现场总线技术在火电厂的应用.pdf

第 3 2卷 第 5期 2 0 1 0年 5月 华 电 技 术 Hu a d i a n Te c h n o l o g y Vo I ． 3 2 No． 5 Ma v ． 2 01 0 现场总线技术在火 电厂 的应 用 马 玉敏 国核电力规划设计研究院， 北京1 0 0 0 9 4 摘要 从数字化电厂和控制系统功能及物理分散 2个方面分别阐述了现场总线技术在火电厂中应用的重要性。分析 了现场总线的技术特点， 论述了现场总线技术在国外火电厂应用的成功经验， 针对 目前国内智能现场设备的现状， 提出 了在国内火电厂中应用现场总线技术的设计原则和应用范围。 关键词 现场总线技术 ； 总线协议 智能现场设备 中图分类号 T M 6 2 1 ． 6 文献标志码 B 文章编号 1 6 7 41 9 5 1 2 0 1 0 0 5 0 0 3 8 0 3 0 引言 发电企业进入信息化 时代 ， 对火电厂的数字化 和网络化提出了更高的要求。火电厂数字化的深度 和广度直接影响火电厂信息化的水平 。火 电厂控制 和管理系统可分为 3级 厂 管理 级 S I S S u p e r v i s o r y I n f o r ma t i o n S y s t e m ， MI S Ma n a g e m e n t I n f o r ma t i o n S y s t e m ； 机组 车间 级 D C S D i s t r i b u t e d C o n t r o l S y s ． t e rn ， P L C P r o g r a m ma b l e L o g i c S y s t e m ； 现场设备级 执行机构 、 现场仪表等 。随着火 电厂控制系统 的 迅速发展， 机组 车间 级 已经实 现 了全数 字化 ， 厂 管理 级也有了飞速 发展。传统 的 D C S P L C 系 统是模拟量 、 开关量 、 数字量混合系统信号制 ， 而且 是单 向的， 只能从现场设备中采集到用于过程控制 的信息， 而诊断和维护信息却无法采集 。现场总线 技术突破了传统的“ 点对点” 传输， 将丰富的现场状 态信息 、 诊断信息等送人机组 车 间 级控制系统 ， 并实现远程参数的调整 和校正 ， 使得现场设备 与电 厂控制管理系统之间的数字通讯成为可能， 为电厂 信息化建设及全面绩效管理提供 了强大的数据基础 平台， 使得 电厂 的数字化 管理 可 以从现 场设 备级 开始 。 随着火 电厂的不断发展 ， 采取有效 的措施大幅 度降低工程造价已成为火电厂设计方案优化中越来 越重要的因素。而对于热控专业人员来说 ， 降低工 程造价的有效措施是控制系统的功能分散和物理分 散。随着 D C S 控制器功能越来越强大 ， 传统的 D C S 功能分散 已不能很好地降低工程造价 ， 于是 ， 控制系 统的物理分散就显得尤为重要。从 D C S的远程控 制站 、 远程 I ／ O、 配电柜、 电源柜的分散布置到使用 远程智能采集前端， 再到取消集控楼进行电子设备 收 稿 日期 2 0 1 0一 O 1 2 7 问的分散布置 ， 这些措施都能在一定程度上减少安 装材料 电缆和桥架等 的使用。但是 ， 如果不对控 制系统进行革命性变革， 单纯通过优化主厂房 的布 置来进一步降低安装材料的用量 已经非常困难。采 用现场总线技术 ， 将控制功能和 I ／ O移到现场设备 是从根本上解决这一问题的关键 。 1 现场 总线技术 的特点 国际电工 委员会 I E C 1 1 5 8对现场 总线 的定义 为 安装在制造或过程 区域的现场装置与控制室 内 的自动控制装置之间的数字式 、 串行、 多点通信的数 据总线称为现场总线。 现场总线 的核心是 总线协议 ， 是实现开放和互 操作的必要条件 ； 现场总线的基础是智能现场设备 ， 是现场总线的硬件支持 ， 双向数字通讯的基础载体 ； 现场总线的本质是现场设备的数字化 、 信息化和控 制 的分散化。 用于火 电厂过 程控 制 的现场总 线协议 有 F F F i e l d b u s F o u n d a t i o n ， H a r t ， P r o f i b u s P A， P r o fi b u s D P， D e v i c e n e t 等。 目前 ， 国内外应用现场总线技术的主流 D C S ， 遵 循不 同的现场 总线协议 ， 如 S i e m e n s 西 门子 公 司 的 T X P一 3 0 0 0 S P P A T 3 0 0 0 支持 P r o fi b u s D P和 P r o fi b u s P A现场总线协议 ； F o x b o r o 公 司的 I ／ A系 列支持 P r o fi b u sD P， P r o fi b u s P A和 F F现场总线 协议 ； E me r s o n 艾默 生 公 司的 O v a t i o n系统支 持 P r o fi b u s D P， P r o fi b u sP A， F F和 H a r t 现场总线协 议 ； A B B公司的 S y m p h o n y系统支持 P r o fi b u s D P和 F F现场总线协议。 不是所有的智能现场设备都支持相同的现场总 线协议 ， 也不是同一智能现场设备支持所有的现场 总 线 协 议 ， 如 R o s e mo u n t 3 0 5 1 C ／ 3 0 5 1 S 、 Ma g n e t r o l E c l i p s e 7 0 5 雷达液位计 、 EH的导波雷达 液位计 、 第 5期 马 玉敏 现 场 总线技 术在 火 电厂 的应 用 3 9 L i mi t o r q u e的 阀 门执 行 机构 、 A u ma的 阀 门执 行 机 构 、 F i s h e r D V C 6 0 0 0 、 D r e s s e r F V P 的 阀 门定 位 器 、 A B B T Z I D阀门定 位器和 日本恒河 的 E J A 1 0 0压力 变送器 等支持 F F总线协议 ； A u m a的 阀门执行 机 构、 L i m i t o r q u e的阀门执行机构 、 西 门子 的 S i mo c o d e MC C s 和阀岛 电磁 阀 、 F E S T O 费斯 托德 国 F e s t o A GC o ．K G 等支持 P r o fi b u s D P总线协议 。 2 现场总线技术在 国外 电厂的成功应用经验 在欧美一些 国家， 现场 总线技术在火 电厂单元 机组 中从一些小范围的应用到最近在新建 电厂和老 电厂改造中的大规模应用经历 了几年的时间 ， 应用 实例较多 ， 如美 国 X c e l 能源集 团的 C o ma n c h e电厂 3机组 1 7 5 0 MW 和 O m a h a 公用事业 的 N e b r a s - k a 2机组 1 6 6 3 MWO P P D工程 中均采用 了艾 默生公 司的 O v a t i o n现场总线控制系统。 2 ． 1 确定是否采用现场总线的因素 1 可获得的智能现场设备 。 2 控制回路 的速度 ， 如果控 制 回路 的速度要 求很快 ， 则不考虑采用现场总线。 3 与安全有关 的设 备和信 号不 能采用 现场 总线。 2 ． 2 确定采用哪种现场总线协议的因素 1 取决于智能现场设备。 2 尽量避免不同现场总线协议之间的转换。 3 当同一种设备 同时支持 2种现场总线协议 时 ， 应根据其经济性确定采用哪种现场总线协议。 4 获得更多的设备诊断信息 。F F总线与 P r o ． fi b u s 或 D e v i c e n e t 相 比， 能提供更多的设备诊断信息 和在线校准功能。 2 ． 3现场总线技术对控制逻辑的影响 1 如果控制逻辑软件安装在控制器而不是智 能现场设备 ， 则现场总线和 I ／ 0总线没有任何区别 ， 现场总线对控制逻辑 的影响是非常小的。数据通过 专 门用于现场总线功能块 的算法读取至控制器 ， 执 行控制逻辑后 ， 再将数据写入现场总线连接的阀门。 2 当现场设备不能与控 制器通讯时 ， 应设置 其他逻辑以手动切除控制回路的控制。 3 当与 MC C连接的 P r o fi b u s通讯消失 时， 应 考虑其他逻辑 。 2 ． 4 现场总线的设计如何与电厂的工程进度相协调 1 现场总线设计 的最重要环 节是现场总线的 网段设计 ， 只有现场设备在现场的布置位置确定后 ， 网段设计才能完成。 2 在数 据库信息完成后 ， D C S的逻辑和 画面 设计可以在 网段设计完成前开始。 2 ． 5对满足 F F总线协议 的智能设 备采用现场控 制的可能性 总的原则是尽量不采用现场控制 ， 有 以下 4方 面的原因 1 多数调节 阀的控制策 略太复杂 ， 不能集成 在现场设备中。 2 为了能使现场设备 正确工作 ， 所有与控制 相关的过程点必须在同一个 网段上 。但这是不现实 的， 因为有些过程 点采用的总线标准不是 F F而是 Pr o fib u s 。 3 如果采用现 场控制 ， 将 引入 1套 与所 用控 制系统不同的新的算法至控制系统 。 4 除上述几种情况之外 ， 剩下 的为数不 多的 能在现场控制的情况 ， 即使采用 ， 对整个电厂的性能 也没有太大的益处。 3 现场 总线技术在 国内火 电厂 的应用 现场总线技术在 国内大容量机组火电厂辅助车 间已经有一些成功应用经验 ， 华能玉环电厂的锅炉 补给水处理系统和工业废水处理系统 的控制 系统 、 华能金陵电厂的锅炉补给水处理 系统 、 三河电厂二 期工程的热网系统的控制 系统等 ， 均采用 了现场总 线技术。 现场总线技术在单元机组的大规模应用也已经 开始 。华能九 台电厂一期工程 2 6 6 0 MW 和华能 金陵 电厂二期工程 21 0 3 0 Mw 均部分采用西 门 子公 司 S P P A一1 3 0 0 0 集成 F C S控 制系统 并陆续 投运 ； 江阴夏港 电厂 23 3 0 MW 机组 采用 的是 F o x b o r o I ／ A系列的 D C S ， 主要在 电气马达的控制和 保护系统采用现场总线技术 ， 现已经投运。 3 ． 1 国内火电厂大规模采用现场总线技术的局限性 现场总线的基础是智能现场设备。据调查 ， 目 前国内主要智能现场设备 的情况如下 1 智能变送器。国内具有引进生产线的智能 变送器的生产商有 E me r s o n R o s e m o u n t 、 川仪恒河 E J A和 S i e me n s 、 H o n e y w e l l 。他们 生产 的智 能变 送器和进 口智能变送器一样 ， 均支持 现场 总线协议 的要求。其他如 EH， A B B等 的智 能变送 器均为 进 口产 品。 2 智能分析仪表。不管是否带有现场总线协 议， 分析仪表 氧量分析仪除外 基本上都为进 口 产品。 3 温度测量仪表。国内生产的温度测量仪表 均不带温度变送器 ， 而且 国内多年 的使用经验或习 惯是在火电厂中采用不带温度变送器的温度测量元 件 如热电偶 、 热 电阻和双金属温度计 等 ， 尤其是 4 0 华 密裁 第 3 2卷 随主设备制造商供货的温度测量元件更是如此 ， 在 短时间内， 这种现状很难改变。因此 ， 在温度测量部 分应用现场总线难度较大。 4 电动执行机构 调节型和开关型 。纯国产 电动执行机构均不支持现场 总线协议 ， 国产引进型 合资产品有些支持现场总线协议 ， 但应用情况有待 验证。电动执行机构支持现场总线协议， 性能良好 且均为进 口设备 如 A u ma ， S i p o s ， L i m i t o r q u e等 ， 在 国内没有生产线 。 5 气动执行机构 调节型 。支持现场总线的 调节型气动执行机构 均为进 口产 品， 如 A B B， F i s h e r ， S i e m e n s 等 。 6 支持现场总线协议的阀岛， 如 S i e m e n s ， F e s t o等均为进 口产品。用于 MC C控制和保护的 S i m o c o d e ， E 3等也为进 口产 品。 由此可见 ， 在火电厂 中大规模采用现场总线技 术意味着大量地采用进 口智能现场设备 ， 同时， 现场 总线系统的设计 、 安装 、 组态、 调试也缺乏经验 ， 需要 在工程实践 中不断积累。 3 ． 2 国内火 电厂应用现场总线技术的方案 本文针对 目前 国内智能现场设备 的现状 ， 结合 国外现场总线的成功应用经验和国内一些火电厂现 场总线技术 的应用情况 ， 提出了火 电厂应用现场 总 线技术 的设计原则和应用范围。 3 ． 2 ． 1 应用现场总线技术的设计原则 综上所述 ， 目前火 电厂的控制系统 ， 应该是现场 总线控制系统 F C S F i e l d b u s C o n t r o l S y s t e m 和传统 D C S的无缝连接而形成的控制系统 。结合国内智能 现场设备的现状 ， 在设计 中应优化智能现场设备 的 选用 ， 以达到既能降低工程造价又能在尽量大的范 围内采用现场总线技术的 目的 ， 获得更多 的现场设 备信息， 提高电厂运行的效率和管理水平 。 1 对影响机组安全运行 的系统 如 B M， M F T ， D E H， E T S ， ME H， ME T S ， S O E等 采用传统 D C S实现 控制功能 ， 但相关的变送器可以采用带 H a r t 协议的 变送器， 电动 、 气动执行机构采用智能型现场总线产 品 ， 采用传统硬接线信号接入 D C S 。 2 对于过热器 、 再热器金属壁温度 ， 汽轮机金 属壁温度 ， 发电机线 圈、 铁心温度 ， 送风机 、 引风机 、 一 次风机的马达线 圈、 轴承温度等纯数据采集而非 用于保护 的温度测点采用 热电偶或热 电阻进行测 量 ， 通过远程智能数据采集前端进行数据采集 ， 再通 过与 D C S 通讯将数据送至 D C S 。 对于其他热力 系统 中的温度测点 ， 纯数据采集 点可采用现场总线技术的温度变送器； 对用于保护 的温度测点， 采用 带 Ha r t 协议 的温度变送 器； 也可 以对这些温度测点全部采用热电偶或热 电阻， 通过 硬接线方式送入 D C S 。 除上述温度测点以外 ， 其他进人 D A S的点在智 能现场设备满足要求时， 全部采用现场总线技术。 3 与机组安全无关 的系统的电动执行机构采 用支持现场总线的进 口智能 电动执行机构 ， 气动执 行机构采用支持现场总线协议的进 口智能定位器。 当采用 国产电动／ 气动执行机构时， 通过传统硬接线 方式与 D C S连接。 4 除影响机组安全 的 系统 的变送器 采用带 Ha r t 协议的变送器外 ， 单元机组所有 变送器均采用 支持现场总线协议 的智能型变送器。 5 根据实际布置情况 ， 单元 机组的电磁 阀可 以采用传统硬接线方式接人 D C S ， 也可采用支持现 场总线协议的进 口阀岛。 6 所有机械式开关量仪表均采用传统硬接线 方式接人 D C S 。 7 对采用现场总线技术 的智能现场设备 ， 所 有控制逻辑按照工艺系统划分在各 D C S控制器 中 集 中处理 ， 而不是将控制功能分散至现场设备 。 8 电气的 4 0 0V电机全部采用现场总线技术 ； 1 0 k V或 6 k V电机不采用现场总线技术； 与系统 安 全有关 的开关或断路器等不采用现场总线技术。 9 火电厂的所有辅助车间均可采用现场总线 技术。 3 ． 2 ． 2 现场总线技术在火电厂的应用范 围 本文推荐的火电厂中的现场总线技术的应用范 围如下 1 锅炉的烟风系统、 制粉系统 、 炉前油 系统 、 汽水系统 、 启动系统 、 疏水系统 、 暖风器系统 、 吹灰系 统 、 压缩空气系统等。 2 汽机 的主汽系统 、 抽 汽系统 、 辅助蒸 汽系 统、 凝结水系统 、 抽真空系统、 除氧给水系统、 高低加 疏水系统 、 汽机本体疏水系统 、 汽机润滑油／ 顶轴油／ E H油系统 、 循环冷却水系统、 压缩空气系统 。 3 发 电机的氢 、 油 、 水系统 。 4 电气 4 0 0 V电机 、 与系统安全无关的开关等。 5 所有辅助车间。 4结束语 现场总线技术在国内火电厂中的应用 尚处于起 步阶段 ， 存在一些局限性 ， 但 由于现场总线技术所具 有的数字化 、 信息化和控制分散的特点顺应 了建立 数字化电厂和降低工程造价 2方面 的需求 ， 现场总 线技术在国内火电厂大规模应用是必然趋势 。随着 现场总线技术在设计 、 安装 、 组态 、 下转 第4 3 页 第5期 周欢荣， 等 继电保护装置中电流互感器的抗饱和措施 4 3 暂态系数 K B s i n m t o 2 o 3影响暂态特性的参数 由以上推导 出的电流互感器暂态特性计算公式 可知 ， 影响暂态特性 的参数主要有短路 电流及其周 期分量 、 一次 回路时间常数 、 电流互感器工作循环及 经历时间 、 二次回路时间常数。 4 大 中型 发 电机变压 器组继 电保 护装 置 的 抗饱和 电流 互感器设计及应用 从以上分析 可以看出 ， 影 响 C T暂态特性 的原 因是一次电流叠加了一个非周期分量 ， 而该非周期 性分量的大小及衰减速度决定 了 C T需增加一定数 量的磁通量来抵消这分量。由于现场的故障 电流是 随机 、 变化的 ， 因此 ， 在设计二次 C T时须考虑最严 酷的情况 ， 在暂态 2 0倍或 3 0 ， 4 0倍 时 ， 非周期性分 量 1 0 0 ％全偏 ， 时间常数 1 2 0m s 或更长的条件下 ， C T 也能满足要求。 根据 电磁感 应原理可知 ， 感应 电动势 E 4 ． 4 4 N f B A N为互感器 的二次匝数 ； ／为工频 的频率 ，f 5 0 ； B为磁通 密度； A为磁芯 的有效截面积 。在没 有非周期性分量 的情况下 ， 根据 E很容易计算出磁 芯面积的大小。在有非周期性的情况下 ， 在设计 C T 时， B A值要 比常规的 不抗饱 和的 大几倍 ， 实 际的 动模试验 中也验证 了这点 。反过来 ， 若想 知道 C T 能不能抗饱和， 只要测试它的励磁曲线 ， 看一下它的 饱和感应 电动势的大小就可知道 。 以前发电机变压器组保护装置软件设计针对装 置电流互感器 的抗非周期分量的能力不强采取了很 多措施 ， 如增加了很多辅助判据和辅助算法 ， 增加了 C P U的工作量 也降低 了保 护的可靠性 。采用 了新 设计的二次 C T后 ， 保护装置抗饱和能力增强 了， 简 化了软件的设计 ， 提高了装置的效率和可靠性 ， 经过 动模测试和工程应用效果都是很好 的。 5 抗饱和 电流 互感器的选型要 求 5 ． 1 材料的选型 适合工频使用的磁性材料有玻膜合金 、 纳米微 晶 、 非 晶 、 硅 钢 ， 它 们 的饱 和 磁 感 应 强 度 分 别 是 0 ． 7， 1 ． 2 ， 1 ． 5 ， 1 ． 9 T 。因此 ， 从缩小体积来看 ， 以选用 硅钢为好 ； 同时 ， 在选择牌号上 ， 应选用低剩磁牌号 的。玻膜合金 、 纳米微晶由于有较高的磁导率 、 较小 的励磁电流 ， 在不抗饱和的 C T中普遍采用 。 5 ． 2结构的选型 非周期性分量消失后 ， 会在磁芯上产生一定的 剩磁。由于正常工作 时磁通密度很小 ， 剩磁量是无 法退掉 的， 所以， 最好选择 E i 结构的磁芯 ， 它总是会 有一点气 隙， 剩磁可以降低很 多。在二次 C T中， 通 常不考虑开气隙 ， 主要是制作困难 ， 一致性差。在不 抗饱和的 C T中， 通常选择环形 结构 ， 主要是它的漏 磁小 、 磁路短 ， 制作出的互感器精度高。 6 结论 经过 了以上的改进设计 以后 ， 保护装置 电流互 感器的抗饱和能力得到 了大大的增强 ， 其 暂态特性 更加适合保护装置 的需要 ， 特别是对于大中型发 电 机变压器组保护来说 ， 在机端故障或近机 端故 障时 电流中含有大量 的非周 期分量 ， 这种新 的 C T尤其 适合 ， 使保护装置更加可靠和稳定。 参考文献 [ 1 ] 互感器制造 技术 编 审委员 会． 互感 器制 造技 术 [ M] ． 北 京 机 械工业 出版社 ， 1 9 9 8 ． [ 2 ] 袁季修． 保护用电流互感器应用指南[ M] ． 北京 中国电 力出版社 ， 2 0 0 4 ． [ 3 ] 袁季修， 盛和乐． 电流互感器的暂态饱 和及应用计算 [ J ] ． 继电器 ， 2 0 0 2 ， 3 0 2 1 5 ． [ 4 ] 陈丽燕， 何奔腾， 钱国明， 等． 基于二次电流下降的电流 互感器饱 和判别方 法 [ J ] ． 电力系统 自动化 ， 2 0 0 8 ， 3 2 7 5 9 6 3 ． 编 辑 刘芳 作者简介 周欢荣 1 9 7 7 一 ， 男 ， 江 西 抚州 人 ， 工 程师 ， 工程 硕 士 ， 从 事继 电保护方 面的研究 工作 。 陈琦 1 9 8 3 一 ， 女 ， 江苏 江都 人 ， 助 理工 程师 ， 从事 继 电 保护方面的研究工作。 李炳军 1 9 7 9 一 ， 男， 山东潍坊人， 助理工程师， 从事继 电保 护方面的研究工作 。 ● ● ● ●● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ●● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● 上接第4 0页 调试等方面经验 的不断积 累以及国 内电力行业智能现场设备 的不断发展 ， 现场总线技 术在 国内电厂 中将会获得更多、 更广泛的应用。 编辑 刘芳 作者简 介 马玉敏 1 9 6 9 一 ， 女 ， 河北任丘人 ， 高级工程师， 工学硕 士， 从事热工自动化设计方面的工作。