分散控制系統在火電廠電氣自動化上的應用
摘要：結合桂林虹源發電有限公司新建2臺火電機組采用分數控崩系統(OcS)實現機爐電一體化控制舶王程實踐，介紹電氣自動化系統納^DCS的范局、DCs系統特點和功能實現情況及工程實施過程遇弱同題的解決。
關鍵詞：火電廠;分散控制系統;電氣自動化
0、引言
目前，分散控制系統(DCS)在國內已得到廣泛應用，特別是在火電廠鍋爐和汽輪機自動化控制方面已取得成熟的應用經驗和運行業績，DCS的可靠性和靈活性已被認可，火電廠因應用DCS使單元機組熱工自動化水平得到很大提高。相對于熱工自動化，火電廠電氣控制水平仍較落后，隨著火電廠機爐電一體化控制、機組整組啟動及電廠AGc(自動發電控制)發展的需要，電氣自動化系統納入DCS 已成為火電廠自動化發展趨勢。但國內DCS應用于火電廠電氣自動化系統的成熟經驗不多，在應用工程的設計及工程實施中仍存在一些共性問題，包括電氣自動化系統納入DCS的范圍、與電氣系統其他控制設備的連接、單元機組電氣部分和網控部分的劃分、DCS的組網結構等。本文通過介紹桂林虹源發電有限公司2x135 MW 火電機組采用上海新華控制公司生產的XDPS-400DCS完成全廠機爐電一體化控制的實例， 從工程應用的角度對這些問題進行探討。
1、電氣自動化系統納入DCS的范圍
根據常規劃分方法，火電廠電氣設備可分為單元機組電氣部分和電廠網控部分，按機爐電一體化控制的設計原則和要求，單元機組電氣部分和全廠網控部分都應納入Dcs控制范圍內。因此，桂林虹源發電有限公司2x135MW 火電機組電氣控制系統是按2部分都納入DCS進行設計的，取消了常規的電廠網控室，2臺單元機組及網控的控制操作都集中在中央控制室內。
其中全廠NCS(網控自動化控制系統)部分完成整個電廠的公用電氣系統和升壓站電氣系統的監測和控制，控制內容包括圖l所示斷路器、隔離開關控制回路及相關的電壓、電流、功率、頻率 電量、開關狀態、報警等電氣參數和設備狀態的實時監測。單元機組ECS(電氣自動化控制系統)部分完成從主變壓器到電廠側的所有主廠房內的電氣設備監測和控制，控制內容包括圖2所示(1號機組)斷路器、接觸器、隔離開關、空氣開關控制回路及相關的電壓、電流，功率、頻率、開關狀態、報警等電氣參數和設備狀態的實時監測。其中6 kV 和400V 的廠用電動機控制部分已隨汽輪機、鍋爐的順序控制系統進人DCS，已具備成熟的工程實施及運行經驗該工程的網控系統、單元機組電氣系統采用的繼電保護裝置、自動勵磁調節裝置和自動準同期裝置設計時沒有考慮納入DCS，由獨立的專用裝置束完成。但由于取消了電氣操作臺及監測儀表，這些系統需要同DCS建立必要的連接，便于最大限度地發揮DCS功能。
2、控制系統組成結構
由于NCS是全廠的公用系統， 為2臺機組共用，控制系統總體結構設計時要考慮到任何l臺機組停機或檢修時均不能影響NCS的正常使用，且要求在2臺機組上的DCS都能監視電廠公用系統的運行狀態， 并能限定在單一位置進行操作并能閉鎖其它地方的操作指夸。所以電氣控制系統納人DCS后硬件系統的組成面對的主要問題是NCS的合理配置問題 按最初的配置考慮，提出將NCS的控制和監視由l號機組的DCS實現的方案，具有系統組成簡單、網絡管理方便的優點，但在l號機蛆大修時其DCS不能進行全停檢修維護，并存在l號機組DCS故障時影響NCS的問題。所以在該工程的實際系統配置中，綜合考慮了各種方案， 最后采用了NCS同l、2號單元機組DCS相對獨立的設計方法，系統組成結構如圖3所示。其特點是NCS 由1個現場控制站、1個端子柜、1個擴展繼電器柜和2個操作員站組成，由冗余的控制總線(A 網、B網) 連接構成一個獨立于2 臺單元機組DCS的控制系統，保證了網控部分的獨立性。由于XDPS-400 系統軟件是基于WindowsNT 的開放性操作系統， 采用TCP/JP通信協議可通過非實時的信息網(C 網) 與2 臺單元機組的DCS相連接，NCS和單元機組DCS間可傳遞運行數據。在對方的OPU(操作員站)上進行顯示，達到數據共享的目的。NCS系統供電采用l、2號單元機組共同饋電的方法實現，2路電源可快速切換， 在其中l臺機組故障或檢修時能保證NCS系統正常運第35毫行。對于單元機組ECS部分，則分屬各單元機組DCS的一個子系統，由1個現場控制站、1個端子柜、1個擴展繼電器柜組成。圖3中的過程控制單元08就是完成單元機組ECS的現場控制站。
3、XDPS·400 DC$特點
XDPS-400是上海新華控制工程公司生產的專為電廠監視、控制和管理而推出的一種分散控制系統，系統采用開放式系統結構，由分布式控制單元、通信網絡和人機接口站組成， 其基本結構如圖3所示。
3.1 DCS通信網絡XDPS-400的實時通信網絡是整個分散控制系統的核心， 連接各DPU (過程控制單元)、OPU、ENG(工程師站)、HSU(歷史數據站)等不同節點，用于高速傳遞實時數據、組態信息和控制指令。實時通信網絡采用冗余的總線式結構(A、B 網)，以無主無源的同軸電纜為傳輸介質， 采用以太網管理，通信協議符合ISO/OSI參考模型，數據鏈路符合IEEE 802.3標準，傳輸方式為CSMA/CD。實時網絡的通信速率為l0 Mb/s， 每秒可傳轄64 000個全局宴時點。
除實時數據通信網絡外， 所有人機接口站還通過10Mb/s的以太網信息通信網絡相互連接，構成一個非實時的通信網絡(c網)，用于傳輸各種文件型數據及電廠管理信息，該通信網絡采用TCP/IP通信協議。由于文件及報文信息傳轄時不通過實時通信網絡，提高了實時通信網絡的可靠性，也減輕了宴時通信網絡的負荷率。
3.2 過程控制單元(DPU)XDPS-400過程處理部分為DPU， 主要完成數據采集、信號處理、連續控制、邏輯運算、順序控制及各種高級控制策略等不同的控制算法， 可組態生成從簡單到復雜各種不同的控制方案。DPU是一個以模件為基礎的機柜單元，包括機柜、冗余電源、功能處理器、通信卡、各種功能卡件和機箱。DPu的功能處理器采用冗余配置的Pentium200MHz控制處理器。每個DPU 可帶4—8個I/O 機箱，每個機箱可帶12塊I/o 卡件和1塊BC(基本控制)卡，或配置冗余的BC 卡。
3.3 人機接口站(MMI)XDPS-4o0 的MMI采用完全相同的硬件和WindowsNT軟件平臺，通過安裝不同的XDPS軟件包來構成OPU、ENG、HSU等不同人機接口站。
(1)OPU：OPU 是整個系統的操作員窗口，實現圖形顯示、生產運行控制、報警顯示記錄和操作功能，操作員站采用工業Pentlm II~66微機，32M 內存;1個專用操作員鍵盤; 分辨率為l 280×l 024的53cm彩顯。運行軟件為Windo~ NT和操作員站專用軟件。
(2)ENG：與OPU 具有相同的硬件配置，通過安裝ENG工具軟件完成整個xDPs一4OO的實時數據庫、控制功能塊、圖形、趨勢等功能的組態、組態數據的生成和下裝、系統修改和維護等，ENG也可作為OPU。
(3)}IsU：除太容量硬盤及光盤刻錄機外，配置與OPU基本相同，加裝歷史數據/記錄/性能計算軟件，用于完成歷史數據收集和處理，事故追憶、報袁打印等功能，并具備機組性能計算能力。
4、系統的應用功能實現
4.1 NCS功能因NCS自成一獨立系統，控制回路和監測點數不多，來設置專用的工程師站和歷史數據站。通過在1號OPU 上安裝ENG 軟件和}璐U 軟件，實現ENG和HSU 的功能，因此1號OPU 既是操作員站，又是工程師站和歷史數據站。控制系統由1個DPU、1個端子柜、1個擴展繼電器柜和2 臺OPU 組成。DPU的組態頁面共83頁，其中端子板組態17頁，卡件檢測回路1頁，報警光字牌23頁，控制回路組態42頁。系統完成的主要功能如下：
(1)數據采集、處理功能。按掃描周期連續地定時采集、處理現場送來的電壓、電流、功率、頻率、開關狀態、報警等電氣參數和狀態信息及運行操作和異常報警等信息，并以實時方式提供給運行人員。
(2)畫面顯示功能。監視系統共組態了11幅畫面，包括22OkV一次接線圖、廠用電一次接線圖、虹檔線、虹侯線、高壓啟動/備用變壓器、低壓廠用備用變壓器、22OkV母線分段、公共直流系統圖、電氣報警光字牌、網控主要設備一覽等。為運行人員提供一個集中的監控界面，通過CRT、鍵盤 鼠標等人機交互設備對網控及公用設備運行過程的各個受控參數和受控設備進行監視和處理。
(3)數據記錄功能。通過對實時數據的存儲，完成對歷史數據的記錄;通過歷史數據再現軟件，可以查詢歷史數據和曲線，并可完成報警歷史日志打印、報表打印、事故追憶打印以及操作記錄打印等打印功能。
(4)回路控制操作及保護閉鎖功能。該功能主要通過XDPs一4【x】的DEVICE(數字手操器)模塊來實現，DEVICE模塊能完成單臺設備基本的控制和聯鎖保護邏輯， 可由上一級順控指令或由操作人員在CRT/鍵盤上對單個設備進行控制和操作。完成如斷路器、隔離開關、接觸器、空氣開關等不同設備控制操作的控制算法，通過對DEVICE模塊的參數進行定義來實現。閉鎖保護是通過邏輯運算功能形成故障模式對操作回路進行操作閉鎖的，主要包括電氣五防方面的閉鎖保護內容， 故障模式由高到低的優先級包括就地、位置反饋故障、跳閘保護、超馳保護、跳閘和操作失敗等。
(5)數據通信功能。通過壘廠DCS信息網c網將NCS和單元機組ECS的部分重要信號以報文信息方式互相實時傳送，這些信號包括現場設備的運行狀態和重要監測參數等， 實現NCS和單元機組ECS數據共享的系統設計要求。
4.2 單元機組ECS功能單元機組電氣控制ECS是單元機組DCS的一個子系統， 控制系統由1個現場控制站、1個端子柜、1個擴展繼電器柜和1臺專用OPU 組成，DPU組態頁面共56頁，其中端子板組態11頁，卡件檢測回路1頁，報警光字牌組態14頁，控制回路組態30頁。監視系統共組態了9幅畫面，包括：單元接線圖、發電機變壓器組、發電機勵磁系統、高壓廠用工作變壓器、低壓廠用工作變壓器、直流系統圖、電氣報警光宇牌、電氣主要設備一覽、電氣重要參數等。完成功能同NCS一樣，主要包括單元機組電氣設備的數據采集、處理，畫面顯示，數據記錄及回路控制操作和保護閉鎖，數據通信等功能。
4.3 DC$與電氣專用裝置的連接
(1)與繼電保護系統的連接。該工程的繼電保護系統采用北京四方公司生產的微機保護裝置，最初的設計考慮是采用RS一232串行口通信方式將繼電保護裝置與DCS進行數據傳送，但由于選用的繼電保護裝置是由多個功能獨立的微機保護裝置組成，DCS玉法提供足夠的RS_232串行口滿足通信要求。解決方法是將繼電保護裝置的保護動作輸出接點信號通過硬接線送到DCS. 作為開關量輸入將這些信號進入DCS的全局數據庫+通過圖形組態建立電氣系統的保護系統報警畫面， 將各保護系統的動作情況在NCS和ECS操作員站顯示出來。
(2)與勵磁調節器的連接。單元機組配備了2套互為備用的AVR(自動勵磁調節器)和l套手動勵磁調節器，設計要求DCS可對勵磁調節系統進行操作和切換。在工程實施過程中是將勵磁系統的l～3號整流柜空氣開關、發電機滅磁開關、手動勵磁調節柜l KK 和2KK 開關、感應凋壓器及自動勵磁凋節器的手動、自動、投入、退出、增勵、減勵等操作和監視回路， 通過硬接線方式同單元機組DCS建立連接，由ECS操作員站實現對勵磁系統進行操作和狀態監視。
(3)與自動準同期裝置的連接 全廠共配置3套自動準同期裝置。其中網控系統l套，2臺單元機組各l套。原先設計的自動準同期裝置的手動合閘控制、啟動自動同期脈沖操作等回路由DCS控制，即在手動同期合閘操作時，合閘指令由CRT上操作發出。但在系統調試階段發現，在CRT上合閘按鈕點擊后到DPU 端子板輸出繼電器吸合時間會因計算機和網絡的繁忙程度不同而需時不同。 所以無法在自動準周期裝置上設定合適的超前量。調試時對該控制回路進行了修改，即在手動同期合閘操作時，由增設在電氣輔助盤上的合閘開關實現， 啟動自動同期脈沖操作回路仍保留由DCS控制。
5、實施過程中的問題
(1)oPu 報警畫面的修改。原設計的NCS、ECS報警顯示畫面是根據設計圖的DI信號順序排列，不方便運行人員的運行監視， 調試過程中對其進行了修改，修改的原則是根據設備進行分類分塊顯示，便于集中監視每一設備的運行工況。并增hn報警信號發出時， 同時驅動裝設于電氣輔助盤上的聲光報警裝置的組態和驅動回路。
(2)虹侯線、虹檔線、母線分段斷路器的手動合閘閉鎖邏輯增加同期TK 開關閉鎖功能。由于該3個斷路器的操作回路設計是在不需同期的情況下進行合閘操作時，同期TK 開關也必須臺上。因此，為適應運行人員的操作習慣，在合閘閉鎖邏輯中增加只有在電氣輔助盤上相應的同期TK 開關合上且只有一個線路同期TK開關合上時的合閘允許條件(3)增加合閘操作的二次擊鍵功能。為防止誤操作 在NCS和ECS的斷路器手動合閘操作時增加確認窗口，實現二次擊鍵功能。即在oPu的操作器上按下合閘按鈕后。 并沒有直接發出斷路器合閘輸出信號。而是彈出一對話窗口，提示是否真的要進行合閘操作，在按確認鍵后斷路器合閘輸出信號才真正發出(4)增加軟同期TK開關閉鎖及假同期試驗按鈕。
主變壓器高壓側斷路器臺閘閉鎖邏輯。 由于TK開關沒有輔助接點送到DCS， 同線路斷路器一樣。為適應運行人員的操作習慣， 增加軟同期TK 開關閉鎖功能， 以提醒運行人員進行合閘操作時要將電氣輔助盤上的TK 開關臺上，否則OPU 上斷路器的該項合閘允許條件不滿足。同時。為滿足電氣試驗對主變壓器高壓側斷路器合閘的要求， 在其操作器上增加假同期試驗按鈕， 即在200l1高壓側隔離開關未臺的情況下，只要按下假同期試驗按鈕，斷路器臺閘閉鎖邏輯中該項條件可滿足。
(5)增加AVR 操作器中增磁、減磁按鈕互切功能。在機組試運行期間， 曾發生電氣操作員進行AVR增磁操作時。在操作過程中來了報警信號使報警畫面彈出，覆蓋了原來的操作畫面，使得發電機勵磁操作畫面AVR操作器SET(增磁)一直置l，操作員切回原操作畫面進行操作，RESET(減磁)不起作用，導致發電機繼電保護動作發電機解列的故障。針對這一問題，采取了在DCS組態中增加其操作器中sFT、RESET按鈕互切功能，并取消報警信號彈出報警畫面的功能。
6、工程實施結果
該工程的網控NCS和單元機組ECS在2000年3月開始調試， 隨著電廠電氣系統倒送電試驗及機組試運的進程而逐步將系統投入了運行， 目前連續運行時間已將近28。運行及試驗結果表明，系統各監視回路運行正常、指示正確;電氣設備的控制操作穩定可靠，邏輯閉鎖功能正常;投入率和正確率都達到100% ，完全能滿足電廠網控和單元機組電氣設備運行監視、控制操作和保護閉鎖的要求。值得一提的是，作為DCS應用領域的進一步拓展，將電廠網控系統納入DCS實現了火電廠一體化控制，電廠的控制系統結構組成更合理。功能更完善，更有利于機組的運行穩定和維護。可認為，該工程實踐是成功的， 為DCS應用于電氣自動化取得了一些成功經驗。
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