實施，擴充方便。系統的監控管理層采用雙網結構，網絡可靠性高， 根據系統情況，既可以由通迅管理層直接與DCS通迅，也可以直接通過以太網與DCS通迅。通 過備用主機的通迅卡系統還可與電廠MIS系統實現信息交換。通信單元與DCS系統和電氣后臺系統間均有接口，與二者間有信息交流但側重不同。設 電氣后臺系統的目的是為了讓電氣人員對所有廠用電氣保護自動裝置進行日常的監

15、視和維護 ，一般情況下不進行控制操作，但在后臺機上的信息量卻可比DCS上多得多，在后臺系統上 ，可以實現實時數據采集、電氣接線畫面顯示、定值查詢修改、動作事件記錄、故障錄波、 報表生成、儲存打印及電能計量管理功能。為滿足電廠運行的安全性、可靠性的要求，發變組系統納入DCS系統監控采用“硬接線 ”方式，接入量主要有三種，即DI，DO和模擬量，一些保護動作信號等則可經串口與DCS通 信。10kV、6kV廠用電系統的DO及SOE等重要量仍采用“硬接線”方式，廠用電系統的控制也 采用“硬接線”方式，380V廠用電系統的電動機的監控擬采用全通迅的方式。對每種電氣開 關與DCS的接口按5個點考慮：合閘指令

16、、分閘指令、合閘狀態 、分閘狀態、遙控狀態信號 。通過現場總線交換的信息包括：遠方信號復歸；遠方修改定值(在上位機實現)；模擬量測 量數據：f，I，0，P，Q，直流量，溫度等；開關量：開關分、合位置、保護動作信號、裝 置故障信號等；脈沖量：有功、無功電度量；事故追憶數據；GPS或上位機對時。現場總線傳輸介質：光纖、同軸電纜或屏蔽雙絞線，可根據實際選擇。電氣量控制的邏輯設 計均在DCS內，充分利用了DCS的監視、控制功能。4 成本比較以采用方案3的粵 電集團某廠的數據來看，隨著電氣控制的自動化水平的提高 ，電氣設備的投資有所減少(未考慮由此增加的DCS的軟件費用和減少的電纜施工費用)。5 小結通過技術經濟比較，可以看到方案3優點是：系統采用分層分布式體系結構，結構清晰、 靈 活，可以分階段實施，擴充方便，于現場一次設備增加只需增加相應的智能終端，并將智能 終端連接到通信管理層就可實現系統底層擴展，每個前端機或通信管理單元的擴展多達數百 個智能終端。兼容性好。通信管理層所提供的前端機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型的智能終端來完成自動化功能，可以將任何開放設備 納入監控網絡。可靠性高。系統模塊化的設計理念，