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分散控制系统在火电厂电气自动化上的应用
摘要：结合桂林虹源发电有限公司新建2台火电机组采用分数控崩系统(OcS)实现机炉电一体化控制舶王程实践，介绍电气自动化系统纳^DCS的范局、DCs系统特点和功能实现情况及工程实施过程遇弱同题的解决。
关键词：火电厂;分散控制系统;电气自动化
0、引言
目前，分散控制系统(DCS)在国内已得到广泛应用，特别是在火电厂锅炉和汽轮机自动化控制方面已取得成熟的应用经验和运行业绩，DCS的可靠性和灵活性已被认可，火电厂因应用DCS使单元机组热工自动化水平得到很大提高。相对于热工自动化，火电厂电气控制水平仍较落后，随着火电厂机炉电一体化控制、机组整组启动及电厂AGc(自动发电控制)发展的需要，电气自动化系统纳入DCS 已成为火电厂自动化发展趋势。但国内DCS应用于火电厂电气自动化系统的成熟经验不多，在应用工程的设计及工程实施中仍存在一些共性问题，包括电气自动化系统纳入DCS的范围、与电气系统其他控制设备的连接、单元机组电气部分和网控部分的划分、DCS的组网结构等。本文通过介绍桂林虹源发电有限公司2x135 MW 火电机组采用上海新华控制公司生产的XDPS-400DCS完成全厂机炉电一体化控制的实例， 从工程应用的角度对这些问题进行探讨。
1、电气自动化系统纳入DCS的范围
根据常规划分方法，火电厂电气设备可分为单元机组电气部分和电厂网控部分，按机炉电一体化控制的设计原则和要求，单元机组电气部分和全厂网控部分都应纳入Dcs控制范围内。因此，桂林虹源发电有限公司2x135MW 火电机组电气控制系统是按2部分都纳入DCS进行设计的，取消了常规的电厂网控室，2台单元机组及网控的控制操作都集中在中央控制室内。
其中全厂NCS(网控自动化控制系统)部分完成整个电厂的公用电气系统和升压站电气系统的监测和控制，控制内容包括图l所示断路器、隔离开关控制回路及相关的电压、电流、功率、频率 电量、开关状态、报警等电气参数和设备状态的实时监测。单元机组ECS(电气自动化控制系统)部分完成从主变压器到电厂侧的所有主厂房内的电气设备监测和控制，控制内容包括图2所示(1号机组)断路器、接触器、隔离开关、空气开关控制回路及相关的电压、电流，功率、频率、开关状态、报警等电气参数和设备状态的实时监测。其中6 kV 和400V 的厂用电动机控制部分已随汽轮机、锅炉的顺序控制系统进人DCS，已具备成熟的工程实施及运行经验该工程的网控系统、单元机组电气系统采用的继电保护装置、自动励磁调节装置和自动准同期装置设计时没有考虑纳入DCS，由独立的专用装置束完成。但由于取消了电气操作台及监测仪表，这些系统需要同DCS建立必要的连接，便于最大限度地发挥DCS功能。
2、控制系统组成结构
由于NCS是全厂的公用系统， 为2台机组共用，控制系统总体结构设计时要考虑到任何l台机组停机或检修时均不能影响NCS的正常使用，且要求在2台机组上的DCS都能监视电厂公用系统的运行状态， 并能限定在单一位置进行操作并能闭锁其它地方的操作指夸。所以电气控制系统纳人DCS后硬件系统的组成面对的主要问题是NCS的合理配置问题 按最初的配置考虑，提出将NCS的控制和监视由l号机组的DCS实现的方案，具有系统组成简单、网络管理方便的优点，但在l号机蛆大修时其DCS不能进行全停检修维护，并存在l号机组DCS故障时影响NCS的问题。所以在该工程的实际系统配置中，综合考虑了各种方案， 最后采用了NCS同l、2号单元机组DCS相对独立的设计方法，系统组成结构如图3所示。其特点是NCS 由1个现场控制站、1个端子柜、1个扩展继电器柜和2个操作员站组成，由冗余的控制总线(A 网、B网) 连接构成一个独立于2 台单元机组DCS的控制系统，保证了网控部分的独立性。由于XDPS-400 系统软件是基于WindowsNT 的开放性操作系统， 采用TCP/JP通信协议可通过非实时的信息网(C 网) 与2 台单元机组的DCS相连接，NCS和单元机组DCS间可传递运行数据。在对方的OPU(操作员站)上进行显示，达到数据共享的目的。NCS系统供电采用l、2号单元机组共同馈电的方法实现，2路电源可快速切换， 在其中l台机组故障或检修时能保证NCS系统正常运第35毫行。对于单元机组ECS部分，则分属各单元机组DCS的一个子系统，由1个现场控制站、1个端子柜、1个扩展继电器柜组成。图3中的过程控制单元08就是完成单元机组ECS的现场控制站。
3、XDPS·400 DC$特点
XDPS-400是上海新华控制工程公司生产的专为电厂监视、控制和管理而推出的一种分散控制系统，系统采用开放式系统结构，由分布式控制单元、通信网络和人机接口站组成， 其基本结构如图3所示。
3.1 DCS通信网络XDPS-400的实时通信网络是整个分散控制系统的核心， 连接各DPU (过程控制单元)、OPU、ENG(工程师站)、HSU(历史数据站)等不同节点，用于高速传递实时数据、组态信息和控制指令。实时通信网络采用冗余的总线式结构(A、B 网)，以无主无源的同轴电缆为传输介质， 采用以太网管理，通信协议符合ISO/OSI参考模型，数据链路符合IEEE 802.3标准，传输方式为CSMA/CD。实时网络的通信速率为l0 Mb/s， 每秒可传辖64 000个全局宴时点。
除实时数据通信网络外， 所有人机接口站还通过10Mb/s的以太网信息通信网络相互连接，构成一个非实时的通信网络(c网)，用于传输各种文件型数据及电厂管理信息，该通信网络采用TCP/IP通信协议。由于文件及报文信息传辖时不通过实时通信网络，提高了实时通信网络的可靠性，也减轻了宴时通信网络的负荷率。
3.2 过程控制单元(DPU)XDPS-400过程处理部分为DPU， 主要完成数据采集、信号处理、连续控制、逻辑运算、顺序控制及各种高级控制策略等不同的控制算法， 可组态生成从简单到复杂各种不同的控制方案。DPU是一个以模件为基础的机柜单元，包括机柜、冗余电源、功能处理器、通信卡、各种功能卡件和机箱。DPu的功能处理器采用冗余配置的Pentium200MHz控制处理器。每个DPU 可带4—8个I/O 机箱，每个机箱可带12块I/o 卡件和1块BC(基本控制)卡，或配置冗余的BC 卡。
3.3 人机接口站(MMI)XDPS-4o0 的MMI采用完全相同的硬件和WindowsNT软件平台，通过安装不同的XDPS软件包来构成OPU、ENG、HSU等不同人机接口站。
(1)OPU：OPU 是整个系统的操作员窗口，实现图形显示、生产运行控制、报警显示记录和操作功能，操作员站采用工业Pentlm II~66微机，32M 内存;1个专用操作员键盘; 分辨率为l 280×l 024的53cm彩显。运行软件为Windo~ NT和操作员站专用软件。
(2)ENG：与OPU 具有相同的硬件配置，通过安装ENG工具软件完成整个xDPs一4OO的实时数据库、控制功能块、图形、趋势等功能的组态、组态数据的生成和下装、系统修改和维护等，ENG也可作为OPU。
(3)}IsU：除太容量硬盘及光盘刻录机外，配置与OPU基本相同，加装历史数据/记录/性能计算软件，用于完成历史数据收集和处理，事故追忆、报袁打印等功能，并具备机组性能计算能力。
4、系统的应用功能实现
4.1 NCS功能因NCS自成一独立系统，控制回路和监测点数不多，来设置专用的工程师站和历史数据站。通过在1号OPU 上安装ENG 软件和}璐U 软件，实现ENG和HSU 的功能，因此1号OPU 既是操作员站，又是工程师站和历史数据站。控制系统由1个DPU、1个端子柜、1个扩展继电器柜和2 台OPU 组成。DPU的组态页面共83页，其中端子板组态17页，卡件检测回路1页，报警光字牌23页，控制回路组态42页。系统完成的主要功能如下：
(1)数据采集、处理功能。按扫描周期连续地定时采集、处理现场送来的电压、电流、功率、频率、开关状态、报警等电气参数和状态信息及运行操作和异常报警等信息，并以实时方式提供给运行人员。
(2)画面显示功能。监视系统共组态了11幅画面，包括22OkV一次接线图、厂用电一次接线图、虹档线、虹侯线、高压启动/备用变压器、低压厂用备用变压器、22OkV母线分段、公共直流系统图、电气报警光字牌、网控主要设备一览等。为运行人员提供一个集中的监控界面，通过CRT、键盘 鼠标等人机交互设备对网控及公用设备运行过程的各个受控参数和受控设备进行监视和处理。
(3)数据记录功能。通过对实时数据的存储，完成对历史数据的记录;通过历史数据再现软件，可以查询历史数据和曲线，并可完成报警历史日志打印、报表打印、事故追忆打印以及操作记录打印等打印功能。
(4)回路控制操作及保护闭锁功能。该功能主要通过XDPs一4【x】的DEVICE(数字手操器)模块来实现，DEVICE模块能完成单台设备基本的控制和联锁保护逻辑， 可由上一级顺控指令或由操作人员在CRT/键盘上对单个设备进行控制和操作。完成如断路器、隔离开关、接触器、空气开关等不同设备控制操作的控制算法，通过对DEVICE模块的参数进行定义来实现。闭锁保护是通过逻辑运算功能形成故障模式对操作回路进行操作闭锁的，主要包括电气五防方面的闭锁保护内容， 故障模式由高到低的优先级包括就地、位置反馈故障、跳闸保护、超驰保护、跳闸和操作失败等。
(5)数据通信功能。通过垒厂DCS信息网c网将NCS和单元机组ECS的部分重要信号以报文信息方式互相实时传送，这些信号包括现场设备的运行状态和重要监测参数等， 实现NCS和单元机组ECS数据共享的系统设计要求。
4.2 单元机组ECS功能单元机组电气控制ECS是单元机组DCS的一个子系统， 控制系统由1个现场控制站、1个端子柜、1个扩展继电器柜和1台专用OPU 组成，DPU组态页面共56页，其中端子板组态11页，卡件检测回路1页，报警光字牌组态14页，控制回路组态30页。监视系统共组态了9幅画面，包括：单元接线图、发电机变压器组、发电机励磁系统、高压厂用工作变压器、低压厂用工作变压器、直流系统图、电气报警光宇牌、电气主要设备一览、电气重要参数等。完成功能同NCS一样，主要包括单元机组电气设备的数据采集、处理，画面显示，数据记录及回路控制操作和保护闭锁，数据通信等功能。
4.3 DC$与电气专用装置的连接
(1)与继电保护系统的连接。该工程的继电保护系统采用北京四方公司生产的微机保护装置，最初的设计考虑是采用RS一232串行口通信方式将继电保护装置与DCS进行数据传送，但由于选用的继电保护装置是由多个功能独立的微机保护装置组成，DCS玉法提供足够的RS_232串行口满足通信要求。解决方法是将继电保护装置的保护动作输出接点信号通过硬接线送到DCS. 作为开关量输入将这些信号进入DCS的全局数据库+通过图形组态建立电气系统的保护系统报警画面， 将各保护系统的动作情况在NCS和ECS操作员站显示出来。
(2)与励磁调节器的连接。单元机组配备了2套互为备用的AVR(自动励磁调节器)和l套手动励磁调节器，设计要求DCS可对励磁调节系统进行操作和切换。在工程实施过程中是将励磁系统的l～3号整流柜空气开关、发电机灭磁开关、手动励磁调节柜l KK 和2KK 开关、感应凋压器及自动励磁凋节器的手动、自动、投入、退出、增励、减励等操作和监视回路， 通过硬接线方式同单元机组DCS建立连接，由ECS操作员站实现对励磁系统进行操作和状态监视。
(3)与自动准同期装置的连接 全厂共配置3套自动准同期装置。其中网控系统l套，2台单元机组各l套。原先设计的自动准同期装置的手动合闸控制、启动自动同期脉冲操作等回路由DCS控制，即在手动同期合闸操作时，合闸指令由CRT上操作发出。但在系统调试阶段发现，在CRT上合闸按钮点击后到DPU 端子板输出继电器吸合时间会因计算机和网络的繁忙程度不同而需时不同。 所以无法在自动准周期装置上设定合适的超前量。调试时对该控制回路进行了修改，即在手动同期合闸操作时，由增设在电气辅助盘上的合闸开关实现， 启动自动同期脉冲操作回路仍保留由DCS控制。
5、实施过程中的问题
(1)oPu 报警画面的修改。原设计的NCS、ECS报警显示画面是根据设计图的DI信号顺序排列，不方便运行人员的运行监视， 调试过程中对其进行了修改，修改的原则是根据设备进行分类分块显示，便于集中监视每一设备的运行工况。并增hn报警信号发出时， 同时驱动装设于电气辅助盘上的声光报警装置的组态和驱动回路。
(2)虹侯线、虹档线、母线分段断路器的手动合闸闭锁逻辑增加同期TK 开关闭锁功能。由于该3个断路器的操作回路设计是在不需同期的情况下进行合闸操作时，同期TK 开关也必须台上。因此，为适应运行人员的操作习惯，在合闸闭锁逻辑中增加只有在电气辅助盘上相应的同期TK 开关合上且只有一个线路同期TK开关合上时的合闸允许条件(3)增加合闸操作的二次击键功能。为防止误操作 在NCS和ECS的断路器手动合闸操作时增加确认窗口，实现二次击键功能。即在oPu的操作器上按下合闸按钮后。 并没有直接发出断路器合闸输出信号。而是弹出一对话窗口，提示是否真的要进行合闸操作，在按确认键后断路器合闸输出信号才真正发出(4)增加软同期TK开关闭锁及假同期试验按钮。
主变压器高压侧断路器台闸闭锁逻辑。 由于TK开关没有辅助接点送到DCS， 同线路断路器一样。为适应运行人员的操作习惯， 增加软同期TK 开关闭锁功能， 以提醒运行人员进行合闸操作时要将电气辅助盘上的TK 开关台上，否则OPU 上断路器的该项合闸允许条件不满足。同时。为满足电气试验对主变压器高压侧断路器合闸的要求， 在其操作器上增加假同期试验按钮， 即在200l1高压侧隔离开关未台的情况下，只要按下假同期试验按钮，断路器台闸闭锁逻辑中该项条件可满足。
(5)增加AVR 操作器中增磁、减磁按钮互切功能。在机组试运行期间， 曾发生电气操作员进行AVR增磁操作时。在操作过程中来了报警信号使报警画面弹出，覆盖了原来的操作画面，使得发电机励磁操作画面AVR操作器SET(增磁)一直置l，操作员切回原操作画面进行操作，RESET(减磁)不起作用，导致发电机继电保护动作发电机解列的故障。针对这一问题，采取了在DCS组态中增加其操作器中sFT、RESET按钮互切功能，并取消报警信号弹出报警画面的功能。
6、工程实施结果
该工程的网控NCS和单元机组ECS在2000年3月开始调试， 随着电厂电气系统倒送电试验及机组试运的进程而逐步将系统投入了运行， 目前连续运行时间已将近28。运行及试验结果表明，系统各监视回路运行正常、指示正确;电气设备的控制操作稳定可靠，逻辑闭锁功能正常;投入率和正确率都达到100% ，完全能满足电厂网控和单元机组电气设备运行监视、控制操作和保护闭锁的要求。值得一提的是，作为DCS应用领域的进一步拓展，将电厂网控系统纳入DCS实现了火电厂一体化控制，电厂的控制系统结构组成更合理。功能更完善，更有利于机组的运行稳定和维护。可认为，该工程实践是成功的， 为DCS应用于电气自动化取得了一些成功经验。
参考文献：
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[3]盒午桥。网络互联技术在大型发电厂的应用[J]中目电力。
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