0、引言
大型火力發(fā)電廠的電氣系統(tǒng)一般由機(jī)組保護(hù)系統(tǒng)、6kV廠用電系統(tǒng)、400V低壓系統(tǒng)、220kV～500kV網(wǎng)控系統(tǒng)組成，網(wǎng)控系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立。一般意義下的電氣監(jiān)控系統(tǒng)（ECS）包含除網(wǎng)控系統(tǒng)以外的所有電氣子系統(tǒng)。
國(guó)內(nèi)大部分發(fā)電廠都采用進(jìn)口的集散控制系統(tǒng)（DCS）來實(shí)現(xiàn)熱工系統(tǒng)的自動(dòng)化運(yùn)行，而電氣系統(tǒng)一般采用"一對(duì)一"的硬接線控制以及儀表監(jiān)視，自動(dòng)化水平相對(duì)落后。為了提高電氣系統(tǒng)的運(yùn)行管理水平，提升發(fā)電廠在發(fā)電市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)能力，有必要對(duì)相對(duì)陳舊的電氣系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)化改造。對(duì)已建發(fā)電廠而言，考慮到DCS具有可擴(kuò)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(duì)象的測(cè)量、控制。對(duì)于新建發(fā)電廠，可以考慮建設(shè)獨(dú)立的ECS，完成發(fā)電廠所有電氣對(duì)象的保護(hù)、測(cè)量、控制，該系統(tǒng)與DCS可以基于通信網(wǎng)絡(luò)雙向通信。
本文在總結(jié)四方公司在700多個(gè)35kV～500kV變電站自動(dòng)化系統(tǒng)成功實(shí)施的基礎(chǔ)上，結(jié)合四方公司在江蘇、貴州、云南等地成功實(shí)施的若干個(gè)單機(jī)容量300MW及600MW發(fā)電廠ECS的工程實(shí)踐，提出了基于以太網(wǎng)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(hù)、同期、AVR、6kV廠用電系統(tǒng)的保護(hù)功能獨(dú)立，6kV系統(tǒng)的遙測(cè)采用變送器轉(zhuǎn)換后接入DCS，遙信采用硬接線接至DCS,遙控由DPU輸出硬接點(diǎn)到操作箱,400V低壓系統(tǒng)的保護(hù)由開關(guān)本體實(shí)現(xiàn)，測(cè)量和控制一般不接入DCS。
建設(shè)ECS的關(guān)鍵在于如何接入DCS。常規(guī)模式下，廠用電部分的遙測(cè)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(dòng)化系統(tǒng)發(fā)展的歷程可以發(fā)現(xiàn)，“變送器＋遠(yuǎn)程終端單元（RTU）"模式己經(jīng)被取消，取而代之的是全數(shù)字化的信息交換，即一次設(shè)備運(yùn)行信息的采集系統(tǒng)只有1套，遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)在通信網(wǎng)絡(luò)上共享數(shù)字化的信息（如電流、電壓、功率、開關(guān)量等），同時(shí)，遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)均可以通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遙控和遙調(diào)，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(yùn)行水平，大大降低了運(yùn)行維護(hù)成本。
目前，發(fā)電廠的發(fā)變組保護(hù)、同期、AVR一般均采用微機(jī)型裝置，具備一定的數(shù)據(jù)通信能力;而6kV系統(tǒng)一般采用集保護(hù)、測(cè)量、控制、通信于一體的單元式綜合保護(hù)測(cè)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(jù)采集及通信功能，取消變送器和硬接線就可以把遙測(cè)、遙信送到DCS，在構(gòu)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(yùn)行人員對(duì)6kV系統(tǒng)全面采用網(wǎng)絡(luò)控制存在懷疑，主要集中在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性及可靠性方面。在ECS建設(shè)的實(shí)踐中，我們認(rèn)為，只要合理構(gòu)建通信網(wǎng)絡(luò)，在底層綜合保護(hù)測(cè)控裝置采用快速網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，*可以保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性。
二、ECS的構(gòu)成
ECS由間隔層、通信層、系統(tǒng)層組成。整體的核心設(shè)計(jì)思想是在任何情況下均要保證自動(dòng)化系統(tǒng)的可靠性，網(wǎng)絡(luò)的可靠性在系統(tǒng)各個(gè)層次的設(shè)計(jì)中均得到充分體現(xiàn)。本節(jié)將結(jié)合圖1，詳細(xì)介紹ECS的典型結(jié)構(gòu)。
2.1間隔層
間隔層不僅包括6kV廠用電系統(tǒng)的綜合保護(hù)和400V配電系統(tǒng)的智能保護(hù)，還包括機(jī)組保護(hù)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(hù)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(hù)裝置與DCS的快速信息交換，因此，CSPA2000的綜合保護(hù)裝置采用雙10Mbit/s工業(yè)以太網(wǎng)作為通信網(wǎng)絡(luò)，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(hù)裝置為保護(hù)、測(cè)控一體化裝置，但保護(hù)、測(cè)控功能獨(dú)立，保護(hù)功能不信賴于通信網(wǎng)絡(luò)。
典型的間隔層組網(wǎng)方式為：
a.6kV廠用電系統(tǒng)的綜合保護(hù)測(cè)控裝置，包括電動(dòng)機(jī)保護(hù)、饋線保護(hù)、變壓器保護(hù)、備自投、電壓互感器測(cè)控、分段保護(hù)等。這些裝置以10Mbit/s雙以太網(wǎng)方式接入通信層的冗余雙重化通信管理機(jī)。
b.400V饋線及電動(dòng)機(jī)負(fù)荷，包括主廠房、輔助廠房?jī)?nèi)甚至碼頭輸煤系統(tǒng)的智能開關(guān)保護(hù)單元。系統(tǒng)配置獨(dú)立的通信管理機(jī)，以RS-485的方式接入這些開關(guān)保護(hù)單元。
c.發(fā)變組保護(hù)及輔助系統(tǒng)，包括發(fā)變組保護(hù)、同期裝置、廠用電快速切換裝置、發(fā)變組錄波裝置、勵(lì)磁調(diào)節(jié)控制單元、UPS系統(tǒng)、直流系統(tǒng)、柴油發(fā)電機(jī)組等。根據(jù)重要性的不同，系統(tǒng)配置若干通信管理機(jī)，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(fù)責(zé)與DCS接口。通信層一般由若干功能明確的通信管理機(jī)組成，這此通信管理機(jī)通過l0Mbit.s-1/100Mbit.S-1自適應(yīng)交換機(jī)接入ECS層，同時(shí)與DCS可采用"一對(duì)一"的通信方式，把DCS關(guān)心的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)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(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)、線路等對(duì)象開關(guān)的遙控操作。根據(jù)DCS開放性的不同，通信管理機(jī)還可以以其他方式（例如總線式）接入DCS。考慮到網(wǎng)絡(luò)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(jī)）到系統(tǒng)層之間均采用光纖通信方式。
通信管理機(jī)是通信層的核心設(shè)備，CSPA2000的通信管理機(jī)支持?jǐn)?shù)據(jù)在線管理，即用戶可以從zui大化的間隔層數(shù)據(jù)中挑選若干需要的數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)發(fā)給DCS。
2.3系統(tǒng)層
系統(tǒng)層是發(fā)電廠電氣設(shè)備監(jiān)視、測(cè)量、控制、管理的中心，是整個(gè)ECS的核心。CSPA2000系統(tǒng)層采用冗余的100Mbit/s以太網(wǎng)為主干網(wǎng)，設(shè)置ECS主服務(wù)器、工程師站、五防工作站、管理信息系統(tǒng)（MIS）通信服務(wù)器、監(jiān)控信息系統(tǒng)（SIS）通信服務(wù)器、DCS通信服務(wù)器等。無論是DCS、MIS、廠級(jí)SIS，均可以經(jīng)通信服務(wù)器從ECS得到需要的原始數(shù)據(jù)或者經(jīng)過處理、過濾的數(shù)據(jù)，集中體現(xiàn)了ECS的開放性。根據(jù)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(shè)備僅配置1臺(tái)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(wǎng)絡(luò)上的服務(wù)器和工作站全部采用多網(wǎng)絡(luò)接口及動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)訪問技術(shù)，具有故障檢出能力強(qiáng)、主備機(jī)故障切換快（小于1s）、運(yùn)行效率高、響應(yīng)速度快和事件處理優(yōu)先等優(yōu)點(diǎn)，確保關(guān)鍵設(shè)備工作于*狀態(tài)并一直在線，系統(tǒng)中任何單一網(wǎng)絡(luò)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)不會(huì)影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。
在發(fā)電廠建設(shè)初期，廠用電系統(tǒng)往往先于DCS投運(yùn)，此時(shí)可以依靠ECS對(duì)全廠進(jìn)行電氣控制;當(dāng)DCS發(fā)生故障時(shí)，也可以使用ECS緊急處理。考慮到電廠正常運(yùn)行的習(xí)慣，可以把控制權(quán)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(jī)組DCS、公用DCS）平等地接入SIS。但是，考慮到發(fā)電廠實(shí)際的運(yùn)行習(xí)慣，DCS仍將是運(yùn)行的首要工具。ECS中的發(fā)電機(jī)組和廠用電部分則是發(fā)電廠運(yùn)行*的一部分，因此，ECS中操作的關(guān)鍵在于對(duì)發(fā)電機(jī)組和廠用電部分的操作。一方面，運(yùn)行人員能夠在ECS的監(jiān)控后臺(tái)顯示器上實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)組和廠用電的操作;另一方面，運(yùn)行人員還應(yīng)能從DCS的監(jiān)控顯示器上實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)組和廠用電的操作。這一點(diǎn)是電氣監(jiān)控系統(tǒng)與DCS配合接口的關(guān)鍵。
ECS與DCS接口，從DCS的角度看相當(dāng)于擴(kuò)展了DCS的控制范圍，包括DCS的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS）、模擬量控制系統(tǒng)（MCS）、順序控制系統(tǒng)（SCS）。對(duì)于采用全開放式結(jié)構(gòu)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(jù)。常見的接口方式如下:
a.ECS的通信處理機(jī)采用以太網(wǎng)/RS-485/RS-232（均可選冗余的雙網(wǎng)方式）與DCS的DPU通信，根據(jù)預(yù)先的設(shè)置，把DCS關(guān)心的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)（例如遙信、遙測(cè)等）快速轉(zhuǎn)發(fā)到DPU，同時(shí)接收DPU下發(fā)的各種控制命令（例如遙合、遙跳等），并轉(zhuǎn)送到具體的保護(hù)測(cè)控裝置。對(duì)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(shè)置通信服務(wù)器，采用以太網(wǎng)與DCS的系統(tǒng)層通信，主要交互一些實(shí)時(shí)性要求不高的數(shù)據(jù)，例如事件、錄波分析結(jié)果等，這些數(shù)據(jù)往往與DCS的工作流程無關(guān)。
由于間隔層綜合保護(hù)裝置的數(shù)據(jù)是通過雙網(wǎng)接入不同的通信管理機(jī)，所以通信層與DCS的接口實(shí)際上也是雙網(wǎng)，如果兩個(gè)通信管理機(jī)分別接入不同的DCS-DPU，就實(shí)現(xiàn)了從間隔層到DCS的全套雙機(jī)雙網(wǎng)配置。實(shí)踐證明，CSPA2000的這種與DCS接口方式非常可靠，任一段網(wǎng)絡(luò)、任一臺(tái)通信管理機(jī)出現(xiàn)故障，均不會(huì)引起數(shù)據(jù)的丟失。
四、ECS的主要功能
a.繼電保護(hù)。按照分散分布的原則，6kV保護(hù)測(cè)控裝置就地安裝于開關(guān)柜內(nèi)，完成被保護(hù)對(duì)象的所有保護(hù)功能。保護(hù)功能不依賴于通信網(wǎng)絡(luò)，與測(cè)控功能獨(dú)立。
b.測(cè)量與控制。取消的各種測(cè)量表計(jì)，由測(cè)控裝置完成有關(guān)模擬量、開關(guān)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(jì)費(fèi)，可以利用測(cè)控裝置的內(nèi)置電能測(cè)量功能，無需裝調(diào)的電能表。6kV廠用電保護(hù)測(cè)控裝置自帶操作回路，具備防跳及跳合閘保持功能。保護(hù)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(hào)的告警方式。系統(tǒng)支持遙控，并在實(shí)時(shí)性上提供遙控時(shí)間小于600ms、遙信變位上送時(shí)間小于300ms的保證。
c.事故分析。保護(hù)裝置具備動(dòng)作告警及故障錄波功能，在ECS主站上可以調(diào)取保護(hù)動(dòng)作后的錄波數(shù)據(jù)以及各種事件順序記錄（SOE——sequenceofevents），對(duì)故障進(jìn)行詳盡的分析，迅速得出事故原因。
d.數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及裝置管理。在ECS主站上可以顯示各種電壓、電流、功率的實(shí)時(shí)曲線，自動(dòng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)報(bào)表、操作記錄，實(shí)現(xiàn)保護(hù)定值管理、保護(hù)壓板遠(yuǎn)程投退等功能。
e.Web服務(wù)。系統(tǒng)提供Web服務(wù)接口，得到授權(quán)的用戶可以通過Internet訪問系統(tǒng)的實(shí)時(shí)信息及統(tǒng)計(jì)信息。
f.系統(tǒng)接口。具備與SIS、MIS、電力市場(chǎng)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(xì)信息。
五、ECS的特殊問題
過去10年中，變電站自動(dòng)化技術(shù)在各種電壓等級(jí)的變電站中得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，并取得了顯著的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益。與變電站自動(dòng)化相比，發(fā)電廠ECS的建設(shè)可以借鑒一些經(jīng)驗(yàn)，但還是存在一些*的地方，例如:
a.廠用電系統(tǒng)的繼電保護(hù)裝置一般安裝于開關(guān)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(wǎng)技術(shù)是較好的選擇。
c.ECS需要接入的測(cè)控點(diǎn)數(shù)量龐大，以2臺(tái)300MW機(jī)組為例，ECS的數(shù)據(jù)點(diǎn)一般都在數(shù)萬點(diǎn)以上，無論是內(nèi)部通信協(xié)議，還是系統(tǒng)層數(shù)據(jù)庫(kù)的容量，都與變電站自動(dòng)化的要求*不同。
四方公司針對(duì)ECS的一些特殊問題，提出了對(duì)應(yīng)的解決方案。例如，為保證間隔層綜合保護(hù)裝置的可靠性，在電氣、結(jié)構(gòu)、工藝的設(shè)計(jì)上嚴(yán)格遵循匡際標(biāo)準(zhǔn)，抗干擾能力達(dá)到IEC6l000-4中zui嚴(yán)酷等級(jí)的電磁兼容性9項(xiàng)試驗(yàn);為保證間隔層的通信速度，綜合保護(hù)裝置直接采用l0Mbit/s以太網(wǎng);為保證間隔層的通信可靠性，綜合保護(hù)裝置支持雙以太網(wǎng)，并有光纖接口;為了接入更多的數(shù)據(jù)點(diǎn)，系統(tǒng)層數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)突破65536點(diǎn)的限制。
六、結(jié)語
在工程實(shí)踐中，我們?cè)幸粋€(gè)美好的設(shè)想:如果DCS能夠開放以太網(wǎng)，豈不是省去了大量的通信管理機(jī)，并可大大提高DCS與ECS的數(shù)據(jù)交換速度?當(dāng)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(duì)ECS的這種思路需要時(shí)間去認(rèn)識(shí)和接受，但我們相信，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，ECS與DCS在快速以太網(wǎng)的基礎(chǔ)上無縫連接肯定不是遙遠(yuǎn)的夢(mèng)想。
