发电厂电气监控的现状和应该注意的问题

一、前言
DCS在国内经过几十年的应用和发展，并随着计算机软、硬件技术和通讯技术水平的提高，带动DCS在硬件系统比起早期的DCS系统有了长足的进步，软件的架构和DCS的设计、组态比起早期的系统也更灵活方便，可靠性，可开发性及性价比也不断提高。通过多年的应用，从设计、组态到运行管理都积累了相当的经验。目前，越来越多的电厂（不管是新建电厂还是老电厂的DCS改造），都实现了机、炉、电的监视和控制，而且纳入的设备范围有越来越广的趋势。
二、目前ECS的现状
2.1 功能划分
DCS按功能划分通常分为：模拟量控制系统（MCS）、锅炉炉膛安全监控系统（FSSS）、顺序控制系统（SCS）、数据采集系统（DAS），考虑到电气系统的特点和相对的独立性，一般把电气系统的电气监控和数据采集单独成为一个系统，即电气监控系统ECS（Electric Control System）。在DCS硬件的配置上，ECS系统也用单独的控制器控制，所有的I/O点都进入ECS机柜，虽然DCS能做到不同系统的监控流程画面在各个操作员站上都能显示和操作控制，但在操作员站的分配和配置时，ECS系统一般都有一个操作员站作为ECS系统的操作和监视。
2.2目前电气系统进入DCS的控制范围
目前从设计和电厂的要求来看，ECS系统包含的范围已十分广泛，主要有：发变组、厂用电（分6KV和380V两个等级）、公用系统（含启动/备用变压器组等两台机组共用部分）、MCC段、保安电源系统、励磁系统、直流系统、UPS系统。考虑到电厂运行安全和现有设备的状况，ECS系统的一些专门设备，如：自动准同期装置、快切装置、各种保护装置等保留与DCS的接口，具体功能的实现由装置完成。相应ECS的监控流程画面也可以按照进入的范围分为：
● 电气主接线（包括发电机、主变压器、并网开关和一些隔离、接地刀闸、自动准同期装置等）
● 厂用电系统（6KV母线进线、备用进线开关、母线到380V PC段及相应的分段开关、快切装置等）
● MCC系统（380V PC段到各MCC段的开关等）
● 保安电源系统（柴油发电机到各保安段的开关等）
● 励磁系统（包括励磁系统控制方式选择、PSS投退、灭磁开关、AVR调压等）
● 公用系统（包括启动/备用变压器组、两台机组共用部分、有载调压等）
● 直流系统（包括220VDC、110VDC）
● UPS系统
2.3 控制功能
除有些设备如自动准同期装置、快切装置等功能由这些装置本身完成外，绝大多数的功能及联锁、闭锁可由ECS系统完成，主要有：
● ECS系统各个设备的软手操控制，联锁、闭锁功能的实现
● 发变组的顺序启动（发电机电压由零升至同期并网）、顺序停止
● 实时显示和记录（包括事件顺序记录）ECS系统正常运行、异常运行和事故工况下的各种数据和状态。
● 软光字报警
三、注意的问题
问题一 通讯带来的问题
随着DCS硬件、软件和通讯技术的发展，业主对电气系统控制水平要求越来越高，控制范围也越来越广，目前DCS（尤其是ECS）在设计时出现了一种新的趋势，传统上一个信号输入或输出点对应一个I/O模件通道（硬接线方式），而现在采用通讯方式传输的比例越来越大，有的已不单纯是DAS点的通讯传输，参与控制的点也通过通讯传输。传输方式的改变对DCS和通讯设备的硬件和软件都提出了很高的要求，DCS设计和DCS硬件配置及软件的组态、与DCS进行通讯的设备达不到规范要求等一系列环节考虑不周的话，会使整个DCS的性能降低，严重的还会影响到控制功能的实现。
问题二 电气公用部分的设计
作为两台机组共用的部分，运行要求两台机组的DCS操作员站都能对这部分进行操作控制，由于两套DCS系统大多数情况下分属两个网络（根据各个DCS系统的架构和网络形式，不同的DCS之间有不同的差别），公用系统的设计在满足电厂运行和检修要求方面也应注意些问题。
针对上述两个问题，结合工程实例进行探讨。
3.1通讯问题
3.1.1 概况
在不久前结束的四川某新建电厂2×300MW工程中，ECS系统按原设计总共1616点，其中硬接线的点474，通讯传输的点1142，通讯点占总点数的70.7％。所有开关的分、合指令和状态反馈信号、6KV和380V电机电流信号等都采用通讯传输，发变组部分和启备变部分的开关和保护信号大都采用硬接线。
3.1.2 通讯结构
工程中采用的网络结构是，底层设备由通讯模块采集相关的量，通过底层网汇集至通讯管理机，由通讯管理机通过RS485接口以与DCS相适应的通讯协议进行信号的传输。示意图如附图。需要说明的是，从目前的实践的工程来看，采用通讯进行信号传输的结构形式大多与此类似。调试过程中，发现该电厂的通讯设计和配置存在以下几个问题：
A） 传输数度慢，通讯管理机是以RS485接口，标准MODBUS协议与DCS进行通讯的，RS485接口本身就有一定的速率限制，这是其一，其二，也是zui严重的，从通讯模块采集到设备信号送至通讯管理机这之间的时间大于2秒，实际的状况是，设备接到操作指令动作，到DAS监控画面看到该设备状态变化，时间大于4秒，相关设备的一些DAS点如电机电流的传输也缓慢。
DCS指令下达到收到其状态反馈，这样慢的响应时间根本无法满足控制要求，一些联锁功能也无法实现。
B） 通讯模块可靠性差，不能满足要求。实际运行中，发生一段时间以后通讯不畅，通讯中断等问题，每段通讯的数据量不超过二百点，通讯模块稳定性差，严重影响到实际参数的准确性和实时性。
C） 通讯管理机与DCS之间没有冗余。实际工程中把6KV的设备分成两段，380V的设备分成两段，通过不同的通讯管理机送至DCS相应的通讯接口。一段有十几个设备，一旦通讯管理机与DCS之间的通讯出现故障， DCS将无法得到该段设备的真实状态信号，进而影响到监控的实现。
以通讯方式传输I/O信号，作为一种发展趋势，应该得到支持和促进，为以后现场总线的应用收益实践的经验，从理论上来说，实现I/O信号通讯方式的传输已没有什么问题。但基于目前各相关硬件的现状，以通讯方式传输I/O信号应用的深度和广度，值得有关方面引起注意。作为与之相关的硬件——与DCS进行通讯的底层通讯管理机及相关设备的通讯模块，其性能和可靠性应该提高；DCS与设备的通讯方式，除通常的以RS485串行方式外，应充分考虑到当前和未来的发展趋势，开发速度更快的解决方式；作为设计方，应该充分考虑到不同DCS系统的特点，设计出DCS软硬件的通讯方式，还以上述工程为例，DCS各个站和控制器以TCP/IP协议通过交换机进行连接和信息的交换，基于此类的网络架构，zui合理的方式就是通讯管理机配置网卡，遵循TCP/IP协议，作为DCS的一个站接入交换机，从通讯管理机到DCS之间的通讯速度和冗余问题都很容易得到解决。但这只是解决了问题的一个方面，通讯模块到通讯管理机之间的速度问题，只能提高相应设备的性能之后或采用别的更合理的网络架构才能解决。
就目前实际应用的情况看，通讯速度已严重制约着以通讯方式传输I/O信号在实际工程中的应用。DCS控制与以前台盘硬手操的方式相比，以不单单是软手操替代了硬手操，一方面，DCS比起以前的控制水平有了很大的提高，控制策略也较容易实现；另一方面，通过对各种事件和参数的记录、保存，为事故分析提供了分析的依据，这也是DCS与以前的台盘操作实质性区别的地方。通讯速度的缓慢导致DCS记录的参数并不是记录设备的实时参数，而是几秒甚至十几秒以前的参数，这严重影响到根据数据分析出判断的结果的准确性。
由于通讯速度慢导致监控画面状态信号滞后，也容易引起运行人员的误操作。指令发出而相应反馈迟迟反映不到监控画面，运行人员容易采取进一步的操作，尤其是在紧急情况下更是如此。
在该电厂调试过程中，由于整个通讯模式和网络架构已无法改变，有些信号重新改回硬接线，无法改动的，只好放弃部分控制功能。可以说，在此次的工程中，ECS采取I/O信号通过通讯方式传输是失败的。
3.2 公用部分的设计应注意的问题
有些设备是两台机组共用的，如空压机系统，ECS的启动/备用变压器部分，公用段的设备等，涉及到运行的管理和设备的检修，因为公用部分只有在两台机组都停运时，DCS公用部分的控制器才可以停电进行维护，这是其一；其二，两台机组的操作员站都可以对公用部分进行操作控制。在进行DCS设计时，应把公用部分设备涉及的I/O单独用专门的控制器和I/O模件处理，电缆也进相应的机柜。现有DCS系统绝大多数是基于单元机组的独立网络结构，满足两台机组都可以对公用部分进行操作在设计时应充分考虑不同系统间实现方法的差异，现在大多采用把公用部分纳入单元机组单独控制（如#3机组），＃4号机组对公用部分的操作控制通过网络间的数据传输实现，不同DCS系统实现方法各异。
采用I/O信号通讯方式传输时，也应充分考虑到公用部分的特点，如上述举例电厂在做通讯设计时就没有充分了解DCS系统对公用部分处理的特点，对通讯传输处理的点不管是属于单元机组还是公用部分的，设备分成四段由四个管理机统统送至单元机组（＃3机）的处理模件，而没有把公用部分的I/O点用单独的控制器和模件处理，造成的结果是两台机组只要有一台在运行，＃3机的ECS机柜不能停电维护。
四、结束语
通过实际的工程实践可以看出，对于采用通讯方式实现I/O信号的传输，目前既有设计上的原因，也有设备硬件方面的问题。在设计上，应该加强各专业的融合和参与。采用通讯方式实现I/O信号传输，大多抱着节省投资等目的，但实际效果却并非当初所愿，一是节省了电缆和卡件的数量，但增加了通讯模块、通讯管理机、底层通讯组网费用，这笔费用加起来与采用硬接线方式不少甚至超出；而是增加维修难度，故障点增多，检修人员需了解通讯链上的各个环节，熟悉通讯的软件组态，给电厂热工人员提出了更高的要求。