探析热电厂电气监控机炉电一体化设计

张永刚

(青岛海西热电有限公司,山东 青岛 266000)

1 热电厂电气监控的特点和范围

在20世纪90年代之前，我国热电厂自动化控制技术不发达，因此热电厂的生产控制也并没有实现高度的自动化，电气控制与机炉控制各自独立，两者协调性不高。对于热电厂而言，实现自动化控制的关键环节就在于如何设计电气监控方案、提升自动化整体监控水平。

1.1 特点

与热工自动化相比，热电厂对电气系统的控制具有以下显著的区别特征：

(1)热工自动化系统与电气监控系统相比，其设备数量及控制对象更多且操作频次更高，而电气监控系统不仅设备数量更少，而且操作间隔可达数月乃至半年。

(2)电气设备对于电压及自动保护装置的要求更高，比如转速、电压滑压控制及调整幅度均需要控制在5 m/s以内。

(3)电气设备系统具有比较复杂的结构，但其操作逻辑更为清晰简洁。

1.2 范围

热电厂的电气监控系统需要将发电机、变电设备、110 kV进线电压、厂用电及直流系统等多种设备系统涵盖在内，并按照相应的操作逻辑完成对所有控制对象的联动控制(含110 kV开关，发电机开关，6 kV厂用电进线、联络开关，400 V厂用电进线、联络开关，直流系统)及远方控制。主要监视功能针对110 kV进线、110 kV母、110 kV主变、发电机、6 kV电动机、6 kV厂用变、6 kV出线、400 kV母线进线及母联，另外还需要对隔离刀闸、断路器的运行参数、运行状态进行全时监控测量，并控制其各种保护装置的状态与动作。

2 热电厂电气监控现有方案

实现热电厂电气监控主要有以下三种方案：

2.1 方案一

采用传统电气监控布局方案。将发电机控制与厂用电控制中心设置于主控制室内，对被控制的对象采用强电一对一控制，并辅以监测仪表、指示灯和显示屏等。这种方案具有较高的安全性和可靠性，但其缺点是安装调试费工费时、接线方案较为复杂且后期调整监控参数比较困难。此种监控布局方案也不能与主机调速装置共同协作从而实现对机组启停顺序的设置，导致不能设置个性化的控制策略以及实现对电气设备的优化，因此这种方案已经在实践中被逐步淘汰。

2.2 方案二

将DCS数据采集处理中心与断路器、位置信号等开关量直接连接。电流、电压等初始模拟量转换为4～20 mA的电流后输送至DCS数据采集处理中心。此种方案的优势是机炉电控系统可以使用统一的界面，从而方便进行全局化管理，且不存在通信上的阻碍，因此有相当一部分热电机组都是采用了这种方案。但其缺点是变送器的接线工作过于烦琐且成本过高，又很难达到理想的监控精度，且部分智能控制单元及微机保护装置还是无法与DCS直接通信。因此这种方案不能完全满足热电厂电气监控的需要。

2.3 方案三

基于综合的变电站自动化运行技术，使用分层、分布式的综合电气自动化系统来执行监控操作。综合自动化系统在架构上可以分为间隔控制与站级控制两个层级。间隔控制层的核心设备包括了发电机、主变设备、110 kV进线、6 kV线路、厂用变等的保护测控装置。

间隔控制层的主要功能是：

(1)对一次设备实现控制与保护；

(2)对所在间隔的实时数据信息进行汇集；

(3)实施本间隔操作闭锁功能；

(4)实现同期操作控制；

(5)执行部分具有高度优先级的控制命令、数据采集与分析的操作；

(6)与站级控制层实现数据信息互通。

站级控制层的主要任务是：

(1)接收经由网络传输的全站实时数据并进行数据库的随时更新；

(2)按照既定的规则向控制中心传输控制相关数据信息；

(3)接收来自控制中心或调度中心的命令，并将该命令转交至具体的间隔层以执行该命令；

(4)对全站闭锁控制操作进行在线编程和执行；

(5)实现站内人机互动，包括报警、显示信息读数、打印控制及其他一些人机操作控制功能；

(6)对间隔层设备进行实时在线监控、组态、维护及参数调试等。

此种方案完全符合电气自动化的技术发展趋势，不仅易于安装和使用，成本也相对更有优势，因此已有很多热电厂采用此方案。但这种方案也并非完美无缺。部分热电厂的电气监控系统与变电站尚未完全兼容，令此种方案的应用普及受限。例如，同一集控室内机、炉和电气分别由两套独立的监控系统实现监控，增加了热电厂自动化系统的复杂度及维护的难度和工作量，同时与DCS的通信存在较大的难度和工作量，不能有效地实现机、炉、电统一监控和管理，也与热电厂自动化发展方向不相协调。

3 基于电气监控技术的机炉电一体化方案设计

热电厂机炉电一体化的电气监控方案已经成为越来越多的热电厂的首选方案，该方案是基于已有的电气监控技术结合热电厂的生产特点发展而来的。该方案的优势是电气与热工系统之间具有较强的联系性，令一体化协作控制成为可能，从而解决了既往热电厂控制中的很多技术及操作难题，也令热电厂的控制效率与生产效率得以大幅提升。可以说,该方案真正体现了自动化的原则及发展方向。

在机-炉-电控制中，几个参数的共享尤为重要。汽机进汽温度，一段抽汽流量；锅炉蒸汽压力和温度，蒸汽流量，除氧水流量；电力输送电力负荷，功率因数等。这几个参数是整个热电安全平稳运行的重要控制参数。机-炉-电各工序中,这些参数通过一体化设计，能够做到时时共享、时时调整，并且可以进入各自的DCS控制系统实现自动调节和控制，也可在DCS控制系统中做三冲量控制和模糊控制，实现预调和预控，实现无扰动调度，使热电各工序平稳无级差运行。

为了机-炉-电的统一调度，各工序的控制最佳方案是合并在一个控制室内，控制设备、操作人员集中在一处，不仅有利于设备的优化、大数据的共享，而且可使操作人员的联系更加顺畅，实现无缝调度。若没有DCS控制系统，可以把上述参数，通过仪表输出的4～20 mA或0～10 mA电压信号传输到机-炉-电各控制室，安装二次仪表显示上述数据。传输过程中应尽量减少线缆长度，使用屏蔽双绞线，并增加信号隔离器，以减少电磁干扰，增加数据的稳定性。

该方案即上文所提及的方案三。该方案通过站级控制层的使用，进一步打破电气监控设备之间过于独立、各自为战的局面，从而能够基于DCS控制网络，加上相关智能化控制软件，实现对电气监控系统的全程自动化控制，并使热电厂的监控系统成为高度融合与一体化的整体，从而令DCS与热电厂电气监控实现相互协作与补充，解决了以往类似方案中系统间通信的难题，也令电气监控系统能够实现更为丰富和强大的控制功能。

方案三中的间隔控制层包含智能测控及防护装置，该装置的特点是基于编程控制实现了高度的智能化，从而能够对电气信号进行监控。该方案与其他类似方案相比具有无可比拟的突出优势，因此在本文设计的热电厂机炉电一体化的电气监控方案中，间隔控制层也具有一定的技术先进性。间隔控制层设备与负责测控、保护的智能化装置可以通过通信管理机及网络进行通信，并与DCS控制网络使用共同的通信协议，从而防止通信中任何障碍的产生，确保通信及控制的畅通无阻。

4 结束语

综上所述，本文结合上文的方案三与方案二，设计出一种结合了多种技术优势的热电厂机炉电一体化的监控方案，令三大体系之间实现紧密联系与共同控制，以及能够通过编程实现智能化、自动化的全时监控，同时还对强电控制系统进行了改进，确保控制操作的可靠性。