基于分层网络的发电厂综合电气自动化系统的研究
发布时间：2010-05-15
来源：中国自动化网
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发电厂综合电气自动化
导读：
目前，大部分电厂虽使用了分散控制系统(DCS)，但电气部分仍使用传统的卧盘或立盘进行模拟控制，只是厂用6kV的马达部分以硬接线方式参与了DCS控制。有些电厂在DCS中设置了电气监控系统(ECS)子控制系统，但应用过于简...
目前，大部分电厂虽使用了分散控制系统(DCS)，但电气部分仍使用传统的卧盘或立盘进行模拟控制，只是厂用6kV的马达部分以硬接线方式参与了DCS控制。有些电厂在DCS中设置了电气监控系统(ECS)子控制系统，但应用过于简单，只是把所有的电气设备控制量和状态量都是通过硬接线接入DCS，电气参数都是由变送器变换后再进行模拟量采集，增加了中间设备故障几率和设备投资。而目前已经普遍采用的电气控制和保护设备都使用了微机式综合保护装置，已能够实现测控一体化，所有的电气设备控制量、状态量和电气参数均已采集保存，且微机式没备都没有通信口，完全可以通信方式传送给DCS，减少大量的中间设备和电缆，减少故障几率和设备投资[1]。变电站综合自动化虽已得到广泛使用，但并不能将其技术直接用于发电厂综合自动电系统，因发电厂的控制对象和通信量远大于变电站，有许多技术难题有待解决[2]。
一、系统配置和结构
江苏徐州华润电力有限公司二期工程2台300MW机组综合电气自动化系统结构和配置见图1。
综合电气自动化系统通过通信方式与所有电气保护控制设备及DCS和实时监控系统(SIS)相联，它们分别是发电机励磁系统、同期系统、发变组及线路保护系统、厂用6kV系统、2个不同生产厂的厂用400V系统、直流系统、UPS电源、柴油发电机、DCS、SIS。
综合电气自动化系统网络采用以下三层结构。
(1)底层是间隔层，即控制和保护测控装置，如6kV和380V保护装置、励磁系统、同期装置、发变组保护等。这些设备来自于不同的厂家，在选型时都要求有通信功能，通过通信的远方操作能够实现本地操作的所有功能，以便于综合电气自动化系统实现的功能更强大。
(2)中层为前置层，是网络传输的核心。在这一层上，将不同厂家、不同种类通信协议、不同传输速度的各种装置的通信转换成高速的、协议一致的通信。实现间隔层和监控层的实时通信。前置层是分层分布实现的。前置层设备是根据ECS规模、配置要求分布实现的，ECS可包括多套前置层设备，在本项目中共包括了5套前置层设备。每套前置层设备又是分层实现的，由网络处理器(NPU)、现场总线网络和协议转换器(PTU)组成，其中，NPU和现场总线网络是冗余的，现场总线网络介质采用光纤，支持远距离传输(2km)。每套前置层设备包括PTU的数量，根据实际需要配置最多支持32台。PTU通过间隔层网络与间隔层设备通信，每套PTU最多可支持16台间隔层设备。
(3)上层为监控层，是系统功能的核心，系统的监控功能在这一层上得到实现，监控层由管理站、通信站和网络组成，管理站和通信站采用标准的工控机，网络采用冗余的100M工业以太网。监控层的功能分为对外及对内两大部分，对外的功能是指和其他系统的接口功能，在本项目中目前包括DCS和SIS两大系统的接口，其中和DCS的接口是双向的，需要通过DCS操作间隔层的设备，并有严格的速度要求。对内的功能是指对间隔层装置的监控和管理功能，以及系统自诊断功能。监控功能包括通过间隔层设备对电气系统的监视和操作，管理功能包括系统的组态、对间隔层设备参数设定和修改，以及历史数据记录和管理等。自诊断功能是对系统自身设备运行状况的诊断。
二、综合电气自动化的关键技术
综合电气自动化系统是和众多不同厂家、不同通信协议、不同通信速率的设备进行通信，如本项目达13种之多，和这些设备协调、高效、可靠的通信是综合电气自动化系统的关键技术。本项目特色是在前置层的设计上，前置层由网络处理器、现场总线网络和协议转换器组成，其中协议转换器是非常关键部份。
协议转换器是一种专门开发的智能通信装置。协议转换器的硬件支持多种不同的通信电气规范，如RS232、RS485、CAN等;软件则是针对各种不同设备编制不同的协议，目前已经能够支持MODBUS国际标准通信协议和国内主要电气设备制造商的通信协议，因此能满足不同间隔层设备的通信要求。另一方面，协议转换器与网络处理器的通信则采用高速、标准的通信方式，使得间隔层设备低速的、类型不同的通信能够高速和统一的同监控层设备进行通信。特别是，协议转换器的软件设计采用了下行通信优先原则，最大限度地保证来自监控层的操作命令和与之相关的信息优先传输，使得通信速度得到保证。协议转换器用金属外壳封装，外壳可靠接地，有效提高了抗干扰能力。在安装位置上尽量靠近间隔层设备，减少传输距离，降低干扰强度。在通信速率上，绝大部分间隔层设备采用了低速率方案，多采用4800、9600bps，也提高了抗干扰能力。协议转换器和网络处理器的通信采用光缆，虽然传输距离(可达2km)、传输速率高(可达2.5Mbps)，但抗干扰能力却提高。
三、结束语
ECS通过测试和实际使用证明实现了设计目标。应用中首次实现了通过ECS和DCS的网络级通信对电气系统的关键设备进行操作，所包含的操作设备和功能包括:起备变控制(220kV线路的隔离开关、接地开关、断路器)和有载调压、全部6kV开关控制(6kV馈线、电动机、变压器)、重要的380V开关控制(PC和MCC)，共计322套控制对象。系统运行稳定，特别是通信系统实时性好。电气设备操作的响应时间，在ECS人机界面上发出操作命令到在人机界面上监视到电气设备动作的时间，经实测平均为2.3s。而在DCS人机界面上发出操作命令到观察到动作的实测平均值为3.2s。这表明，大规模的电气系统能够通过通信完整实现集中监控，而不再需要另外一套通过硬接线实现的操作。通过现代的微处理器技术、通信技术实现的综合电气自动化系统所达到的各项监控功能指标完全满足有关技术规范和运行要求。
随着监控通信技术的发展和设备控制保护技术的发展，发电厂及电力系统的自动化水平日益提高，DCS已经成熟，但发电厂的综合电气自动化系统还处于发展阶段，使用通信技术将电气设备测控装置直接连接起来，构成监控系统，不但能够提高电气部分的自动化水平，还能减少测量变换设备、录波分析设备、计量设备、电缆等，提高可靠性，节省大量投资，是一项值得大力推广的新技术。
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