浅议数字化电厂下的电气监控系统发展

张伦

摘 要：通过电气监控系统发展历史回顾，电气监控系统在目前电厂控制系统中存在的不足分析，提出数字化电厂下电气监控系统方案及能实现的功能。

关键词：电气监控；数字化；功能

1 数字化电厂

中国经济已步入全球化竞争时代，电力作为一种基础性的商品，其价格不仅决定每个老百姓的生活成本，同时也决定着各行各业的生产成本，决定着中国企业的全球竞争力。德国尼德豪森电厂2台1000MW机组集控室仅1人操作，全厂总人数也仅100多人；而我国普遍2台1000MW机组集控室一般要有100多人操作，全厂所有人员加起来一般在650人左右。我国电厂的平均煤耗、水耗、厂用电率、污染物排放水平等指标均高于国外先进电厂，人均产值大大低于国外先进电厂。随着中国这几年煤价水平居高不下，绝大多数电厂面临亏损，迫使我们电厂要降低煤耗、减少用人、努力提高经济效益。我国电力市场的改革厂网分家目标已实现，下一步改革目标必将是：市场化运作的竞价上网，能耗低、污染物排放少、经营水平好的企业将获得长足发展；相反的企业可能面临生存危机。

数字化电厂是在现代的计算机、网络、通讯、仿真等技术的基础上，将电厂的所有信息数字化，用DCS系统实现全厂机、炉、电、辅助、仿真控制一体化，利用SIS系统的功能，不断优化电厂的运行调整。利用MIS及其它办公、财务、采购等系统，不断降低成本。数字化电厂能够提高自动化水平、减少人员使用、降低能耗、降低污染物排放水平、提高经济效益的目标。最终实现：企业运营成本最优、能耗水平最低、污染物排放最低、人均产值最高的追求。数字化电厂能提高电厂的竞争力，能防止重大设备损坏及不必要的非计划停机，会给电厂带来良好的经济效益。因此，必需建立数字化电厂，才能迎接未来的竞争，使企业经济与社会效益最大化，才能利于不败之地。

2 发电厂电气监控系统的发展

2.1 电磁监控时代

采用一对一断路器操作把手对断路器操作，利用电流、电压表及信号灯来监视，利用光子牌、信号继电器来报警，利用电磁式保护装置进行保护。缺点：设备体积大、数据需要人工记录、故障等信息不能重现、数据不能在全厂综合利用。

2.2 微机监控时代

采用微机保护、测控柜、五防、微机故障录波器、电能量采集系统等装置，利用NCS、ECMS、DCS系统进行远方监控操作，利用微机保护上传保护信息，利用故障录波器实现故障再现，利用电能量采集系统进行全厂电量分析。缺点：实现了微机化，但因全厂各种控制系统通讯规约不一致，造成数据之间转换较复杂易出故障，电气数据应用与全厂性能分析还要人工计算等，同时电流、电压互感器为电磁式存在磁路饱和、开路、短路等现象。

2.3 数字化电气监控时代

将电流、电压互感器由电磁式换为光电式，通过光缆将电流、电压等信号引入保护装置，通过统一的IEC61850规约，进行数据信号的传输。优点：避免了电磁式电流、电压互感器的磁路饱和、开路、短路等现象，保护装置体积小节省空间，信息传送方便快捷。缺点：除厂用光电式电流、电压互感器外，其它高电压光电式电流、电压互感器运行性能不稳定。

3 电厂电气监控系统的种类及监控范围

发电厂电气控制系统主要有3大控制系统：NCS、ECMS、DCS系统。

3.1 NCS（变电站网络监控系统）

主要监控的一次设备有：变电站断路器、隔离刀闸、变压器、电抗器、架空线（电缆）等。

主要监控的二次设备有：线路保护、母线保护、短引线保护、变压器保护、测控装置、故障录波器、稳控、PMU、电能量采集系统、故障信息子站等。

3.2 ECMS（电气综合自动化系统）（有时也可用DCS控制）

主要监控的一次设备有：发电机、主变、厂高变、起备变。

主要监控的二次设备有：发电组保护、励磁、同期、起备变保护、快切、AGC、AVC。

3.3 DCS监控的电气系统

主要监控的一次设备：厂用高压各段工作电源及备用电源断路器、厂用高压各段工作设备断路器、400V各段工作电源及备用电源断路器、400V各段工作设备断路器等。

主要监控的二次设备：UPS、直流、厂用高压设备综保装置、400V保护等。

4 电气监控系统存在的问题

目前发电厂电气的NCS、ECMS系统均单独组网，信息一般通过通讯规约转换后再送与DCS系统，这样情况下电气系统与DCS时间标签无法做到毫秒级的统一与一致，这样将造成事故分析时的困难。NCS一般操作变电站设备，但起备变断路器、发变组断路器及厂用设备等均在在ECMS或DCS上操作。（有的电厂ECMS一般只采集厂用信息不参与操作）

这样电气的操作及监视在3套不同的系统中完成，造成检修人员要熟悉3套不同的系统、准备不同的备品备件，运行人员要监视3套不同的系统，操作复杂、累，不利于自动化操作，同时3套系统信息要用不同规约转换，易发生故障，不利于电气信息的全厂分析、利用。同时厂用电系统采用独立的第三方监控产品单独组网，实现对厂用电设备及电气保护进行监控和管理。这样，许多智能电气设备，诸如变频器、以及中低压开关柜等内置的诸多的设备管理以及诊断等方面的信息就无法接入到电厂控制系统（DCS）中。

5 数字化电厂下的电气监控系统方案

5.1 变电站及发变组系统

因除厂用光电式电流、電压互感器外，其它高电压光电式电流、电压互感器运行性能不稳定。所以可以将变电站及发电机等电流、电压互感器二次就地使用光电转换装置，然后通过光缆将所有信号送入保护装置，所有保护信号报文送至DCS系统，所有测控装置通过双网送至DCS系统，因DCS系统可以支持IEC61850规约，所以可以实现DCS对变电站及发变组系统所有设备的监视和操作。同时也可利用DCS系统编写五防逻辑实现五防功能，也可编写各种情况下的操作逻辑，实现自动操作功能。

5.2 高压厂用系统

直接使用光电式电流、电压互感器将电流、电压等信号送至保护装置，通过支持IEC61850规约的保护装置将信息送至DCS系统；或采用常规电流、电压互感器将信号送至保护装置，但保护装置一般要支持Profibus-DP功能，通过Profibus-DP将所有信息送至DCS。

5.3 400V系统

所有的智能断路器及电动机保护等装置可以采用带现场总线接口的MCC单元，通常为Profibus-DP，通过Profibus-DP将所有信息送至DCS。对于部分用于重要保护、控制回路的或是无法提供现场总线接口的，还是采用常规硬接线方式。

通过上述功能描述可见，可见具备支持IEC61850规约及现场总线接口的电气控制设备已经完全具备了通过现场总线接入DCS系统的能力，实现了电气信息数字化的接入，实现传统的 DCS 系统和电气控制系统共享统一的平台的目的，使得电气的自动操作、自动统计分析、自动调节功能得以实现。

6 数字化电气系统实现功能

⑴自动倒闸操作功能。+⑵自动调压（AVC）功能。

⑶自动并网功能。（ASS）

⑷自动起、停机操作功能。

⑸自动厂用电切換功能。

⑹自动计算各变压器及辅机电耗率，根据电耗率确定辅机投退顺序，减少电耗功能。

⑺主变等大型变压器采用变频控制，可根据主变温度、负荷、环境温度等因素自动调节冷却风机频率，以达到节能的功能。

⑻全厂照明根据光通量及有无人巡检自动投退功能。

7 结语

电气监控系统以数字化的方式纳入DCS统一控制，将电厂所有的控制信息以数字化为基础，统一在了DCS这个平台上，为更好的实现主辅一体化及ASP功能奠定了基础，可以充分发挥SIS系统功能，通过计算、分析、统计、优化、数据挖掘的手段，实现发电厂生产过程监视、机组性能及经济指标分析、机组运行优化指导、机组负荷优化分配、锅炉吹灰优化、设备故障诊断、降低污染物排放、寿命管理等功能。这样就为高自动化水平、减少人员使用、降低能耗、降低污染物排放水平、提高经济效益的目标打好了基础，最终一定能够实现：企业运营成本最优、能耗水平最低、污染物排放最低、人均产值最高的追求。