发电厂电气监控系统的发展和探讨

赵艳 柯慧 高敏

【摘 要】 发电厂主要分为电厂厂区内和升压站部分，整个电厂的电气监控系统ECS（ElectricControlSystem）由厂区内各辅助车间程控、主厂房控制系统和升压站微机网络监控系统NCS（NetworkControlSystem）组成。本文主要讨论了整个发电厂电气监控系统ECS的控制方式以及现阶段和将来的发展趋势。

【关键词】 发电厂  电气监控系统  探讨

随着全球数字化信息技术的发展，火电厂在自动化技术也取得了飞速发展，在电力运营市 场化的环境下，通过采用自动化更高的的技术和产品来实现生产过程自动化和管理现代化成为火电厂生存和发展的必经之路。目前国内新建的火力发电厂一般都配备了集散控制系统DCS、厂级监控信息系统SIS、厂级管理信息系统MIS和输煤、化水等辅助控制系统。火电厂电气监控系统ECS正是在这种背景产生的，通过接DCS，从而为实现火电厂机炉电一体化运行监控提供解决方案，本文从应用角度出发，分析了国内ECS的产生、发展和ECS接入DCS的不同模式在实际应用中存在的问题，展望了ECS实现全通信的最终目标。

1 电气监控系统的发展

第一阶段是一对一的控制方式，即设置发电机厂用电控制屏，通过测量仪表、光字牌和指示灯进行检测，控制开关采用一对一的强电控制方式，也是发电厂设计原始的控制系统，这种方案的控制系统简洁明了，但是自动化程度很低，无法采集大量的实时数据对运行设备进行监控和分析。这种方式基本已经在现今的电厂中淘汰了。

第二阶段是ECS通过DCS进行监控（设专用的电气DPU），经I/O卡件（AI、DI、SOE、DO）实现对发电厂、主变压器和厂用电参数的监控。电气部分的特殊控制功能，例如继电保护、励磁、同期、电源切换、故障录波器等由独立的电气自动装置完成，其信号都送入DCS监控，该模式的构架如图1所示。

电气设备与DCS的关系，只是采用I/O卡件进行输入/输出来完成监控。DCS需要的所有测点都是由DCS中I/O的卡件来完成，这些卡件只完成最基本的采集功能。I/O部分与电气回路采用电缆连接，模拟量的采集需要由变送器来完成。

这样的控制方式DCS与电气保护装置没有什么关系;DCS的I/O卡件要用大量的二次控制电缆、计算机电缆和变送器来实现电气量的采集和控制，成本比较的大，而且不能通过通信来获得大量的电气设备信号。但是在传统的DCS热工自动化的基础上纳入了对电气部分的监控。

这种方式的优点是：电气量的I/O模件柜布局集中布置，方便管理;硬接线方式信号传输中转环节少，对信号的反应快速可靠，连接电缆正确后，发生故障的几率低，维护量小。虽然一次性投资高，但目前大部分电厂、设计院仍认为硬接线是ECS接入DCS的最快速可靠的方式。因此，在通信方式逐步扩大推广应用的环境下，目前对可靠性、实时性要求很高的电气控制仍然保留了硬接线的方式。但硬接线在实际实施和运行过程中也存在一些问题，例如：

（1）DCS需要配置大量的变送器、10卡，机柜和连接电缆，施工复杂，成本高。（2）接入DCS的信息量有限，系统扩展性差。（3）厂用电需配置单独的电度表，但又不能实现自动抄表。（4）无法完成事故追忆、定值管理、操作票等复杂的电气维护和管理工作。（5）客观上造成硬件资源的重复配置。

鉴于硬件接入方式的上述不足，采用通信方式替代硬接线方式是很有必要的。近年来，以工业以太网为代表的网络通讯技术在电力自动化领域得到广泛应用并日趋成熟稳定，为火电厂电气系统接入DCS系统提供了成熟的运行经验和技术保障。为了提高火电厂的自动化水平，一些电气设备厂家陆续推出基于网络通讯的电力监控系统，火电厂ECS接入DCS的方式也变为“硬接线+通信”的方式，目前，以通信方式部分取代硬接线已经得到了国内大部分电厂用户和设计院的认可。

第三阶段是“硬接线+通信”的方式，“硬接线+通信”方式的ECS一般采用分布式分层体系结构，一般分为站控层、通信层和间隔层三层，系统网络结构如图2。站控层一般采用c/s的分布结构，由服务器、工作站和通讯网关等组成，形成电气监控系统。目前虽然电气系统大量信息通过通信接入DCS，但主要是用于监控功能，DCS并没有开发争对电气的高级应用软件。通过ECS相对独立的实现对电气系统的监控，不仅提供了DCS的后备控制手段，还能实现诸如保护定值管理、录波分析等复杂的电气维护操作，为电气系统的维护、运行提供专业的管理平台，这也是ECS的核心价值之一。

通信层一般以通信管理机为核心，对信息起到分组与上传下达的作用，通过以太网接入站控层的实时主干网，厂用电综保装置通过RS485或者现场总线接入通信管理机，对于第三方智能电器设备，一般通过通信管理机实现通信接口和规约转换，从而实现完整的电气系统联网，同时通信管理机可经过串行接口与DCS的分布式处理单元DPU相连，进行信息交换。目前ECS与DCS的通信可通过站控层的通信网关与通信层的通信管理机两种方式实现，通信网关一般采用100M以太网，通信量大，但需DCS开发专门的软件模块，受DCS的开放性限制大，通信管理机与DPU之间一般采用RS485接口、modbus通信协议，简单易行，因而得到了广泛应用。间隔层包括分散安装的厂用电综保装置，如电动机保护装置、变压器保护装置、发电机保护装置等，完成对电气系统现场信息的采集、保护、控制和数据通讯的功能。

“硬接线+通信”的方式使得ECS第一次把网络化的应用引入到火电厂电气系统，也使DCS中电气信息的接入模式发生了根本改变，电压、电流、功率和各种保护动作信号等大量电气信息通过通信传入I）CS，与控制相关的开关量输入输出还保留硬接线。这种方式为火电厂的电气运行和维护提供了新的平台，其与完全的硬接线方式相比具备下述优点：

（1）接入DCS的电气信息更加全面，系统扩展性高。（2）DCS取消了大量的变送器、机柜和连接电缆，成本降低。（3）通过电气系统后台可实现事故追忆、保护定值管理、录波分析等复杂的电气维护工作，极大的提高了电气系统的整体自动化水平。

近几年来，在新建的容量在300MW以上的火电机组，电气系统都实现了不同程度的联网，并通过通信接口向DCS传送相关电气信息，在提高电气自动化水平方面，给用户带来了确确实实的好处，但ECS在实施的过程中也存在一些问题：

（1）对DCS厂家来说，取消了大量相关硬件，市场利益受到冲击，还需对通信接入投入精力，难免会不积极甚至抵触。（2）目前国内大多数的DCS的相关设备均是进口，而进口DCS设备的通信开放性势必会受到很大限制，对于DCS的通信信息、通信周期以及数据包长度等都会有限制。（3）与硬接线方式相比，信息中转环节多，在可靠性与实时性方面会差一些。（4）ECS节点多，分散性强，由于不同厂家的解决方案良莠不齐，网络通信中断，信息刷新慢的问题会偶尔出现，给系统的维护带来工作量，并影响客户的使用信心。

第四阶段对全通信ECS通信的展望，ECS系统从产生到现在的广泛应用，始终以提高电气自动化水平，实现ECS与DCS的无缝连接为目标，目前的通信信息基本上还是以监测为主，不控制，离用户真正期待的全通信还有一定的差距。目前一些国内ECS厂家和电厂一起在全通信方面进行了有益的探索，积累了一定经验。对于目前投入工程应用的全通信方式，系统网络结构如图3所示。在这种方式下，通信管理机按照电厂的工艺配置需求，参与工艺联锁控制的通信管理机和相应的DPU一对一进行通信，由于每个工艺过程的综保装置数量较少，因而通信实时性较高，完全可以满足电厂工艺联锁控制的要求，对于不参与工艺联锁的电气信息，通过ECS站控层的通信网关接入DCS。

通过这种方式，电气系统的控制和联锁全部通过网络通信实现，实时性和硬接线虽然有一定的差距，但都能满足技术要求，在实现全通信的目标过程中，是一种大胆有益的尝试，但这种方式也存在下面一些困难：

（1）在ECS、DCS中，控制都是通过网络实现的，但网络结构一般都不大于三层，并且互联的设备一般为一个厂家的产品和系统，在图3中，控制信息的传输网络为四层，DCS的开放性限制也影响了两个系统之间的连接的紧密型，可靠性和实时性也受到较大制约。

（2）通信管理机因工艺的过程来配置，因数量较多而使投资成本增加。在未来应用中，如果参与工艺联锁的综保装置能够根据DCS和ECS的不同要求，把控制信息和非控制信息分开，分别通过独立的接口接入DPU和ECS的通信管理机，这样接入DCS信息的可靠性和实时性会有很大提高，但通信负荷的增加、控制的切换等对综保装置提出了新的技术要求。

2 结语

大型火力发电厂的自动化控制系统越来越要求机电炉一体化，ECS是必定要和DCS协同控制，全数字化的通信必定是将来厂用电监控系统的未来趋势。只要设备的兼容性、稳定性都到了电厂厂用电监控系统的高要求，那全数字化ECS的实现相信也不会很久远了。这种一体化的控制方案大大丰富了DCS的数据采集信息，节省了大量设备以及电缆的投资，同时，还实现了对电气设备以及保护信息的管理，具备了电厂运行管理上面设备管理、操作票、防误操作、故障信息管理、系统自诊断等丰富的高级应用功能，同时可以直接挂到SIS系统或者已经包含SIS系统的DCS系统中，在很大的程度上都提高了火电厂的自动化水平。相信随着电气以及电机的测控设备的不断进步，接口和数字化的不断发展，机电炉一体化的电厂新时代很快就要到来。

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作者简介：赵艳（1981—），女，四川蓬溪人，中机国能电力工程有限公司，2004年毕业于长沙理工大学，工程师，长期从事火力发电厂设计研究

工作。