垃圾发电厂综合电气监控管理系统探讨

吴 亮， 刘益成

(广州环保投资集团有限公司， 广州 510330)

垃圾焚烧电厂综合电气监控管理系统一般由升压站网控系统(NCS)和电气监控管理系统(ECMS)组成，两部分以主变低压侧断路器下端子为分界点分别监控升压站电气系统和厂内电气系统。

在行业内，ECMS在现场的网络结构主要有2种方式：(1)关键硬接线+通信的方式[1]，将参与机炉电大联锁的电动机、发变组断路器、励磁开关等采用分布式控制系统(DCS)硬接线控制，其余电气设备的控制、相关自动化设备的监测等功能均通过通信网络纳入ECMS；(2)全通信方式[1-3]，即将厂内所有的电动机、发电机、厂用电源控制等全部通过测控装置等设备接入ECMS，DCS对所有设备的操控通过通信的方式实现。近年来，全通信方式已在部分大型发电厂、变电站得到应用，技术上已比较成熟。该技术得到业内的认同是建立在现场通信网络可靠性大大增强的基础上的。

笔者以某垃圾焚烧电厂的ECMS为例，分析了系统现有的缺陷，在此基础上采用目前行业内先进的ECMS设计理念，提出了一种更加成熟、实用、经济的方案，并从技术角度和经济角度分析了该方案的优越性。

1 机组概况

1.1 电气接线

该垃圾焚烧电厂垃圾处理规模为2 000 t/d，配置3炉2机，发电机单机额定功率为25 MW，厂用电母线电压为10 kV及380 V，采用110 kV双回路上网，110 kV母线为单母分段接线形式。电气主接线见图1。

图1 电气主接线

NCS按照电力行业相关标准进行设计及施工。按照分层分布的思想，将电气系统监控及监测功能结合在一起，所有断路器的合跳闸操作、位置信号，以及相关的保护、测控、同期、五防、电度计量、故障录波等自动装置的信号，全部通过以太网连接，进行一站式管理。

1.2 ECMS不足分析

该厂ECMS拓扑结构见图2。

图2 ECMS拓扑结构

(1) 仅能实现部分电气设备的监测。系统仅接入了部分10 kV电气设备的测控装置信息，所有断路器均由DCS控制；有许多重要电气设备信息未接入ECMS。

(2) ECMS与DCS、NCS没有通信联系。DCS、NCS需要的相关信息，全部通过硬接线或单独的通信线从相关设备上直接读取。

(3) 厂内大量使用硬接线。厂内所有断路器的控制和状态信号的传送，全都通过硬接线实现，重要信号的传送如保护装置的各种报警信号送入DCS也是由硬接线实现。

(4) 采用单以太网通信，可靠性一般。

整体来看，ECMS不能充分地实现其遥信、遥测、遥控等功能，从设计理念和系统功能上均比较落后，无法满足电厂现阶段生产控制高度自动化、智能化，管理精细化、信息化等方面的需求，运行人员应对电气设备进行巡视和管理，难以实现现代发电厂提高机组效率、降低人力成本的目标。同时由于硬接线的大量采用，DCS成本、电缆成本、土建成本等均大幅增加。因此，对厂内ECMS进行优化设计十分必要。

2 ECMS优化设计

2.1 垃圾焚烧电厂的特点

该垃圾焚烧电厂具有以下特点：

(1) 机组规模小。一般垃圾处理规模在2 000 t/d左右的电厂，标准配置为3炉2机，发电机单机额定功率一般为25 MW，配置的10 kV电气设备及380 V电气设备数量少。

(2) 工程设计、施工、安装、调试相对不够专业。垃圾焚烧电厂工程一般属于市政工程，其设计、施工、安装、调试的参与企业有许多不是专业的电力建设企业，专业性相对于传统火电厂有差距。

(3) ECMS与NCS设计脱节。ECMS和NCS通常由不同的设计院设计，极易产生设计标准、理念、水平的不一致。NCS自动化程度高，而ECMS自动化程度相对落后，给现场使用造成不便。

(4) 现场运行检修人员的技术水平整体较弱。垃圾焚烧电厂兴起时间短，比较缺乏专业技能优良的相关人才。

根据垃圾焚烧电厂的特点，ECMS应具备的特点为：造价经济；设计简便，施工难度低；ECMS与NCS要自动化程度一致或一体化，便于现场人员使用；便于维护。

2.2 新型综合电气监控管理系统

基于垃圾焚烧电厂的特点及相关要求，提出一种适用于垃圾焚烧电厂的新型综合电气监控管理系统(I-ECMS)，该系统将ECMS与NCS结合，并与DCS采用以太网通信实现信息传输。

I-ECMS拓扑结构示意图见图3。

图3 I-ECMS拓扑结构

I-ECMS的功能及特点为：

(1) 负责相关设备的遥信、遥测、遥控功能。

(2) 将厂内ECMS与NCS集成，实现一体化控制。站控层网络选择IEC61850标准MMS规约[4]，双百兆以太网以实施冗余[5]。

(3) 厂内110 kV电气设备、10 kV电气设备、400 V电源、电缆及联络断路器，均通过相应测控装置接入以太网，在I-ECMS操作员站通过通信方式实现操作。

(4) 需要在DCS操作的电动机，以现场总线[6]的形式接入DCS，通过通信方式实现操作。

(5) 厂内所有电气设备相关的保护和测控装置、同期装置、自动励磁装置、快切装置、直流系统、不间断电源(UPS)，以及升压站内配置的二次安防、电能计量装置等相关自动化设备，均接入I-ECMS进行集中监测。I-ECMS与DCS通过以太网进行通信，采用IEC60870-5-104规约。I-ECMS向DCS传输的数据包括厂内所有电源断路器的状态和各保护、测控装置及所有电气自动化设备的有关信号等。

(6) 采用专用对时网络，通过简单网络时间协议(SNTP)网络对时信号及IRIG-B码对时方式，取代了原有系统的星形接法。

I-ECMS不采用现时流行的数字化火电厂组网方式[7-8]，主要是由于垃圾焚烧电厂的特性。垃圾焚烧电厂规模小、间隔层设备数量少，若采用电子互感器、合并单元、智能终端等设备组建现场过程层SMV(Sampled Measured Value)及GOOSE(Generic Object Oriented Substation Event)网络[9-10]不够经济。

2.3 I-ECMS网络延时优化

在这种拓扑结构的系统下，网络延时的产生主要有：(1)DCS与I-ECMS的通信延时；(2)I-ECMS后台网络延时；(3)I-ECMS网络交换机延时；(4)测控、保护装置延时；(5)不同厂家产品之间通信规约转换耗时；(6)断路器合跳闸固有所需时间。在这6种延时来源中，第2、3、4、6点是固有的，第1点及第5点存在优化空间。

针对第1点，DCS与I-ECMS的通信延时，主要取决于两者之间通信规约以及网络的选择，这两者之间主流的以太网通信规约主要是网络版Modbus与IEC 104网络规约。目前许多DCS厂家主要选择网络版Modbus规约与ECMS进行通信。Modbus规约的主要特点是采用问答式，即主站向从站发出查询指令后从站再向上报送数据，这种方式就导致了当DCS发出对设备的遥控指令以后，设备变位的遥信量不会第一时间主动上传，必须等上位机发出查询命令以后才上传。鉴于此，I-ECMS将采用IEC104规约与DCS进行通信。IEC104网络规约采用客户端/服务器方式[11]，在主站与从站建立连接以后，从站会主动向主站发送相关的遥信、遥测信号，通信速率较Modbus规约快很多。

针对第5点，可以尽量选择同一厂家的设备，或者要求所有设备厂家采用相同的规约，这一点较易实现。

3 I-ECMS应用效果分析

根据I-ECMS设计，在机组调试阶段，利用现场设备搭建简易网络模型进行网络试验。主要的试验内容包括遥信、遥控试验，以及大量数据传输时的网络可靠性试验。

试验模型见图4。

图4 试验模型

3.1 遥信量上传试验

分别进行了10 kV电源开关保护测控装置及110 kV测控装置的遥信量上传试验，主要检测间隔层设备遥信量上传至I-ECMS主机及DCS的时刻。试验数据见表1及表2(SOE为事件顺序记录)。从表1和表2数据可知，间隔层设备发生遥信变位后，I-ECMS主机和DCS均能在极短时间内收到相关信息，时间均在毫秒级别。

表1 10 kV电源开关保护测控装置遥信量上传时刻

表2 110 kV测控装置遥信量上传时刻

3.2 遥控试验

遥控试验的目的在于检验操作人员从发出某断路器操作指令至收到该断路器遥信变位信号返回的时间。分别对10 kV断路器及110 kV断路器进行了遥控试验，试验数据见表3。

从表3可知：10 kV断路器在1 s内即可完成整个操作，110 kV断路器最长也只需要608 ms。

表3 遥控试验延时

3.3 大数据量传输试验

在图4模型的基础上，进一步增加试验模型中10 kV测控装置的数量至14，与现场实际配置相同。模拟了母线失压时，各测控装置同时上传数据时的网络状况。主要观察I-ECMS主机此时是否能正确、完整地显示所有SOE，以及故障波形是否能完整、快速传输。

试验结果表明：在100 MB网络带宽的情况下，I-ECMS主机在试验后，可以完整正确地显示各测控装置上传的所有信息。

4 经济性分析

4.1 建设成本

采用I-ECMS方案后，可以节约大量控制电缆，以及DCS的I/O卡件和DPU(Distributed Processing Unit)模块，对于成本有较大的优化[12]， 10 kV开关柜及380 V框架断路器柜的点数及造价分析见表4、表5。为简化分析，仅列出了体现不同方式特点的设备，并未列出所有柜内设备；所有开关柜至DCS机柜的电缆长度暂按200 m计算；电缆单价包含了材料成本和施工成本。

采用I-ECMS方案后，可以节约变送器12个，节约其他保护、自动化设备接入DCS的DI点186个、AI点74个、NCS主机1台；增加的部分主要在网络设备上，主要有交换机(2个光口、22个点口)8台、网络电缆10 000 m、远动装置1台；共可以节约造价530 500元(见表6)。由于垃圾焚烧电厂开关柜数量较少，虽然节省的建设成本金额不大，但在整体建设成本的占比仍然比较可观。在节约成本的同时，系统的功能性、网络的可靠性更强。

表4 10 kV开关柜造价分析

表5 380 V框架断路器柜造价分析表

表6 两种方案造价差异分析表

4.2 运营成本

采用I-ECMS方案，运营可以节约可观的人力成本，主要体现在所有相关操作和监控都可以在I-ECMS实现，在I-ECMS基础上开发的如在线抄表、节能评估、保护定值管理、设备状态在线监测等功能，极大地提升了运营专业管理水平。另外，I-ECMS实现一体化监控以后，检修人员的维护工作量也相应减少。

5 结语

垃圾焚烧电厂I-ECMS采用了业内主流的设计思路，实现了对垃圾焚烧电厂全厂电气系统的监控管理，将厂内ECMS与NCS集成，实现全厂电气设备一体化监控，增强设备互操作性，节约了建设成本，简化了运行维护工作。另外，采用通信方式实现电气设备控制功能，大量节省了电缆的使用量，并减少了DCS的成本，同时也减少了土建施工成本，其简洁、高效的系统结构值得在今后进行推广应用。