ＤＣＳ在电气系统控制中的应用

于寿龙

摘要：DCS是分散控制系统（Distributed Control System）的简称，国内一般习惯称为集散控制系统。它是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机（Computer）、通讯（Communication）、显示（CRT）和控制（Control）等4C技术，其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活、组态方便。

关键词：DCS；控制系统

1 DCS具有以下特点：

1.1高可靠性

由于DCS将系统控制功能分散在各台计算机上实现，系统结构采用容错设计，因此某一台计算机出现的故障不会导致系统其它功能的丧失。此外，由于系统中各台计算机所承担的任务比较单一，可以针对需要实现的功能采用具有特定结构和软件的专用计算机，从而使系统中每台计算机的可靠性也得到提高。

1.2开放性

DCS采用开放式、标准化、模块化和系列化设计，系统中各台计算机采用局域网方式通信，实现信息传输，当需要改变或扩充系统功能时，可将新增计算机方便地连入系统通信网络或从网络中卸下，几乎不影响系统其他计算机的工作。

1.3灵活性

通过组态软件根据不同的流程应用对象进行软硬件组态，即确定测量与控制信号及相互间连接关系、从控制算法库选择适用的控制规律以及从图形库调用基本图形组成所需的各种监控和报警画面，从而方便地构成所需的控制系统。

1.4易于维护

功能单一的小型或微型专用计算机，具有维护简单、方便的特点，当某一局部或某个计算机出现故障时，可以在不影响整个系统运行的情况下在线更换，迅速排除故障。

1.5协调性

各工作站之间通过通信网络传送各种数据，整个系统信息共享，协调工作，以完成控制系统的总体功能和优化处理。

1.6控制功能齐全

控制算法丰富，集连续控制、顺序控制和批处理控制于一体，可实现串级、前馈、解耦、自适应和预测控制等先进控制，并可方便地加入所需的特殊控制算法。

DCS的构成方式十分灵活，可由专用的管理计算机站、操作员站、工程师站、记录站、现场控制站和数据采集站等组成，也可由通用的服务器、工业控制计算机和可编程控制器构成。

处于底层的过程控制级一般由分散的现场控制站、数据采集站等就地实现数据采集和控制，并通过数据通信网络传送到生产监控级计算机。生产监控级对来自过程控制级的数据进行集中操作管理，如各种优化计算、统计报表、故障诊断、显示报警等。随着计算机技术的发展，DCS可以按照需要与更高性能的计算机设备通过网络连接来实现更高级的集中管理功能，如计划调度、仓储管理、能源管理等。

2 电气系统控制的特点

电气系统与热工自动化相比在控制要求及运行过程中有着很多不同点，电气的主要特点表现为：

电气设备相对热工设备而言控制对象少，操作频率低，有的系统或设备运行正常时，时常几个月或更长时间才操作一次。

电气设备保护自动装置要求可靠性高，动作速度快。发变组保护动作速度要求在40ms以内；自动准同期采用同步电压方式，转速、电压调整和滑压控制要求在5ms以内；电压自动调整装置快速励磁要求时间极短；厂用电快切装置快速切换时间一般小于60～80ms，同步鉴定相位差5°～20°。

300MW及以上机组一般每2台机组共用1台起／备变，任一机组检修都不能影响另1台机组的正常运行，因此DCS控制应考虑其控制方式，确保只能有1台机组的DCS实现对共用部分的控制，同时另一机组DCS能够实现实时监视，并且这种操作控制权能实现切换。

电气设备电气系统的联锁逻辑较简单，但电气设备本身操作机构复杂。

因此，机组的电气系统纳入DCS控制，要求控制系统具有很高的可靠性。除了能实现正常起停和运行操作外，尤其要求能够实现实时显示异常运行和事故状态下的各种数据和状态，并提供相应的操作指导和应急处理措施，保证电气系统自动控制在最安全合理的工况下工作。

3电气系统纳入DCS监控的范围

根据单元机组的运行和电气控制的特点，在工程的应用中采用将发电机-变压器组和厂用电源等电气系统的控制都纳入DCS监控。

从升压站(不包括升压站)至电厂侧的所有主厂房内电气系统均纳入DCS监控，主要系统归纳为：

发变组系统(不包括变压器本身的通风系统)；

发电机励磁系统；

高压厂用电源系统(包括厂用电源正常切换)；

低压厂用电源系统和400VPC；

高压启／备变电源系统(2台机共用)；

柴油发电机组和保安电源(仅监视)；

直流系统和UPS系统(仅监视)；

自动同期系统；

厂用电快切系统。

电气主要保护安全自动装置因要求DCS实现其功能目前尚有一定的难度，并且要增加相当大的费用。原则上不要求通过DCS实现其功能，仍保留其装置，但它们与DCS之间要有接口，常规方式采用硬接口。保留的保护自动专用装置主要有如下：

发变组保护装置；

自动准同期装置(ASS)；

自动电压调整装置(AVR)；

厂用电快切装置；

故障录波装置。

主厂房外辅助系统的电气系统如输煤、化水、制氢、电除尘等暂不纳入DCS系统中。

4电气系统纳入DCS控制水平及技术要求

机组整套启动时从锅炉点火至发电机并网带初始负荷够实现全过程的自动程序控制。(当然可以设有限几个断点人工分析判断决定后介入操作)，或机组停机时DCS能安全停机。

机组自启停控制的要求是：

机组正常起动时，当发电机达到额定转速时，DCS将投入AVR。当发电机电压达到额定值时，DCS将投入同期装置。发电机与电网的同期是由同期装置自动实现，在同期过程中通过DCS控制AVR、DEH，当同期条件满足时，向发电机断路器发合闸指令。在同期合闸成功，发电机电负荷达到一定值之后，DCS将高压厂用电系统快速从启备变切换到高压厂变上。

机组正常停机时，DCS控制降低机组负荷，当机组负荷降到某一定值时，DCS将高压厂用电系统快速切换到启／备变系统供电；当机组负荷继续降到零，跳开主开关，联跳汽轮机(主汽门关闭)，发电机灭磁。

对于厂用电源系统控制的要求是：

在机组启动时通过启／备变向厂用负荷供电；在机组正常用电时，由厂变供电并经低压厂变向400VMCC低压负荷供电以启动机组所必需的辅机；在厂用电消失时，为了保护设备和系统的安全，厂用电快切装置应快速将厂用工作负荷自动切换至启／备变；当确认保安段母线失压后，应启动事故备用柴油机供电以保证设备安全。

依据以上控制水平的要求，电气监控纳入DCS技术的要求是：

发电机系统能实现程序控制和软手操控制使发电机由零起升速、升压直到并网带初始负荷;厂用电系统能按启动／停止阶段和正常运行阶段的要求程序控制和软手操来实现;能实时显示和记录上述发变组系统和厂用电系统的正常运行、异常运行和事故状态下的各种数据和状态，并提供操作指导和应急处理措施;单元机组(炉机电)实现全CRT监控。

5对硬件配置的要求

按传统功能划分，电气纳入DCS监控之后，其功能可分为数据采集(DAS)和顺序控制(SCS)两部分，由于电气量同热工量相比并没有特别的要求，而相对动作速度快、可靠性高的控制功能通过保留的电气专用装置来实现，因此原则上对DCS的硬件无特殊要求。对硬件的配置要求同热工一致，其功能分别融入DCS的功能之中。但基于历史的原因DCS由热工人员负责，而热工人员对电气的控制原理知之不多，在设计、调试、生产维护等各个环节中，这部分工作仍需电气人员来完成。加上在工程建设过程中电气有关厂用电受电部分需提前调试投入运行，在电气的控制功能部分即顺序控制(SCS)仍建议设置电气单独的控制器，便于实际工作的顺利进行。其数据采集部分要求同热工融为一体。