0、引言
大型火力發(fā)電廠的電氣系統(tǒng)一般由機組保護系統(tǒng)、6kV廠用電系統(tǒng)、400V低壓系統(tǒng)、220kV～500kV網控系統(tǒng)組成，網控系統(tǒng)相對獨立。一般意義下的電氣監(jiān)控系統(tǒng)（ECS）包含除網控系統(tǒng)以外的所有電氣子系統(tǒng)。
國內大部分發(fā)電廠都采用進口的集散控制系統(tǒng)（DCS）來實現(xiàn)熱工系統(tǒng)的自動化運行，而電氣系統(tǒng)一般采用"一對一"的硬接線控制以及儀表監(jiān)視，自動化水平相對落后。為了提高電氣系統(tǒng)的運行管理水平，提升發(fā)電廠在發(fā)電市場上的競爭能力，有必要對相對陳舊的電氣系統(tǒng)進行自動化改造。對已建發(fā)電廠而言，考慮到DCS具有可擴展性，可以把電氣系統(tǒng)納入DCS，依靠DCS的分散處理單元（DPU）完成重要電氣對象的測量、控制。對于新建發(fā)電廠，可以考慮建設獨立的ECS，完成發(fā)電廠所有電氣對象的保護、測量、控制，該系統(tǒng)與DCS可以基于通信網絡雙向通信。
本文在總結四方公司在700多個35kV～500kV變電站自動化系統(tǒng)成功實施的基礎上，結合四方公司在江蘇、貴州、云南等地成功實施的若干個單機容量300MW及600MW發(fā)電廠ECS的工程實踐，提出了基于以太網的新一代分布式發(fā)電廠ECS（CSPA2000）的組成方案，為300MW以上火力發(fā)電廠的ECS提供了完整的解決方案。
一、ECS的現(xiàn)狀
電氣系統(tǒng)中，發(fā)變組保護、同期、AVR、6kV廠用電系統(tǒng)的保護功能獨立，6kV系統(tǒng)的遙測采用變送器轉換后接入DCS，遙信采用硬接線接至DCS,遙控由DPU輸出硬接點到操作箱,400V低壓系統(tǒng)的保護由開關本體實現(xiàn)，測量和控制一般不接入DCS。
建設ECS的關鍵在于如何接入DCS。常規(guī)模式下，廠用電部分的遙測由變送器接入DCS，遙信采用硬接線接入DCS，遙控由DCS提供硬接線直接控制，這種方式帶來了繁瑣的接線和附加的投資。參考近10年來變電站自動化系統(tǒng)發(fā)展的歷程可以發(fā)現(xiàn)，“變送器＋遠程終端單元（RTU）"模式己經被取消，取而代之的是全數(shù)字化的信息交換，即一次設備運行信息的采集系統(tǒng)只有1套，遠動系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)在通信網絡上共享數(shù)字化的信息（如電流、電壓、功率、開關量等），同時，遠動系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)均可以通過網絡進行遙控和遙調，這不僅取消了大量的變送器和RTU，還提高了變電站整體的安全運行水平，大大降低了運行維護成本。
目前，發(fā)電廠的發(fā)變組保護、同期、AVR一般均采用微機型裝置，具備一定的數(shù)據通信能力;而6kV系統(tǒng)一般采用集保護、測量、控制、通信于一體的單元式綜合保護測控裝置，400V系統(tǒng)廣泛采用的智能斷路器也具備數(shù)字通信能力。利用這些裝置的數(shù)據采集及通信功能，取消變送器和硬接線就可以把遙測、遙信送到DCS，在構建快速通信系統(tǒng)的前提下，遙控也可以由通信完成。
一些運行人員對6kV系統(tǒng)全面采用網絡控制存在懷疑，主要集中在網絡系統(tǒng)的實時性及可靠性方面。在ECS建設的實踐中，我們認為，只要合理構建通信網絡，在底層綜合保護測控裝置采用快速網絡通信技術，*可以保證系統(tǒng)的實時性和可靠性。
二、ECS的構成
ECS由間隔層、通信層、系統(tǒng)層組成。整體的核心設計思想是在任何情況下均要保證自動化系統(tǒng)的可靠性，網絡的可靠性在系統(tǒng)各個層次的設計中均得到充分體現(xiàn)。本節(jié)將結合圖1，詳細介紹ECS的典型結構。
2.1間隔層
間隔層不僅包括6kV廠用電系統(tǒng)的綜合保護和400V配電系統(tǒng)的智能保護，還包括機組保護系統(tǒng)、直流系統(tǒng)、AVR系統(tǒng)等。其中數(shù)量zui多、zui重要的是6kV廠用電系統(tǒng)的綜合保護裝置?？紤]到CSPA2000采用全數(shù)字式遙控，必須采用一定的手段保證綜合保護裝置與DCS的快速信息交換，因此，CSPA2000的綜合保護裝置采用雙10Mbit/s工業(yè)以太網作為通信網絡，在抗干擾要求比較高的環(huán)境下還可以直接采用光纖通信。雖然綜合保護裝置為保護、測控一體化裝置，但保護、測控功能獨立，保護功能不信賴于通信網絡。
典型的間隔層組網方式為：
a.6kV廠用電系統(tǒng)的綜合保護測控裝置，包括電動機保護、饋線保護、變壓器保護、備自投、電壓互感器測控、分段保護等。這些裝置以10Mbit/s雙以太網方式接入通信層的冗余雙重化通信管理機。
b.400V饋線及電動機負荷，包括主廠房、輔助廠房內甚至碼頭輸煤系統(tǒng)的智能開關保護單元。系統(tǒng)配置獨立的通信管理機，以RS-485的方式接入這些開關保護單元。
c.發(fā)變組保護及輔助系統(tǒng)，包括發(fā)變組保護、同期裝置、廠用電快速切換裝置、發(fā)變組錄波裝置、勵磁調節(jié)控制單元、UPS系統(tǒng)、直流系統(tǒng)、柴油發(fā)電機組等。根據重要性的不同，系統(tǒng)配置若干通信管理機，以RS-485/RS-232等方式接入。
2.2通信層
通信層是間隔層和系統(tǒng)層之間的適配層，并負責與DCS接口。通信層一般由若干功能明確的通信管理機組成，這此通信管理機通過l0Mbit.s-1/100Mbit.S-1自適應交換機接入ECS層，同時與DCS可采用"一對一"的通信方式，把DCS關心的實時數(shù)據整理出來，發(fā)送給DCS;另外，還可以接受DCS下發(fā)的控制命令，實現(xiàn)對電動機、線路等對象開關的遙控操作。根據DCS開放性的不同，通信管理機還可以以其他方式（例如總線式）接入DCS?？紤]到網絡通信的抗干擾能力和高速率、高可靠性，通信層各通信子站（即通信處理機）到系統(tǒng)層之間均采用光纖通信方式。
通信管理機是通信層的核心設備，CSPA2000的通信管理機支持數(shù)據在線管理，即用戶可以從zui大化的間隔層數(shù)據中挑選若干需要的數(shù)據，并轉發(fā)給DCS。
2.3系統(tǒng)層
系統(tǒng)層是發(fā)電廠電氣設備監(jiān)視、測量、控制、管理的中心，是整個ECS的核心。CSPA2000系統(tǒng)層采用冗余的100Mbit/s以太網為主干網，設置ECS主服務器、工程師站、五防工作站、管理信息系統(tǒng)（MIS）通信服務器、監(jiān)控信息系統(tǒng)（SIS）通信服務器、DCS通信服務器等。無論是DCS、MIS、廠級SIS，均可以經通信服務器從ECS得到需要的原始數(shù)據或者經過處理、過濾的數(shù)據，集中體現(xiàn)了ECS的開放性。根據用戶需求的不同，還可以裁減工作站的數(shù)量（例如zui小的系統(tǒng)層設備僅配置1臺工程師兼操作員站即可），系統(tǒng)規(guī)模具有可伸縮性。
系統(tǒng)層網絡上的服務器和工作站全部采用多網絡接口及動態(tài)網絡訪問技術，具有故障檢出能力強、主備機故障切換快（小于1s）、運行效率高、響應速度快和事件處理優(yōu)先等優(yōu)點，確保關鍵設備工作于*狀態(tài)并一直在線，系統(tǒng)中任何單一網絡設備發(fā)生故障時不會影響系統(tǒng)的正常運行。
在發(fā)電廠建設初期，廠用電系統(tǒng)往往先于DCS投運，此時可以依靠ECS對全廠進行電氣控制;當DCS發(fā)生故障時，也可以使用ECS緊急處理?？紤]到電廠正常運行的習慣，可以把控制權限放到DCS,而ECS作為控制的后備手段。
三、ECS與DCS的接□
ECS原則上是與DCS（包括機組DCS、公用DCS）平等地接入SIS。但是，考慮到發(fā)電廠實際的運行習慣，DCS仍將是運行的首要工具。ECS中的發(fā)電機組和廠用電部分則是發(fā)電廠運行*的一部分，因此，ECS中操作的關鍵在于對發(fā)電機組和廠用電部分的操作。一方面，運行人員能夠在ECS的監(jiān)控后臺顯示器上實現(xiàn)對發(fā)電機組和廠用電的操作;另一方面，運行人員還應能從DCS的監(jiān)控顯示器上實現(xiàn)對發(fā)電機組和廠用電的操作。這一點是電氣監(jiān)控系統(tǒng)與DCS配合接口的關鍵。
ECS與DCS接口，從DCS的角度看相當于擴展了DCS的控制范圍，包括DCS的數(shù)據采集系統(tǒng)（DAS）、模擬量控制系統(tǒng)（MCS）、順序控制系統(tǒng)（SCS）。對于采用全開放式結構的ECS，DCS可以從系統(tǒng)層、通信層甚至間隔層與ECS交換任何數(shù)據。常見的接口方式如下:
a.ECS的通信處理機采用以太網/RS-485/RS-232（均可選冗余的雙網方式）與DCS的DPU通信，根據預先的設置，把DCS關心的實時數(shù)據（例如遙信、遙測等）快速轉發(fā)到DPU，同時接收DPU下發(fā)的各種控制命令（例如遙合、遙跳等），并轉送到具體的保護測控裝置。對于SCS來說，這樣的接口方式可能是必須的。
b.ECS在系統(tǒng)層設置通信服務器，采用以太網與DCS的系統(tǒng)層通信，主要交互一些實時性要求不高的數(shù)據，例如事件、錄波分析結果等，這些數(shù)據往往與DCS的工作流程無關。
由于間隔層綜合保護裝置的數(shù)據是通過雙網接入不同的通信管理機，所以通信層與DCS的接口實際上也是雙網，如果兩個通信管理機分別接入不同的DCS-DPU，就實現(xiàn)了從間隔層到DCS的全套雙機雙網配置。實踐證明，CSPA2000的這種與DCS接口方式非?？煽?，任一段網絡、任一臺通信管理機出現(xiàn)故障，均不會引起數(shù)據的丟失。
四、ECS的主要功能
a.繼電保護。按照分散分布的原則，6kV保護測控裝置就地安裝于開關柜內，完成被保護對象的所有保護功能。保護功能不依賴于通信網絡，與測控功能獨立。
b.測量與控制。取消的各種測量表計，由測控裝置完成有關模擬量、開關量的采集，在ECS主站上統(tǒng)一監(jiān)視?？紤]到廠用電系統(tǒng)的電能不參與計費，可以利用測控裝置的內置電能測量功能，無需裝調的電能表。6kV廠用電保護測控裝置自帶操作回路，具備防跳及跳合閘保持功能。保護跳閘與遙控跳閘分開，考慮到與舊的模式兼容，保留KKJ與TWJ串聯(lián)給出事故總信號的告警方式。系統(tǒng)支持遙控，并在實時性上提供遙控時間小于600ms、遙信變位上送時間小于300ms的保證。
c.事故分析。保護裝置具備動作告警及故障錄波功能，在ECS主站上可以調取保護動作后的錄波數(shù)據以及各種事件順序記錄（SOE——sequenceofevents），對故障進行詳盡的分析，迅速得出事故原因。
d.數(shù)據統(tǒng)計及裝置管理。在ECS主站上可以顯示各種電壓、電流、功率的實時曲線，自動生產數(shù)據報表、操作記錄，實現(xiàn)保護定值管理、保護壓板遠程投退等功能。
e.Web服務。系統(tǒng)提供Web服務接口，得到授權的用戶可以通過Internet訪問系統(tǒng)的實時信息及統(tǒng)計信息。
f.系統(tǒng)接口。具備與SIS、MIS、電力市場決策支持系統(tǒng)等的接口，為其他系統(tǒng)提供發(fā)電廠電氣系統(tǒng)的詳細信息。
五、ECS的特殊問題
過去10年中，變電站自動化技術在各種電壓等級的變電站中得到了長足的發(fā)展，并取得了顯著的技術和經濟效益。與變電站自動化相比，發(fā)電廠ECS的建設可以借鑒一些經驗，但還是存在一些*的地方，例如:
a.廠用電系統(tǒng)的繼電保護裝置一般安裝于開關柜，工作環(huán)境惡劣，要求具備*的電磁兼容性能。
b.ECS的可靠性必須得到重視，從間隔層就采用雙網技術是較好的選擇。
c.ECS需要接入的測控點數(shù)量龐大，以2臺300MW機組為例，ECS的數(shù)據點一般都在數(shù)萬點以上，無論是內部通信協(xié)議，還是系統(tǒng)層數(shù)據庫的容量，都與變電站自動化的要求*不同。
四方公司針對ECS的一些特殊問題，提出了對應的解決方案。例如，為保證間隔層綜合保護裝置的可靠性，在電氣、結構、工藝的設計上嚴格遵循匡際標準，抗干擾能力達到IEC6l000-4中zui嚴酷等級的電磁兼容性9項試驗;為保證間隔層的通信速度，綜合保護裝置直接采用l0Mbit/s以太網;為保證間隔層的通信可靠性，綜合保護裝置支持雙以太網，并有光纖接口;為了接入更多的數(shù)據點，系統(tǒng)層數(shù)據庫的設計容量遠遠突破65536點的限制。
六、結語
在工程實踐中，我們曾有一個美好的設想:如果DCS能夠開放以太網，豈不是省去了大量的通信管理機，并可大大提高DCS與ECS的數(shù)據交換速度?當前的這種DCS通過DPU、采用串口通信與ECS交互的方式，并沒有充分發(fā)揮ECS通信層與間隔層的通信潛力。也許熱工專業(yè)人員對ECS的這種思路需要時間去認識和接受，但我們相信，隨著網絡技術的不斷發(fā)展，ECS與DCS在快速以太網的基礎上無縫連接肯定不是遙遠的夢想。
