厂用电监控系统数据通讯及技术风险分析

高利平

(神华福能发电有限责任公司,福建 泉州 362700)

厂用电监控系统数据通讯及技术风险分析

高利平

(神华福能发电有限责任公司,福建 泉州 362700)

随着电力行业的发展,单台机组容量越来越大,高参数、高电压、高度自动化已成为发展的主流趋势.发电厂厂用电监控系统主要有两个发展方向:其一,完全由分散控制系统(DCS)实现电气设备的控制与监视,厂用电监控系统(ECMS)辅助监视;其二,由ECMS系统实现厂用电中各电源类开关的控制与监视,由DCS系统实现对厂用电中各类电动机的控制与监视.对神福鸿电电气设备的监控方式进行探讨,并对存在风险进行评估,结合当前电力行业发展的主流趋势,提出对发电厂电气设备监控系统发展设想.

ECMS系统;DCS系统;监视;风险评估

随着电力行业的发展,单台机组容量越来越大,高参数、高电压、高度自动化已成为发展的主流趋势.为了更好的实现机、炉、电集中管理,单元机组集控运行成为当今火电厂的主要运行控制方式.

针对发电厂电气系统的控制主要存在两个发展方向:第一种,传统的电气监控的实现方式是由DCS系统设置单独的电气控制器(DPU),经I/O板实现对电气部分的数据采集和远方控制.第二种,厂用电中各电源类开关由ECMS系统通过总线通讯的方式进行远方控制,厂用电中电动机类开关由DCS系统实现控制.

本文主要通过ECMS系统发展以及在我厂的应用,并对该系统存在风险进行评估,结合当前电力行业发展的主流趋势,提出对发电厂电气设备监控系统发展设想.

1 厂用电监控系统(ECMS)的发展历史

20世纪90年代之前,电气控制设备独立运行,无所谓系统.90年代初期,微机继电保护装置的出现,标志着电气二次微机保护时代的来临.此时,电气设备采用常规硬接线接入到DCS控制器,由DCS系统完成电气控制,由于DCS系统所含电气信息量很少,无法满足电气自动化的要求.2002年出现了利用现场总线和网络对电气二次设备进行联网,以通信方式接入DCS系统,减少投资,提高电气运行管理水平,即ECMS系统出现.

发展初期,厂用电监控系统(ECMS)主要是依附于DCS, 将ECMS系统纳入DCS系统一体化控制.主要特点是:硬接线和现场总线通讯相结合,DCS系统通过硬接线控制,所有的厂用电电器开关控制、联锁信号、电流量都通过硬接线送至DCS系统,而厂用电保护装置的模拟量采样、告警信号、开关分合状态均通过通讯线的方式进入ECMS系统,然后ECMS系统转发至DCS系统.

2007年后,ECMS系统实现完整的电气控制,作为现场总线控制系统,电气诊断、预测性维护、分析等应用功能大大增强,实现全分布式电气控制系统. 整个ECMS系统实现了发电机-变压器组、高低压厂用电源等电气设备的监视、控制和管理;ECMS系统实现电动机的监测管理,DCS系统实现电动机的控制.

2 神福鸿电厂用电监控系统(ECMS)建设

神福鸿电ECMS系统为北京四方的CSPA-2000型系统,在组网配置上采用分层、分布、开放式网络系统结构.其中厂用6kV采用具有典型的站控层、智能间隔层两层结构;厂用400V采用具有典型的站控层、通信管理层、智能间隔层三层结构系统.通过数据库服务器、电气操作员、通信管理单元和分散在就地的电气智能装置实现对设备的监测、控制、统计、远方整定、事故分析、管理等功能.

神福鸿电公司ECMS系统对厂用电源部分进行监控,厂用6kV高压电动机通过硬接线接入DCS系统,同时通过通讯方式与ECMS系统通讯.厂用400电动机通过现场总线接入DCS系统.

2.1 采用该模式的优势

第一,因为采用总线通讯技术,现场单台电气设备提供至ECMS系统的数据量大大提高,从而电气诊断、预测性维护、各类报表、告警、分析等应用功能大大增强,便于检修人员的日常维护以及设备管理.

第二,ECMS系统与DCS系统相互独立,职责清晰,电源负荷操作接入ECMS监控,电动机等涉及工艺流程的设备接入DCS监控.

第三,将厂用电源负荷的监控功能全部由ECMS实现,DCS可以不设ECS控制器及其IO卡件,大大节省了DCS的工程费用,同时节省了大量电缆,成本有了较大降低.

第四,高压厂用电部分采用100M以太网,大大提高了信息及波形上送、指令下发等速度.

第五,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.

第六,电厂的热工和电气检修人员的职责更加明确、清晰,各司其职,便于日常的检修维护.

第七,因电气控制特点、属性与热工区别大,随着电气设备在线状态诊断及状态检修管理体系实施,该模式有利于电力市场对电气专业高级功能的开发和应用需求.

第八,基于统一的通信标准能更好地实现各系统之间信息的互通,打破过去受信息传输瓶颈制约而无法避免的各控制系统间的信息割裂,解决操控断点和盲点问题,实现了数字化整合,带来的海量信息,同时通信速率、功能等都将得到较大的提升.

第九,厂用电过程层数字化技术应用.通过网络共享信息和信息交换,保护装置功能和判据可跨间隔优化,整体性能更趋合理,实现常规系统难以实现的一些保护和控制功能,如厂用母线数字式差动保护.

2.2 采用该模式的不足

首先,单元机组集控运行成为当今火电厂的主要运行控制方式,针对此现状,发电厂的各个系统趋于高度集成,机、炉、电三大专业控制系统已融入DCS系统,脱硫、脱销、除尘、化学等辅网控制系统也渐渐并入DCS系统,逐步向大集控过度.而将厂用电监控系统(ECMS)独立出来,违背发展趋势.

其次,厂用电监控系统(ECMS)与DCS独立,势必会增加ECMS系统操作员站,就不得不增加操控人员,从而增加人工成本,与节约人工成本的发展趋势相违背.

第三,厂用电电气设备分由两个系统控制,不利于对电气设备的统一管理.

第四,ECMS系统设计、安装及调试验收暂无统一标准、规范,且基建过程需各方调试工作量大,容易造成安装、调试不到位等问题.

第五,电厂接入设备比变电站多,即节点多,分散性强,对系统容量、网络构架的扩展性和设备厂家的售后服务能力都有很高的要求,而不同厂家的解决方案良莠不齐,这就需要设计、厂商人员进行深入细致的系统方案设计,合理规划网络结构,优化信息传输方式.

2.3 ECMS系统的主要功能

2.3.1 实时数据采集与处理

所有电气量采用交流采样,通过采集CT和PT的二次值,在间隔层计算实时数据. 通信管理机按扫描周期定时采集所有电气量信号并更新数据库,在基于IEC61850通信下,同时还具备查询保护通道电流实时数据功能.提供实时曲线和历史曲线的查看窗口,分辨率达ms级,为运维人员查询设备运行情况提供数据.

2.3.2 报警信息监视和查询

通过变量报警事件、操作事件、用户登录事件和工作站等事件,可以方便地记录和查看系统的报警、操作和各个工作站的运行情况.也可以根据需要查询历史报警记录及其他事件.

2.3.3 控制操作

ECMS正常运行时,根据设备运行需要对相应电气设备进行顺序成组操作或手动键盘独立操作,各种操作均具有操作闭锁功能,具备对保护定值进行修改的功能和对保护进行远方复归等功能.

2.3.4 事件顺序记录及事故追忆

ECMS对断路器位置信号、继电保护动作信号等中断型开关量进行事件顺序记录SOE.在出现事故后,能追忆事故前后一定时间内有关开关量的动作顺序和相关重要模拟量的变化情况,分辨率达ms级.事故追忆的触发可以是开关的事故跳闸或人工触发,支持多重事故追忆功能.

2.3.5 画面生成及显示

操作员站能完成机组电气设备各种监控系统图等,每幅画面均能显示过程电量的实时数据和运行设备的状态.

2.3.6 运行管理功能

事故分析检索、在线设备分析、自动抄表等.

2.3.7 设备管理

ECMS对主要电气设备如断路器、变压器、电动机等运行工况进行监视,以指导设备维护和检修工作.

2.3.8 在线计算及制表

ECMS能对采集的数据进行在线计算.各种制表主要包括实时值表、正点值表、负荷运行日志、电度量累计、事件顺序记录一览表、报警记录表、保护定值一览表、主要设备参数表和自诊断报告.

2.3.9 防误操作闭锁

ECMS对于通过CRT、键盘进行的电气操作由系统的软件进行闭锁,防止误操作.

2.4 神福鸿电ECMS系统调试期的典型问题

因ECMS系统采用现场组态的方式,整套系统的组态与调试同步进行,这样就造成了此过程中会暴露出许多问题.

典型问题一:通讯异常类问题.产生原因如下.

(1)因为服务器通讯参数配置不合理,造成与现场设备无法通讯或者频繁报通讯中断.

(2)因为通讯线接线不良,造成不能正常通讯.

(3)因为就地设备通讯参数配置不合理,造成与服务器无法通讯.

(4)因为采用不同厂家设备,通讯协议匹配不良,造成不能正常通讯.

典型问题二:功能异常类问题.产生原因如下.

(1)因服务器参数配置问题,造成不能实现遥控出口等问题.

(2)因服务器应用软件功能不完善,造成不能实现现场提出的完善要求.如报警方式的调整、画面显示的调整、报表功能的调整等.

(3)因我厂ECMS系统设备为北京四方的产品,通讯方式采用61850规约.这种组合方式是首次在火电厂厂用电系统使用,在整体组成框架存在部分问题,不能满足现场的需求.如:单个通讯设备通讯异常后,在1分钟后才能在服务器显示报警;就地设备告警不能及时上送,部分状态信号15S左右才能从服务器报出;重要告警信号不能保持、不能突出显示等.

典型问题三:画面显示异常类问题.产生原因如下.

(1)画面中各开关元件无双重编码显示,操作执行时,如果发生执行异常,不能报出异常原因窗口.

(2)画面显示关联数据库错误,造成画面显示异常.

(3)针对暴露出的各类问题,积极组织厂家人员与电厂技术人员配合解决,直至满足生产现场需求.

3 神福鸿电ECMS系统调试期的风险评估

结合目前神福鸿电ECMS系统现场实际情况,为确保投运后该系统的可靠稳定运行,对ECMS系统进行风险评估.通过使用HAZOP定量分析法,对机组调试期、启动、运行、停运四种工况下,如果ECMS系统发生故障造成的影响进行分析.

3.1 确定风险评估矩阵

通过对比讨论,确定quot;神福鸿电ECMS系统风险评估矩阵quot;,如表1.

3.2 神福鸿电ECMS系统风险评估

根据quot;神福鸿电ECMS系统风险评估矩阵quot;,通过HAZOP定量分析法对ECMS系统存在风险进行分析,表2对各严重故障进行分析.

3.3 风险评估结果

通过利用HAZOP风险分析的方法对ECMS系统存在的风险进行了定量分析和评估,有针对性地提出了采取的措施和建议,将系统风险降低至可接受程度,得出如下结论.

(1)ECMS系统故障最高风险不会造成人员伤亡事故.

(2)ECMS系统故障最高风险不会造成重大设备损坏.

(3)ECMS系统故障最高风险不会造成机组非停.

表1 神福鸿电ECMS系统风险评估矩阵

表2

(4)在设备检修后恢复送电时,ECMS系统故障可能造成送电延期.

(5)ECMS系统故障不会对机组停机造成影响.

4 结语

通过对比发电厂电气系统监控的两个主要发展方向,以及神福鸿电电气设备的监控方式的探讨与风险评估,不难发现两种方式各有利弊.如果将电气设备的监控全部归入DCS系统,既实现了高度的集中控制,也避免了人力成本的增加.但是因为DCS系统中电气设备的信息量较小,不利于对电气设备进行深层次的管理,也不利于对电气设备故障现象的分析,对电气设备的检修管理存在制约,反之亦然.

结合电厂的发展趋势,最大限度的将各方需求进行整合统一,既能实现对发电厂各类设备的集中控制,又能满足设备管理的各类高级管理要求.需要通过新的方式来实现,总的设想是:增强DCS系统性能,提高对电气设备信息量的采集,电气设备使用总线通讯技术,对影响机组停机安全的重要负荷可以保留硬接线与通讯两种方式共存.设想的结构图如图1.

图1

随着科技的发展,软硬件的不断增强与完善,发电厂电气设备的监控水平将进一步提高.电气设备是发电厂的重要组成部分,将更好的融入到DCS系统中去.而电气监控主要采用通讯监控,对影响机组停机安全的重要负荷可以保留硬接线的这种方式将会是大势所趋.

[1]汪文琦.厂用电监控系统的应用及展望[J]. 科技情报开发与经济, 2009,11:(35)19.

[2]侯 伟,沈全荣,严 伟.ECMS系统的新型结构及其应用[J].电路系统及其自动化学报,2010,10:(5)22.

[3]华北电力设计院工程有限公司,福建电力勘测电力设计院.福建石狮鸿山热电厂二期2X1000MW机组工程 施工设计图纸.北京,福州,2013,5.

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1671-0711(2017)11(下)-0152-04