火力发电厂电气控制系统中现场总线技术的应用

贺　斌　周　康

（中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司）

火力发电厂电气控制系统中现场总线技术的应用

贺斌周康

（中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司）

近年来，自动化技术在火力发电厂管理中得到了广泛的应用，这极大地推动了我国火力发电厂管理和控制一体化的发展。其中，现场总线技术功不可没。 本文分析了现场总线技术的特点和优势，以及其在火力发电厂中应用的情况。

现场总线技术；电气控制系统；火力发电厂

0　引言

随着我国火力发电厂的迅猛发展，国内的电厂建设逐渐形成了一定的规模。电厂的自动化水平也蒸蒸日上,推动了电厂在生产运行和管理上寻求更大的突破。许多大型火力发电厂为对电厂进行完善的信息化管理，纷纷建立起全面的智能信息系统。一般来说，各大电厂的智能管理信息系统由许多个子系统组成，各个子系统直接对自身系统中的设备运行情况进行直接监控，并对设备进行事前预警。此外，一旦设备出现故障或非正常运作情况，系统便能及时地作出分析，为排除故障提供实时和非实时的现场信息,方便工作人员作出正确判断与决策，提高电厂管理的工作效率。现场总线技术的应用，有利于电厂设备智能化，使信息实现互通，从而达到对电厂进行一体化管理控制。

1　现场总线技术的特点及优势

与传统的控制系统相比，现场总线控制系统具有极强的优越性，这些优势主要表现为三个方面，分别是系统的网络结构开放性强、系统具有彻底的分散性，以及系统的投资成本低。

1.1现场总线控制系统的开放性强

现场总线控制系统是一种以分布式结构为框架的体系，它在现场分散布置了许多控制器节点, 通过节点布置，使智能现场设备进入监控范围，形成各式各样的网络拓扑结构，从而分担主机的监控工作，提高了管理的效率，延长了主机的使用寿命。

与目前国内的大多数火力发电厂采用的控制结构不同的是，现场总线系统的开放性极强。前者大多是采用封闭式的网络结构对单元机组进行控制，形成分散的控制系统 这种分散式的系统具有一个较大的局限性，即无法同时使用不同厂家生产的智能设备，而后者则不然。后者采用开放性分层分布网络结构的现场总线系统, 由于开放性强，几乎不对厂商设限，这扩大了电厂设备采购的可选性。同时，系统还能兼容各种形式的通信介质。电厂在实际操作中，可选用双绞线、同轴电缆或光纤电缆等多种介质进行信息传输。

1.2系统的分散性

由于现场总线系统中，控制器节点散点分布，这使得一个复杂的大系统被分割成许多简单的小系统，使电厂管理工作化繁为简，降低了劳动难度。也就是说，系统的分散性，使系统的灵活性大幅提高，工作人员可根据现场需要，重组或扩建系统。

1.3系统的投资成本少

也许不少人认为，现场总线系统的造价如此之高，成本怎么可能会低。然而，笔者认为，造价并不是衡量成本高低的唯一标准。一套控制系统的总体成本,不仅包含了生产时的投入，更应该将系统试用、使用及维护产生的费用纳入成本计算在内。由于传统DCS系统封闭性强，开发周期长，系统的开发成本较高，而开放的现场总线系统则不同，OEM技术的引进使系统的开发周期极大程度地缩短，减少了开发资金的投入。并且，由于现场总线系统改变了原有的传输方式，使一对一的模拟信号传输方式通过分布式结构，扩展为一对多的数字信号传输，这极大地节省了布线的安装成本和后期维护的费用。此外，在电厂中引进现场总线技术，可使现场设备调试、校验等工作通过系统来实现，减少维修人员的数量和工作量, 减少劳动成本。由此可见，从整个生产及使用周期的投入来看，现场总线控制系统的成本远远低于其他控制系统。

2　火力发电厂两种电气控制系统

2.1ECMS与EFCS系统

目前，国内火力发电厂主要采取两种电气控制系统，一是ECMS系统，即电气控制管理系统。二是EFCS系统，即电气现场总线控制系统。这两种控制系统无论是从工作原理还是信息采集上都大相径庭。

ECMS系统是由中国电力工程顾问集团提出的，有两种实现电气控制的方案，都是以现场总线技术为基础进行设计的。ECMS系统两种实现方案都有一个弊端，就是不与DCS系统通信，这样一来，DCS系统仍需采用I/O硬接线进入，使得现场总线不能得到充分利用，在硬接线的投资上也造成了浪费。第一种方案首先是电气设备由机组DCS系统进行控制，并对其进行监视管理，如发电厂的发电机—变压器组、电源等，其次是电动机，由DCS系统控制，在发电厂机组控制中心配置ECMS系统操作站，配备相应的操作人员，负责采用ECMS系统监测和管理电动机。第二种方案与第一种有所不同，其发电厂的电气设备和电动机等都是由DCS系统控制，需要用I/O硬接线进行系统，而电气设备和电动机的监视管理都由ECMS系统来实现。两种方案的最大的缺点就是DCS系统与ECMS系统不能连接通信，从而在资源配置上造成浪费。

EFCS系统较ECMS系统有很大的改进。首先从与DCS系统的网络互联上，EFCS系统能够与DCS系统连接通信，有效地避免ECMS系统的弊端，充分共享了信息，减少硬接线的使用，不仅降低了投资费用，如电缆、设备维护等费用，还避免了重复采集信息，使系统操作更为简单便捷。在该系统中，有两种监控方式进入DCS系统，一是“全通信”，主要用于小型电动机，二是“通信+硬接线”，主要用于大型电动机即电气设备，其中，大型电动机包括高压电动机和100kW以上的低压电动机。虽然在监控方式上有别于传统的硬接线方式，但却不尽相同，值班员很快能够习惯操作运行。在此系统上，还能进行进一步的改进，在DCS系统进行电气控制的同时，可以建立集监视、报警、电能管理、统计功能的独立监控系统，不仅能够减少系统运行维护人员，降低投资，还能独立完成各项功能。随着科技的进步，现场总线技术标准化、统一化要求也在不断完善，各种电气设备日渐发展成熟，能够为通信提供多种多样的接口，在未来的发展趋势中，将全面取消硬接线监控方式，采用“全通信”监控方式进入机组DCS系统。

2.2EFCS系统配置方案

下面主要从网络结构和数据采集两方面对现场总线控制系统配置方案进行分析。首先，从其网络结构上看，现场总线控制系统结构为两层网三层设备，其中两层网指的是以太网和总线网，以太网是指监控主层与其他所有的通信子站层连接的，总线网是指通信子站层与间隔层连接的，三层设备指的是监控主层、通信子站层、间隔层。该结构属于开放性的分层分布结构，不仅实现系统功能分层的作用，还使设备在分布上比较分散。其次，从数据采集上看，有两种方式，一是硬线连接，通过硬线连接将信号传入DCS系统，主要是用于一些控制量信号的采集上；二是通信，以通信方式将信号传入DCS系统，主要用于监测信号的采集，其中，需要专门的监控装置和现场总线控制系统才能实现以通信方式进行的数据采集。

3　现场总线技术的应用效果及注意事项

对于普通规格的DCS系统而言，由于规模有限，系统无法引入太大的电气I/O数量。而采用现场总线技术后，ECMS系统的信息容量得到了大幅提升。这使得原本不能进入系统监测的一些设备，例如一些主要的就地电气智能装置，均能实现系统监控，从而使更多的现场信息可以通过系统反馈给运行和管理的相关工作人员。除此之外，现场总线通信方式利用现场总线将电气遥测以及测量、状态、保护等遥信信号传入DCS系统，而自身只对控制命令和开关位置的状态进行记录。另外，充分利用就地智能装置对一些模拟量进行采样并通过数字通信传入DCS系统，比如电气设备的电流、电压、功率等信号采集，相比于传统的采集方式而言，就地信号采样传入DCS系统只需要一根专用通信电缆就可实现，不仅能够节约硬接线投入的成本，而且ECMS系统运行人员在集中控制室就能随时监测到就地智能电气装置的运行情况并对其设备进行诊断和维护，同时，系统还能够对设备事故进行记录和追忆，ECMS系统能够通过查询选择合理的方式对设备进行运行维护，更加便捷准确的向运行人员提供信息，帮助工作人员更快更高效的处理事故现场。

在现场总线控制系统中，由于涉及的电气设备种类繁多且数量巨大，而市场上的电气自动化产品可使用的标准众多，良莠不齐。因此，笔者建议，电厂在开发初期，应尽可能地选择一家各方面综合实力较强的集成供应商，使各设备之间的协调足以充分发挥现场总线控制系统自动化的优势。

而在使用现场总线技术时，应结合其系统的特点进行设计。笔者认为，低于三层的网络更匹配现场总线控制系统对网络结构的要求。另外，现场总线的长短决定了通信速率的快慢，总线长度越长，信息传输的速度越慢，因此，在布置节点时，应使支路节点的数量保持在一定的范围内，使总线敷设距离竟可能缩短，以保证通信顺畅；同时，还应该避开信号干扰源，例如高压动力电缆等。此外，系统在安装调试时，应严格按照正确的方案进行安装，以确保系统的正常运行 。

4　结束语

在火力发电厂电气控制系统中，采用分布分层结构的现场总线控制系统采集信息，不仅能及时排除系统故障，使系统稳定运行，还可以降低电厂的成本投入，有良好的经济效益。随着科学技术的更新与发展，现场总线技术必然会日趋完善，并为我国电力事业的发展做出更大的贡献。

（2016-02-19）