ECMS系统的新型结构及其应用①

侯 炜，沈全荣，严 伟

(南京南瑞继保电气有限公司研发中心，南京 211102)

随着微机型综合保护测控装置及各种智能装置在现场的普及，原有的通过分散控制系统DCS(distributed control system)所反映出的厂用电信息显得非常局限，因此，从本世纪初，基于总线形式的厂用电气监控管理系统逐步在各电厂得到了应用。为了对系统名称进行规范(实际应用中，名称有电气监控系统ECS(electric control system)、基于现场总线的电气控制系统FECS(fieldbus electric control system)、EFCS(electric fieldbus control system)等)，电顾发电(2008)20号文规定统一名称为火力发电厂电气监控管理系统(ECMS)。在DCS对厂用电源监控方式的选择上，出现了硬接线方式、硬接线+通讯以及全通讯方式等[1]，本文分析了现存的各种ECMS系统的不足，并提出了新的方案，通过对其在现场的实际应用效果来看，这种方案更适合现阶段采用。

1 现有ECMS系统的不足

1.1 硬接线+通讯方式

由于DCS系统通过硬接线方式对电气量信息采集有限、电气系统的整体自动化水平较低，无法完成事故追忆、波形分析、保护定值管理等功能[2]，因此出现了厂用电单独组成ECMS系统、DCS系统保留少量硬接线、其他电气信息经过通讯至DCS的方式。系统结构如图1所示。此方式未修改现有DCS的控制方式，因此被大量工程采用，但这种方式存在如下缺点。

(1)由于DCS支持的通讯方式较少，DCS与ECMS通讯一般采用MODBUS RT U通讯方式，信息从间隔层至DCS画面显示，需要经过多次规约转换，时间较长，从现场使用的情况看，一般为3～6 s甚至更长时间，不能满足现场的运行要求。

(2)部分DCS系统的通讯点不能作为逻辑点使用，即通过通讯传输的信息只能在操作员站进行显示，不能参与逻辑控制，且DCS为了保证控制器的运行速度与可靠性，一般都对信息点数做了严格限制，因此运行人员通过DCS系统并不能掌握足量的厂用电气量信息。

(3)ECMS系统仅作为一个监测系统，一般不设置操作员站，只有在全厂倒送电及DCS系统检修时才可能参与控制，导致该系统受关注度较低。

(4)从投资成本来看，采用此方案后，DCS节省了一部分AI、DI卡件及电缆，但增加了用于与ECMS系统通讯的通讯卡。华东电力设计院在以某电厂2×600 MW机组为例对本方案与原有DCS方案对投资进行比较后得出，项目总投资减少约20万元，此方案投资方面的优势未得到充分体现[3]。

图1 硬接线+通讯方式Fig.1 Structure of the mode by control cables and communication

1.2 全通讯方式

为了进一步提高电厂电气自动化的水平，ECMS系统在硬接线+通讯方式的基础上，又出现了全通讯方案，即利用厂用电综合保护测控单元可由远方遥控的功能，通过DCS与ECMS系统的无缝连接，实现节省DCS I/O卡件及电缆，提高电厂自动化水平的目的。此种方式下，通讯管理单元双机配置，信息上传与指令下发均通过通讯方式，系统结构如图2所示。这种方式也存在如下缺点:

(1)DCS与ECMS是两个独立的系统，任何一个系统自动化水平的不足，均会导致此方案在实际应用中存在缺陷。

(2)由于ECMS系统包含设备较多，不一定能保证所有设备采用同一厂商的产品，因此在整个通讯环节中，存在多处通讯协议转换及通讯方式转换之处。通讯可能存在的稳定问题将关系到电厂的安全生产，这也是这种方案得不到广泛应用的原因之一。

(3)通过通讯方式接入不同通讯接口和协议的装置，DCS系统结构将发生一定的变化，势必会遇到DCS厂商尤其是国外DCS厂商较大的阻力。

(4)从长远看，一套自动化系统不可能需要两套监控系统配合才能完成，随着自动化水平的不断提高，这种全通讯方案必将得到进一步改进。

图2 全通讯方式Fig.2 Structure of the mode by full communication

2 新型ECMS系统及现场应用

2.1 新型ECMS系统结构

由于现阶段上述两种方案在现场的应用情况不理想，未能充分发挥ECMS预期的作用，因此，2007年11月29-30日，中国电力工程顾问集团公司在北京主持召开了现场总线技术在火力发电厂电气控制系统中应用研讨会，会议通过决议，推荐ECMS系统采用如下方案:发电机-变压器组、高低压厂用电源等电气设备的控制、监视和管理在ECMS实现，电动机的监测管理信息进入ECMS。电动机的控制仍由机组DCS实现。在机组集控室设置ECMS操作员站，ECMS不与机组DCS通讯。

在上述方案的基础上，针对现在大部分ECMS系统为两台或多台机组厂用电加公用厂用电的情况，推出了如图3所示的ECMS系统结构。

图3 新型ECMS系统结构Fig.3 New structure of ECMS

在此结构中，不同的机组分别设置独立的监控系统，以两台机组为例，#1、#2机组分别设置操作员站与工程师站，两台机组信息互相独立，间隔层设备按照不同的机组及公用部分分别组成虚拟局域网(VLAN)，如 #1机厂用电部分智能装置组成VLAN1，#2机厂用电部分智能装置组成VLAN2，公用厂用电部分智能装置组成VLAN3，通过位于公用部分中心交换机的设置，可以实现#1机组ECMS系统只能监控 #1机组及公用部分，#2机组ECMS系统只能监控 #2机组及公用部分。兼顾系统快速性、可靠性要求及系统构建成本及方便性等各方面因素，高压厂用电部分采用双100 M以太网，低压厂用电部分采用总线形式。采用此方案的优点如下。

(1)将厂用电源负荷的监控功能全部由ECMS实现，DCS可不设ECS控制器及其I/O卡件，节省了DCS的费用，同时节省了大量电缆。

(2)ECMS与DCS系统相互独立，功能清晰，电源负荷归ECMS监控，工艺负荷由DCS控制。

(3)高压厂用电采用双100 M以太网，与采用其他通讯方式相比，大大提高了信息及波形上送、指令下发的速度。

(4)ECMS系统实现了监测、控制、统计、远方整定、事故分析、管理等功能，并逐步向更完善的功能发展。

2.2 工程实例

首钢京唐钢铁联合有限责任公司自备电厂2×300 MW机组ECMS系统采用上述提到的新型方案。该系统监控软件及所有保护装置均为南京南瑞继保电气有限公司产品，系统的监控范围包括以下设备:发变组保护、起备变保护装置、发电机自动同期装置、发电机励磁系统、6 kV厂用微机综合保护测控装置、6 kV厂用电源切换装置、380 V PC及MCC段综合保护测控装置、机组智能仪表屏、机组故障录波装置、事故柴油发电机智能控制模块、直流系统、UPS、起备变有载调压装置等。系统包括高压厂用电保护装置111台，低压厂用电保护装置351台，通讯管理单元15台，交换机26台。装置分成三部分，分别代表#1机组设备、#2机组设备及公用设备，分别组网。

设置此系统的目的是实现对全厂厂用电系统的监测、管理，以及对高低压厂用电源、厂变等设备的监测、控制和管理功能，ECMS系统在主控室设置操作员站。ECMS与DCS系统没有信息交换，DCS各工艺系统中的电机运行、报警等开关量及模拟量均采用硬接线连接。ECMS系统中所有装置的闭锁逻辑在站控层实现。

该系统自2009年6月投运以来，运行效果良好，2009年10月，由设计院组织，用户、生产厂商及现场调试安装单位多方在现场对系统快速及准确性等指标做了测试。

2.2.1 遥信上传试验

遥信上传时间试验以公用厂用电某设备进行测试，主要测试公用设备的信息上送多个监控系统时的信息上送时间及可靠性。

试验数据显示，从间隔层设备发生遥信变位至监控系统 HMI收到此信息，最短时间为26 ms，最长时间为289 ms。试验结果表明，此系统具有较快的信息响应速度。

表1 遥信上传时间试验数据Tab.1 Test data of DI communication time

2.2.2 遥控试验

遥控试验主要是验证从操作员站对某一断路器发出遥控指令至操作员站收到该断路器的变位信号为止的时间，由于系统中间隔层部分采用两种通讯结构，以太网及RS485总线，因此遥控试验分别进行。

表2是高压厂用电综合保护测控装置采用以太网通讯的试验数据，表3是低压厂用电综合保护测控装置采用RS485总线形式下的试验数据，该通讯管理机所接装置为36台，共分为9条RS485总线，每条总线接4台装置，波特率为9 600 bps。由于站控层进行遥控的时间只能精确到秒级，因此测试结果显示的“用时”为该次试验的最大可能用时，实际有可能比该时间短。

表2 以太网遥控试验数据Tab.2 Test data of Ethernet remote control

虽然遥控时间只能精确到s，影响了统计精度，但从上面的数据仍可以看出，高压厂用电部分的遥控速度较快，遥控发出至信号返回时间小于1.25 s，从现场体验来看，运行人员刚发出遥控指令，画面上即可看到断路器变位信号，几乎没有等待时间。对于低压厂用电部分，虽然采用RS485，通讯波特率也较低，但仍然取得了较好的测试效果，遥控发出至信号返回时间小于1.77 s，时间明显小于其他一些电厂的采用通讯+硬接线方式的统计情况，如贵州黔西电厂，DCS发出指令至状态返回时间达6 s，江西丰城二期、襄樊电厂二期等DCS发出指令至状态返回时间 ＜3.5 s[4]。

表3 RS485总线遥控试验数据Tab.3 Test data of RS485 remote control

从上述试验结果分析可知，采用RS485总线，只要选取合适的规约，以及合理分配总线上的装置数量，仍可以达到较好的效果，如果通讯管理单元与间隔层装置不属于同一厂商的产品，则有可能达不到此次试验的指标;采用现场总线方式，速度优于RS485串口通讯方式，其中速度最快的为Profibus-DP，也可以达到比较好的通讯效果，但是成本较高，因此需要用户进行综合考虑予以取舍。

2.2.3 故障信息上传及网络负荷率试验

为了验证当大量数据上传时监控系统的网络性能，现场采用了高压厂用电一段母线失压，该段所有电动机保护共11台装置低电压保护动作的方式，考察此时站控层上位机画面是否所有SOE显示正确、完整，故障波形是否能快速、完整的上送，以及故障信息传送过程中网络的负荷率等情况。

试验时监控系统上位机为单机，即只有一台工程师站，这种情况下没有主备机双机数据同步的报文，通过网络监视工具得到的网络负荷率为正常情况下0.3%，保护动作后的大约80 s时间，网络负荷率为0.5%，在此时间过后，察看监控系统记录的各装置波形，均完整正确显示，且各遥信变位、SOE显示正确。

2.2.4 经济性比较

采用此新型的ECMS系统后，据设计院统计，本工程节省电缆300～400 km，DCS中的信息点减少1 000多点，节省了相应的控制器及I/O卡件，因此，总体成本有了较大的降低。

3 结语

采用新型的独立于DCS的ECMS系统结构，与现存的其他方式相比，可以提高电厂厂用电气部分的自动化水平，便于更好地监控、管理，缩小了DCS系统的规模，节约电厂的投资，此外电厂的热工和电气检修人员的职责更加明确，便于日常的检修维护。随着这种优势逐步被用户认可，新型结构的具有控制功能的ECMS系统会得到越来越多的应用。

[1] 闫天军，郭伟，赵春树(Yan Tianjun，Guo Wei，Zhao Chunshu).火电厂电气监控系统接入DCS方式的分析(Analysis on connecting mode of electric control system into distributed control system in thermal power plant)[J].电力系统自动化(Automation of E-lectric Power Systems)，2006，30(11):86-89.

[2] 钱可弭(Qian Kemi).新型发电厂电气监控系统的架构与实现(A new structure of electric control system and its implementation)[J].广东电力(Guangdong E-lectric Power)，2005，18(3):21-25，42.

[3] 华东电力设计院(East China Electric Power Design Institute).火力发电厂电气系统应用现场总线控制技术专题总结(Summary of field bus control technology used in power plant electric system)[C]∥电力顾问集团关于现场总线在火力发电厂电气控制系统中应用研讨会(Proseminar of Application of Field bus in Power Plant Electric Control System Organized by CPECC)，北京(Beijing):2007.

[4] 中南电力设计院(Central Southern China Electric Power Design Institute).火力发电厂厂用电气系统监控设计应用(Design and application of electric supervisory and control system in power plant)[C]∥电力顾问集团关于现场总线在火力发电厂电气控制系统中应用研讨会(Proseminar of Application of Field bus in power plant electric control system organized by CPECC)，北京(Beijing):2007.

[5] 李建林，张仲超(Li Jianlin，Zhang hongchao).CANBUS总线简介及其在电力系统中的应用(The brief introduction of CANBUS and application in electric power system)[J].电力系统及其自动化学报(Proceedings of the CSU-EPSA)，2002 ，14(5):69-72.