基于现场总线的分布式电气控制系统改造

卓薇

(广东省粤电集团有限公司沙角C电厂,广东东莞 523936)

0 引言

广东省粤电集团有限公司沙角C电厂(以下简称沙角C电厂)安装有3台660MW亚临界燃煤发电机组,由厂用电模拟屏对电源部分进行监控,其功能与采集到的信息量都非常有限。随着电厂自动化技术的不断发展,为了给厂用电系统日常监控及维护工作提供全面可靠的电气信息,沙角C电厂对原系统进行了基于现场总线的分布式电气控制系统FECS(FieldbusElectricControlSystem)改造。

1 原厂用电监控系统概况

沙角C电厂原厂用电监控系统采用厂用电模拟屏对全厂电源部分进行远方监控。厂用电模拟屏的操作把手可对电源开关进行远方分、合闸操作,可由操作把手指示灯的状态获取开关的当前状态。遥测量由现场变送器转换为4～20mA模拟量供厂用电模拟屏的仪表指示,告警信息与保护动作由光子牌显示,厂用电模拟屏与现场设备的接口方式均为硬接线方式。

电动机部分由分布式控制系统DCS(DistributedControlSystem)远方监控,与DCS的接口方式为硬接线方式。

2 原厂用电监控系统存在的问题

(1)备品价格高且采购周期长。备品必须从国外厂家订购,价格昂贵;控制电缆绝缘变差,给系统安全运行带来隐患。

(2)信息量不丰富。原厂用电模拟屏接口单一,仅有硬接线方式接口,采集的信息量受I/O口数量约束;无通信接口,与现场智能设备及其他系统无法通信,电气信息的扩展及转送受到很大限制。

(3)无历史记录。厂用电模拟屏仅显示当前故障,不便于维修人员进行日常维护和故障分析。

(4)无软件组态功能。逻辑闭锁功能由开关控制回路实现,若需修改要通过改变现场开关回路接线或增减继电器等方式来实现,非常不便。

3 FECS模式选定

3.1 国内电厂常用的FECS模式

3.1.1 保留关键硬接线的FECS模式

目前,国内大多数电厂采用保留关键硬接线的FECS模式,在该模式下,FECS为DCS的子系统。FECS通过现场总线实现电气部分的信息采集与控制,DCS以通信方式对FECS的I/O装置进行操作。FECS主站作为后备,在DCS操作员站故障时对电气部分进行控制。参与热工控制的重要电动机的启、停控制采用DCS的I/O模块经电缆硬接线实现。

3.1.2 全通信的FECS模式

近年新建的电厂多采用全通信的FECS模式,即FECS与DCS的信息交换全部采用通信方式。DCS完全放弃电动机使用I/O的硬接线方式,最大限度地减少了电缆。该模式是一种深层次的一体化方案,DCS拥有电动机与电源的控制权,FECS作为DCS的子系统参与DCS监控的范围由纯电气部分的控制扩展为对电动机的控制。

3.2 沙角C电厂FECS模式

3.2.1 沙角C电厂FECS模式选定

沙角C电厂于1996年投运,机房对通信干扰的屏蔽性没有新厂强,且380V电动机暂无智能设备,故不采用全通信模式。若把FECS作为DCS的一个子系统,则对DCS有一定依赖性,而且DCS的接入能力有限,极大地限制了电气信号的丰富与电气自动化水平的提高。从管理习惯上看,沙角C电厂厂厂用电部分由电气专业人员管理,电气部分纳入DCS由热工专业人员管理,所以,沙角C电厂选定了与DCS相对独立的FECS模式,如图1所示。

图1 与DCS相对独立的FECS模式

3.2.2 沙角C电厂FECS模式分析

该模式的FECS具有完整的FECS监控主站。FECS负责整个厂用电系统的监视并拥有电源部分的控制权,对电动机部分只监视不能控制,电源部分的逻辑在FECS中完成。DCS中参与电动机控制的量仍保留硬接线方式接入DCSI/O,电动机部分的逻辑在DCS中完成,DCS中的电动机部分不参与控制,但需用于监视的量由FECS转发。FECS根据DCS的需求量通过通信方式由FECS转发站单向转发数据给DCS主站,作为DCS监视用。该模式下的FECS与DCS相对独立、职责分明(上述电动机均指10kV/3kV电动机,380V电动机无智能设备,暂不接入FECS,保持原DCS监控模式)。

沙角C电厂FECS模式的特点:

(1)FECS与DCS分工明确,权责分明。

(2)FECS对全厂的厂用电实现集中监视,对电源开关具有监控权,对电动机部分只监视不控制,实现了电气部分的高级应用功能。

(3)弱化了FECS与DCS的通信功能,FECS转发给DCS的通信信号只作为监视用,且通信信号只能由FECS单向转发给DCS,DCS不能控制FECS。

(4)DCS的信号得到了丰富,节约了部分控制电缆与变送器等传统设备。

4 FECS组网方案

沙角C电厂使用CSPA-2000分层分布式电气控制系统,该系统自上而下分为站控层、分布控制层、间隔层,其组网结构图如图2所示。

4.1 站控层

站控层是整个系统的控制管理中心,完成整个系统的数据收集、处理、显示和监视,经过授权对电气设备进行控制并与DCS通讯联络。站控层由2台冗余的系统服务器兼工程师站、2台转发站、冗余配置的网络交换机、打印机以及其他网络设备组成。站控层网络采用以太网网络,双网配置,其网络通信速率满足系统实时性要求,为100Mbit/s。FECS与DCS通讯采用以太网方式,在2台转发工作站进行。双服务器及双网冗余配置的站控层具有很高的可靠性与稳定性。

沙角C电厂采用三机一控的方式,即3台机组与公用系统共设置1套监控系统。该方案的优点是成本较低且网络结构简单,但比单机一控方式的通信压力大,且#2机组先改造投运,公用系统与#1、#3机组调试时会给运行系统带来不便。

图2 FECS组网结构图

4.2 分布控制层

分布控制层由主控单元与其他网络设备组成,具有通信与控制功能,实现站控层与间隔层的实时信息交换。沙角C电厂采用031E主控单元,以太网双网接入站控层,通过现场总线通信接口与间隔层智能设备进行通信。该主控单元采用双网冗余结构设计,1台主控单元装置内包括2个结构、功能完全一致且相互独立的模块(1台主控单元装置实际为1对主控单元),模块之间有心跳线连接,供切换与数据同步使用。正常运行时,2个模块互为主备,若主模块故障,主控单元可自动切换到备模块,增加了系统的可靠性。

分布控制层设备按厂用电电气分段组网方案配置,即厂用电10kV、3kV及380V的1个或几个电气分段配置1对主控单元(冗余配置)。该方案的特点是:现场总线布线容易、间隔分明、便于维护。

4.3 间隔层

间隔层负责各间隔的就地监控和保护功能,主要由综合保护和测控单元组成。其中,综合保护实现了保护与测控2个功能,测控单元仅用了测控功能。沙角C电厂原厂用电保护靠传统继电器来实现。10kV及3kV段所有负荷开关的综合保护改造,随FECS改造同时在机组A级检修时进行,其余开关暂不改造。针对沙角C电厂的实际情况,间隔层设备分3种方案接入FECS。

(1)10kV/3kV电动机部分的信息量由综合保护通讯接入FECS。在DCS中需参与控制的量不仅通信上送FECS,还由硬接线接入DCSI/O。

(2)进行综合保护改造的变压器高压侧开关(即10kV/3kV等级变压器高压侧开关、10kV/380V等级变压器高压侧开关)的所有信息量由综合保护通讯上送。为加强可靠性,开关的遥控指令与3对重要的遥信(分/合闸反馈、开关总故障信号)还用硬接线方式接入相应的测控单元。

(3)其余未进行综合保护改造的厂用电源部分的信息量,均以硬接线方式接入相应的测控单元。

间隔层各智能前端至主控单元的网络为冗余配置并列运行,采取电气分段接入,其连接方式采用现场总线,传输介质采用屏蔽双绞线,综合保护采用RS485形式,测控单元采用Lonworks形式。

5 改造后的效果

目前,#2、#3机组已先后完成FECS改造,运行状况良好,较原系统功能大大增强。

(1)强大的组态功能。后台的软件为组态软件,可进行画面组态、数据库组态、逻辑组态,支持在线数据修改,灵活性高。

(2)与其他系统的接口功能。FECS系统具有良好的开放性,能实现与机组智能保护装置、DCS系统等的接口功能,其接口方式包括:接点方式(如保护装置的重要信号)、串口通信方式(如保护装置的大量信号)和以太网TCP/IP协议通信方式(如DCS系统),实现不同系统的无缝接入,扩展性好。

(3)数据库处理功能。FECS采集的信息量远远大于原系统,实现了电气信息数字化。具有历史数据的存储与查阅功能,实现了操作记录、事件顺序记录SOE(SequenceofEvent)、事件记录、电能报表等功能,便于设备维护、事故分析及节能分析等。

(4)采用先进、可靠的通信网络技术,取消了原有硬接线、变送器等传统设备,节省了一定数量的控制电缆和DPU资源,降低了成本。

6 结束语

沙角C电厂采用了与DCS相对独立的FECS模式,实现了电气部分的高级应用功能,标志着该厂电气自动化水平上了新台阶。分层分布式的组网结构充分体现了系统内装置的物理位置、控制功能分散,而显示、操作、记录、管理集中的特点,可靠性高、扩展性好并便于维护。