（电力系统及其自动化专业论文）分布式电气控制系统性能分析及控制模块设计.pdf

声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文分布式电气控制系统性能分析及 控制模块设计，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究 工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在 论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：至多耻日 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期： 导师签名： 日期： 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题背景及意义 第一章绪论 1 1 1 课题背景 9 0 年代末，国内电力工程设计提出火力发电厂控制系统优化设计的技术目标， 即：火力发电机组一体化控制系统，要求机组运行监控设计采用“一人为主、两人 为辅”方式，整体提高火力发电厂运行控制的自动化水平，重点就是实时信息集中 一体化。 当时设计的发电厂监控系统存在以下缺点： ( 1 ) 发电运行监控点多：设计分为机组系统、制水系统、水处理系统、输煤系 统、凝结水精处理系统、除渣系统、除灰系统、电除尘器等多个控制室，遍布全厂。 ( 2 ) 独立的控制系统多：设计分为机组主控( d c s d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) ； 汽机调速( d e h - d i g i t a le l e c t r o h y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e m ) ；电气监控( e c s e l e c t r i c a l c o n t r o ls y s t e m ) 、保护、励磁、同期及综合保护等；汽动给水泵调速( m e h m i c r o e l e c t r o h y d r a u l i cs y s t e m ) ；制水程控、凝结水精处理程控、除灰程控、电除 尘控制等多套独立配置的控制系统。 ( 3 ) 控制系统的型号多：机组控制、汽机调速控制系统采用两种型号的分散控 制系统；电气系统采用微机型保护、励磁、同期等专用装置及常规的操作系统；制 水控制、输煤控制等采用各种型号的可编程控制器( p l c p r o g r a m m a b l el o g i c c o n t r o l l e r ) 。 其特点可总结为： 点多面广、种类多，运行监控操作、维护检修量大； 现代的微机监控系统( 汽机、锅炉) 、常规仪表( 电气部分) 监控装置并列混用 方式，控制技术水平差距大； 运行监控分设为机、炉、电、水、煤、灰专业多个运行监控岗位； 机组运行实时信息分隔为多个独立的信息孤岛； 机组运行监控通过分散独立的、多种类的监控设备( c r t 、操作开关和按钮、仪 表和信号灯等) 和多岗位监控方式完成。 上述状况促使国内对火力发电厂监控系统的设计方案进行了技术研讨，优化设 计的目标确定为：采用网络化的计算机控制系统实现机组控制系统一体化。 云南国电宣威发电公司五期扩建2 3 0 0 m w 机组工程开工建设，确定采用常规的手 动的电气监控模式。因此，出现一台机组运行监控采用d c s 计算机监视、控制与常 规手动操作、常规显示仪表及信号灯监视、控制混用的状况，监控自动化水平相差 1 华北电力大学硕上学位论文 较大；同时，汽机调速、汽机主保护、汽动给水泵调速等多套机组控制系统均独立 配置，使机组运行的监控点分散、实时监控信息分块未集中，整体状态极不协调。 这样的技术应用背景客观催生了发电厂控制系统的技术进步。 1 1 2 课题意义 随着计算机技术、通信技术及控制技术的发展，发电厂机、炉、电的一体化控 制成为电力系统控制的发展趋势。 分散控制系统已广泛应用于大型火力发电厂，它以强大的功能优势取代常规仪 表，使热工自动化水平和管理水平都已经达到较高层次。但是发电厂中汽机、锅炉 和电气是一家，是相辅相成不可分割的。由此实现发电厂的一体化控制势在必行0 1 。 目前，多数电厂都设计有锅炉、汽机自动化控制的d c s 系统，以机组工艺系统控制 为主，而机组电气系统的运行监控自动化应用设计较少，电气系统的测量、保护动 作及整定、事故追忆等信息及功能没有进入d c s 系统“1 。因此，提高电气系统的运 行监控自动化及其信息管理水平，直接关系到电厂运行监控的自动化及安全经济性 水平，影响电厂在发电市场上的竞争能力。 无论是热工自动化还是电气自动化，它们的监控对象均可转换成开关量、模拟 量和脉冲量，而这些对具有强大处理能力的计算机而言都是很容易实现的“4 1 。因此， 把电气监控纳入基于微处理器的d c s 是完全可行的，也是很有必要的。这对提高整 个单元机组的自动化水平，协调机、炉、电的发展是件十分有益的事。 分布式电气控制系统( f e c s ) 是传统电气控制技术的进步，是多项新型技术在 发电厂控制中的重大应用，它更迸一步地极大地提高了电厂的自动化水平，使全厂 的控制实现了数字化、信息化，而且大幅度节省了发电厂控制系统的硬件设备和安 装材料，提高了控制品质和精度，操作维护更加方便、极大地提高经济效益。 f e c s 厂用电监控系统的应用，提高了电气设备及系统的运行管理水平，直接关 系到电厂运行的安全经济性，增强了电厂在电力市场上的竞争能力。用网络通信方 式将数字化信息送入机组d c s 分散控制系统，满足实时控制的要求，大大提高电气 专业的自动化水平和管理水平，其实时监控技术性能指标将达到国内领先水平。许 多原来需到现场操作的电气设备都可在集控室操作了，减少大量工作人员工作量。 机、炉、电运行监控共用d c s 监控设备，运行人员对机组运行状况监控实现集中， 运行监控信息量全面丰富；e c s 监控系统功能融入d c s ，充分利用d c s 的d p u 控制 功能，较方便地实现电气防误操作逻辑组态，未采用防误操作专用上位站，电气系 统监控操作的安全性、可靠性得到有效提高。 随着微机和通信技术的发展，发电厂电气控制系统采用智能化前端设备现场总 线通信的监控方式已成为今后火力发电厂电气监控系统的发展方向。由此提出新型 的一体化控制模式对提高电力系统的控制模式有重大意义。 2 华北电力大学硕士学位论文 1 2 发电厂分散控制系统的现状及不足 目前大多数火力发电厂的自动化通常划分为热工自动化和电气自动化两大部 分。d c s 系统是针对热工自动化中机、炉动力机械工艺系统的特点、要求设计的， 为了提高发电厂的控制水平，迫切需要将电气设备的控制逐步纳入到d c s 的范畴里 来，并发展一个相对独立的d c s 子系统e c s ( e l e c t r i cc o n t r o ls y s t e m ) 电气 监控系统。分析国内典型火力发电工程电气计算机监控系统( e c s ) 纳入d c s 的设 计方案存在下列问题“1 砌： ( 1 ) 控制系统控制层资源( 软、硬件) 配置重复。 e c s 测控单元( s c u ) 与d c s 控制站的电量数据采集及控制功能资源( i o 模件及 软件) 配置重复； d c s 控制站的电量变送器与e c s 测控单元交流数据采样功能资源配置重复； 厂用电系统保护装置及电动机综合保护装置与e c s 测控保护一体化单元的保护 功能( 软件) 配置重复； 接入d c s 的电气控制电缆配置重复。 ( 2 ) d c s 电气发一变组及厂用电系统的监控硬接线信息量不足 每个电气设备通常有4 个硬接线i o 点( 电流c ；开关状态信号d i ；跳、合控制信 号d o ) 。电气保护切投、动作状态信号；远方就地状态控制信号等未接入( 电气微 机化综合保护独立配置，实际接入难以实现) 参与闭锁控制逻辑运算； ( 3 ) d c s 、e c s 系统控制层串口单向通讯的电气实时信息不参与d c s 的控制逻 辑运算 e c s 采集数据信息重复占用d c s 控制单元数据采集功能的软件资源； 串口通讯的电气实时信息量被视为不可靠的信息，实际上d c s 控制应用的i o 信 息也是采用并行或串行i o 总线通讯采集、输出的，两者比较没有本质的差别。 ( 4 ) 辅机电动机( 电气分支回路) s c s 功能硬接线监控电气监控信息量不足， 非电量、电量监控功能分离 d c s 仅实现基本的简单的电气监控操作功能； 热控逻辑保护、电气保护分离，控制出口并行，通过二次硬接线串联，不适用 于辅机热控、电气的综合过程监控； 电气保护装置独立配置，形成大量的小型信息孤岛，就地面板操作、显示。 ( 5 ) d c s 对电气部分的自检信息匮乏及接入能力差 目前通过硬接线或者通信的方式由d c s 实现的对电气控制系统的控制存在自检信息 太少，甚至没有此功能的缺点。由于d c s 控制系统是针对热控的，所以对电气的控 制还是存在一定的缺点和不足，例如d c s 能够为s i s 系统提供的电气信息匮乏( 限 于硬接线) 等。d c s 对电气部分的现场总线接入能力差，例如有现场总线接口的智 3 华北电力大学硕上学位论文 能开关柜等； 传统的直接i 0 接入方式是将现场信号变为弱电信号，通过电缆硬接线将电 气模拟量和开关量信号一对接至电子设备间d c s 的i o 接口，进入d c s 进行组 态，实现对电气设备的监控。直接i 0 接入方式具有速度响应快、运行维护好、电 子设备集中布置，便于管理等优点，但也存在以下问题： 由于电气量均是通过电缆由电气设备现场连接至电子设备间d c s 的i 0 柜，d c s 的i 0 卡件多，电缆数量大，电缆安装工程量大，长距离电缆引进的干扰也 会影响d c s 的可靠性； 由于d c s 容量及工程投资等方面的限制，仅重要的电气量才能进入d c s ，系 统监测的电气信息不完整，给电厂运行维护造成不便； 所有信息量均要集中汇总至d c s 的数据采集系统，风险不分散，影响系统可 靠性； 模拟量必须通过电量变送器送入d c s ，抗干扰能力差； 由于d c s 调试一般是最后进行，采用直接i o 接入方式通常难以满足倒送 厂用电的要求。 因此有必要采取新型的控制方式来改变目前控制系统的现状，分散控制系统 ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，以下称d c s ) 在大中型电厂中，将越来越多的控制 对象纳入d c s 。目前国内先进的技术f e c s 系统( 四方公司c s p a 2 0 0 0 ) 通过通信网 络( l o n w o r k s 现场总线+ 工业以太网) 将电厂电气系统的微机保护测控单元e c u ( e l e c t r i cc o n t r o lu n i t ) 组合为一个分层分布式的网络化的电气实时监控系统， 首次将微机保护技术、分布式测控技术、现场总线技术、通讯联网技术、大型s c a d a 监控技术组合应用到电厂自动化系统中，率先实现了电气自动化系统和d c s 系统紧 密集成，将成为该领域监控系统应用技术的发展方向。 1 3 本论文的主要工作 如何协调d c s 系统的集中控制与f e c s 的分散控制是当前的研究焦点。打破传 统的热工与电气系统分离的现状，进行发电厂整个生产的工艺划分，使控制层配置 资源减少，实现基于分层分布基础之上的d c s 与e c s 的功能，能够使发电厂的测控 功能分散就地实现。采用先进的现场总线技术和通信网络实现一体化控制，能够提 高发电厂安全运行水平，减少故障。减少大量的硬接线电缆以及变送器，减少投资。 对于一种新型的控制系统问世，用户关心的是它的安全性、可靠性、实时性、经济 性、控制性能等方面的问题。 本文对以上的问题进行逐一的分析，提出先进合理的火力发电厂一体化控制模 式，并对实现一体化控制进行了设计。针对我们采用的新型模式中的一个重点子系 4 华北电力大学硕士学位论文 统功能进行研究，分析其中的逻辑组态，完成此子系统所包括的逻辑功能的设计； 并对在热工控制常用的控制功能块进行分析，设计了功能强大的p i d 控制功能块。 重点主要有以下几个方面的问题： ( 1 ) 分析了目前发电厂采用的实现一体化控制模式，比较了他们的优缺点， 提出了发电厂一体化控制的新模式。 ( 2 ) 针对新型的控制模式，分析其各方面的性能，来证明我们的结论。 新型控制模式的经济效益分析，通过对各家发电厂的调研，分析采用一 体化控制的模式所带来的经济效益。 新型控制模式的实时性能分析，针对新的控制模式，其实时性能否满足 发电厂一体化控制的要求呢? 本文通过试验证明了这一点。 新型控制模式的可靠性能分析 分析了可靠性预计、可靠性分析、可靠性分配方法，提出在设计环节应该对 其可靠性指标进行预计和分配，提出采用失效率、稳态有效度、平均无故障时间等 指标来评估控制系统的可靠性提出对控制系统可靠性评估的方法，利用故障树分析 和马尔可夫模型分析相结合的方法，建立控制系统的状态转移图，来定量评价控制 系统的可靠性指标。发现在设计阶段的薄弱环节，加强薄弱环节的技术研究和提高。 ( 3 ) 通过分析研究发电厂控制的设备及参数等问题，提出新的分组方式，并 针对其中的一个重点子系统( 本文做的是给水系统) 功能进行研究，完成其功能的 设计。 ( 4 ) 对热工控制所用的主要控制模块进行统计研究，并且提出了常用的控制 模块( p i d ) 的实现方式，对其进行了仿真验证。 5 华北电力大学硕上学位论文 第二章基于现场总线的电气纳入d c s 一体化控制模式 2 1 引言 发电厂一体化控制的要求很快使d c s 控制进入电厂的生产过程( 热工控制) ， 最初的控制方式是d c s 实现对热工系统的控制，与电气控制是分离的。随着技术的 发展以及电气控制技术的成熟，国外的电气控制( e c s ) 已经逐步纳入到d c s 控制 中，但电气系统监控纳入d c s 的方式及其实现模式一直是关注的焦点。 e c s 的技术在国内比较成熟，比如北京四方继保自动化股份有限公司的 c s p a 2 0 0 0 系统，为了实现一体化控制，电气系统的工艺划分必须与d c s 的工艺分布 有很好的配合，需要d c s 和e c s 系统从产品结构到功能上相互渗透。 2 2 一体化控制的模式 2 2 1 国内外一体化实现方式 由d c s 设置单独的电气控制( d p u ) ，经i 0 模件实现对电气部分的采集和控制。 电气部分的特殊功能( 如继电保护、同期、电源切换、故障录波) 都由独立的电气 自动装置完成。如图2 - 1 所示。 电动机部分 厂用电源部分 电气保护装置 图2 - 1i 0 模件及硬接线方式实现的e c s 此种方式的特点是：i 0 部分与电气回路采用电缆连接，模拟量的采集需要安 装变送器；d c s 的i 0 用大量电缆和变送器实现电气量的采集和控制，成本高；d c s 获得的电气i 0 点数少，投资大；不能获得电气保护动作信息，无法实现保护管理； d c s 获得的i 0 点数少，投资大；而且信息少。 6 华北电力大学硕士学位论文 2 2 2 完全采用通信方式的f e c s 模式 实际上，采用现场总线工业以太网作为大型工业自动化控制的成功案例很多。 完全采用通信方式的f e c s 的模式如图2 2 所示。 医匾矗豇逐圈囡匝五圈医五团圈圈 图2 - 2 完全采用通信方式的f e c s 模式示意图 此种模式中e c s 的控制范围大大扩展，由纯电气部分的控制扩展为对6 k v 和 3 8 0 v 电动机的控制，全面参与d c s 的控制和操作，e c s 作为d c s 的子系统参与控 制。f e c s 经主控单元直接与d c s 的控制器接口，同时f e c s 的i o 信息能够分散接 入d c s ，实现自下而上的一体化控制。 2 3 一体化控制方式的组网方案 2 3 1 组网方案 电气监控系统( e c s ) 设计采用以太网+ 现场总线+ 测控单元( s c u ) 的方式，电 气监控设备分为两个部分配置“2 “5 “： ( 1 ) 发一变组、厂用电系统( 纯电量控制) ； ( 2 ) 辅机系统电动机设备( 非电量、电量综合控制) 发一变组、厂用电系统采用按母线段来分；辅机系统电动机设备根据工艺系统控制 功能分区分段；均按照1 ：1 配置测控单元( s c u ) ，通过通讯处理机( c s e 2 0 0 ) 接 7 华北电力大学硕+ 学位论文 入电气监控系统1 0 0 m 以太网，电气控制数据通过通讯处理机( c s e 2 0 0 ) 串行接口 接入d c s 的通讯卡；电气监视数据网通过网桥与d c s1 0 0 m 以太网数据网络通讯联 接。通信配置如图2 - 3 所示。 d c s ( m 虹d n ，n c 8 公司提供 i 电气测控设鲁，四方公司提供 图2 - 3d c s 与电气网络连接图 ( 3 ) 厂用电、直流系统、u p s 及其它专用装置( 励磁、同期等) 采用通信网桥 的方式接入，有独立的监控通讯网络及数据库管理，设置后台工作站，实现高级监 控管理功能( 定值、状态分析、录波、小电流选线等) 。 ( 4 ) 电气启备变及其供电系统、循环水泵房、补给水泵房等公用系统，控制 网络通过h u b s w i t c h 分别接入两台机组d c s 网络，数据分别纳入两台机组d c s 数 据库管理，监视功能两机均能实现，控制则根据控制权确定相应的机组控制。 2 3 2 一体化控制的通信方式 测控单元设备直接安装在现场，通过l o n w o r k s 总线与数据通讯机( c s e 2 0 0 ) 交换控制、测量数据信号；c s e 2 0 0 通过串口与d c s 的通讯卡进行数据交换；同时， 数据通过c s e 2 0 0 的1 0 m 以太网与e c s 网络的网管c s p a 主机进行数据交换；d p u 通 过m a x n e t 从操作员获得控制命令( d o ) ，通过i 0 并行总线、通讯卡与c s e 2 0 0 交 换数据，将指令通过c s e 2 0 0 传递给指定的测控单元( s c u ) 执行；通讯卡从c s e 2 0 0 上获得的测点数据( a i 、d i ) 通过i o 并行总线送d p u ，操作员站通过m a x n e t 从 d p u 获得数据，进行记录、显示、报警。对于非控制用的测量数据点，通过网络接 r 华北电力大学硕士学位论文 口接入d c s o 2 3 3d c s 系统对电气开关跳、合闸的控制方式 1 、机组厂用电系统、发一变组、辅机电动机监控方式： 运行操作员通过d c s 系统c r t 监控画面发出控制指令：控制指令一d c s 系统网 络通讯传输一d c s 系统相关d p u d p u 闭锁逻辑运算处理一d p ui o 总线通讯传 送一c o m 卡件通讯传送一e c s 系统c s e 通讯单元通讯传送一现场总线控制网络通 讯传送一就地测控单元s c u 一硬接线输出设备控制指令一电气开关设备跳、合闸 动作，电气开关跳、合闸动作状态信号硬接线接入就地测控单元s c u ，由上述途径 通讯返回d c s 系统c r t 监控画面显示。 2 、公用厂用电系统监控方式：运行操作员通过d c s 系统c r t 监控画面发出控 制指令：控制指令一d c s 系统网络通讯传输一d c s 系统相关虚拟d p u 一虚拟d p u 闭锁逻辑运算处理一s b p 通讯接口通讯传送一网桥一e c s 系统网络通讯传输一 c s e 通讯单元通讯传送一现场总线控制网络通讯传送一就地测控单元s c u 一硬接 线输出设备控制指令一电气开关设备跳、合动作，电气开关跳、合闸动作状态信 号硬接线接入就地测控单元s c u ，由上述途径通讯返回d c s 系统c r t 监控画面显示。 3 、公用系统循环水泵房、补给水泵船、综合水泵房辅机电动机监控采用如下 方式：运行操作员通过d c s 系统c r t 监控画面发出控制指令：控制指令一d c s 系统 网络通讯传输一d c s 系统相关d p u d p u 闭锁逻辑运算处理一d p ui o 总线通讯 传送一i o 卡件一硬接线输出设备控制指令一电气开关设备跳、合闸动作，电气 开关跳、合闸动作状态信号硬接线接入i o 卡件，由上述途径通讯返回d c s 系统c r t 监控画面显示。 2 3 4 发电机并网同期、励磁的d c s 监控一体化 同期装置、励磁系统采用微机型装置，通讯联接方便，与d c s 系统通讯实现了 机组从启动到并网发电全过程的d c s 一体化监控。 2 3 5 公用电气系统的控制 m a x d n ad c s 系统配置有公用网段，联接至两套机组的d c s 系统网络，实现电 气公用系统监视控制。 2 4 一体化控制系统的冗余性设计 所谓冗余就是指在经济条件允许的情况下，系统采用多个相互备用的相同部 件，随时可以用备用的部件代替故障的值班部件，系统中任何一部件发生故障都不 会影响到系统的功能，一般来说系统采用双互各冗余居多n 8 1 。、 9 华北电力人学硕十学位论文 2 4 1 分布式控制系统的网络冗余“”捌 2 4 i i 星型网络的冗余 图2 4 星型网络冗余结构示意图 星型网络冗余的关键是每个通信节点上对双网互备的切换管理上，可以有两种 做法：一种是整个网络的切换，即在任何一个时刻，网络上的所有节点都在同一个 网络上运行，如果该网发生故障，则将网络上所有节点同时切换到另一个网上运行。 另一种做法是网络通信节点之间根据通信状态自动地选择交换数据所使用的网段。 2 4 1 2 环形网络的冗余结构 令 1 0 华北电力大学硕十学位论文 ( 鲁) 图2 8 双主控单元冗余配置图 2 4 3 分布式控制系统中的后台冗余 后台系统是发电厂网控系统和变电站监控系统的重要组成部分，为了提高后台 系统的可靠性，也采用冗余的方式，双机冗余应考虑以下几点： 1 ) 双机中服务器必须有一个处于值班状态，处于值班状态的服务器与前置机 通信或实时监控系统通信，并进行数据处理。 2 ) 必须建立一种比较完善的值班状态切换机制，以保证值班服务器功能的正 常运行以及故障情况下值班状态的切换。 3 ) 在值班服务器更新数据库时，必须将不值班的服务器上的数据库也一并更 新，以确保在值班状态切换时数据库是最新的。 2 4 4 间隔层与主控单元的连接方式 1 ) 星型连接 图2 - 9 星型单主控单元图2 1 0 星型双主控单元 星型连接的优点有：单个连接点故障只影响一个设备，可靠性较高。便于 集中控制和故障诊断；访问协议简单。 星型连接的缺点是：通信介质的辐射相对比较复杂，而且成本相对较高。 通道利用率低，通过通信量增加并要求高速通信时，主控单元将成为瓶颈。 2 ) 总线型连接。 图2 - 1 1总线型单主控单元图2 1 2 总线型双主控单元 总线连接的优点有：电缆长度短，容易布线。总线结构简单，是无源元件， 玉蠡 华北电力大学硕- i = 学位论文 比较可靠。容易扩展、增加或删除节点，操作简便，只要在总线任何点接入。 总线连接的缺点有：故障诊断和故障隔离困难。 3 ) 环型连接 图2 1 3 环型单主控单元图2 一1 4 环型双主控单元 环型连接的优点有：传输速度高，可采用光纤，环形连接是单方向传输。 环型连接的缺点是：可靠性差，某个节点故障会阻塞信息通路，引起全网故 障。解决这一缺点的的方法是采用双环网结构。诊断故障困难，某一节点故障， 会使全网不工作，难以诊断故障，需对每个节点进行检测。不宜重新配置网络。 综合比较以上连接方式，考虑到经济性及可靠性的需求，我们采用双总线、双 主控单元的连接方式。 图2 一1 5 双总线双主控单元 2 4 5 冗余方案的实现 建立主控单元0 3 1 w o r k 与0 3 1 b a c k u p 之间的通信，实时的保持两者的实时库数 据完全一致。正常工作的时候，只有主0 3 1 通道上送报文，但是备机与主机之间会 同步数据。 图2 1 6 冗余模式 机理：主备机同时接收数据，但是备机并不进行数据处理，只是实现与主机同 步信息的功能。主机除了实现自己的应用功能外同时它会定期给备机发送反映自己 工作正常的状态数据，当备机在一定的时间间隔内收不到主机的信息，就认为其故 障；或则主机发送自己的工作状态数据时，备机收到的信息发现主机故障，此时， 也要进行主备的切换。备机在其工作过程中不完成应用功能，但定期接收来自主机 的状态数据，当发生接收超时，备机认为主机已经发生故障，自动切换进入主机工 1 2 华北电力大学硕士学位论文 作状态。 2 4 6 冗余切换的方式 针对上图2 1 6 ，正常运行的时候，双网同时在运行，假定1 网是主网，2 网是 备用，采用热备用的方式，切换方式分以下几种情况进行考虑： ( 1 ) 单网单故障的情况 当主机发现自己所连接装置1 的a 口故障的时候，会通过传输报文的方式告诉 各机，此时发现备机的所有装置的通道信息都是完好的，这时就会切换前置通道， 使备机变为主机，同时，主机在故障恢复后自动变为备机。 ( 2 ) 双网各单故障的情况 当主机所连装置1 的a 口故障的同时，发现备机所连的装置2 的b 口也故障了， 这时两个主控单元中的信息都是不完整的，此时不切换网络通道，而是各机直接通 过通信的方式把采集到的1 装置的信息报文完整的传输给主机，这样，主机中的数 据就完整了。 ( 3 ) 双网各多故障的情况 1 ) 各侧故障数量相同的情况 首先要看主网，一般情况是前置主通道保持不变，通过备机把主通道采集不到 的装置的信息报文完整的传输过来。 2 ) 主通道侧故障数量多于备用通道侧的故障的时候，要切换前置通道，使主 机变为备机。变为备用的主控单元同时要传输目前的主控单元采集不到的装置的信 息到主机中来。 3 ) 主通道侧故障数少于备用通道侧故障数的时候，不需要切换前置通道，只 要通过备机传输故障装置的信息到主机即可。 2 4 7 通讯系统中冗余机制的切换 现场中的上行信息传输一般是：测控装置发送报文现场总线传输主控 单元接受报文一一规约解释一一生成上行报文发送报文一一通信前置接收报 文通信规约处理入后台实时库( 或到后台显示) 。在这一传输过程中，如 果某一环节出现问题，后台监控数据就不能与现场数据同步，冗余方案能够解决这 一问题。 1 ) 前置机的切换 通过判断链路状态( 就是指在一定时间内( 比如3 s ) 收不到另一台前置机 的数据的情况下，切换到另一台前置机) 华北电力大学硕上学位论文 图2 - 1 7 备用前置机切换为主前置的流程图 2 ) 通道的切换 自动切换机制：判断通讯管理机的链路通讯状态( 就是说在一定时间内收不到 一个管理机通道数据的情况下，切换到另一个通道，) 2 5 结论 前置向主通道 发送心跳报文 3 l 收到心跳报文 y ! 一 i 向前置恢复心 跳报文 n 心跳计数器 阀 n 向前置发送数据 0 3 l 进行主备通道的 切换，通过心跳线 同步主各信息 图2 - 1 8 主通道切换为备用通道流程图 本章通过对发电厂一体化控制的模式进行分析研究，提出采用通信方式实现一 体化控制的先进性和可行性。 针对采用新型的一体化控制模式中的组网方式、通信方式等方面进行了设计。 对电气的跳、合闸的控制方式及其他电气系统的控制方式进行了设计。 对新型控制系统的冗余进行了设计，主要包括网络冗余、主控单元冗余、后台 融入等方面。提出了采用双总线双主控单元的控制模式是安全可靠的新型控制系 统。提出了采用双总线双主控单元模式的冗余切换方式机制。 1 4 华北电力大学硕士学位论文 第三章分布式电气控制系统( f e e s ) 的经济性分析 3 1 引言 目前，电气控制系统采用较多的方案是，电气系统控制、监视测点采用硬接线 i 0 直接接入d c s 。但是由于需要接入的电气系统控制、监视信息量较多，限于投 资及d c s 电气量采集性能，方案无法完整的实现电气系统的控制。随着智能化设备 的出现和计算机网络技术的发展，在o c s 系统中采用现场总线方式已成必然。云南 宣威电厂六期扩建工程2 3 0 0 m w 机组的电气控制方案中采用d c s 系统与f e c s 系统 一体化技术方案，实际应用成功。 f e c s 系统设计在实现电气系统的监测、控制、保护、信息管理方面做了大胆 的尝试，真正为实现发电厂电气系统自动化，提高运行管理水平迈出了重要的一步， 同时扩大了d c s 对电气系统设备的监控范围，节约了电缆、变送器及d c s 的i 0 板。 图3 - 1 机、炉、电一体化控制系统方案图 3 2 分布式控制系统的经济性分析 3 2 1 电气控制系统实现模式的理论比较 ( 1 ) 传统的直接i o 接入方式是在现场将强电信号变为弱电信号，通过电缆硬 接线将电气模拟量和开关量信号一对一接至电子设备间o c s 的i 0 接口，进入d c s 进 行组态，实现对电气设备的监控。直接i 0 接入方式具有速度响应快、运行维护好、 电子设备集中布置，便于管理等优点，但也存在以下问题： 由于电气量均是通过电缆由电气设备现场连接至电子设备问d c s 的i 0 柜，d c s 的i 0 卡件多，电缆数量大，电缆安装工程量大，长距离电缆引进的干扰也会影 响d c s 的可靠性： l s 华北电力大学硕上学位论文 由于d c s 容量及工程投资等方面的限制，仅重要的电气量才能进入d c s ，系 统监测的电气信息不完整，给电厂运行维护造成不便： 所有信息量要集中至d c s 的数据采集系统，风险不分散，影响系统可靠性； 模拟量必须通过电量变送器送入d c s ，抗干扰能力差； 由于d c s 调试一般是最后进行，采用直接i o 接入方式通常难以满足倒送 厂用电的要求。 ( 2 ) 厂用电监控系统采用现场总线接入方式具有以下优点： 智能终端设备分散就地安装，各装置的功能独立，各装置之间仅通过网络连 接，网络组态灵活，实现了较彻底的分散控制，提高了系统的可靠性： 系统采集的信息量可大大提高，监控信息比较完整，能实现在远方对保护定 值的修改及信号复归，运行维护方便； 模拟量采集采用交流采样，省掉电量变送器，抗干扰能力增强； 可减少大量的隔离器件、i o 卡件、端子等，减少安装工程量： 可减少大量的二次电缆及安装工程量： 测控保护装置就地分散安装，可减少热控电子设备间及电气继电器室面积。 3 2 2 具体工程项目应用情况的经济、社会效益 3 2 2 i 云南宣威电厂 ( i ) 工程概况：云南宣威电厂六期扩建工程2 x3 0 0 m w 机组的电气控制方案中采用 分层分布式电气控制系统( f e c s ) 一体化技术方案，电厂新建2 x 3 0 0 m w 机组，厂用电 高压采用6 k v ，按每台机两个工作段、两机公用两段，共6 段设置；主厂房厂用电低压 为4 0 0 v 2 2 0 v 。就该系统与常规的用电缆将电气量信号一对一地送至计算机系统的i 0 柜上模式经济性、及信息化作初步的比较，具体如( 以一台机为例) 表3 - i 所示。 表3 - i 宣威电厂通信点数及具体价格表 i ) c s 系统投餐效益 一体化控制常槐方盂 硬接线i 0 信息量通讯i o 信息琏硬接线i 电鼍及电址l o 信息鼍 通讯i o 信息量 d c s 的i o 总信息量 5 1 4 7 点( | i5 8 )5 0 8 7 点( 占4 2 )5 2 0 0 点和1 2 0 0 ( 占( 9 6 ) 3 0 0 点( 占4 ) e c s 的i o 总信息墙1 0 8 0 点( 占i3 )1 0 8 8 8 点( 8 7 )1 2 0 0 点 i 0 平均价格1 4 8 0 万元1 0 2 3 4 = 1 4 4 62 元点1 3 6 0 丙止6 7 0 0 - 1 7 8 9 元氘 系统差价采用一件化控制多投资了1 4 8 0 1 3 6 01 2 0 万元 e c s 电气控翻系统部分 一体化控制常规方式 电气运行监控信息量1 1 9 6 8 点 1 2 0 0 点 电气运行监控信息系统投资3 8 0 万元6 1 l 万元 电量变送器06 0 台x 0 2 万元台= 1 2 万元 控制电缆用量 4 4 6 k m 3 万元k = - 1 3 3 8 万正5 8 0 k 1 4 x 3 万元k = 1 7 4 0 万元 一体化控制减少i o 硬件配置5 0 0 点，减少5 0 0 0 1 7 8 9 = 8 9 5 5 万元 1 6 华北电力大学硕士学位论文 ( 2 ) 技术经济性分析比较结论 1 ) 按一台新建3 0 0 m w 机组控制系统应用计算，采用一体化控制系统设计方 案，机组自动化水平得到整体性提高，且节约投资4 7 0 万元6 4 9 万元。 2 ) 按工程控制系统( 两台机组) 总投资3 5 0 0 万元计算，采用一体化控制系 统设计方案，可节省投资1 3 。 3 ) 一体化控制系统设计方案的综合技术性能运行水平高，按信息量直比， 是常规应用方式的2 倍。 3 2 2 2 贵州纳雍电厂 ( 1 ) 工程概况：纳雍二电厂新建工程安装建设4 3 0 0 m w 国产亚临界、燃煤汽 轮发电机组，一次建成。电厂建成后，总装机容量为1 2 0 0 m w ，并留有扩建2 3 0 0 m w 机组的场地。 ( 2 ) 经济效益比较 1 ) 6 k v 部分一台机6 k v 段上( 含公用部分) 共有装置8 3 台，常规方式较厂 用电监控方式多8 3 个变送器，8 3 个脉冲电度有，8 3 个a i 点，8 3 个p i 点，同时对 需增加8 3 4 = 3 3 2 个d i 点， 2 ) 4 0 0 v 部分( 仅对4 0 0 v 控制对象作统计) 4 0 0 v 控制对象包含电源进线、分段开关、重要的m c c 电源进线，共计控制对象 一台机约为1 0 0 个( 含用系统) 。 3 ) 其余部分( 包括发变组、励磁系统、柴油发电机、直流系统等) 这些部分 信息量若通过硬接线方式送至d c s ，电缆增加量按每根3 0 0 m 考虑，共为2 0 根，需 增加控制电缆为6 k m ，投资增加9 万元。具体比较项目如表3 2 所示。 表3 - 2 纳雍电厂通信点数及具体价格表 i j c s 系统投蟹效益 一体化控制 常规方式 硬接线i o 信息量通讯i 0 信息量硬接线非电避及电量i 0 信息最通讯i 0 信息量 d c s 的i o 总信息置5 1 3 4 点( 约占5 雌) 5 0 5 2 点( 约占5 帆)5 0 0 0 点( 占9 5 * ) 3 0 0 点( 占5 ) e c s 的i 0 总信息量7 9 8 点( 占7 )1 0 5 4 2 点( 0 3 )3 3 2 9 点 i 0 平均价格1 4 0 0 而元1 0 1 8 6 = 1 4 7 3 元 点1 2 0 0 万元+ 6 3 0 0 ：1 9 0 47 元点 系统差价采用一体化控制多投资了1 5 0 0 1 2 0 0 = 2 0 0 万元 e c $ 电气控制系统部分 一体化控制常规方式 电气运行监控信息量1 0 5 8 6 点1 2 0 0 点 电气运行监控信息系统投资3 2 0 万元5 3 0 万元 电量变送器 0 1 8 3 台0 2 万元台= 3 6 6 万元 控制电缆用量9 0 9 5 k i i 3 万元k m ：2 7 2 8 5 万元1 0 0 2 k m 3 万元k = 3 0 0 6 万元 一体化控制减少i 0 硬件配置1 0 8 l 点。减少1 0 8 1 x 0 1 9 0 4 7 = 2 0 5 9 万元 ( 3 ) 技术经济性分析比较结论 1 7 华北电力大学硕+ 学位论文 综合上面的比较可知，常规的硬接线方式与厂用电综合保护及监控系统相比 较，间隔层的综合保护测控制装置是两种方式都必要的设备，而常规方式需增加投 资约为3 3 0 万元( 约占d c s 单元机组总投资的2 7 ，d c s 单元机组投资按1 2 0 0 万 元考虑) 。 3 3 结论 经过以上具体工程的实际应用情况，我们不难得出以下结论： ( 1 ) 分布式电气控制系统( f e c s ) 的应用，极大地丰富了电气控制的信息量， 发电厂的控制实现了全数字化。 ( 2 ) 在满足厂用电自动化管理的条件下与硬接线及变送器方案比，经济效益得 到明显的提高。 ( 3 ) 厂用电自动化管理水平大大提高，许多原来需到现场操作的电气设备都 可在集控室操作了，减少大量工作人员工作量。 ( 4 ) 用网络通信方式将数字化信息送入机组d c s 分散控制系统，满足实时控制 的要求，大大提高电气专业的自动化水平。 随着微机和通信技术的发展，发电厂电气控制系统采用智能化前端设备现场总 线通信的监控方式已成为今后火力发电厂电气监控系统的发展方向。 1 8 华北电力犬学硕士学位论文 4 1 引言 第四章分布式电气控制系统( f e c s ) 的实时性分析 我们所采用的分布式电气控制子系统，并与d c s 系统接口，该方案在近两年来 的新建大型火电机组中得到应用，获得良好效果。系统如图3 - 1 所示。系统的实时 性能否满足发电厂控制的快速性要求，在这里做了详细的分析。 4 2 各操作所经过的具体环节 4 2 1 下行控制命令的通信实时性分析 在电气控制系统中我们在操作员站发送一个遥控操作指令，需要经过以下步骤 才能到达所要操作控制的装置。 结束 ! ： 图4 1 遥控过程示意图 具体经过的环节是：操作执行一检测图形操作发送报文通信前置接收 报文一一通信规约处理一一发送报文到主控单元一一主控单元接收报文规约 解释生成下行执行报文发送下行执行报文测控装置检测到命令判断。 4 2 2 遥信信息的处理过程 装置的常规信息周期性主动循环上送( 一般周期为1 0 秒) 。当有保护动作、遥 信变位等变化信息出现时，装置立即发送遥信变位、s o e 事件、告警等相关报文并 重复发送4 次。发送过程示意图如图4 2 。 主站 ： 装置 发送常规报文，开始计时 有变化信息，立即发送 计时到，发送下一帧常规报文 开始另一次计时 程示意图 就否： 答操 _ 饥站撇 坷骆 习| | 一一一一 i习 圈一一|蝴一 华北电力大学硕士学位论文 4 2 3 遥测信息的处理过程 装置会主动上送遥测信息到主控单元的实时库中，其传递过程属于上行报文。 具体环节是：装置主动发送报文主控单元接收报文规约解释入数据库 并生成上行报文发送报文后台接收报文通信规约处理一一如果没有 越限就直接入历史库，反之就发送报警信息。 4 2 4 保护动作的执行过程 测控保护装置实时测量被保护设备的模拟量变化，当检测到某一个值越限时， 会立即发送报文到主控单元，这期间会有几毫秒的延时，来判断数据是否真实。立 即激励保护程序执行保护程序保护动作。记录该时刻时间同时装置发送保 护动作信息到主单元到操作员站显示。 4 3 实时性指标及现场要求 4 3 1 发电厂f e c s 系统的技术规范通常要求 模拟量采集刷新时间 l s ； 开关量采集刷新时间 i s ； 控制命令执行时间 2 s ； s o e 事件分辨率 l m s ； 系统对时精度 l m s ； 4 3 2 发电厂d o s 系统技术规范通常要求 模拟量采集刷新时间 1 2 5 m s ； 开关量采集刷新时间 5 0 m s ； 控制命令执行时间 2 s ； s o e 事件分辨率 l m s ； 系统对时精度 l m s ； 4 4 控制命令的实时性分析 4 4 1f e c s 操作员站发出控制命令及返回的时间 发电厂集控室内的运行人员从操作员站下发操作命令，同时从操作员站看到命 令的执行情况。通常h m i 上的操作命令发送的过程主要由图4 3 所示的环节组成。 华北电力大学硕七学位论文 厂磊；习 i地基丛理i ) 回 图4 - 3 操作员站的控制命令下发过程 操作员站下发控制命令通信时间如表4 - 1 所示。 表4 - 1 操作员站控制命令下发时闯表 步骤处理过程消耗时间( m s ) l 检测图形操作并发送消息 5 2 通信前置接收消息并进行规约处理 5 3发送报文 5 0 返回过程正好与下发过程相反，各处理过程消耗时间如表4 2 所示。 表4 2 控制命令返回时间表 步骤处理过程消耗时间( s ) i 前置接收报文 5 0 2 前置规约处理并入库 1 0 3 实时库发送开关变位给图形 5 4图形妊示操作完成 5 0 4 4 2f e c s 主控单元的通信延时 其实际经过的处理过程如图4 4 所示。 撮文 缓冲区 图4 -