大型炼油项目电气SCADA系统的应用

王宗景

(中国石化工程建设公司,北京 100101)

0 引 言

随着电力自动化技术的发展,目前电力监控技术已经广泛应用于各级电压等级的供配电自动监测,实现“四遥”(遥信、遥测、遥控、遥调)功能,极大地减轻了电力调度和电气操作值班人员的劳动强度,提高了电力监控的运行水平。近些年来,电气SCADA系统已经在国内炼油化工行业有了广泛的应用,几乎国内所有炼化企业的新建或改造项目中,供电系统都配套相应的SCADA系统,大大提高了供电系统在监控、操作上的自动化水平,提升了运行人员的工作效率、准确性和安全性。尤其,从2002年开始接连兴建了若干个千万吨级的炼油企业,在这些百亿元以上的投资项目中,一次性为其配套全厂电气SCADA系统成为了必然。这样做的好处有以下几个方面。

a)可以大幅提高全厂供电系统在监控、操作上的自动化水平,满足了现代炼油企业所要求的工业先进性。

b)一次性新上全部的厂内电气 SCADA系统,使全厂SCADA系统的软、硬件能够统一设计、采购、施工、调试,尽量避免接口和兼容性问题,保证了系统的稳定性。

c)长期来看,有利于提高操作人员的工作效率、降低工作失误率、减少定员、提高企业效益。

因此,目前电气SCADA系统已成为炼油企业供电系统工程设计的必然选择。

1 系统应用

该文以青岛10 Mt/a大炼油项目为例,介绍电气SCADA系统的应用。

1.1 电气主接线简介

电气SCADA系统的构成是与全厂供电系统的结构息息相关的,青岛炼化属大型炼化企业,厂内设一座110 kV总变电所、3座35 kV区域变电所和23座6 kV变电所。35 kV区域变电所和6 kV变电所内的各电压等级均采用单母线分段的供电形式,每个35 kV区域变电所的电源均引自110 kV总变电所,6 kV变电所的电源均引自所在区域的35 kV区域变电所。即35 kV区域变电所为6 kV变电所提供电源,6 kV变电所分别位于各生产装置或公用工程单元内,直接为相应用电设备供电。厂内的电气SCADA系统因三个不同区域的35 kV区域变电所分为独立的三套SCADA系统和一套电气监控中心的调度系统,这里以其中一套系统,即35 kV区域变电所(一)SS-1162及其下属6 kV变电所为例,对 SCADA系统的应用进行介绍。

1.2 拓扑结构简介

每个35 kV区域变电所内设置一个分站,每个6 kV变电所内设置一个子站。分站与子站的硬件配置不同,但均要实现对站内所有必要的电气设备的监控。分站及重要的子站均采用双站控单元双网络配置,其他非重要子站采用单通信管理机配置。分站采用“双机四显”配置,重要的子站采用“双机双显”配置,其他非重要子站依据空间布局决定是否采用后台机。分站与子站之间均采用冗余回路的光缆进行通信。该厂的一号35 kV区域变电所的SCADA拓扑结构如图1所示,其下属6 kV变电所的典型电气SCADA拓扑结构如图2所示。

图1 35 kV区域变电所SS-1162的电气SCADA拓扑结构

图2 6 kV变电所的典型电气SCADA拓扑结构

系统采用了成熟先进的分层分布、开放式结构设计,按间隔划分、单元化设计、分布式处理。系统按功能分为控制室内的站控层和开关室内的间隔层。控制层为全站设备监视、测量、控制、管理中心,并与远方进行数据通信。系统的信息数据上行流向是一次、二次设备—综保装置—6 kV子站SCADA系统—35 kV区域SCADA系统;控制命令下行流向是全厂电气监控中心—35 kV区域SCADA系统—6 kV子站SCADA系统—综保装置—综保装置执行控制命令完成对一次设备的操作。

间隔层采用集测量、控制、保护及通信“四合一”的分散式测控保护单元,负责采集各种实时信息、监测、保护及控制一次设备的运行,自动协调就地操作与站控层的操作要求,保证设备安全运行,在站控层及网络失效的情况下,间隔层能独立完成监测、控制和保护功能。遵循尽可能分散就地处理的原则,10/6 kV系统的测控及保护单元分散布置在各开关柜上。

站控层与间隔层的通信以串口通信为主,站控层是以太网的计算机监控系统。分站站控层主干网为双以太网结构,子站站控层主干网为单以太网结构。

总站与分站间采用双缆双通道、分站与子站的通信采用单缆双通道,长距离传输采用光缆。

1.3 主要技术特点

a)无人值班设计。该SCADA系统的分站及子站均为无人值班站,断路器正常投、切均由监控系统或就地操作。该系统可通过计算机和人机接口系统及时地向值班人员提供详细的信息,为变配电所的安全、可靠、经济运行提供了强有力的保证。

b)可靠性高。微机监控系统集保护、控制、监测、通信为一体,软硬件的配置都采用了当前主流产品。监控系统需具备20%的扩充余量,重要环节采用了冗余设置,数据采集实现双机并联独立通道。软、硬件结构采用模块化设计,方便运行维护和扩展。各部件有自恢复功能和断电保护措施,出现死锁和断电时不丢失内存中已有累计数据和重要的生成数据。出现故障元件时,能发出报警,并将有故障部分隔离使其他部分能正常工作。

c)强大接口能力。系统的结构采用开放式分布式结构,网络的接口符合国际标准和工业标准。通信 规 约 支 持 Modbus,Spabus,Profibus, IEC60870-5-103,IEC60870-5-102,IEC60870-5-101, IEC60870-5-104等常用规约,完全满足了与站内各类智能设备或系统的通信。系统还为变配电室与上级变电站和全厂电气监控中心的遥信、遥测预留相应的通信接口。

d)友好人机界面。该系统具备友好的人机界面、简便实用的专家管理系统及操作指南,具备了智能模拟操作及防误闭锁功能。

1.4 主要功能

a)保护信息。传送事件报告,包括跳闸时间(响应时间1 ms)、跳闸元件、测距、故障波形,掉电信息能保留;传送自检报告,包括内部自检和输入信号、控制电源和控制回路的检查;修改时钟及对时;接受投、退保护命令;实时显示保护装置工作状态。

b)自动控制。传送事件报告,包括跳、合闸时间(响应时间1ms),跳、合闸元件,掉电信息的保留;传送自检报告,包括内部自检和输入信号、控制电源和控制回路的检查;修改时钟及对时;接受投、退自动装置命令;实时显示保护装置工作状态。

c)数据采集。完成各种所需的开关量和模拟量的采集(交流直接采样)。

d)数据处理。重要参数越限监视和处理;对母线电压、直流电压越限;变压器及电动机过负荷等监视;数据统计和处理;对测量值日、月最大值、最小值和实时值的统计;电量统计;开关正常和事故分合闸统计。

e)事件记录。对开关变位、保护及自动装置动作(事故和预告信号事件)进行事件前、后的记录(响应时间1 ms)。

f)控制与操作闭锁。遥控对象:6 kV,10 kV, 35 kV进线及母线分段断路器合、分闸;自动装置远方投、退和操作。

g)人机界面。监控主机(上位机)能接收所有状态量、测量值、电度量、继电保护工况和动作信息等,并对其进行分类、存储、显示、打印、报警,同时根据各种级别密码实现不同权限的远方或站内控制、参数设置和遥调等。

h)自诊断功能。所有数据采集、控制、保护等主要元件模块故障时,能自动诊断出故障部位,报警和闭锁故障元件,保证其他部分正常工作,并将故障内容及发生时间登录在事件一览表中。该系统具有失电保护、通电自检、自复位至原来运行状态的能力。

2 应用结果和未来发展

投运一年多来,该SCADA系统对全厂电气的连续稳定运行起到了关键性的作用,系统运行可靠、实时性强、防误操作功能强,用户界面友好,易学易用,能够满足供配电系统对数据采集、实时监控、防误操作的需要。该系统的应用获得了业主的一致好评。同时一次投资也为业主节约了综合投资成本,大大提高了自动化水平,减轻了工作人员的劳动强度,提高了工作效率,也充分保证了生产的安全性,为企业电力操作安全管理提供了低成本高可靠性的手段。

同时,也应看到由于国内各厂商的水平参差不齐,有些产品还存在许多需要改进的地方,目前国际上一些先进技术还需跟踪研究。未来的电气SCADA产品还需要在以下几个方面得到提高。

a)应具有更良好的人机界面。电气SCADA产品面对的几乎都不是专业计算机用户,因此需要提供易学、易懂、易于操作的用户界面,用户不需要很强的计算机专业知识即可使用和维护系统。

b)应具有更良好的可移植性。SCADA产品应独立于硬件平台,只要新的硬件平台支持系统软件的运行,SCADA系统不需要做修改,就能在新的平台上运行。

c)应具有更良好的通用性。SCADA系统需要大量推广,而各用户又有不同的要求,因此结构灵活多变,具有很好的适应性,能满足用户的多种要求,SCADA系统应提供一系列的实用工具,由用户使用这些工具来构筑系统。

d)应具有更良好的实用性。SCADA系统是一个实时监控系统,首先能保证系统功能的稳定、准确,实时响应符合电网调度自动化系统实用化的要求,在这个根本性的基础上,最好根据用户的具体要求,提供各种可能的功能扩充。

e)应具有更良好的开放性。向用户提供不同层次的接口,用户通过这些接口可以参与系统功能的二次开发,满足不同用户的不同要求。

f)应将五防系统(防止带负荷分、合隔离开关;防止误分、误合断路器、负荷开关、接触器;防止接地开关处于闭合位置时关合断路器、负荷开关;防止在带电时误合接地开关;防止误入带电室。)嵌入监控系统。基于引入的操作规则和实时信息,系统能有效地防止操作中各种误操作项的出现,保证操作的正确性。

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