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综合自动化在发电厂电气系统的应用

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综合自动化在发电厂电气系统的应用季学军1,李从国2,顾欣欣1,季侃1(1. 国电自动化研究院,江苏南京(2. 青岛发电厂,山东青岛
摘要:针对发电厂电气系统自动化水平比较落后的现状,本文提出了在发电厂电气系统实施综合自动化的总体思路,并着重探讨了电气综合自动化系统的网络结构以及电气综合自动化系统与分散控制系统(DCS)的通信接口.本文最后对发电厂电气系统综合自动化的优越性进行了总结,并提出了一些值得关注和讨论的问题.
关键词:发电厂;电气系统;综合自动化;以太网;现场总线Application of Integrated Automation in Electrical System of Power PlantsJi Xuejun1, Li Congguo2, Gu Xinxin1, Ji Kan1(1. Nanjing Automation Research Institute, NanjingChina)
(2. Qingdao Power Plant, QingdaoChina)
Abstract:In accordance with the comparatively laggard level of electrical system automation of power plants,this paper proposes an outline scheme of integrated automation in electrical system of power plants, the network structure of electrical integrated automation system and the communication the above mentioned system and DCS. The advantages of electrical integrated automation aresummarized, and some valuable problems are put forward finally in this paper.
Keywords:power plant; electrical system; integrated automation; Ethernet; field bus
1 发电厂电气系统自动化的现状[1]自上世纪90年代以来,伴随着半导体芯片技术,计算机技术和通信技术的高速发展,我国电力系统厂站自动化水平得以迅速提高,具体表现在火电机组的热工控制全面采用分散控制系统(DCS),水电机组的全盘自动化技术日趋成熟,变电站自动化发展更快、以分层分布为主要特征的综合自动化技术得到广泛应用.与此不相协调的是发电厂电气系统的自动化水平发展缓慢,除部分继电保护和自动装置实现微机化并具备通讯功能外,大部分电气监控仍然停留在控制屏台上一对一的硬手操和常规仪表,光字牌的水平,控制逻辑一般由控制开关,继电器和开关的辅助接点通过硬接线实现.随着电力工业的快速发展,发电机组向大容量,高参数发展,电厂规模日益增大,随之而来的监测任务增多,控制任务愈加复杂.常规的监控方式给日常的运行和维护带来不便,安全性和可靠性也不高.因此,以计算机控制技术和通讯技术为基础、实现发电厂电气系统的综合自动化,从而提高电源的安全性和可靠性是一项势在必行、意义深远的任务.
2 发电厂电气系统综合自动化的总体思路[2,3]当前、计算机技术和通信技术的高速发展使得电气二次设备发生了根本性的变化,继电保护,自动装置,测控设备,直流电源,励磁系统和同期装置等均已实现微机化,智能化并具备了很强的通讯功能,电力调度和变电站后台的自动化监控软件技术也发展成熟并广泛应用,所有这些使得在发电厂电气系统实施综合自动化成为可行并将为之提供可靠的技术保证.发电厂电气综合自动化系统的监视范围包括发变组,励磁系统,6kV厂用电源系统,400V厂用电源系统,高压启备变,柴油发电机组和保安电源,直流系统和UPS,自动同期装置和厂用电切换装置等、控制功能包括发电机升压并网,发电机解列,6kV厂用电源切换,无功功率调节等.发电厂的电气综合自动化系统可以继承变电站综合自动化系统分层分布的特点、分为现地控制层,通信层和系统层.现地控制层包含继电保护,安全自动装置,厂用电综合保护测控,励磁调节装置,直流电源,同期装置等所有需要接入综合自动化系统的智能二次设备.通信层是现地控制层和系统层的中间适配层,一般设有数台通信控制机、在承担与系统层数据交换任务的同时,还要实现与DCS系统的通讯接口.系统层是全厂电气设备测量,保护,控制,监视和管理的中心、根据需要配有计算机设备(工作站),通讯网络设备,打印机、UPS,GPS同步时钟和语音报警设备等.在实施发电厂电气系统综合自动化的过程中、
有两个关键的技术问题需要解决好:一是如何构造发电厂电气综合自动化系统的通讯网络,另一个问题是如何实现电气综合自动化系统与分散控制系统(DCS)的通信接口.
3 发电厂电气综合自动化系统的通讯网络电气综合自动化系统的三个层次(现地控制层,通信层和系统层)通过通讯网络形成一个有机的整体,通讯网络的实时性和可靠性决定了整个电气综合自动化系统是否能够高效,可靠地工作.处于现地控制层的是大量的智能二次设备,其通讯接口以串行口RS-485居多,有的也能提供现场总线和以太网的通讯口.单元机组的6kV厂用电部分,如馈线,电动机、厂用变,电压互感器,分段开关等、它们的综合保护测控装置通过通信层的通信控制机接入系统层,并与DCS系统通讯,为保证数据交换的实时性,在设备选型时应选择采用快速通信技术(如现场总线或以太网)的综合保护测控装置,在电磁干扰较强的现场可以采用光纤通信.400V低压厂用电部分的保护功能一般由智能开关柜的本体提供、其通讯方式通常是RS-485.在采用硬接线控制时,400V低压厂用电的测控通常不接入DCS系统,而采用综合自动化系统以后则可以分配一台通信控制机将这部分信息集中送往DCS.与单元机组有关的其它智能设备,如发变组保护,励磁系统,直流电源和同期装置等、通常以RS-485的方式接入通信层的通信控制机.电厂升压站部分的保护,测控和其它智能设备则作为单独的一个子系统接入通信控制机.处于通信层的通信控制机能提供多种通讯接口方式(串行口RS-485 RS-232,现场总线和以太网等)、并具有规约转换的功能,以方便地接入第三方的智能设备.通信控制机与系统层的通讯一般通过以太网接入,与DCS系统的通讯一般通过串行口或以太网接入DCS系统的分散处理单元系统层通常采用以太网作为通信主干网,通过通信服务器与分散控制系统(DCS),管理信息系统(MIS)和厂级监控信息系统(SIS)进行数据交换.发电厂电气综合自动化系统的典型网络结构如图1所示.以上讨论的是大型单元机组电气综合自动化系统的网络结构.在我国现有的发电容量中、单机容量在60MW及以下的小电厂(尤其是热电厂)还有很多.小电厂的热机部分通常采用母管制,采用SIS网关DCS网调度中心网络打印机操作员站工程师远动工作站五防工通信控制机6kV厂用电保护测控装置400V厂用电智能设备发变组保护,励磁、直流系统和同期等辅助系统电气智能设备升压站保护监控设备DPUDPUDPUDPU DPU以太网以太网或现场总线图1 电气综合自动化系统的典型结构Fig.1 Typical Structure of of Electrical System同一套分散控制系统(DCS)对全厂的锅炉和汽机进行监控,电气部分和大型机组类似,只是配备的二次设备较少,需要接入电气综合自动化系统的测控点数量也较少.应用于小电厂的电气综合自动化系统通常只需2台通信控制机、二者互为备用,所有的电气二次设备全部接入这两台通信控制机、网络结构和图1类似,此处不再绘出.
4 电气综合自动化系统与DCS系统的通讯接口电气综合自动化系统与DCS系统的接口通常
有两种途径:
4.1 在通信层由通信控制机与DCS系统的分散处理单元(DPU)接口.这种方式通常采用RS-485接口,应用MODBUS规约.此时的通信控制机类似于变电站综合自动化系统的总控单元、接收到现地控制层发来的数据后,根据预先的设置,将DCS需要的部分快速转发给DPU;接收到DPU发来的控制命令后,快速转发给现地控制层的综合保护测控装置.在取消了硬接线和变送器以后,这种接口方式应保证与热工相关的电气部分和DCS之间数据交换和控制命令传达的快速性和可靠性.由于6kV厂用电部分与单元机组的控制密切相关,与DCS通讯时应考虑双重化冗余配置,即厂用电综合保护测控装置通过双网分别接入两个通信控制机、然后再分别接入DCS的两个分散处理单元(DPU).在较为保守的现场、DCS对电气设备开关的控制仍然保留了硬接线.
4.2 在系统层经过以太网通信服务器与DCS的系统层通讯.由于安全性的要求和现场运行的习惯,目前在系统层两个系统的通讯主要用于交换一些与DCS控制流程无关的,实时性要求不高的数据,如保护事件,事件顺序记录SOE,故障录波等.建立电气综合自动化系统以后,运行人员既能通过DCS的操作员站对厂用电部分的电气设备进行操作,又可以通过电气综合自动化系统操作员站对电气设备的运行状况进行监视,并可进行相关控制操作.按目前发电厂的运行习惯,DCS系统的重要性处于首位、因此电气综合自动化系统操作员站对厂用电部分的控制功能仅在机组投运前或大修期间作为运行试验之用,正常运行时需取得DCS系统的授权方可操作.
5 发电厂电气系统综合自动化的优越性在发电厂的电气系统实施综合自动化,其最终目标是运行人员凭借综合自动化系统,通过操作员工作站的显示器,鼠标和键盘对全厂电气设备进行监控和管理.实现综合自动化以后,不仅是电气系统的控制模式将发生根本改变,发电厂的自动化水平和经济效益也将得到很大程度的提高.发电厂电气综合自动化系统的优越性体现在以下诸多方面:
5.1采用常规控制模式时所有断路器需要运行人员一对一手动操作,接线复杂且造价高.另一方面由于受到控制室屏面的限制,大量厂用电系统的开关只能就地操作.电气设备进入综合自动化系统后,取消了常规的强电控制屏台,取消了大量的常规表计和光字牌、所有断路器的控制操作均可在操作员工作站上实现软手操、降低了劳动强度且节省投资.
5.2发电机系统可实现由零起升速,升压到并网带初始负荷的程序控制和软手操控制.根据实际运行水平和设备可靠性,机组程控并网可设置人工间断点、分步进行.
5.3厂用电系统按启动停机阶段和正常运行阶段的要求实现程序控制和软手操控制.厂用电系统采用微机型综合保护测控装置,可分布安装在各电气间隔、真正做到了分层分布、系统可靠性高.
5.4易于实现发电厂电气系统防误闭锁功能,减少误操作.
5.5升压站的网控自动化作为一个专门子系统纳入电气综合自动化系统,取消独立设置的网控计算机系统.
5.6系统软件为电气各子系统提供结构清晰的系统图,如发变组系统图,厂用电系统图,厂用电公用部分系统图和升压站系统图等.系统软件具有数据处理和统计,事故报警记录和追忆,画面生成和显示、报表生成和打印等诸多后台功能.对于继电保护和其它电气专用自动装置以及电气程序控制,系统软件提供专用操作窗口.
5.7实现对所有电气设备的测量,保护,控制,监视和信息管理.电气综合自动化系统与电厂DCS系统之间采用网络通信方式,二者交换的信息量不受限制,并可节省大量控制电缆和变送器,改变了只有少数重要电气量才接入DCS的状况,提高了发电厂的自动化水平.
6 值得关注和讨论的问题[3]
6.1 与变电站综合自动化的关系变电站综合自动化的实践在我国取得了很大成就,变电站综合自动化技术经过多年的发展也日益成熟.而发电厂电气系统的综合自动化工作起步较晚,所以发电厂电气系统的综合自动化可以继承变电站综合自动化的很多技术成果,有的甚至可以直接使用.但我们也要注意到二者的区别、与变电站几乎全是电气设备且开环控制相比、发电厂则需要炉、机、电密切配合,协调操作,有大量的热力设备和旋转电机、且控制操作以闭环方式居多,测控信息的刷新速度要求较快且大型单元机组的测控信息点数量极其庞大.上述区别决定了发电厂电气系统的综合自动化在很多技术层面,特别是在通讯网络的组织,通讯规约的制定,系统数据库的容量以及操作员工作站的软件设计等方面和变电站综合自动化有很大差异,此项技术的成熟和完善还需要大家共同的努力.
6.2 发电厂电气综合自动化系统的后备监控手段根据火力发电厂设计技术规程(DL
规定:对一些重要回路,需要设置少量的常规仪表及监控设备.为保证机组在自动化系统退出运行和紧急情况下的安全停机、可以保留必要的后备硬手操设备及测量表计,还可以在操作台上设置2个紧急停机按钮,当2个按钮同时按下时,发电机出口开关和灭磁开关同时跳闸.
6.3 公用系统的控制方式对于2台机组的公用系统,如厂用电公用段及备用电源系统等、电气综合自动化系统应实现一台机组停运时,另一台机组的运行人员能对公用系统进行监控,并且要求采用可靠的措施,确保其控制命令的唯一性,即在同一时间只允许一台机组的自动化系统对公用设备进行控制操作.不能因为公用系统的存在,而使2台单元机组的控制发生耦合.
6.4辅助系统的电气监控对于主厂房以外的辅助系统,如输煤,化水,制氢,电除尘等系统,可以为每个辅助系统配置独立的通信控制机、各辅助系统内的综合保护测控装置通过通信控制机接入电气综合自动化系统.
6.5起动停机阶段的程序控制发电厂实现电气综合自动化系统后,就有可能实现机组由零起升速,升压到并网带初始负荷的程序控制.但是受机组设备可靠性和现场运行习惯的影响、程序并网的过程可能还是要设置人工间断点、分步进行.随着设备本身可靠性的提高和自动化技术的发展,程控并网的目标最终将会实现.
6.6 与厂用电建设工期的配合由于在电气综合自动化系统中取消了电气开关的硬手操、因此电气综合自动化系统的设备安装、调试和投运在工期上应当与厂用电设备的工期配合,否则在倒送厂用电时,启备变和高低压厂用电源的操作将无法进行、厂内各工艺系统的分部试运行也无法完成.参考文献
1 唐涛(Tang Tao).电力系统厂站自动化技术的发展与展望(Development and Prospects for theAutomation Technology of Power Plants 电力系统自动化(Automation of ElectricPower System~97
2 Guo Wei, Wang Li. Integrated Automation of Power Plant Electrical System. Journal of Edition~224
3 陈利芳(Chen Lifang).电气监控系统纳入DCS改造的计划与实践(Design and Practice of Integratingthe Electric Monitoring System to DCS).电力系统自动化(Automation of Electric Power System~63
作者简介:季学军男,硕士、工程师,从事继电保护和自动装置以及厂站自动化技术的研究.李从国男,工程师,从事发电厂自动化系统的运行管理工作.顾欣欣女,高级工程师,总工程师,从事继电保护和自动装置以及厂站自动化技术的研究.季侃男,高级工程师,所长,从事继电保护和自动装置以及厂站自动化技术的研究.

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