电气进入DCS在纳雍发电总厂中的应用

　　一、概述
　　
　　纳雍发电总厂系新建电厂，一厂建设规模为4×300MW燃煤发电机组，规划容量为4×300MW。#1、#2主机由哈尔滨三大动力厂提供，DCS为上海FOXBORO公司提供的I/A,s6.0，#3、#4主机由上海三大动力厂提供，DCS为上海新华公司提供的XDPS-400。本工程锅炉为四角切圆无烟煤炉，汽轮机为凝汽式汽轮机。
　　
　　二、电气进入DCS的设计功能及控制要求
　　
　　纳雍发电总厂DCS分散控制系统电气控制（ECS）主要设计了以下各种电气设备控制方式，以及并网和解列顺序控制。
　　
　　2.1DCS控制的主要电气系统（设备）
　　
　　根据单元机组的运行和电气控制的特点，在工程的应用中采用将发电机—变压器组和厂用电源等电气系统的控制都纳入DCS监控。从升压站（不包括升压站）至电厂侧的所有主厂房内电气系统均纳入DCS监控，主要系统归纳为：
　　
　　发变组系统（包括变压器本身的通风系统如风扇电机的控制）；
　　
　　发电机励磁系统；
　　
　　高压厂用电源系统（包括厂用电源正常切换）；
　　
　　低压厂用电源系统和400VPC；
　　
　　高压启／备变电源系统（2台机共用）；
　　
　　柴油发电机组和保安电源
　　
　　直流系统和UPS系统；
　　
　　自动同期系统；
　　
　　DCS系统中电气主接线如下图：　　电气主要保护安全自动装置因要求DCS实现其功能目前尚有一定的难度，并且要增加相当大的费用。原则上不要求通过DCS实现其功能，仍保留其装置，但它们与DCS之间要有接口，我厂采用的方案仍是控制采用硬接线，利用通讯方式传输自动装置信息。保留的保护自动装置主要有如下：
　　
　　发变组保护装置；
　　
　　自动准同期装置（ASS）；
　　
　　自动电压调整装置（AVR）；
　　
　　厂用电快切装置；
　　
　　故障录波装置。
　　
　　另外，主厂房外辅助系统的电气系统如输煤、化水、制氢等也均不纳入DCS系统中。
　　
　　2.2利用DCS进行的发电机并网和解列顺序控制：
　　
　　机组整套启动时从锅炉点火至发电机并网带初始负荷够实现全过程的自动程序控制。目前设有几个断点人工分析判断决定后介入操作，今后将根据情况实现一键并网及一键解列，“一键并网”即运行人员在做好并网前的一系列检查准备工作后，只需要点击程序并网开始即可实现自动并网。ECS按照既定程序执行，满足并网条件后即可同期并网。运行人员基本无须进行任何干预。大大减轻了运行人员的操作量，提高了自动化水平。
　　
　　机组自启停控制的要求是：机组正常起动时，当发电机达到额定转速时，DCS将投入AVR。当发电机电压达到额定值时，DCS将投入同期装置。发电机与电网的同期是由同期装置自动实现，在同期过程中通过DCS控制AVR、DEH，当同期条件满足时，向发电机断路器发合闸指令。在同期合闸成功，发电机电负荷达到一定值之后，DCS将高压厂用电系统快速从启备变切换到高压厂变上。
　　
　　关于并网程序及其控制画面在后面再做详细说明。
　　
　　机组正常停机时，DCS控制降低机组负荷，当机组负荷降到某一定值时，DCS将高压厂用电系统快速切换到启／备变系统供电；当机组负荷继续降到零，跳开主开关，联跳汽轮机（主汽门关闭），发电机灭磁。
　　
　　其顺序控制画面如图：　　对于厂用电源系统控制的方案是：正常由ECS操作员站进行控制，设有厂用电监控系统作为后备操作站。
　　
　　在机组启动时通过启／备变向厂用负荷供电；在机组正常用电时，由厂变供电并经低压厂变向400VMCC低压负荷供电以启动机组所必需的辅机；在厂用电消失时，为了保护设备和系统的安全，厂用电快切装置应快速将厂用工作负荷自动切换至启／备变；当确认保安段母线失压后，应启动事故备用柴油机供电以保证设备安全。
　　
　　厂用系统的控制画面如下图：　　三、一键并网方案的比较
　　
　　通过纳雍发电总厂两套DCS系统中电气程序控制情况来看，目前DCS系统中实现一键并网可通过两种方式实现：
　　
　　3.1DCS系统通过与成熟的电气自动装置如自动励磁调节器、同期装置等进行硬接线或通讯联接，取得“励磁电压”“允许投入同期”等指令及反馈信号后。在DCS中进行顺序控制组态，通过并网条件的逐一判断完成并网。如下图：　　3.2DCS系统中即可利用卡件如新华公司的同期卡等进行条件判断，通过引入机端电压及网络端电压到DCS系统中，利用卡件进行判断并输出同期指令到并网开关，通过顺序控制组态完成并网。如下图：　　以上两种方式均可实现“一键并网”功能，大大降低了运行人员的操作强度。*种方案利用了目前较为成熟的电气装置，可靠性较高，但存在系统之间的连接和通讯配合问题。第二种是扩大了DCS系统的范围，将部分电气装置的功能纳入到DCS系统中。笔者认为是DCS发展的一个方向。可充分发挥DCS的功能，减少电气装置的购置和建设工作，节约电厂工程投资。
　　
　　四、电气进入DCS的三种方案的比较：
　　
　　方案一：全部采用硬接线，其优点是DCS中所接收的电气数据及控制输出可靠性高，且不存在通讯速率及通讯接口问题。其缺点一是DCS系统的投资随着接入量的数量而增加。每增加一个量，不管是DI、DO还是模拟量，在DCS系统中即增加一个“点”，DCS系统按“点”收费；二是浪费大量电缆。每增加一个量，都要额外增加一路电缆，将该量与DCS系统直接相连。三是无法完成较为复杂的电气运行管理工作，实现电气的“综合自动化”。
　　
　　方案二：全部采用通讯方式，其优点是所有电气数据点均在现场组网，通过数据高速公路传输到DCS系统，减少了大量电缆的采购和敷设工作，但存在缺点一是在目前条件下将通讯数据用于重要开关的控制是否可靠仍值得探讨，二是实际工程中容易造成数据瓶颈。
　　
　　方案三：重要控制采用硬接线、测量数据采用通讯进入DCS的方式：也即我厂电气系统纳入DCS监控的方案，该方案为涉及到开关控制、柴油发电机控制等的I/O点通过硬接线接入，这部分I/O点一台机组为199点，加上电气公用系统I/O合计为387点。而其余如电流、电压值等通过现场采集后以通讯方式进入DCS。这样既保证了控制的可靠性，又节约了大量电缆保证了经济性。同时保留了电气保护、安全自动装置等的独立性并延伸和扩展了它们的作用。即我厂提出的称为EDAS的方案：将进入保护、自动装置的电气测量数据在现场汇总后传输到DCS画面进行监视，为操作人员提供了CRT集中监视和操作的手段。
　　
　　我厂电气与DCS系统之间的连接情况如下图：　　在图中电气系统重点在现场测控保护层，由电气保护装置提供电气设备的测量、保护动作等信息，也即实现了笔者认为应当称为电气数据采集系统（EDAS）的功能，EDAS系统通过连续采集和处理所有与电气系统有关的重要测点信号及设备状态信号，及时向电气运行人员提供他们所关心的电气设备的测量、保护动作、整定、事故追忆等信息，实现机组安全运行。
　　
　　在采集到相关数据后，通过通信管理层即现场总线进行组网，并通过通信管理单元和主控单元进行数据的分类、打包。然后通过数据高速公路传输到后台管理系统。
　　
　　在这里笔者认为不应再重复设置电气后台管理系统，一是重复投资和建设浪费人力财力物力。二是由于电气设备现场组网厂家与DCS系统建设厂家往往不是一个公司，因此在通讯和接口上容易出现问题导致控制系统的不稳定，尤其是在电气自身建设有一套管理控制系统的情况下，往往将较好地数据高速公路留给自己，而提供给DCS系统的则较差，形成通讯薄弱环节，严重影响DCS系统的电气控制管理功能。
　　
　　五、存在问题及解决方法：
　　
　　通过一年以来的运行，我厂DCS系统在电气控制的应用中暴露出一些问题，其中较为突出的是目前DCS和电气控制系统通讯协议上有一定问题，我厂#1机组厂用电监控系统原设计全部通讯量有四千点左右（不含通过硬接线参与控制的IO点）。经现场讨论删除部分量后目前有1753个开关量和456个模拟量以通讯方式进入DCS系统。由于监控系统与DCS系统采用MODBUS协议串口连接。传输速率为19200bps（19K速率），处理全部数据的周期在3秒以上。数据流向为厂用电监控系统SWITH即通讯主控单元。（有TCP/IP以太网口2个，串口4个）处用4根串口同轴电缆连接至DCS电气通讯接口机，再通过通讯接口机将连接至AW5101工程师站（826点）、WP5101（820点）、WP5102（563点）进行数据处理后传至DCS系统的数据总线供所有CP及站使用。这种方式存在的主要问题一是通讯接口机未达到冗余配置，一旦任何一台故障都将造成通讯中断，二是通讯速率慢，通讯机负荷大，通讯软件还不够完善。三是通讯方式不合理，在厂用电监控系统中将TCP/IP协议的数据转换为MODBUS，在DCS系统中又将MODBUS协议转回TCP/IP协议。
　　
　　以上通讯问题的解决方案有三个方面：一是设计中应对所有通讯量应明确各点的作用。对于与生产无关的数据不予进入。以确保通讯速率和可靠性。同时应体现重要回路硬接线的思路，确认硬接线包括哪些范围。二是DCS厂家方面增加通讯接口机或者用于通讯的卡件等，形成冗余配置并完善通讯软件提高通讯效率。目前在我厂2号机组的DCS中厂家与我厂配合做了一些对通讯有益的工作，主要是增加了一台内含CP的工程师站于通讯控制，即虚拟CP于通讯。目前试验效果是较为满意的，除了满足电气系统进入DCS通讯外，还满足了向SIS系统传输数据的需求。三是电气监控系统厂家应增加或更换SWITH，采用以态网接口直接用TCP/IP协议用以太网线接入DCS系统的网卡中，实现两者之间100M/10M的传输速率，或者直接取消电气后台监控，将其以太网高速接口接入DCS系统。
　　
　　通过电气进入DCS系统在我厂的实施，建议电气除保护外其余功能均纳入DCS。取消厂用电监控系统的后台系统，由DCS统一进行控制，现场数据通过测控保护装置采集后现场组网并利用光纤接入DCS。
　　
　　在目前看来，网络监控系统（500kV系统）由于保护逻辑复杂且继电保护技术已十分成熟因此不宜进入DCS控制。厂用电监控（6kV）系统因其开关柜的保护元件（含监测元件）也较为成熟且体现了分散控制的思想，因此可以考虑保留，其采集的电流电压等数据和保护动作的数据通过连接汇集到现场总线后上传至DCS的数据总线。而对开关的控制指令和开关位置的反馈等重要回路来说，由于通讯方式目前来看在厂用电监控系统的应用中显得可靠性不足，厂用电监控系统自投运以来前后已因各种原因死机十余次，而DCS采用硬接线方式控制上未受通讯影响，在几次厂用电监控系统死机时都保证了对厂用电系统的可靠操作，因此建议所有电动机、发电机并网开关（我厂为5011、5012）、6kV母线进线开关、出线开关、联络开关、400V母线进线开关、出线开关、联络开关等的控制回路及开关位置反馈回路均采用硬接线模式。
　　
　　总之，我厂电气系统进入DCS的模式（现场总线、数据通讯、重要回路硬接线控制）是*可行的，也是今后电气进DCS值得借鉴的一种模式。