厂用电综合自动化系统的应用

吕 强，王 宏，孙 静

（1.国网技术学院，山东 济南 250002；2.山东蓬莱东海热电有限公司，山东 蓬莱 265609；3.华能威海发电厂，山东 威海 264205）

0 引言

目前国内新建机组或者老机组的改造中已广泛采用了分散控制系统（DCS），实现了在集中控制室内对机组各项参数的集中监视、控制和事故处理，形成了数据采集（DAS）、模拟量控制（MCS）、顺序控制（SCS）、锅炉炉膛安全监控（FSSS）四大相互协调的系统，从而使得发电厂热工自动化的监控水平跃上了一个新的台阶。相对于DCS自动化技术水平的高速发展，电气系统监控的自动化水平发展缓慢。尽管目前国内许多大型机组电气部分已进入机组分散控制系统，但火力发电厂的DCS大都侧重于机炉控制，对电气系统考虑较少，电气系统自动化控制发展相对滞后。尤其是厂用电电气系统的控制，相当一部分仍停留在传统的表计、光字牌、手操站，控制逻辑通过继电器用硬接线方式实现的水平，或者虽然电气的继电保护装置、安全自动装置等已逐步实现了微机化，但其自动化的整体水平一直未能实现质的飞跃，无法满足机、炉、电统一协调发展。因此，提高厂用电电气自动化控制水平的要求日益增加，发展厂用电综合自动化成为迫切需求。近年来，关于用电综合自动化系统的研究成为一个研究热点[1-10]。

厂用电系统作为整个发电厂中的一个组成部分，其电气控制方式能否与热工DCS控制方式相协调，直接影响到火电厂建设的投资效益和电厂运行的综合经济效益。厂用电综合自动化是将厂用电的二次设备（包括测量仪表、信号系统、继电保护、和自动装置等）经过功能的组合和优化设计，利用先进的计算机技术、现代电子技术、通信技术和信号处理技术，实时采集厂用电系统运行信息、设备状态，实现对厂用电系统主要设备和馈线的自动监视、测量、自动控制、微机保护和设备管理，以及与DCS、SIS等系统的协调自动化功能，其目的是降低运行费用、减轻运行人员劳动强度，提高厂用电系统的可靠性，保障电厂的安全、稳定、可靠运行。

将高速以太网运用于控制系统，己经成为当前国内外流行的测控模式[11]。本文基于工业以太网技术构建厂用电综合自动化系统。

1 厂用电综合自动化系统的组成及特点

本文提出的厂用电综合自动化系统为C/S（客户/服务器）模式，分层分布式结构设计，系统分为站控层、网络层、间隔层3层。保护功能由间隔层保护装置提供，不受站控层和网络层的影响，确保厂用电系统和网控系统的安全性和可靠性。系统结构如图1。

图1 典型配置

站控层、网络层、间隔层既相互独立又相互联系。站控层功能的实现依赖于网络层和间隔层的完好性；但是间隔层功能的实现，特别是继电保护及安全自动装置的功能的实现决不能依赖于网络层和站控层；远方主站监控功能的实现应不依赖于站控层设备。

站控层集中布置，实现整个厂用电系统的数据收集、处理、显示和监视功能，经过相应授权能够对相应的设备进行控制操作。网络层完成信息传递和系统对时等功能。通过信息交换，实现信息共享，简化设备配置，从整体上提高电气自动化系统的安全性和经济性。间隔层设备主要负责设备保护及遥测、遥信、遥控的数据采集和厂内设备的远方控制，并收集厂内保护设备、智能仪表、智能监控设备等智能设备的运行数据和相关的设备运行状态信息，同时负责转发厂站层或DCS所需的数据，执行遥控遥调命令。

2 火电厂电气综合自动化系统应用实例

黄岛电厂三期工程5号、6号机组是我国首次自行设计、制造、投运的超临界660 MW的火电机组。主厂房厂用电高压为6 kV，分为工作VA、VB、VIA、VIB段，公用A、B段。 低压为400V/220V，动力中心（PC）分为汽机 VA、VB、VIA、VIB 段，锅炉 VA、VB、VIA、VIB 段，保安 VA、VB、VIA、VIB段，公用A、B段，5号机、6号机照明各一段；电动机控制中心（MCC）多段。直流控制操作电压220 V，交流控制操作电压220 V。

黄岛发电厂厂用电综合自动化系统结构如图2所示。该系统包括间隔层、网络层、站控层三部分，其中间隔层为分布于现场的各种型号综保装置及各种型号智能仪表等，通信层包括通信总控单元装置、网络交换机以及通信网线，站控层包括操作员工作站、服务器等。该项目通信网络采用双网双机模式，以提高网络实时性与可靠性。

间隔层：站控层应用的系列综保装置与通信总控单元通过以太网通信连接。每台保护测控装置均具备两个以太网通信接口，接口工作速率10/100 M自适应，正常工作状态下，装置根据两个端口工作状态分配数据流量。当某个端口停止工作后，装置自动把全部工作转移到另一个端口上，能够有效保证通信数据实时性与可靠性。

网络层：间隔层装置通信首先通过底层网络交换机汇聚，然后接入通信总控单元，通信总控单元对传输的信息整合、筛选后，再经上层交换机接入站控层。

底层网络交换机直接放置在高压间，通信介质选用超五类屏蔽双绞线，RJ45接口，工作带宽10/100 M，装置与交换机之间线缆距离不大于100 m。工程设计要求考虑现场电磁环境干扰对通信影响，采取必要措施将影响减少到最小。间隔层装置两个以太网分别接入独立的网络，独立网络的网线以及交换机不存在交叉连接现象，真正实现双网运行。

上层交换机与通信总控单元放置在电子间，与高压间底层交换机之间通信介质选用多膜光纤，工作带宽10/100 M，线缆距离不大于1 000 m。通信总控单元采用双机主备对等工作模式，根据运行状态自动进行工作模式转变。

站控层工作站及服务器与上层交换机及通信总控单元通过双以太网连接。

站控层：站控层包括工作站和服务器，均配置双以太网卡，每个网卡分别连接到独立的网络中，通信介质选用超五类屏蔽双绞线，RJ45接口，工作带宽10/100 M，装置与交换机之间线缆距离不大于100 m。

图2 ECMS系统结构图

系统实现了数据采集、时钟同步、第三方智能设备数据的接收、数据处理、计算功能、操作控制、防误闭锁功能（选配功能）、历史数据处理、事项处理、人机界面、转发子系统、用户管理功能、智能化的维护操作等功能。

系统投入使用后，展示了以下优势：

1）面向设备对象，基于工业以太网的分布、分层模块化结构设计。

面向电力一次设备，应用图模一体化技术，绘图填库，建立带拓扑连接的电网模型。组态画面上设备图符通过弹性引线和拓扑节点相连，直观显示一次设备的拓扑连接关系。

基于百兆工业以太网，测控保护装置分布式安装，节省大量通讯线，同一区域的保护测控装置通过一台或两台（主备）通讯管理机和后台主站通讯，通讯速率高，实时性好。

主站软件系统采用3层C/S架构，支持数据库主备冗余，数据采集、应用层逻辑处理、数据展示及用户操作界面模块相互分离，软件模块的部署数量可依照系统规模自由伸缩。

2）面向测点及设备的多维度建模。

传统的电力SCADA监控系统的模型有两种，一是基于四遥测点建模，不考虑一次设备模型，不能描述测点间的关联，应用层逻辑处理困难；二是仅基于一次设备，所有测点人工映射到一次设备的参数，建模工作量大。系统通过对测控保护装置的建模，自动建立测点模型；通过绘图填库建立一次设备模型，两个模型既相互独立又有机结合，通过保护装置与一次设备的关联自动建立测点与一次设备的关联。

3）基于.Net Remoting，采用消息中间件技术的软件模块级主备冗余和即插即用，根据电力系统对数据安全性的特殊要求，厂用电综合自动化系统的主要应用模块可运行多个节点机上，基于通讯中间件，实现应用模块的主备冗余运行和即插即用，当主模块所在的节点机出现问题时，另一台节点机同名模块会自动投入运行，保障系统的不间断运行，极大地提高了运行稳定性。

4）实时数据主动快速推送通道技术。

基于网络通信中间件技术和变化数据的事件驱动技术，可将变化的实时数据无延迟地推送到用户界面，实现用户界面的实时刷新。

5）历史数据的无损压缩存储。

监控系统中的遥测及遥控模拟量要求分钟级采样存储，历史数据通常要保存2年以上，按每个测点每分钟存储1条记录计算，每个测点2年的记录数将超过百万。而厂用电系统测点数通过比变电站高一个到2个数量级，达到数万点，按普通方式存储，历史数据库的记录数极为庞大，访问效率低。系统采用日数据块压缩存储方式，将每个测点1天的数据压缩成1个数据块，作为一条记录存储到数据库中，每个测点两年的记录数不到800，将记录数降低了3个数量级。

6）自动建立设备拓扑连接关系；软“五防”支持。

基于一次设备的连接规则，通过绘图填库，按顺序绘制设备，自动建立拓扑节点，可视化地建立设备拓扑连接关系。实时处理模块在运行时通过建立设备模型和设备的拓扑连接关系，通过内嵌的五防操作逻辑，可对用户的遥控操作进行五防判别。

7）保护测控装置具有独特机卡保护功能。保护测控装置具有独特机卡保护功能，能够有效避免在进行开关操作时，由于拒动作引起跳合闸线圈长时间带电而导致线圈烧毁。

3 结束语

总结多年电力产品研发、工程调试和生产经验，结合用户实际需要，综合运用先进的计算机控制技术、微机保护测控技术、通信技术和数据库技术等，按照提出的设计思想和方案，研究开发出基于工业以太网技术的厂用电综合自动化系统。该系统适用于各种装机容量及各种类型发电厂的新建和对已建老厂的技术改造，以及大型厂矿企业的厂用电系统的自动化监控。实现厂用电系统的运行、保护、控制、故障信息管理及故障诊断等功能，并内嵌“五防”支持及电气操作指导专家系统。系统分为3层，分别为间隔层（系列微机保护测控装置）、网络层（工业以太网）、以及站控层（后台主站系统）。

本文基于工业以太网技术的厂用电综合自动化自动化系统应用于山东黄岛发电厂2×660 MW三期工程。在工程中，结合厂用电综合自动化系统的设计思想，实现了ECS系统对5号、6号机组厂用电系统的监控，提高了厂用电控制和运行的自动化水平，减少了运行维护成本，提高了效率。