摘要：本文通過對電氣綜合控制系統(tǒng)（XNCS）方案的概述，闡明實現(xiàn)全廠電氣自動化與DCS系統(tǒng)一體化是中國火電廠適應電力市場、提高整個電廠安全、經(jīng)濟運行從平和目動億從平的一條有效途徑。通過對新華公司在火電廠頂目中的實踐介紹，刀圖為以后火電廠電氣自動化工程提供有益借鑒。
■電氣綜合自動化系統(tǒng)的設計原則
全廠電氣綜合自動化系統(tǒng)采用分層、分布、分散全微機綜合目動化系統(tǒng)技術(shù)，整個系統(tǒng)直接建立在XDPS系統(tǒng)平臺的基礎上，同時又將各臺機組的XDPS系統(tǒng)相互連接起來，實現(xiàn)全廠控制系統(tǒng)平臺統(tǒng)一和數(shù)據(jù)集中的一體化控制方案，滿足分散控制和集中管理的要求。
根據(jù)電廠的單元機組的運行控制的要求，我們認為電廠的電氣綜合自動化系統(tǒng)[XNCS]可以從橫向分為機組電氣自動化系統(tǒng)[ECS]，升壓站控制系統(tǒng)。ECS系統(tǒng)指從6kV廠用電母線到電廠側(cè)的所有工廠房內(nèi)的電氣設備的監(jiān)視和控制，包括與單元機組運行直接相關(guān)的電氣設備的監(jiān)控和保護;ECS系統(tǒng)的劃分以機組為單位，每套機組有一套ECS系統(tǒng)，完成單元機組電氣自動化。ECS系統(tǒng)的功能直接通過DCS平臺實現(xiàn)，用CRT/鍵盤操作方式取代盤臺上一對一的硬手操方式，不另外獨設立電氣自動化系統(tǒng)，實現(xiàn)了機、電、爐的全局數(shù)據(jù)共享，減少了自動化孤島及系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換的瓶頸，減少系統(tǒng)維護人員的工作量。升壓巧控制系統(tǒng)的劃分以電廠為單位，實現(xiàn)對于升壓站的監(jiān)控。
全廠電氣綜合自動化系統(tǒng)[XNCS]完成整個電廠的電氣系統(tǒng)和升壓巧電氣系統(tǒng)的監(jiān)控和保護功能，提供整個電廠的電氣運行維護平臺，電氣運行維護人員可以直接在此綜合平臺上實現(xiàn)對于全廠的電氣設備統(tǒng)一維護，由各機組運行人員實現(xiàn)對于機組電氣設備的運行操作，即實現(xiàn)對于電氣設備的分散控制和集中管理的功能;同時通過遠程通道接受上級調(diào)度的調(diào)度指令，進行廠內(nèi)的（機組負荷經(jīng)濟分配，實現(xiàn)電廠出力控制，進一步提高電廠效率;通過電氣控制算法模塊，實現(xiàn)設備管理和狀態(tài)檢修功能，實現(xiàn)設備壽命管理，降低維修費用，延長設備使用壽命;通過實時成本計算模塊，根據(jù)機組運行狀態(tài)統(tǒng)計機組實時運行成本，作為實時競價的決策依據(jù)，滿足將來電力市場的實時競價的要求。
整個電氣綜合自動化系統(tǒng)縱向分為兩層，即間隔層與中央控制層。間隔層通過現(xiàn)場總線網(wǎng)將各智能微機保護監(jiān)控單元聯(lián)結(jié)起來。各間隔控制單元均為智能式設備，負責與開關(guān)、變壓器、電動機等一次設備直接。間隔層的智能單元直接上現(xiàn)場總線;中央處理單元[DPU]通過智能接口連接現(xiàn)場總線網(wǎng)，實現(xiàn)間隔層和中央控制層的數(shù)據(jù)交換，DPU完成規(guī)約轉(zhuǎn)換和邏輯控制的功能。智能單元帶有LCD顯示屏，可直接通過面板上的觸摸鍵盤進行參數(shù)整定和操作，在系統(tǒng)通訊中斷或中央控制層失效的情況，仍能獨立完成間隔層的監(jiān)測和控制。保護監(jiān)控單元采用交流采樣技術(shù)，減少系統(tǒng)接線提高數(shù)據(jù)測量精度和速度。在保護配置上各保護功能獨立，互不影響;各保護測控單元具有故障錄波功能，錄波波形可通過召喚方式傳送到后臺機，供存檔、顯示、打印。中央控制層設有中央處理單元和MMI站。中央處理單元[DPU]是整個電氣綜合自動化系統(tǒng)的核心，向下連接現(xiàn)場總線網(wǎng)實現(xiàn)中央控制層和間隔層的信息交換，向上通過冗余的以太網(wǎng)與MMI站相連，同時DPU內(nèi)置圖形組態(tài)算法可以實現(xiàn)順序控制和五防閉鎖等邏輯控制功能。MMI站作為整個系統(tǒng)的人機界面，實現(xiàn)數(shù)據(jù)和圖形界面的顯示，以及操作界面。
■火電廠電氣綜合自動化的實現(xiàn)方案
新華控制工程有限公司作為具有雄厚實力的DCS生產(chǎn)廠家，依據(jù)其長期從事電廠自動化系統(tǒng)設計調(diào)試的豐富經(jīng)驗，通過宅電廠技術(shù)人員合作，將集DCS、ECS、NCS一體化的系統(tǒng)應用于實際工程中，實現(xiàn)在部分項目上實施了機組負荷分配功能，有效地改善了機組運行水平和電廠生產(chǎn)管理，對單元機組電氣自動化和升壓站的監(jiān)控。
1、一體化的系統(tǒng)配置
上圖為某電廠1#機組到6#機組DCS、ECS、NCS一體化系統(tǒng)的構(gòu)成框圖。在上述系統(tǒng)中，每臺機組具有各自獨立的單元控制系統(tǒng)，機組單元控制系統(tǒng)布置在集控室中。每套機組單元控制系統(tǒng)由DEH、DCS、ECS三個功能相對獨立的子系統(tǒng)構(gòu)成，運行人員可以通過MMI站分別實現(xiàn)對機、爐、電的監(jiān)控。DEH、DCS、ECS實硯一體化設計，通過雙以太網(wǎng)高速數(shù)據(jù)公路實現(xiàn)不同子系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)共享和交換。同時單獨設立一套NCS系統(tǒng)，作為升壓站的綜合自動化系統(tǒng)，實現(xiàn)對升壓站的監(jiān)控。NCS系統(tǒng)通過光纜與各臺機組的ECS系統(tǒng)連接，獲取全廠的電氣設備運行數(shù)據(jù)。NCS作為全廠電氣運行的綜合平臺，除完成升壓站監(jiān)控外，還作為全廠電氣維護的平臺。
整個系統(tǒng)采用新華公司生產(chǎn)的分散控制系統(tǒng)XDPS-400+作為系統(tǒng)平臺，采用統(tǒng)一的硬件平臺，汽機調(diào)節(jié)系統(tǒng)[DEH]、鍋爐控制系統(tǒng)[DCS]、單元機組電氣控制系統(tǒng)[ECS]、升壓站控制系統(tǒng)[NCS]全部采用XDPS-400+控制系統(tǒng)平臺。各子系統(tǒng)間從功能上相對獨立，同時又通過以太網(wǎng)高速數(shù)據(jù)公路聯(lián)結(jié)在一起實現(xiàn)子系統(tǒng)間數(shù)據(jù)交換和共享，消除了不同子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)接口的瓶頸，實現(xiàn)系統(tǒng)資源共享，減少了系統(tǒng)設計、調(diào)試、安裝、運行、維護的工作量，降低系統(tǒng)造價。由于每個子系統(tǒng)并不是以自動化孤島的形式存在，而是通過高速數(shù)據(jù)公路實現(xiàn)數(shù)據(jù)的有機，因而也為加入運行管理模塊提供了良好的基礎。
NCS系統(tǒng)通過交換機和光纜分別和六套機組單元控制系統(tǒng)互聯(lián);NCS系統(tǒng)向下通過硬接線或通訊萬式與電氣保護系統(tǒng)相連。在NCS系統(tǒng)中配置了GPS時鐘，作為系統(tǒng)時鐘基準，同時通過NCS系統(tǒng)對機組望元控制系統(tǒng)對時，實現(xiàn)全系統(tǒng)時鐘統(tǒng)一系統(tǒng)對外通過電廠的遠動通道與上級調(diào)度通訊，接受上級調(diào)度的發(fā)電指令，經(jīng)分配后作為各臺機組的發(fā)電指令發(fā)送到機組單元控制系統(tǒng)，控制機組的出力。根據(jù)電廠電氣控制系統(tǒng)實際應用的具體要求，電氣控制系統(tǒng)的具體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖所示。
2、分層分布式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
從整個系統(tǒng)上看，系統(tǒng)采用分層分布式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
分層:縱向上分為兩層:間隔層和中央控制層。
分布:具有兩層言義
●系統(tǒng)根據(jù)電廠電氣設備的布置特點和功能分為ECS系統(tǒng)[布置在集控室]和NCS系統(tǒng)[布置在網(wǎng)控室]。
●間隔層單元按分布式布置，有條件時可將單元裝置直接安裝在開關(guān)柜上，通過現(xiàn)場總線網(wǎng)絡同中央層的設備通訊。
在功能分配上，采用可以盡量下放的原則，凡是可以在本間隔單元就地完成的功能絕不依賴通訊網(wǎng)。這樣的系統(tǒng)具有以下明顯的優(yōu)點:
●系統(tǒng)的可靠性高，任一部分設備有故障時只影響局部;
●可擴展性與靈活性提高;
下面是對系統(tǒng)的各控制單元具體說明:
2.1中央控制單元[DPU]
DPU是電氣綜合自動化系統(tǒng)的通訊樞紐，協(xié)調(diào)間隔設備的數(shù)據(jù)、命令交換，收集變電站不同類型的實時數(shù)據(jù)，以不同規(guī)約、不同的通訊媒介向調(diào)度控制站轉(zhuǎn)發(fā)，同時也接收來自上級調(diào)度控制站的下行命令，轉(zhuǎn)發(fā)至各間隔設備單元。因具重要性，設計時采用雙機配置，互為監(jiān)視，自動切換，確?？煽?。
中央控制單元功能:
1.收集智能設備間隔單元數(shù)據(jù)信息并轉(zhuǎn)發(fā)至主控端;
2.接收主控端控制命令，轉(zhuǎn)送至相應間隔單元設備;
3.監(jiān)視各間隔的運行狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)異常及時告警;
4.可支持各種現(xiàn)場總線網(wǎng)同智能設備連接;
5.通訊速率可在線設定;
6.支持遠方在線參數(shù)設定;
7.通訊協(xié)議可由用戶;
8.可提供雙機熱備份方案;
9.完成可編程邏揖控制功能。
2.2人機接口工作站[MMI]
MMI站作為整個系統(tǒng)的人機接口工作站完成數(shù)據(jù)和畫面顯示并為運行人員提供操作界面。MMI站采用WlNDOWSNT操系統(tǒng)，應用系統(tǒng)軟件采用新華公司研制開發(fā)XDPS-400+軟件包，并具有下列功能:
●數(shù)據(jù)采集和處理
[1]全廠各種模擬、狀態(tài)量、電度量采集，并以圖形表格方式顯示記錄；
[2]測量異常、開關(guān)、閘刀和保護動作等異常情況報警并記錄；
[3]實時數(shù)據(jù)統(tǒng)計，累加并記錄
[4]事件順序記錄（SOE）打印；
[5]故障錄波波
[6]保護參數(shù)整定及記錄；
[7]對有功和無功積分計算統(tǒng)計電度量；
●圖形功能
[1]提供電力系統(tǒng)標準圖元符號，作圖時直接調(diào)用，使畫面標準、統(tǒng)一；
[2]提供豐富而便利的圖形編輯功能，畫面設計方便自如；
[3]具有畫面漫流，無級縮放功能；
[4]提供電壓棒圖，負荷曲線，系統(tǒng)配置，系統(tǒng)接線等畫面，發(fā)生故障自動提出畫面；
[5]面向?qū)ο蟮漠嬅嬷苯硬僮鳎鶕?jù)所選對象的權(quán)限提供相應操作菜單；
[6]畫面拷屏；
●報表系統(tǒng)
[1]報表編輯的在線生成和修改；
[2]靈活的制表功能，可輕松愉快地生成各種復雜報表；
[3]數(shù)據(jù)庫的聯(lián)接制表；
[4]定時打印、實時打印或召喚打??；
●控制操作
[1]斷路器的合閘、分閘操作；
[2]馬達的合閘、分閘操作；
[3]電容器組的手動投切或自動投切；
[4]有載調(diào)壓變壓器分接頭的調(diào)節(jié)操作；
[5]微機五防閉鎖及操作票生成系統(tǒng)；
●保護管理功能
[1]獲取保護設備的運行信息，故障動作信息，自檢信息等；
[2]獲取保護運行定值；
[3]修改和下裝保護定值；
[4]保護信號復歸；
●告警功能
[1]開關(guān)變位告警；
[2]保護動作告警；
[3]測量越限告警；
[4]設備異常告警；
[5]畫面閃爍，自動彈出告警畫面，且伴有音響告警；
2.3間隔控制單元
間隔層采用智能監(jiān)控保護單元。繼電保護功能相對獨立，采用保護監(jiān)控一體化設計，但保護和監(jiān)控功能相對獨立，單元裝置內(nèi)由專門獨立的CPU模塊完成保護功能，本系統(tǒng)保護按被保護的電力設備單元[間隔]分別獨立設置，直接由相關(guān)的CT及pT輸入電氣量，動作后由接點輸出，直接操作相應斷路器的跳合閘線圈，保護動作后，通過通訊網(wǎng)絡將報告上傳，但保護功能*不依賴通訊網(wǎng)絡。測量監(jiān)控功能的精度高、實時性好，由于采用專門的監(jiān)控模塊完成本間隔的測量、控制，測量精度<0.5%，事件分辨率<2ms。系統(tǒng)中單元裝置具有保護和監(jiān)控功能，保護和監(jiān)控模塊都具有完善的自檢功能，可快速定位任一硬件故障并發(fā)"裝置故障"告警信息，DPU通過虛擬通道狀態(tài)顯示測量保護單元的工作情況，同時在測控保護單元上的LCD顯示故障內(nèi)容，方使現(xiàn)場維護。各單元硬件模塊化設計，相同的硬件配以不同的軟件即可實現(xiàn)不同的功能，互換性強，使得調(diào)試、維護大為簡便，靈活的系統(tǒng)組態(tài),可根據(jù)一次系統(tǒng)的變化，象"搭積木"一樣，將系統(tǒng)加以擴展。
■電氣綜合自動化系統(tǒng)實現(xiàn)的主要功能
火電廠電氣自動化應實現(xiàn)對高低壓電氣設備電氣參數(shù)實時監(jiān)測和安全監(jiān)控，有效地提高電廠運行安全性和可靠性，保證供電電能質(zhì)量;減少值班人員，改善運行人員的工作條件。根據(jù)調(diào)度指令實現(xiàn)機組功率的經(jīng)濟分配，提高電廠經(jīng)濟效益，滿足電廠綜合運行管理功能。
3.1發(fā)電機一變壓器組的監(jiān)控
發(fā)電機順控并網(wǎng)、順控解列:機組正常啟動時，當發(fā)電機達到額定轉(zhuǎn)速時，ECS投入AVR;當發(fā)電機達到額定轉(zhuǎn)速時，ECS啟動同期裝置，在同期合閘成功，友電機負荷達到一定值后，ECS將高壓廠用電源從啟/備變快速并聯(lián)切換至高壓廠變上。機組正常停機時，DCS控制降低機組負荷，當機組負荷降低到某一定值時，ECS將高壓廠用電快速并聯(lián)切換至啟/備變;當機組負荷繼續(xù)降到零時，跳開主開關(guān)，聯(lián)跳汽機主汽門，發(fā)電機滅磁。
當發(fā)電機突然部分或全部失去勵磁后，根據(jù)失磁的嚴重程度，采取減負荷或跳閘將發(fā)電機解列等不同的決策。
3.2發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的監(jiān)控
監(jiān)視勵磁系統(tǒng)裝置運行狀態(tài)和勵磁開關(guān)的狀態(tài)，根據(jù)發(fā)電機的無功功率，實現(xiàn)對勵磁系統(tǒng)的主勵、備勵的自動增減控制，以及勵磁系統(tǒng)的故障及異常報警。
3.3廠用電系統(tǒng)的監(jiān)控
實現(xiàn)高、低壓廠用電系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)采集，對高、低壓廠用電系統(tǒng)進線開關(guān)和饋電開關(guān)的控制。采用交流采樣技術(shù)[或通過電量變送器采用直流采樣]對高、低壓廠用電系統(tǒng)的母線電壓，進線、饋線電流、電壓、有功、無功功率及電量的采集。
廠用電系統(tǒng)開關(guān)的分/合、試驗、檢修狀態(tài)的監(jiān)視。
實現(xiàn)廠用電開關(guān)的分/合操作、邏輯閉鎖，檢修掛牌等操作。
3.4廠用電源切換的監(jiān)控
通過新華公司生產(chǎn)的備用電源自動切換卡件[BZT]實現(xiàn)對廠用電源切換的監(jiān)控。正常運行時，低壓廠用母線分段運行、互為暗備用，并且聯(lián)絡斷路器與低壓廠用母線進線斷路器互為邏輯閉鎖;只有在母線分段時，低壓廠用母線進線斷路器才能合閘;母線不分段時，一段進線斷路器斷開，另一段進線斷路器才能合上。
3.5啟/備變電源自動投切的監(jiān)控
正常運行時進行電源切換采用經(jīng)同期并聯(lián)切換，并目慢速斷電切換操作為后備方式。
當正常運行時，工作電源事故跳閘時，啟動備用電源自投回路。當工作電源與備用電源的電動勢夾角<20度時，啟動備用電源斷路器合閘回路;當工作電源與備用電源的電動勢夾角>20度時，閉鎖備用電源斷路器合閘回路，只有當工作電源母線殘壓衰減到20%Un時，才能接通備用電源斷路器合閘回路，即慢速斷電切換。
3.6柴油發(fā)電機和保安電源的監(jiān)控
實現(xiàn)柴油發(fā)電機母線電壓，柴油發(fā)電機出口電流、功率，柴油發(fā)電機主開關(guān)狀態(tài)和故障報警的監(jiān)視;完成柴油發(fā)電機的啟?？刂?。
3.7直流系統(tǒng)和UPS系統(tǒng)的監(jiān)控
實現(xiàn)直流系統(tǒng)母線電壓，充電器工作狀態(tài)，UPS電壓、電流、頻率，UPS運行狀態(tài)，直流系統(tǒng)主刀閘的分、合狀態(tài)的監(jiān)視。
3.8發(fā)電機同期系統(tǒng)的監(jiān)控
發(fā)電機與電網(wǎng)的同期是由同期裝置自動實現(xiàn)，同期過程中，同期裝置通過DCS系統(tǒng)控制AVR,DEH。當同期條件滿足時，向發(fā)電機斷路器發(fā)合閘指令。
■對干電廠電氣自動化的展望
隨著電力市場改革，廠網(wǎng)分開成為電力改革的必然趨勢。電廠為適應競價上網(wǎng)的要求，提高電廠安全經(jīng)濟運行水平和自動化水平是必然趨勢。近年來，DCS系統(tǒng)已廣泛裝備了國內(nèi)電廠的機組，將DCS\ECS\NCS打通，構(gòu)成全廠的電氣數(shù)據(jù)共享平臺（xncs）,實現(xiàn)系統(tǒng)一體化設計，滿足電廠電氣設備點多面廣的特點，實現(xiàn)電氣系統(tǒng)的分散運行操作，和設備的統(tǒng)一集中管理功能，為電氣維護人員提供了強有力的工具，有效提高安全經(jīng)濟運行水平和自動化水平，減少運行維護費用。
