电气监控系统（ECS）在火电厂（DCS）监控的探讨.pdf

电气开关 2 0 1 4 ． N o ． 5 8 9 文章编号 1 0 0 42 8 9 X 2 0 1 4 0 5 0 0 8 9 0 5 电气监控系统 E C S 在火电厂 D C S 监控的探讨 侯云海 ， 孙德华 ， 库国柱 ， 梅凯 长春工业大学， 吉林长春1 3 0 0 1 2 摘 要 具体分析 了国内火电厂电气监控 系统E C S 的产生、 发展 以及 电气 系统纳入 集散控制 系统 D C S 的不 同模式 ， 通过 比较确认“ 硬接 线 通信” 模式是 当前火电厂 电气系统接入 D C S的主流解决方案。同时电气监控 系 统接入 D C S控制的一些优点。随着电子信息技术的 日趋成熟和稳定， 完全取消硬接线的全通信方式必将逐步得 到认 可和规 模使 用 。 关键词 火电厂 ； 电气监控 系统 ； 集散控制 系统全通信； D C S E C S 中图分类号 T M 7 6 文献标识码 B Di s c u s s i o n o n El e c t r i c a l Co n t r o l S y s t e m i n He a t Eng i ne Pl a n t M o ni t o r i n g HOU Y u n h a i ， SUN De hu a， KU Gu o - z h u， MEI Ka i C h a n g c h u n I n d u s t r y U n i v e r s i t y ， C h a n g c h u n 1 3 0 0 1 2， C h i n a Abs t r a c t Eme r g e n c e a n d d e v e l o p me n t o f e l e c t r i c a l c o n t r o l s y s t e ms f o r h o me h e a t e n g i n e p l a n t a n d d i f f e r e n t mo d e s o f e l e c t r i c a l s y s t e ms t o b e fit t e d i n t o d i s t rib u t i n g c o n t r o l s y s t e m a r e s p e c i fic a l l y a n a l y z e d． By c o mp a ris o n． “h a r d wi ringc o m mu n i c a t i o n”t o b e e s t a b l i s he d i s t h e ma i n s c h e me o f t h e e l e c t ric a l s y s t e m t o b e fit t e d i n t o DCS． Ke y wor d s h e a t e n g i n e p l a n t ； e l e c t ric a l c o n t r o l s y s t e m； a l l p a s s c o mmu n i c a t i o n o f d i s t ri b u t i n g c o n t r o l s y s t e m； DC S； ECS 1 引言 随着 电子信息技术 的 日新 月异 ， 火电厂在 自动化 技术的应用方面也取得 了长足发展 ， 火 电厂要生存 和 发展就必须最大限度地挖掘机组潜力 ， 提高效率 ， 降低 成本 ， 只有通过更先进 的技术 ， 才能实现生产过程 自动 化和管理现代化。当前国内发 电厂正在不断的扩大生 产规模 、 提高电压等级及 自动化水平 。因此 ， 火电厂的 实时监控及管理水平就需待改善 ， 而 电气 的监控设备 相对较为落后 ， 继 电器、 控制开关及其接点等组成的控 制逻辑靠硬接线来实现。发电厂的电气部分组成为厂 区用电、 上网用 电及发变机组用电， 随着 D C S软硬件 的不断完善及机 电炉一体化 的需求 ， 迫切需要将 电气 设备控制纳入到 D C S中， 从而建立独立的电气监控 系统。 2 E C S的概述 电气监控系统是集计算机 、 通信 、 图型显示和控制 四大技术 于一体 的 自动化综 合 系统 ， 它是从原 来 的 D C S 系统中的电气部分独立出来进行专业管理， 实现 厂用 电中低压电气系统的保 护、 测量 、 控 制、 分析等综 合功能。协调发电厂热控与电气 自动化的同步发展 ， 全面提高发电厂的 自动化水平和厂用控制管理水平 ， 保证发电厂运行的安全性和可靠性， 增强发电厂在当 前电力市场经济运行的优势和竞争能力。它具有运算 能力强 、 实时、 可靠和精 度高 、 操作简 单、 检修维护方 便 、 人机界面友善 的特点。 电气监控系统与热工 自动化系统相比在运行过程 和控制要求上有着很多不 同之处 ， 发电厂 电气监控系 统 的主要特征可归结为以下几点 1 电气 设备相 对于热工设 备而 言控 制对象 较 少 ， 操作 的频率低 ， 有 的系统或设 备在正 常运行状 态 下， 时常几个月或更长时间才操作一次。但电气设备 的操作准确性要求很高， 特别是发电机 一变压器组及 厂用电源 ， 一旦出现问题后果将非常严重 。因此 ， 必须 充分考虑操作的安全可靠性。 9 0 电气开关 2 0 1 4 ． N o ． 5 2 电气设备 的保护装置或 自动装置 ， 其 可靠性 要求非常高， 动作速度快。 3 3 0 0 MW 及以上机组一般每 台机组共用 1台 起动 一 备用变压器 ， 任一台机组检修都不能影响另一 台机组 的正常运行 ， 因此在 E C S联入 D C S时 ， D C S控 制应考虑其控制方式 ， 以确保只能有 1台机组 的 D C S 实现对共用部分的控制 ， 同时另一 台机组 的 D C S能够 实现实时监视 ， 并且这两种不 同的监控权 限能够在两 台机组间实现切换 。 4 电气设备 电气系统 的联锁逻辑较为简单 ， 但 电气设备本身的操作机构却十分复杂。 3 D C S的概述 集散控制系统 D C S 是一类分散控制 、 集中管理 的共用控制、 共用显示的仪表计算机控制系统。分散 控制指控制可以分散在各控制装置或现场设备 ； 集 中 管理指操作 人员主要 集 中在控制室操作整个生产过 程； 共用控制指各种控制 回路是共用一个或几个分散 过程控制装置 ； 共用显示指显示装置既显示生产过程 的流程 ， 也显示用于操作的仪表面板 ， 在一个显示画面 上可获得多个设备或过程的运行状态等 ； 开放指系统 能够与其他系统友好地连接， 实现信息共享， 系统内部 的设备 ； 仪表计算机控制系统指控制系统既包含仪表 ， 也包含计算机及有关通信系统 ， 其 目的是用于生产过 程的控制 和管理。因其具有先进 的信息技术、 友好 的 人际界面、 稳定的工作性能 以及多样化 的控制功能等 优势 ， 多年来一直被应用于 电力企业 的 自动化控制领 域 ， 为建立分散控制与集 中管理相结合 的一体化控制 系统提供 了技术支撑 。就电力企业 电气系统而言 ， 将 其纳入到 D C S的监控范围内， 对于实现机、 炉 、 电一体 化控制模式具有重要作用， 同时也是 电力企业 电力监 控系统的发展趋势之一。当前 ， 电力企业的电气控制 已经逐步接入了 D C S方式 ， 并为电力企业实时利用现 场数据信息构建高层次的管理决策系统奠定了坚实基 础 。通过利用现场总线技术可以将设备使用状态的相 关信息快速地传输到 D C S 系统中进行统一监控， 不仅 有利于减轻操作人员的工作量 ， 实现一人控制 D C S自 身所拥有 D C S系统 ， 而且有利于提升 电力企业的 自动 化生产水平。 4 E C S纳入 D C S的技术要求 能按启动／ 停止阶段和正常运行 阶段的要求程序控制 和软手操来实现 ； 能实时显示和记录上述发变组系统 和厂用电系统的正常运行 、 异常运行和事故状态下 的 各种数据和状态 ， 并提供操作指导和应急处理措施 ； 单 元机组 炉机电 实现全 C R T监控 。 5 E C S接入 D C S的主要模式 5 ． 1 “ 硬接线” 的方式 硬接线方式电气信息通过硬接线接人 D C S 见图 1 。接入信息主要包括开关量输入 D D、 开关量输 出 D O 和模 拟量输 入 A 1 ， 接入方式为 空接点和 4～ 2 0 m A直流信号。 采用这种方式后 ， 通过 D C S的 C R T实现了电气相 关信息的显示 、 报警以及对相关电气设备的控制调节 。 这种方式的优点是 电气量的 I／ O模件柜布局集中布 置 ， 方便管理 ； 信号传输 中转环节少 ， 对信号 的反应快 速可靠 ， 连接电缆正确后 ， 发生故 障的几率低 ， 维护工 作量小。虽然一次性投资高 ， 但 目前大部分电厂 、 设计 院仍认为硬接线是 E C S接人 D C S的最快速可靠的方 式。因此， 在通信方式逐步扩大推广应用的环境下， 目 前对可靠性 、 实时性要求很高 的电气控制仍然保留 了 硬接线的方式。但硬接线在实际实施和运行过程中也 存在一些问题 ， 例如 1 D C S需要配置大量 的变送器 、 1 0卡 ， 机柜和连 接电缆 ， 施工复杂 ， 成本高 。 2 接人 D C S的信息量有限 ， 系统扩展性差。 3 无法完成事故追忆 、 定值管理 、 操作票等复杂 的电气维护和管理工作 。 4 客观上造成硬件资源的重复配置。 鉴于硬件接人方式的上述不足 ， 采用通信方式替 代硬接线方式是很有必要 的。 目前 ， 以通信方式 部分 取代硬接线已经得到了国内大部分电厂用户和设计院 的认可。因此 ， 也提出了“ 硬接线 通信” 的方式 。 l D c s 的上位机系统l l l D C S 的l O O M b i t ／ s 以太 网 l l 1分 布式 处 理 单元 D P U l I I DPU内部 总线 l I I l l 电气系统回 路 l 发电机系统能实现程序控制和软手操控制使发电 图1 硬接线方式结构图 机 由零起升速、 升压直到并网带初始负荷 ； 厂用电系统 电气开关 2 0 1 4 ． N o ． 5 9 1 5 ． 2 “ 硬接线 通信” 的方式 “ 硬接线 通信 ” 方式的 E C S一般 采用分布式分 层体系结构， 一般分为站控层、 通信层和间隔层三层， 系统 网络结构如图 2 。 站控层一般 采用 C ／ S的分 布结 构 ， 由服务器 、 工 作站和通讯网关等组成 ， 形成 电气监控 系统 。 目前虽 然电气系统的大量信息通过通信接人 D C S ， 但主要是 用于监控功能， D C S并没有 开发争对 电气 的高级应用 软件。通过 E C S相对独立的实现对电气 系统 的监控 ， 不仅提供了 D C S的后备控制手段 ， 还能实现诸如保护 定值管理 、 录波分析等复杂的电气维护操作 ， 为电气系 统的维护 、 运行提供 专业 的管理 平 台， 这也是 E C S的 核心价值之一。 通信层一般 以通信 管理机为核心 ， 对信息起到分 组与上传下达的作用 ， 通过以太网接入站控层 的实时 主干网， 厂用 电综保装置通过 R S 4 8 5或者现场总线接 入通信管理机， 对于第三方智能电器设备， 一般通过通 信管理机实现通信接口和规约转换， 从而实现完整的 电气系统联 网。目前 E C S与 D C S的通信可通过站控 层 的通信 网关与通信层 的通信管理机两种方式实现 ， 通信网关一般采用 1 0 0 M 以太 网， 通信量大， 但需 D C S 开发专 门的软件模块 ， 受 D C S的开放性限制大 ， 通信 管理机与 D P U之 间一般采用 R S 4 8 5接 口、 m o d b u s 通 信协议 ， 简单易行 ， 因而得到了广泛应用。 间隔层包括分散安装的厂用 电综保装置， 如电动 机保护装置 、 变压器保护装置 、 发 电机保护装置等 ， 完 成对电气系统现场信息的采集 、 保护 、 控制和数据通讯 的功能 。 “ 硬接线 通信” 的方式使得 E C S第一次把网络 化的应用引入到火电厂电气系统 ， 也使 D C S中电气信 息的接人模式发生了根本改变， 电压、 电流、 功率和各 种保护动作信号等大量电气信息通过通信传人 D C S ， 与控制相关 的开关量输入输出还保留硬接线。这种方 式为火 电厂的电气运行和维护提供 了新 的平台， 其与 完全的硬接线方式相 比具备下述优点 1 接人 D C S的 电气信息更 加 全面 ， 系 统扩 展 性高。 2 D C S取消了大量的变送器 、 机柜和连接 电缆 ， 成本降低。 3 通过电气系统后台可实现事故追忆、 保护定 值管理、 录波分析等复杂的电气维护工作， 极大的提高 了电气系统的整体 自动化水平 。 因此 ， 相对来说 此方式 是 目前火 电厂 E C S融入 D C S模式 的主流解决方案。 ， 用 电 绿 保 装 置 分 组 1 J 用 电 绿 侏 装 置 分 组n 图 2 “ 硬接线 通讯” 方式结构图 5 ． 3 “ 全通信” 的方式 信方式， 系统网络结构如图3 所示。 E C S系统从产生到现在的广泛应用， 始终以提高 在这种方式下， 通信管理机按照电厂的工艺配置 电气自动化水平， 实现 E C S与 D C S的无缝连接为 目 需求， 参与工艺联锁控制的通信管理机和相应的 D P U 标， 目 前的通信信息基本上还是以监测为主， 不控制， 一对一进行通信， 由于每个工艺过程的综保装置数量 离用户真正期待的全通信还有一定的差距。目前一些 较少， 因而通信实时性较高 ，完全可以满足电厂工艺联 国内E C S 厂家和电厂一起在全通信方面进行了有益 锁控制的要求 ，对于不参与工艺联锁的电气信息， 通过 的探索， 积累了一定 经验 。 目前投入工程应用 的全通 E C S站控层的通信网关接入 DC S 。 9 2 电气开关 2 0 1 4 ． N o ． 5 在变电站 自动化系统和 D C S中， 控制都是通过网 络通信实现的， D C S的开放性受限也影响了两个系统 之间联接的紧密性 ， 可靠性和实时性受到较大的制约 ； 一 个工艺过程的厂用电动机回路往往来 自不同的配电 间隔 ， 网络布线交叉 ， 也增加 了施工和维护的难度。然 而， 随着通信技术的日趋成熟和稳定， 全通信方式将会 成为主流方式并得到广泛应用。 E CS 6 电气监控系统在火电厂中的应用 近些年 ， 电气设备逐渐智能化 、 小型化 、 多功能化 ， 在保证电气综合 自动化同时确保电气系统的相对独立 性。火电厂电气监控系统包括发电机 一 变压器监控系 统和厂用电源监控系统。 图 3 全通信方式结构图 电气监控系统按层分布式设计 ， 每层实现不 同的 功能 ， 且每层的设备和子系统互相独立 ， 总体上包括系 统监控层、 通信管理层和现场保护测控层。 1 系统监控层。 发电厂监控管理系统采用客户／ 服务器体系结构， 可以实现对电厂电气系统的相关数据采集 ， 如模拟量 、 数码量 、 温度量、 脉冲量 、 开关量。同时 ， 它还可以完成 一 系列功能 ， 如保护、 计算 、 报警 、 判别 、 顺 序记 录和报 表统计， 还可以满足向现场保护测控单元层发布命令 的要求 ， 以按需控制和调节 电气设备 。同时系统可 以 1 0 0 M 以太网体系统结构 的双层网络系统并行 ， 可分别 达到各节点功能相对独立。系统通过配置主备方式运 行 ， 可以保证发 电厂电气监控管理系统的相关软件对 电厂进行控制优化、 设备运行管理， 尽最大可能保障电 厂的安全平衡运行。 2 通信管理层。 不同的保护测量控制装置间通信协议导无法直接 交互各装置间信息， 含有通信主控单元的电气监控管 理系统能实现不同装置间及 D C S的信息交换。信息 的接收、 发送及规约的转换要靠通信主控单元来实现， 它可下发系统对保护测量控制层的控制命令到相关装 置， 从而将不同装置上传的信息传输到电气主站系统。 3 现场保护测控层 。 现场保护测控层一般包括发 电机组子系统及公共 端子系统 ， 子系统间靠现场总线 和通信管理机彼此连 通。现场保护测控层中的装置分组， 可使系统的实时 性和稳定性 ， 然后依靠现场总线方式分别组网到相应 的通信管理装置中， 最后高速以太 网和上位机 系统监 控层问的通信就可实现功能。 7 总结 发电厂电气监控系统是未来 的发展方向， 目前 已 经得到了广泛应用， 仍存在一些问题 ， 我们应该要从中 寻找解决方案， 并且汲取经验 ， 让电气监控系统覆盖面 更广 、 功能更全。同时“ 硬接线 通信” 方式在 目前条 件下更好的解决了 E C S接人 D C S实现机炉电一体化 控制 的要求 ， 随着 E C S的 日趋稳定和通信技术的不断 发展， 相信在不久的将来， 全通信的方式将真正为用户 广泛接受和应用。 参考文献 [ 1 ] 邱 华． 电气系统监控 纳入 D C S应用的探 讨 [ J ] ． 湖北 电力 ， 1 9 9 9 ， 2 3 4 1 92 2 ． f 2 ] 吴泽 生， 吴艳萍． 数字化 电气监控 管理 系统 的探 讨 [ J ] ． 电力 自动 化设备 ， 2 0 0 4， 2 4 1 9 4 9 7 ． 『 3 ] 钱 可弭． 新型发 电厂电气监 控 系统 的架构与 实现 [ J ] ． 广 东电力， 2 0 0 5． 1 8 3 1 2 1 2 5 ． 电气开关 2 0 1 4 ． N o ． 5 9 3 文章编号 1 0 0 4 2 8 9 X 2 0 1 4 0 5 0 0 9 3 0 4 浅谈灵敏度分析的应用 卢兰静 ， 韦翠琼， 陈超兮 ， 邬华颖 ， 谢丰战 广西大学 电气工程学院， 广西 南宁5 3 0 0 0 4 摘 要 通过列举了灵敏度分析方法在电力系统分析与控制中的应用及其在其他领域的应用， 展示了灵敏度方法 具有重要的研 究价值。同时也针对现有的灵敏度分析的不足列举了目前国内外对灵敏度分析的最新发展情况。 关键 词 灵敏 度 ； 电力 系统 ； 应 用 中图分类号 T M 7 1 文献标识码 B Appl i c a t i o n o f Di s c us s i o n S e ns i t i v i t y An a l y s i s L U L a n -j i n g， WE I C u i q i o n g， C H E N C h a o x i ， WU H u a y i n g， X I E F e n g z h a n C o l l e g e o f E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g ， G u a n g x i U n i v e r s i t y ， N a n n i n g 5 3 0 0 0 1 ， C h i n a Abs t r a c t T h e p a p e r e n u me r a t e s t h e s e n s i t i v i t y a n a l y s i s me t h o d i n t h e a p p l i c a t i o n o f p o we r s y s t e m a n a l y s i s a n d c o n t r o l a n d t h e a p p l i c a t i o n o f i t i n o t h e r a r e a s ， a n d s h o w s t h e s e n s i t i v i t y me t h o d h a s i mp o r t a n t r e s e a r c h v a l u e ． At t h e s a me t i me ， wi t h t h e s e n s i t i v i t y a n a l y s i s o f t h e e x i s t i n g de f i c i e n c y o f t h e c u r r e n t ， l i s t t h e l a t e s t d e v e l o p me nt o f t h e s e n s i t i v i t y a n a l y s i s a t h o me a n d a b r o a d． Ke y wo r d s s e n s i t i v i t y； p o w e r s y s t e m； a p p l i c a t i o n 1 引言 灵敏度 S e n s i t i v i t y 是 利用系统 中某些物理量 的 微分关系 ， 来获得 因变量对 自量敏感程度的方法 。研 究与分析一个 系统 或模型 的状态或输出变化对系 统参数或周 围条件变化的敏感程度的方法。在最优化 方法中经常利用灵敏度分析来研究原始数据不准确或 发生变化时最优解的稳定性 。通过灵敏度分析还可 以 决定哪些参数对系统或模型有较大的影 响。因此 ， 灵 敏度分析几乎在所有的运筹学方法中以及在对各种方 案进行评价时都是很重要的。 2 灵敏 度分析在其他领域 中的应用 2 ． 1 机械领域的应用 在汽车行业机械方面也有很大的作用 。文献 [ 1 ] [ 4] 闰天 军． 火电厂 电气监控 系统接入 D C S方 式的分析 [ J ] ． 2 0 0 6， 3 0 1 1 8 6 8 9 ． [ 5 ] 孙 明初． 数字化 电气监 控管 理 系统 在 火力发 电厂 中的应 用[ J ] ． 2 0 1 2 ， 1 1 6 86 9 ． [ 6] 董桁． 发 电厂 电气系统监控纳入 D C S的应 用[ J ] ． 四川 电力技 术 ， 研究了基于 S E A模 型的低噪声 内燃机设计参 数灵 敏 度分析方法并分析了结构内部阻尼和子系统问的耦合 阻尼对 内燃机辐射噪声的影响规律为修改产品设计方 案提供可靠依据从而减少设计费用缩短设计周期 。文 献 [ 2 ] 则应用系统矩阵法利用系统矩阵法 ， 分 析了 内 燃机曲轴振系统无阻尼 自由振动固有频率和振型对转 动惯量及刚度的灵敏度。基于 固有特性灵敏度分析， 给出了扭振系统结构 动力学修 改 的计算方法。文献 [ 3 ] 利用灵敏度分析的方法有 目的地选择适当的设计 变量 ， 对汽车离合器用膜片弹簧进行优化设计 ， 改进 了 以往只凭经验选取设计变量进行优化造成变量过多计 算冗长且结果有偏差的问题。文献 [ 4] 为改善齿轮箱 的振动特性 ， 提 出基于动态灵敏度分析的齿轮箱结构 动力修改。通过对某船用齿轮箱进 行灵敏度分析 ， 讨 2 0 0 3 ， 2 6 6 2 5 2 7 ． [ 7 ] 陈豪， 杨晓华 ， 傅志锋． 火 电厂 电气监 控 系统 融入 D C S模 式 的研 究[ J ] ． 科技风 ， 2 0 0 9， 9 6 3 ． 收稿 E l 期 2 0 1 30 91 2