大中型电站电气现场总线控制系统应用研究与设计

近年来, 随着电力行业的技术进步及分散控制系统(DCS) 在电厂中的广泛应用, 300MW及以上容量机组的热工控制已全面采用分散控制系统(DCS),逐步形成了数据采集(DAS)、模拟量控制(MCS)、顺序控制(SCS)、燃烧器管理(BMS)四大系统。但DCS 主要完成的是汽轮机、锅炉的自动化过程控制, 对电气部分的自动化结合较少,DCS 一般未充分考虑电气设备的控制特点, 所以无论是功能上还是系统结构上, 与网络微机监控系统相比在自动化程度、开放性等方面都有较大的差距。实施以现场总线技术为基础电站电气控制系统(ECS)，进而将该系统以相对独立的单元实体模式最终纳入DCS体系之中,充分利用FCS先进的全分散控制技术,提高电气控制自动化水平和可靠性。可充分利用FCS的彻底分散和数字信息现场化、智能设备自诊断等特点，使电气防误操作等功能实现更方便、更完备,并且将相关量的显示报警与电气设备的控制调节有机地结合起来,有效提高整个电气控制的安全性和可靠性。

一、电站电气控制系统的主要特点

电站ECS与热工自动化在控制要求及运行过程中都有较大的区别,电站ECS的主要特点为:(1)电气设备相对热工设备而言控制对象少,操作频率低,有的系统或设备运行正常时,时常几个月或更长时间才操作1次;控制系统所实现的是顺序控制, 即数字量控制, 模拟量信号仅作监视, 不参与系统逻辑控制 (2)电气设备保护自动装置要求可靠性高,动作速度快。如发变组保护动作速度要求在40ms以内,厂用电快切装置快速切换时间一般小于60～80ms。 (3)300MW及以上机组一般每2台机组共用1台启/备变,任一机组检修都不能影响另一台机组的正常运行。(4)电气设备电气系统的联锁逻辑较简单,但电气设备本身操作机构复杂。因此要求控制系统具有很高的可靠性。除了能实现正常启停和运行操作外,尤其要求能够实现实时显示异常运行和事故状态下的各种数据和状态,并提供相应的操作指导和应急处理措施,保证电气系统自动控制在最安全合理的工况下工作。

二、电站电气控制系统的监控范围

一般来说, 电站电气控制系统的监控对象主要有:

1) 发电机- 变压器组, 其监控范围主要包括发电机、发电机励磁系统、主变压器、220 kV 断路器;

2) 高压厂用工作及备用电源, 其监控范围主要包括高压厂用工作变压器、起动- 备用变压器等;

3) 主厂房内低压厂用电源, 其监控范围主要包括低压厂用工作和公用变压器、照明变压器、检修变压器和除尘变压器等主厂房的低压厂用变压器;

4) 辅助车间低压厂用电源;

5) 动力中心至电动机控制中心电源馈线;

6) 单元机组发电机和锅炉DCS 控制电动机;

7) 保安电源;

8) 直流系统;交流不停电电源。

三、现场总线的技术特点及EFCS的优势

20 世纪90 年代中后期, 现场总线控制技术兴起并蓬勃发展起来，并开始逐渐应用于电站自动化。近年来，随着电气控制运行经验的成熟，各类电气智能化控制设备不断出现，为现场总线技术应用于电站电气控制做好了准备。现场总线将集中与分散相结合的控制系统结构，转变称为新型的全分布式结构，把控制功能彻底下放到现场，依靠现场智能设备自身实现基本控制功能;同时，由于采用了全数字化的现场智能设备和数字通信技术，使系统具备了完全的自诊断和综合信息集成的能力，为电站综合自动化和全程自动化的实现奠定了坚实的基础。现场总线的特点主要表现在：

1) 系统的开放性。开放系统是指通信协议公开, 各不同厂家的设备之间可进行互连并实现信息交换, 现场总线开发者就是要致力于建立统一的工厂底层网络的开放系统。这里的开放是指对相关标准的一致、公开性, 强调对标准的共识与遵从。一个开放系统, 它可以与任何遵守相同标准的其它设备或系统相连。一个具有总线功能的现场总线网络系统必须是开放的, 开放系统把系统集成的权利交给了用户。用户可按自己的需要和对象把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统。

2) 互可操作性与互用性, 这里的互可操作性, 是指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通, 可实行点对点, 一点对多点的数字通信。而互用性则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可进行互换而实现互用。

3) 现场设备的智能化与功能自治性。它将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成, 仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能, 并可随时诊断设备的运行状态。

4) 系统结构的高度分散性。由于现场设备本身已可完成自动控制的基本功能, 使得现场总线已构成一种新的全分布式控制系统的体系结构。从根本上改变了现有DCS 集中与分散相结合的集散控制系统体系, 简化了系统结构, 提高了可靠性。

5) 对现场环境的适应性。工作在现场设备前端, 作为工厂网络底层的现场总线, 是专为在现场环境工作而设计的, 它可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等, 具有较强的抗干扰能力, 能采用两线制实现送电与通信, 并可满足本质安全防爆要求等。　由于现场总线的以上技术特点, 特别是现场总线系统结构的简化, 使控制系统的设计、安装、投运到正常生产运行及其检修维护, 都体现出优越性。

对于电气系统全部采用硬接线进入DCS 的控制系统, 缺点是硬件设备对数据的采集只能采用I/ O 方式, 电气系统的信息量均要采用I/ O 方式接入DCS , 电气模拟量还要经过变送器转换成4~20 mA 直流信号送入DCS , 由于DCS 的I/ O 点数总量控制及I/ O 采集方式本身的限制, 不可能将所有电气信息量送入DCS , 信息量不完整, 无法满足电气系统故障分析、状态处理、设备管理等高级应用功能的需要;同时所有信息均要采用硬接线接入DCS , I/ O 接口多, 硬接线测点量大, 系统接线复杂, 控制电缆用量多, 系统中有大量的变送器和I/ O 接口, 系统运行、维护的工作量较大, 对提高电厂运行管理水平不利。EFCS 是将在变电站和发电厂网络控制中已经积累了丰富运行经验的计算机分布式控制系统用于火力发电厂的电气系统控制, 其特点是采用现场总线的设计思路, 所有电气设备的信息采集主要采用综合智能测控单元进行转换和采集, 对于特别重要的信号(如参与联锁控制的信号量) 和控制量,除保留通信接口方式外, 采用硬接线接入DCS 的I/ O 柜进行采集, 如运行(合闸) 、停止(跳闸) 、故障、允许操作等与控制联锁逻辑有关的信号均采用硬接线接入DCS 的I/ O 柜, 对于所有控制量如各断路器的跳闸、合闸指令也通过DCS 的I/ O 柜用硬接线方式接入各开关控制回路, 避免了万一通信不畅时不能进行监控的问题。由于采用综合智能测控单元进行电气数据采集, 除能完成数据采集任务外, 还能对数据进行预处理, 并通过敷设在配电室开关柜内的现场总线将处理后的数据送入通信管理机, 系统接线十分简单。为便于运行维护和调试,各通信管理机均提供调试接口, 可供机组维护人员在厂用电倒送和检修调试期间使用。系统还配置有电气工程师站, 其主要功能是实现电气系统故障信息管理及故障分析、设备管理、自动抄表等管理功能, 供运行维护人员进行电气系统的数据库、界面、报表等的维护修改以及电气自动化系统的监视与维护, 还可以作为培训工作站进行操作流程预演及对运行人员的培训仿真或作为DCS 操作员站的备用, 可在建设初期DCS 未投入时满足厂用电倒送或DCS 退出时对电气系统进行监控。EFCS采用现场总线方式, 电气信息量采集完整, 为实现电厂电气系统高度自动化运行及管理水平提供了硬件基础。该方案除具有远程I/ O 的全部优点外, 还可以减少大量DCS 的隔离器件、端子柜、I/ O 卡件等, 且综合智能测控单元直接安装在开关柜上, 开关柜外采用总线进行通信连接, 可大幅度节省控制电缆及施工安装工作量和系统调试、检修及维护工作量。对厂用电系统等基本上取消了硬接线, 使控制系统接线更为简单, 能最大程度地节省控制电缆, 减小施工、安装、调试、检修和维护工作量。此外, 由于各智能测控单元功能独立, 风险分散, 任何一个测控装置的故障仅涉及到相应元件, 不影响其它间隔, 使整个系统可靠性得到很大提高, 又增加了备用操作手段(既可在控制层操作, 也可在间隔层操作) , 提高了信息转换精度和可靠性, 也避免了信号(特别是4～20 mA 模拟量信号) 在传输中的衰减和干扰等问题。[!--empirenews.page--]

四、电站EFCS的设计实现

4.1 电站 EFCS设计中需注意的问题

针对电站ECS的主要特点，在设计电站EFCS时，应注意以下问题：

1) 选用的现场总线系统应具有较强的数字控制功能;

2) 选用的现场总线系统应具有较强的自诊断功能;

3) 选用的现场总线通信链路应具有较高的数据传输速率，以满足ECS控制实时性的需要;

4) 选用的现场总线智能前端设备应具有强的抗电磁干扰能力和高的可靠性。

4.2 电站EFCS设计的主要功能和系统结构

针对电站ECS的监控范围，所设计的电站EFCS应具有以下功能：

1) 所有有关的电气设备进行控制、联锁，能对各有关电气参数进行测量，并能在操作画面上显示各设备运行的状态和工况;

2) 具有发变组及各配电设备的事故、预告、保护动作后的报警、显示、历史记录和追忆等功能;

3) 发电机顺控自动升压、自动准同期并网;

4) 发电机主、备励磁机之间的自动切换操作;

5) 厂用电可根据负荷自动切换

依据以上主要功能，设计的电站EFCS具有如下三层结构，如图1所示。最上层采用数据库服务器与DCS控制层以太网连接，使电站EFCS成为DCS有机的组成部分，且该部分具有很高的灵活性。中间层采用冗余以太网将服务器、电气工程师站、EFCS控制器连接起来，使该层具有较高的通信速率，以保证系统整体控制的实时性;低层采用现场总线与位于现场的智能电气设备连接，划分为6KV网段、380VPC网段和发变组保护及录波设备网段。发变组测控装置与中间层以太网直接连接，可为三个网段的控制提供数据信息。

4.3 电站EFCS设计实例

某300MW机组电站，设计基于PROFIBUS-DP网络的EFCS，该EFCS子系统很容易与DCS实现无缝连接。在此仅以该EFCS通过 PROFIBUS-DP网络实现对变频器及现场智能电机的控制为例来说明设计过程。PROFIBUS是近年来国际上最为流行的现场总线，也是目前数据传输率最快的一种现场总线(传输率可达12Mbit/s)，因此在很多领域内得到了广泛 的应用。它由三个兼容部分组成，即PROFIBUS—DP、PROFIBUS—PA 和PROFIBUS—FMS。其中，在PROFIBUS—DP 数据传输速率、效率和低连接成本方面特别适用于电站电气控制系统的通信。使用PROFIBUS—DP可取代24V(DC)或4～20mA信号传输。 PROFIBUS—DP用于现场的快速数据交换时，以中央自动化设备(如PLC/PC或过程控制系统)为主站，通过串行连接与分散的现场设备(如 I/O、驱动器和阀门及测量变送器)组成通信网络。

1)系统结构

该厂300MW机组采用北京国电智深公司的EDPF-NT DCS系统，原DCS主干网络采用100M冗余以太网，用于连接各分散控制单元DPU和操作员站及工程师站，网络拓扑结构为星型连接，中央节点采用高性能交换机，从而保证了各站点间数据交换的实时性。所设计的电气EFCS通过与该DCS分散控制单元DPU内的PROFIBUS-DP现场总线网络接口设备实现与上层DCS系统的无缝连接。整体系统具有三层网络，上层为100M冗余以太网;DPU冗余主控模件通过PROFIBUS-DP现场总线网络接口设备以及Controlnet与PROFIBUS-DP主站连接，构成中层网络;低层网络为PROFIBUS-DP现场总线，用于连接PROFIBUS-DP主站和智能电机及变频器等从设备，共使用了两个独立的PROFIBUS网段，其中一段通过控制智能电机，另外一段与变频器进行通讯。系统结构如图2所示。

2)系统组态

为实现与DCS互连的PROFIBUS总线网络与变频器及智能电机的通讯及控制，需利用DCS工程师站来完成PROFIBUS的网络组态工作。主要包括以下四个方面的组态设计：

① 现场总线网络组态：主要从PROFIBUS总线网络主站、从站的通讯速率、从站数量、冗余安全几个方面考虑。考虑到位于现场的变频器与智能电机的通讯速率不同，为了防止变频器受到干扰，将变频器与智能电机布置在不同的网段;

② PROFIBUS 总线系统模件的连接：将变频器和智能电机通过PROFIBUS与系统中的PROFIBUS主站模块相连接。PROFIBUS总线网络的组态信息存储在该主站的NVRAM中，从而可以支持掉电重启自恢复对各从站设备的配置。

③ 下载安装PROFIBUS 总线系统从站GSD：为达到PROFIBUS简单的即插即用配置，每一个PROFIBUS从站都要有一个"设备描述文件”称为GSD文件，用来描述该 PROFIBUS-DP设备的特性，PROFIBUS设备的特性均在GSD中具体说明。GSD文件包含了设备所有定义参数，包括：支持的波特率、支持的信息长度、输入/输出数据数量、诊断数据的含义、可选模块种类等。建立PROFIBUS-DP总线，必须下载安装设备GSD文件。标准化的GSD数据将通信扩大到操作员控制级。使用基于GSD的组态工具可将不同厂商生产的设备集成在同一总线系统中。既简单又是对用户友好的。GSD文件可以分为三个部分：

◆ 一般规范 这部分包括生产厂商和设备的名称，硬件和软件的版本状况，支持的波特率一可能的监视时间问隔以及总线插头的信号分配;

◆ 与DP主站有关的规范这部分包括只运用于DP主站的各项参数(如连接从站的最多台数或上装和下装能力)。这一部分对从站没有规定;

◆ 与DP从站有关的规范 这部分包括与从站有关的一切规范(如输入/输出通道的数量和类型、中断测试的规范以及输入/输出数据一致性的信息)。

GSD文件是ASCII文件.可以用任何一种ASCII编辑嚣编辑。GSD文件是由若干行组成，每行都用一个关键字开头，包括关键字及参数(无符号数或字符串)两部分。GSD文件中的关键字可以是标准关键字(在PROFIBUS标准中定义)或自定义关键字。标准关键字可以被PROFIBUS的任何组态工具所识别，而自定义 关键字只能被特定的组态工具识别。

作为从站使用的变频器及智能电机都有厂商提供的GSD文件，需要先安装相应的GSD文件后方可进行系统软组态。

④ PROFIBUS现场总线系统组态：将PROFIBUS主站及从站分别加入到现场总线网络中;设置主站、从站的网络地址，为各从站组态相应的控制模块，配置主要运行参数。根据工艺流程需要和避免电磁干扰，通过总线接口卡件组成两个独立的PROFIBUS现场总线网络，将现场电气设备连接到这两段不同的 PROFIBUS网络中，并使用 PROFIBUS组态软件完成两个网段的组态。[!--empirenews.page--]

a.通过将智能电机的GSD文件加入上位组态平台后，可对该下位设备进行组态。网络主站站号为000，而智能电机作为从站，站号从001开始，智能电机从站支持多种数据结构，在此选择8字节输入/2字节输出的方式，这样可在保证不影响网络数据传输速度的前提下提高数据读取的效率。通过专用的软件设置智能电机相应的站号，同时对电机的相应参数进行设置;对相应输入、输出字节信息进行组态，通过设置不同的标志为来指示电机运行、故障等信号;通讯速率在 PROFIBUS主站上组态，在现场电机从站重启后，可以自动获取该组态信息。

b.将变频器设备与另一PROFIBUS总线接口卡件组成单独的网络，其通讯速率可达到1.5Mbps，保证了变频器控制的实时性和可靠性。将变频器的 GSD文件加入后，可对该下位设备进行组态。在该段PROFIBUS_DP网络中，与智能电机网段类似，主站站号为0，变频器从站站号从001开始。在针对其Modules参数进行组态时，应注意变频器共支持PPO1-PPO5共五种PPO Module，在此为提高该模件的模拟数据读取的效率，选择PPO4方式，不读取变频器相关的参数。同时在扩展参数设置中，应根据系统实际情况，而不是系统默认参数来进行组态。

在变频器侧，加入PROFIBUS通讯模块，其地址设置由硬跳线完成，在变频器中对相应的通讯参数进行设置。变频器需要进行初始化，须在总线系统中完成，以保证变频器断电重启后的通讯正常。

五、结束语

电站EFCS采用现场总线控制技术, 电气信息量采集完整, 为实现电厂电气系统高度自动化运行及管理水平提供了硬件基础。电站EFCS实现现场设备的智能化与功能自治性, 大量减少了DCS卡件等,大幅度节省控制电缆及施工安装工作量和系统调试、检修及维护工作量;控制系统接线更为简单, 能最大程度地节省控制电缆, 减小施工工作量。同时, 由于EFCS的彻底分散的特性, 使电气设备系统运行的风险彻底分散从而达到最小，使系统整体可靠性得到很大提高。由于采用了全数字化的现场智能设备和数字通信技术，不仅大大提高了信息传输的精度和可靠性，更重要的使系统具备了完全的自诊断和综合信息集成的能力，为电站综合自动化和全程自动化的实现奠定了坚实的基础。相信在众多DCS和电气厂家的努力下，EFCS将在大、中型企业中广泛推广应用并将日益发展和成熟起来。

【参考文献】

[1] 易扬，现场总线技术在电厂电气控制系统中的应用，广东电力，19(8)：401-45，2006.

[2] 鲁刚，电气控制领域中现场总线控制的现状与展望，安防科技，(10)：18-21，2006.

[3] 黄焰，电气控制功能纳入电厂分散控制系统的设计原则，江苏电机工程，21(1)：1-4，2002

[4] 王建山, 现场总线控制系统在煤矿中的应用,电气开关,41(2):26-27,2003.

[5] 王晓东, 现场总线技术在控制系统中的应用,电站系统工程，20(3)：54-55,2004.

[6] 蒋家沈, 生活垃圾焚烧发电厂电气控制系统的集成方案,电气自动化，25(2)：73-75，2003.

[7] 朱建梁, 电气控制系统(ECS)进入DCS系统方式的探讨,湖南电力，24(10)：30-32，2004.

[8] 苏月城, 对电厂电气控制系统-现场总线技术浅谈，广东科技，(14):137-139，2008.