火电厂厂用电监控管理系统的研究

1、国内图书分类号:TM621国际图书分类号:621.3专业硕士学位论文 学校代码:10079密级:公开火电厂厂用电监控管理系统的研究硕士研究生:导 师:企业导师:申请学位:专业领域:培养方式:堵乔万式:所在学院:答辩El期:授予学位单位: 郑斐刘文霞副教授刘晋雄高工工程硕士电气工程在职电气与电子工程学院 2012年6月华北电力大学 Classified Index:TM621U.D.C:621.3Thesis for the Master DegreeResearch on the Electric C ontrol and Monitor System for Thermal Power Pl

2、antCandidate:Supervisor: School:Date of Defence: ZhengfeiProf.Liu眙nxiaSch001of Electrical and Electronic EngineeringJune,2012Degree-Conferring-Institution:North China Electric Power University 华北电力大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明:此处所提交的硕士学位论文火电厂厂用电监控管理系统的研 究,是本人在导师指导下,在华北电力大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作 所取得的成果。据本人所知,论文中除已注明

3、部分外不包含他人已发表或撰写过的 研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式 注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。作者繇关P焚 吼渺年月7日 华北电力大学硕士学位论文使用授权书火电厂厂用电监控管理系统的研究系本人在华北电力大学攻读硕士学位期 间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归华北电力大学所有,本 论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解华北电力大学关于保 存、使用学位论文的规定,同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版 本,允许论文被查阅和借阅。本人授权华北电力大学,可以采用影印、缩印或其他 复制手段保存论文,可以公布论文

4、的全部或部分内容。本学位论文属于(请在以上相应方框内打“4”:保密口,在 年解密后适用本授权书不保密d作者签名:刷磴轹叫夏仅 吼硼瞬石月净 日期:乃,纱年/月呷日 I 摘 要本文对火力发电厂的厂用电监控管理系统ECMS(electrical control andmanagement system in power plant进行了讨论和研究。厂用电监控系统是电厂电气 自动化的主体,厂用电的保护与监控技术是一项集中传感、测控、保护、通信及设 备状态监测的综合技术。本文探讨了ECMS系统的三个主要组成部分:间隔层、通 讯管理层和站控层,并分别对其设计要求进行了分析,以及典型的系统结构和应用 功能

5、。分析了ECMS系统纳入DCS并与DCS系统在功能上相融合的技术,主要研 究了硬接线和现场总线相结合、完全现场总线两种方式。最后,结合工程实例对ECMS 系统进行研究分析,并讨论新型的ECMS系统。关键词:厂用电;ECMS;DCS;自动化AbstractECMS(electrical control and management system in power planttechnology iS discussed and researched in this paper.ECMS iS the main part of electrical automation system in pow

6、er plant,the technology of protection and supervising of auxiliary power is a integrated technology which includes sensor,measurement and control,protection, communication and condition supervising devices.In this paper,the three cheif parts of ECMS analysed are:bay layer、communication management la

7、yer and station control layer.The structure component of ECMS and the applied functions are also studied.The design standards of every of the three parts iS researched.The technology of ECMS fitting into DCS in cooperation iS studied,mainly contains two connection modes:“One to One Control+Communica

8、tion”and“Complete Communication”.At last,a ECMS case iS researched combine with a project.Also,new types of ECMS are forcasted.Kewords:auxiliary power,ECMS,DCS,automation华北电力大学硕十学位论文目 录摘要一I Abstract.II第1章绪论.1 1.1课题研究的背景及意义1 1.2国内外研究现状2 1.3本论文的主要工作4第2章ECMS系统结构和功能5 2.1引言.5 2.2ECMS的系统结构.5 2.2.1间隔层6 2.2

9、.2通讯管理层.7 2.2.3站控层7 2.3ECMS站控层和间隔层之间的通信7 2.3.1快速RS.485网8 2.3.2现场总线网8 2.3.3工业以太网一9 2.4ECMS实现的功能10 2.5本章小结.10第3章ECMS系统的设计.12 3.1引言.12 3.2间隔层的设计12 3.3通讯管理层的设计.15 3.4站控层的设计16 3.5本章小结.18第4章ECMS系统纳入DOS系统19 4.1引言19 4.2厂用电系统控制方式.19 4.3ECMS系统纳入DCS系统设计方案.21 4.3.1硬接线和现场总线相结合的方式.21 4.3.2完全现场总线方式.22华北电力火学硕十学位论文4

10、.3.3面向对象的组网模式.23 4.3.4面向过程的组网模式.23 4.3.5DCS与ECMS之间的通信.24 4.4技术经济比较.24 4.5本章小结.29第5章工程实例.30 5.1电厂信息概述.30 5.2ECMS系统结构.30 5.3ECMS主要功能.32 5.4ECMS具体配置.37 5.4.1间隔层.37 5.4.2通讯管理层.42 5.4.3站控层.46 5.4.4通讯电缆.46 5.5工程评价47 5.6本章小结47第6章 结论与展望.49参考文献.51攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果.54致谢.55作者简介56华北电力大学硕上学位论文第1章绪论1.1课题研究的背景及意义

11、近年来,我国的大型火电机组基本上都采用先进的分散控制系统(DCS,从而实 现生产过程的自动化控制【11。上世纪90年代提出了把电气监控作为DCS其中的一个 子系统纳入NDCS,使电厂电气设备实现了自动化控制,并使分散控制技术得到进 一步延伸和发展,为实现机、炉、电单元一体化,为实现全能统一值班创造良好条 件【2】。发电厂整体自动化水平的提高得益于计算机控制技术的不断发展,以及各电 源建设单位对火电厂综合自动化水平要求的不断提高。随着电力企业自动化、信息化技术的发展及电力市场的推进,采用更加先进的 自动化控制技术及其产品,提高火电厂厂用电电气自动化运行和管理水平,节能降 耗,增强企业竞争力,成为

12、发电企业的热门课题。分散控制系统己广泛应用于大型 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。发电厂中汽机、锅炉和电气是一个整体,是相辅相成不可分割 的,因此实现发电厂的一体化控制势在必行。目前,大多数电厂都设计了锅炉、汽 机自动化控制的DCS系统。DCS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。基于DCS的电气监控只限于电气设备运行必须的状 态监视和控制信息,而电气设备的测量、保护动作及整定、事故追忆等信息及功能 没有进入DCS系统。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

13、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。热工自动化和电气自动化的监控对象均可转换成开关量、模拟量和脉冲量,这 些量对于计算机处理来说都是很易于实现的。因此,一套功能完善、设计合理的厂 用电监控系统,对提高整个单元制机组的自动化水平,协调机、炉、电的发展是件 十分有益的事。发电厂厂用电系统的正常运行对整个发电厂的运行起着举足轻重的作用。而发 电厂厂用电气监控系统,作为厂用电系统的一个重要组成部分,为发电机组提供工 作电源和动力。厂用电监控管理系统(以下简称ECMS是上述任务完成的基础,是 为协调电厂热控与电气自动化水平的同步发展,提高发电厂电气系统的自动化及运 行管理水平,满足电

14、气接入DCS系统的需要而开发的在线系统。该系统是应用计算 机、测量保护与控制、现场总线技术及通信技术,实现发电厂电气系统的电气运行、 保护、控制、故障信息管理及故障诊断、电气性能优化等功能的综合自动化在线监华北电力大学硕J二学位论文控管理系统。ECMS在全厂统一指挥和协调下,实时采集厂用电系统运行信息、设 备状态,实现监视、控制、计量和设备管理等功能,与DCS协调控制,保障电厂的 安全、稳定、可靠运行。采用现场总线形式的厂用电监控系统的应用,促进了发电厂数字化建设,提高 了电气设备及系统的自动化运行管理水平,增强了电厂在电力市场上的竞争能力。 将分散布置的智能测控单元(电气综合保护测控装置用现

15、场总线通信方式实现测 量和控制,并将数字化信息送入机组DCS分散控制系统,大大提高电气专业的自动 化水平和管理水平,满足实时控制的要求,其实时监控技术性能指标将达到很高的 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,减少大量工作人员工 作量。现场总线技术在电气监控系统的应用符合DCS向FCS发展的方向。机、炉、电运行监控共用DCS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;ECMS监控系统功能融入DCS,充分利用DCS的DPU 控制功能,较方便地实现电气防误操作逻辑组态,采用防误操作专用上位站,可有 效提高电气系统监控操作的安全性、可靠性【3】。因此,本课

16、题的研究具有重要的实 践应用价值。1.2国内外研究现状传统的厂用电监控系统采用物理硬接线和变送器、I/O卡件等大量硬件设备来采 集电气信息。主要包括:开关位置信号、开关控制信号、开关操作机构闭锁信号、 保护动作总信号、保护动作连锁信号等。所采集的电气信息主要供运行人员监视和 逻辑闭锁使用。由于受采集设备点数规模和投资限制,按传统硬接线方式采集的电 气信息量十分有限。电气专业特有的电气设备常规控制,电气系统的设备测量、保 护动作定值、整定、保护动作信息、设备报警信息、SOE报文、事故追忆等信息在 传统的监控系统上不能反应体现,更无法传送给DCS系统从而进行协调控制【4J。 要想提高整个电厂运行监

17、控的自动化、安全性和经济水平,提高厂用电电气系 统的运行监控自动化和信息管理水平是非常关键的一部分。将发电厂厂用电系统运 行监控融入整个电厂的运行监控自动化系统,实现机、炉、电一体化控制是建立现 代化电厂的重要组成部分。目前电气就地安装的二次设备绝大部分已实现智能化, 而其强大的通讯管理功能未得到充分利用。因而,如何充分利用已有的保护测控设 备,结合先进、可靠的通讯网络技术,取消原有厂用电监控系统电气部分硬接线、 变送器等传统设备,减少维护工作量和投资,使电厂全面信息化、数字化,最终实 现机、炉、电一体化控制,是一项迫切需要研究的工作。现场总线技术出现在80年代中期,在其发展过程中,出现了多种

18、现场总线组织 和现场总线标准,其中以ISPF和WorldFIP最有影响。1994年ISPF和WorldFIP握手言华北电力大学硕士学位论文和,成立现场总线基金会(Fieldbus Foundation致力于制定一项能为各方普遍接受的 现场总线标准,为现场总线的大规模应用铺平了道路51。具有通信接口的电气设备保护测控单元分散就地布置,通过现场总线组网与监 控系统后台进行联接,后台系统通过通讯网络和就地综合保护测控设备通讯,实现 遥测、遥信、遥控、SOE、事故追忆等功能。综合保护装置独立运行、不依赖于系 统,系统运行风险最大程度降低,设备信息丰富,能够在大量数据的基础上实现分 析和管理等各种高级功

19、能,基于现场总线的电气监控系统是今后发电厂电气监控系 统发展的方向,也拓宽和完善-gDCS的监控范围和自动化程度。采用基于现场总线 的分布式电气监控系统将越来越多地应用在火电厂电气监控中,被称为FECS。火电 厂的FECS不是一个孤立的自动化系统,它将火电厂DCS、S1S等系统互联,实现协 调监控,共同提高火电厂整体自动化的水平。最近的火电厂工程中已经开始应用厂 用电监控系统对主厂房6kV矛1380V厂用电进行监控【6。目前,在ECMS及整个发电厂电气自动化系统中,国外厂商有不少成熟的产品。 这些产品的优点是工艺好、质量稳定,通信接口一般都符合国际规范等。但国外产 品也存在价格昂贵、部分功能与

20、国内实际应用场合不符、更改困难,以及显示界面 的语言问题。国内电气专用设备制造厂家,如北京四方、国电南瑞、国电南自、许 继电气等知名厂家,也纷纷推出了智能终端产品,已在现场有了大量运行业绩和经 验。尽管如此,由于各电厂的规模、运行要求等方面存在一些差异,在选择合适的 厂用电监控系统、通讯配置方式、实现特殊功能等方面,还是有必要进行进一步的 研究。1.3本论文的主要工作厂用电监控系统与DCS、SIS等系统互联,以实现协调监控,提高火电厂整体自 动化水平,是现代发电厂运行的潮流趋势,但仍然存在许多需要深入探讨的方面。 例如,系统间规约协调问题、通信数据的传输问题、通信接口的规范统一问题、电 气联锁

21、问题以及功能问题等诸多方面。为了妥善解决上述问题,对ECMS系统加以 研究和改进,从而接入DCS是完全必要的。而采用先进的现场总线技术和通信网络 实现一体化控制,则能够为提高发电厂信息化建设、提高安全运行水平和减少故障 等方面提供相应的实施基础。从目前的技术发展看,在电气ECMS接入DCS的方式 上,以数字通信取代“硬连接”、增强现有电气系统的功能,是实现一个安全稳定 可靠的厂用电气监控管理系统的主要方式。因此本文针对大型发电厂厂用电监控系统做了深入的研究,主要进行了以下几 个方面的工作:(1研究了目前广泛采用的厂用电监控系统结构,并对系统可以实现的功能作了华北电力大学硕Ij学位论文简要的概述

22、。(2分别对监控系统的问隔层、通讯管理层和站控层作了研究。对间隔层主要讨 论了现场测控装置的功能;对通讯管理层主要讨论了几种现场总线以及通讯规约; 对站控层主要讨论了站控层的应用功能。(3研究了厂用电监控系统与纳入DCS系统的接入方式问题。(4对一火电厂ECMS系统工程实例进行分析研究,并对新型ECMS系统进行 了解。华北电力大学硕士学位论文2.1引言第2章ECMS系统结构和功能厂用电电气部分主要分为主厂房系统和辅助电源系统。在火力发电厂,主厂房系统包括高压厂用电源,含高压厂用工作变压器、高压 起动/备用变压器、高压厂用线路、脱硫电源等;低压厂用电源,含低压厂用工作 变压器、低压厂用备用变压器

23、(明备用方式、低压公用变压器、电除尘变压器、低 压检修、照明变压器、MCC(Motor Control Center电源等;还有这些厂用电源的辅 助装置,包括厂用电源快切装置、备用电源自动投入装置、同期装置、综合保护装 置等。辅助电源系统主要是UPS和柴油发电机、保安段系统。工艺部分主要是指各 类电动机,包括高压电动机和低压电动机。高压电动机包括同步电动机、鼠笼式异 步电动机、绕线式异步电动机等,另外还包括成套设各,如斗轮机、卸船机等。此 外,为了某些特殊工艺要求,个别电动机还配有调速装置,如变频调速、内反馈调 速、液力耦合调速等。低压电动机主要指鼠笼式异步电动机及其调速装置,低压调 速装置现

24、在多为变频调速。ECMS系统的主要功能就是对厂用电电气部分的实时运行信息进行监测、分析 和传送给其它系统,接收运行人员和其它控制系统的控制命令从而完成具体的操 作。2.2ECMS的系统结构目前的ECMS系统一般采用分层分布式系统结构,它是目前最热门、比较先进 的模式。在分层分布式结构中,间隔层中各数据采集、控制单元(I/O单元和保护单元 就地分散安装在开关柜上或其他设备附近,各个单元之间相互独立,仅通过通信网 互联,并同站控层通信。分层分布式模式是全数字化的电气监控系统,并为DCS 提供所需信息接口和控制接口。能在间隔层完成的功能不依赖于通信网,比如保护 功能。厂用电保护装置和MCC、PC控制

25、装置也能满足保护、测控和高速通信一体 化的要求,通过工业现场总线或以太网将厂用电气系统组成局域网,实现完全数字 化的电气信息量监控,同时为DCS提供高速实时的数字化通信接口【7,8,91。这时DCS 对参与顺序控制的电气量的采集和控制完全是以通信软报文的方式进行。通信网通 常是光纤或双绞线,最大限度的压缩了二次设备和二次电缆,节省了工建投资。 ECMS系统典型的分层分布式结构见图2一l,此结构纳入DCS的方式为完全现场总华北电力大学硕J:学位论文线方式【101。SIS/MIS DCS操作员 操作员 I乜气工站A 站 l打印机1程师站 通讯机 通讯机 控层3/IOOMbiVs冗余以太网GPS以太

26、同讯管理层光纤间隔层 100/10Mbi以冗余以太网发变组6kV厂用 380V MCC及 通讯接口保护测控电子系统 PC保护子系统厂用智能设备UPS、同期、励磁等图2.1ECMS系统典型的分层分布式结构Fig.21The typical distributed structure of ECMS2.2.1间隔层间隔层是由众多的厂用电保护装置、智能保护装置及自动装置构成,这些装置 具有测量、控制、保护、信号、通信等基本功能,并完成各自的特殊功能。该级装 置数量众多且分散,采用现场总线方式连接。主要有:(1发电机一变压器组保护(2自动准同期装置(3微机励磁调节装置(4微机厂用电综合保护测控装置(含

27、电动机、变压器、馈线等(5微机厂用电快速切换装置(6微机备用电源自投装置(7微机故障录波装置(8智能仪表(9智能脱扣器(10低压控保/马达保护器(1】IJPS(12直流系统等2.2.2通讯管理层通讯管理层是系统监控层和现场保护测控层之间的桥梁,通讯管理层由主控单 元(通信管理机组成,其作用是将间隔层的各种不同厂家、不同通讯接口和规约 的设备连接在一起,通过1000/100Mbit/s以太网接入系统监控层的实时主干网,经 统一的通讯接口传送至系统监控层,完成各种数据和指令的上传下发J。同时通信 管理机可经串行接口与机组DCS的DPU相连,进行信息交换。主控单元可以同时 支持多种类型的通讯口,包括

28、以太网、串行通信口、可扩充的其它现场总线接口等; 软件上采用规约库,支持MODBUS、标准网络协议(TCP/IP掣12J。目前,ECMS 与DCS的通信可通过站控层的通信网关和通讯管理层的通信管理机两种方式实现。 通信网关一般采用100Mbit/s以太网,信息吞吐量大,需要开发与DCS之间的接口 软件模块,适用于传输实时性要求不高的监控、报警信息;通信管理机与DPU之 间一般采用RS.485接口、Modbus协议通信,相对简单易行,传输信息实时性较好, 为电气信息参与工艺联锁提供了可能【13,14】。2.2.3站控层站控层包括的设备有:两台运行服务器(主备关系、一台数据库服务器(可选、 一台W

29、eb服务器(可选、多台工程师工作站和通讯工作站、电量抄表系统工作站 (可选、 其它高级应用工作站(可选、以及卫星时钟接收和同步系统等。鉴于间隔层的装置数量众多,为了保证系统的实时性和可靠性,需将这些装置 分为若干组,再通过现场总线分别组网至对应的通讯主控单元,通讯主控单元通过 100M以太网和上位机系统监控层进行通讯151。ECMS和DCS的数据交换可通过主 控单元与DCS的DPU直接通讯完成,或者由ECMS监控层与DCS监控层经过网 桥通讯完成,或者同时采用上述两种方式,对于电动机的控制指令和直接参与逻辑 的信号则通过硬接线进入DCS的卡件。2.3ECMS站控层和间隔层之间的通讯ECMS站控

30、层和电气间隔层之间的通信实际包含两个部分,一个是ECMS站控 层主机和通信层之间的通信,另一个是通信层和问隔层之间的通信。由于ECMS站控层主要由多台基于Unix和Windows操作系统的服务器及工控 机组成,操作系统本身对各种商用以太网卡提供了很好的支持,所以各厂家的ECMS 组网方案中站控层几乎无一例外地由100Mbit/s或1000Mbit/s的以太网组成;由于 站控层各主机的硬件配置都很高,以太网带宽也很大,数据在这些主机之间的通信 时间为几毫秒,可认为是无延时的【16,17】。间隔层主要由2大类装置组成,一类是数量众多的厂用电保护装置,这部分装 置需要能和DCS进行高速通信。另一类是

31、数量有限的发变组保护装置、厂用电快 切装置、直流系统、UPS、励磁系统控制装置等,这些装置独立完成某种预定功能, 和DCS的顺序控制过程无关,DCS只是要定期了解其状态,这部分装置和DCS之 间其实并不需要高速通信。目前,各厂家ECMS系统间隔层的组网方式存在着很大 的差异,差异主要体现在间隔层的通信介质和通信协议上。因为间隔层装置的数量 最多,直接反映每个电气间隔的实时运行状况,所以间隔层通信的速度快慢和可靠 与否在很大程度上决定了整套ECMS系统的通信速度和可靠性。目前,ECMS系统 间隔层的组网方式主要有快速RS.485网、各种现场总线网和工业以太网3种【18,19】。 2.3.1快速R

32、S一485网快速RS.485网就是在普通RS.485串口的基础上采取一些特殊的控制技术提升 RS.485口的通信速率和带负载能力,然后将多台间隔层装置和一台通信管理机组成 主从式的简易通信网络,通信管理机是主节点,通信速度最高可达到200Kbit/s,负 载能力能达到32台装置/口,500米的距离。这种方案的最大问题在于RS.485通信 速率低。RS.485网只能有一个主节点,其它都只能是从节点,只有主节点能主动启 动通信过程,从接点只能被动应答,主节点只能采取轮询的方式依次对各从节点进 行访问获取数据,无法做到并发式处理。同时由于站控层一般都是以太网通信,主 节点通信管理机还要向站控层以太网

33、转发数据。在这种RS.485网中为了提高通信 速率,常用的方法是:加快主节点的查询速度和频度,减少一个RS.485网中的从节 点数量,简化通信规约。加快主节点的查询速度和频度将加重主节点的任务负担, 况且查询速度和频度的提升也有其上限,毕竟作为主节点的通信管理机除了与间隔 层装置通信外,还有数据入库处理和向站控制层转发数据等任务,过度地加快和间 隔层装置的通信任务势必影响其他任务的正常运行,使其成为网络中最脆弱的瓶 颈,减少单个RS.485网中的从节点数量的实质就是化整为零,这将增加通信电缆 的铺设工作量,增加通信管理机的数量,使整个ECMS系统的性能价格比下降。简 化通信规约可以提高通信速度

34、,但简化的通信规约中通信信息语义的不完整,即间 隔层装置中很多有用的数据信息无法上送到ECMS站控层主机,ECMS站控层主机 获取不到电气监控所需要的全面信息,把间隔层装置中的有效信息给浪费了。显然, RS.485网在从节点数量较大的情况下不太合适作间隔层和站控层之间的通信方式。 2.3.2现场总线网现场总线和计算机网络技术已经在工业领域和变电站得到了广泛的应用,有多 年成熟的运行经验,其可靠性、实用性和优异的性能已得到认可,成本也在逐步降 低。发电厂电气监控管理系统是以现场总线技术为基础发展起来的,其主要目的在华北电力人学硕十学位论文于及时、准确反映发电厂电气设备的运行状态,在深层次的数据发

35、掘中提高电气系 统的运行维护管理水平,使电气专业迈上信息化、数字化的台阶,大大前进一步。 现场总线是以单个分散的数字化、智能化的测量和控制设备作为网络节点,用 总线连接实现相互交换信息共同完成自动控制功能的网络系统与控制系统,其主要 特征是采用数字式通信方式取代设备级的4-20mA模拟量或24V直流开关量信号, 使用一根电缆连接所有现场设备。现场总线种类较多,主要有Profibus、CAN、 LonworkS和WorldFip等,各种总线的主流应用领域也各有侧重,发电厂中Profibus 总线应用较多。Profibus以国际标准化组织(ISO开放式系统互联网络的7层模型为 参考,定义了物理层、

36、链路层、应用层和用户接口。应用层又包括现场总线信息规 范(FMS和低层接口(LLI,FMS包括了应用协议并向用户提供了可广泛选用的强 有力的通信服务,LLI协调不同的通信关系并提供不依赖设备的第二层访问接口。 Profibus的用户接口规定了用户及系统和不同设备可调用的应用功能。在发电厂中 使用Profibus总线主要优势有两点:(1大幅度地提高了通信速度,增强了现场级信息集成能力。Profibus,协议栈 的链路层规定了通信过程中冲撞冲突检测的仲裁原理和重发手段,使得使用 Profibus总线的间隔层各装置和通信层的管理机在通信时能最大限度的避免冲撞冲 突,实现并发式通信,提高通信速度,该功

37、能直接由Profibus总线的协议栈提供, 用户的应用程序中无需考虑,若使用专用的连接插头,Profibus总线的通信速度能 达到1Mbit/s。通信速度的提高使得大信息量的传输成为可能,采用Profibus总线后, 可实现设备状态、故障、参数信息向ECMS站控层的传送,使ECMS站控层获得 更多更丰富的信息。(2系统可靠性高、可维护性好、抗干扰性强。基于现场总线的自动化监控系 统采用总线连接方式替代一对一的I/0连线,对于大规模I/0系统而言,减少了由 接线点造成的不可靠因素。同时,系统具有现场级设备的在线故障诊断、报警、记 录功能,可完成现场设备的远程参数设定、修改等工作,也增强了系统的可

38、维护性, 从而降低了系统及工程成本。Profibus总线的一大特点就是抗干扰性强,比较适合 在电磁干扰很强的恶劣电气环境中使用。当然,在间隔层使用Profibus总线也存在 问题。目前,支持Profibus总线的产品相对较少,尤其是国内厂家的产品。必要时 需要进行协议转换。2.3.3工业以太网以太网是使用最为广泛的局域网技术,在当今所有的网络连接中有80%是基于 以太网的。以太网具有诸多优点:(1以太网的传输速度有10/100/1000Mbit/s,是现场总线网所无法比拟的,可华北电力大学硕十学位论文充分满足ECMS f刚隔层与站控层进行高速通信的要求。(2以太网本身是一种可靠的网络系统,它使

39、用简单可靠的CSMA/CD(载波监 听多路访问/冲突检测协议确保可靠的数据传输。(3以太网技术的广泛应用使网络设备价格大幅度下降,使其价格比现场总线 部件低l至2个数量级,可大幅降低ECMS间隔层组网费用。(4以太网技术相对于现场总线网的另一个重要优势是有大量的网管和故障 排除工具,目前内嵌在交换机和计算机接口中的网络管理功能提供了强有力的网络 监控和故障排除能力,使得以太网更有稳定性保证。现场总线网的网管和故障排除 工具很少或几乎没有。由于以太网采用星型连接,需要有集中式的交换机在各网络节点之间进行数据 交换,以往这个集中式的交换机被认为是以太网络中的通信和故障瓶颈,从而限制 了以太网在恶劣

40、工业控制现场的使用,随着工业以太网技术的出现,这一问题得到 了彻底解决,完全可以用工业以太网构建ECMS系统的通信层和间隔层。根据上述分析,只要ECMS系统的组网方案得到优化,通信规约选择恰当,是 完全能够满足ECMS对参与顺序控制的电气量进行采集和控制的高速要求的。 2.4ECMS实现的功能ECMS系统定位于全厂厂用电监控管理中心,其监测范围应尽可能覆盖除电力 网络部分以外的全厂电气系统,监控范围应与DCS协调配合。当仅为监测功能时ECMS通过上位机对发电厂电气系统包括发变组、电气在线 监测、操作电源系统、厂用电源回路及电动机回路进行集中监测和运行管理。本系 统上位机控制功能仅作为特殊情况下

41、的后备手段保留,上位机设计不作为电厂正常 运行时的控制手段。当作为监控功能时,电厂运行以ECMS上位机对发电厂厂用电系统中电源回路 进行监测和控制及运行管理,或者DCS对厂用电源开关的操作指令通过通信口经 ECMS系统完成,但对发变组、电动机等回路本系统仍仅进行监测。2.5本章小结本章主要研究了ECMS系统的结构、内部通讯方式和实现的功能。分层分布式 的结构具有减少占地面积、节省二次电缆、抗干扰能力强、精度和可靠性高、局部 故障不影响其它间隔等优点,是当今应用趋势的主流。通过速率要求、数据量大小、 控制方式等因素来恰当地选择通讯方式和规约,从而使ECMS系统的组网方案得到 优化,即可满足ECM

42、S对参与顺序控制的电气量进行采集和控制的高速要求。最后 研究了ECMS系统实现的功能,其监测范围应尽可能覆盖除电力网络部分以外的全"一9#1_1%1_华北电力大学硕士学位论文 厂电气系统,并应与DCS协调配合。华北电力火学硕士学位论文第3章ECMS系统的设计3.1引言在目前的新建和改建电厂中,以热工自动化为主要目的的发电厂分布式运行监 控系统(DCS/FCS已经在大量应用。同时,先进的发电厂的网控自动化技术也大 量应用在实际工程中。正因为如此,发电厂机组电气监控及厂用电自动化也正在融 入整个电厂的监控系统,这对整个发电厂运行自动化水平的提高起着至关重要的作 用。如前所述,火电厂厂用电

43、监控系统现状和自动化发展过程表明,厂用电监控系 统是电厂电气监控系统的基础。所以厂用电监控系统自动化水平的高低,直接影响 电气自动化和机组自动化的水平。下面从间隔层、通讯管理层、站控层三部分来研 究ECMS系统的设计要求20川。3.2间隔层的设计间隔层中的现场测控和保护等智能设备作为整个网络系统的基础,处于系统的 最基层,负责完成各间隔的就地监控,应具有完善的测量、监视、控制及保护功能, 必须具备如下几个基本因素【22】:(1 以微处理器(CPU为基础,即装置采用微机型;(2电压、电流信号采用交流采样;(3具有多路数字量输入/输出接口;(4具有现场总线或网络通信接口,可以通讯管理机或上层控制系

44、统实现双 向、全数字化通信;(5分散于开关柜安装,适应恶劣环境运行,电磁兼容性应满足IEC或国家 标准。3.2.1中压系统现场测控单元的技术要求中压系统(6/10kV厂用电系统智能化设各主要包括数字式保护测控装置及数 字式测控装置【231。中压系统测控单元的测控功能要求为:(1遥测量:采用交流采样,采集信息包括电压、电流、有功/无功、功率因 数、频率等;(2遥脉量:为有功及无功电度量,具有电度量运行累计计算和外部电度表 脉冲输入上传功能;(3遥信量:除装置本身保护动作及装置异常信号外,还包括外部输入开关华北电力大学硕_:学位论文量信号,如开关状态(断路器位置、开关手车位置、接地刀位置、开关 异

45、常、控制回路断线及外部保护动作信号等,要求装置至少提供10路 (或足够开关量输入通道;(4遥控:通过通信方式来实现对断路器的远程分合操作;(5模拟量输出:提供4-20mA输出,可自定义为电流、功率等;(6网络通信:设置标准通信接口以实现同上层监控系统的联网通信。通信 接口宜采用双冗余接口配置。3.2.2低压系统现场测控单元的技术要求低压(380V系统智能终端设备种类很多,包括智能电动机控制器、智能仪表、 综合保护测控装置、框架断路器控制单元等。智能电动机控制器主要用于采用接触 器的电动机回路,其它设备用于框架断路器回路。(1智能电动机控制器功能要求保护功能:电动机控制器应具有过热、断相、过载、

46、堵转、低电压、接地 等保护功能。就地显示操作功能:电动机控制器应配置操作显示面板,具有接触器就地 分、合闸操作;三相电压、三相电流、频率、功率、功率因数和电能的测量显 示;电动机运行状态显示、报警/故障指示;故障及报警查询、保护定值等参数 整定、控制器输入/输出状态查询、操作次数查询、运行时间查询、失电时间查 询等人机接口功能。通信功能:可提供一路或两路冗余的通信接口实现同上层监控系统的联网 通信。 .提供不少于8个外部信号输入接口。(2智能仪表功能要求智能仪表主要用于框架断路器及PT回路,主要实现测量及控制功能。 就地显示操作功能:断路器就地分、合闸操作;三相电压、三相电流、频 率、功率、功

47、率因数和电能的测量显示;断路器位置状态显示、报警/故障指示; 故障及报警查询、输入/输出状态查询、操作次数查询、运行时间查询、失电时 间查询等人机接口功能。通信功能:可提供两路冗余通信接口实现同上层监控系统的联网通信,从 而实现四遥功能。提供不少于8个外部信号输入接口。(3综合保护测控装置功能要求保护功能:对电动机应配置相间短路保护、单相接地短路保护及过负荷、华北电力大学硕士学位论文堵转、低电压等保护。对馈线回路应配置相间短路保护、单相接地短路保护及 单相接地保护。就地显示操作功能:断路器就地分、合闸操作;三相电压、三相电流、频 率、功率、功率因数和电能的测量显示;断路器位置状态显示、报警/故

48、障指示; 故障及报警查询、保护定值等参数整定、输入/输出状态查询、操作次数查询、 运行时间查询、失电时间查询等人机接口功能。通信功能:可提供两路冗余通信接口实现同上层监控系统的联网通信,从 而实现四遥功能。提供不少于8个外部信号输入接口。(4 由框架断路器智能控制单元实现测控功能的要求框架断路器智能控制单元由断路器自带,电动机或线路保护由其本身的短 路脱扣器实现。为实现测控功能,应配置外部信号开关量输入接口模块及通信 模块,提供不少于8个外部信号输入接口模块。配置两路冗余通信接口实现同上层监控系统的联网通信,从而实现四遥功 能。3.2.3发电机及变压器测控单元的技术要求发电机及变压器测控单元在

49、一般情况下通过与发变组保护通讯获得,不宜单独 设置。发电机及变压器测控装置主要对发电机变压器组、起备变等高压设备的电 气模拟量、开关量、脉冲量信号及在线监测信息等进行采集并将这些信号上传至上 级监控系统24,25。至少具有如下功能:(1模拟量信号采集模拟量宜采用交流采样,至少采集以下内容:a.发变组:发电机出口三相电压、三线电压、三相电流、有功功率、无功功率 (双向、功率因数、负序电流、零序电流、零序电压;主变高压侧三相电 压、三线电压、三相电流、有功功率、无功功率(双向;b.起动/备用变压器高压侧:三相电压、三相电流、有功功率、无功功率、功 率因数、频率等。(2开关量信号采集开关量信号采集宜

50、采用无源触点输入,采集电压优先采用强电输入,如采 用弱电输入,应采用必要的隔离及保护措施。装置应至少采集以下内容:a.发变组:主变高压侧断路器、隔离开关、接地刀位置状态及断路器机构 异常报警信号;主变压器冷却系统故障报警信号;发变组保护动作/保华北L乜力大学硕=j学位论文护装置异常信号;励磁系统、励磁调节器故障及异常报警信号;自动准 同期装置状态及故障信号。b.起动/备用变压器:高压侧断路器、隔离开关、接地刀位置状态及断路 器机构异常报警信号;变压器冷却系统故障报警信号;保护动作/保护 装置异常信号;起各变故障录波器所有动作信号;c.高压厂用变压器:变压器冷却系统故障报警信号;厂用电快切装置状

51、态 及故障信号;d.发电机、变压器等在线监测信息。(3脉冲量信号采集宜采用电度表脉冲信号,也可接收电度表串口通信信号。至少采集以下内 容:a.发电机:发电机出口有功电度、无功电度(双向、励磁变高压侧有功 电度;b.高压厂用变压器:高压侧有功电度。3.2.4现场测控单元配置根据测控单元功能及监测设备情况,测控单元可按照以下原则配置。(1厂用高压系统现场测控装置可以由保护、测控装置一体化设备构成。应 根据回路性质选取相应测控单元,按每回路一台设置。(2380V PC系统每回路可以随断路器脱扣器与测控装置一体化配置,也可 以配置单独的测控。380V PC系统应按每回路一台设置。(3380V MCC系

52、统电动机馈线一般按每回路一台设置(利用智能马达控制 器装置,而对MCC馈线回路如组网,可根据监控/监测要求采取每回路配置 一台/多回路设置一台测控单元。3.2.5间隔层网络接口当系统设计为监测时,间隔层测控单元组网采用单现场总线网, 用Modbus、CAN、Lonworks、DEVICE NET、工业以太网等【261。 当系统设计为监控时,间隔层测控单元组网采用双现场总线网, 可采用Profibus、CAN、DEVICE NET、工业以太网等。3.3通讯管理层的设计 通讯协议可采 测控层协议亦通讯管理机作为整个网络体系的中间层,起着上传下达、数据组织、协议转换 的重要作用,应具有如下基本功能【

53、27'28:华北电力人学硕士学位论文(1 通讯接口功能:装置应具有多种通信接口,向下采用现场总线通信接口 与现场测控设备通信,向上采用以太网接口或其它接口与站控层或DCS通信。 通信方式为全数字式双向通信。(2通讯规约转换功能:能采用多种通讯规约与多种智能设备、现场测控单 元接口,并转换为站控层或DCS能接受的协议传送至站控层或DCS。(3数据处理功能:装置具有实时数据库。采集并处理智能设备、现场测控 单元的数据,上传至站控层,也可以向DCS转发,实时监视、测量;接收并下 发站控层或DCS的指令,完成控制、运行参数和保护定值的查询、定值整定、 信号复归等操作。3.3.1通讯管理机配置要

54、求(1通讯管理机应根据监控系统的总体要求进行配置,一般情况下,当采用通 信方式进行控制时,对于重要控制对象,通讯管理机应冗余配置,其它情况下 可采用单机配置。(2中压配电装置一般可按段进行配置,当中压回路较少时也可按机组进行配 置。(3380V宜按不同系统PC段分别配置。(4直流及UPS、AVR、保护、发电机、变压器在线监测装置等接入的通讯管 理及宜根据机组划分、按数据量配置。3.3.2通讯管理机网络接口通讯管理机能采用Modbus、Profibus、CAN、Lonworks、DEVICE NET、工业 以太网等多种规约与多种智能设备、间隔层测控单元接口,通讯管理机与站控层应 采用双1000/100M以太网。通讯管理及还应具有与DCS的DPU或数据服务器接口的能力。3.3.3通讯管理机布置通讯管理机组屏时,一般宜按电压等级及厂用电系统A、B分段模式分别组屏。 如一配电室需要的通讯管理机较少,可以将A、B系统的通讯管理机组在同一屏内, 但应有隔板分隔,并应在电源系统等电气上保证完全独立。通讯管理机屏宜安装