电厂电气自动化系统管理及通信技术

王建凯

（山东黄金电力有限公司，山东 莱州 261400）

0 引 言

随着工业水平的不断提升，电力行业的各项技术取得了明显的进步[1]。近年来，发电厂内逐渐建设了分散控制系统（Distributed Control System，DCS）作为机组运行的主要控制系统，并且已经逐步取代了一对一的手工操作方式[2]。DCS具备完备的控制技术，可以实现机组内各类参数计算、顺序控制以及实时预警等功能，为保障发电机组的正常运行提供了重要的技术支撑[3]。发电厂发电过程中，电气设备起到了至关重要的作用。传统的设备均是通过继电器的元器件逻辑来予以实现，基本采用手工方式进行操作[4]。随着DCS软件的不断优化，在DCS中可以尝试开展对部分电气设备的控制，从而形成完备的子系统，即电气控制系统（Electric Control System，ECS）[5]。要想实现发电厂自动化水平的提升，应该先对发电厂的基本结构进行了解。从发电厂的基本组成来讲，主要分为500 kV发电系统、高低压厂用电系统以及发变组系统3部分[6]。由于500 kV发电系统的相关硬件逻辑比较复杂，并且对于其开展保护的相关技术已经比较成熟，因此不再讨论[7]。ECS系统能够与管理信息系统（Management Information System，MIS）等相关系统进行集成，接收各类调度的相关指令，为安全生产和提质增效提供保障[8]。

1 电气自动化控制系统

电气自动化控制系统从本质上讲是一体化的信息综合管理系统，其主要采用计算机控制、测量等先进技术实现对电气系统设计、故障分析等的统筹管理。电厂电气自动化系统不但强化了电气自动化管理过程中各类先进技术的使用，而且还能实现与电厂各类外围系统的紧密关联[9]。

1.1 ECS的基本特点

电气控制业务对于控制系统的安全性和稳定性要求较高，在控制过程中不但要实现电气设备的自动启动和停止，还能实现设备运行过程中相关异常的显示，例如事故状态的感知和预测等[10-12]。电气控制系统中的设备相对比较少，设备在正常运行的条件下无需对其进行频繁启停，对其操作的频率一般为一月一次。电气设备的保护过程中要求动作的速度一定要快，并且可靠性较高。一旦发电机组出现问题，应该第一时间对其提供保护，保护动作执行一般应该在40 ms内完成。电压的自动调整过程中，要求快速励磁装置的执行周期非常短。厂用电快速切换装置的切换时间一般为60～80 ms，其相位差应该控制在5°～ 20°[13]。

对于300 MW以上的机组，在ECS控制过程中应该始终保障每时每刻都有一台备用机组能够支撑发电运转，以确保任何一台机组的检修都不会影响另外一台机组的正常运转。电气系统对于电气设备的控制逻辑比较简单，但是电气设备内部的控制逻辑相对比较复杂，一般采用分层设置的方式。系统内部的数据大多以折线图、曲线图等不同的方式展示，可以实现对数据状态的监视和控制。

1.2 ECS功能

将发电机和变压器组均纳入控制系统中进行控制，由全国通信系统（National Communications System，NCS）实现对500 kV断路器的监控，实现发电机和变压器组系统保护、励磁保护以及变压器的风冷保护控制等[14]。做好柴油发电机组控制工作，事先自动准同期和并网等。为了提升发电机组的控制水平，ECS系统需要实现对自动发电的控制。自动发电控制技术能够快速接收各类参数和指令，实现对系统级别的分析，同时提升系统对于调频的控制能力[15]。如今各大发电厂的抄表工作都是由人工完成，个别电厂已经配备了自动抄表系统，采用测控装置记录脉冲信号，实时统计各类电量，从而实现对电厂的能耗分析，为运营方式的改变提供基础数据支撑。

除此之外，ECS还需要实现对电气设备的管理，包括电气设备日常保养、管理自动装置的各类台账和档案以及统计分析设备的运行情况和动作情况等。以上信息可与MIS和厂级监控信息系统（Supervisory Information System，SIS）系统进行数据集成，补充安全生产和高效运营对于以上两个方面数据的要求。借助故障诊断技术，根据发电机的实时数据，实现对发电机不同类型状态的诊断，依据电机电流波形的情况为检修工作人员提供数据支撑，从而提升检修运维的基本效率。

2 电厂电气自动化系统中的通信技术

随着网络通信技术的不断发展，电厂电气系统经历了串行通信到现场总线通信的过程。现场通信技术的优势明显，解决了串行通信应用过程中暴露出的各类问题，例如通信速率低、无法在通信网络中设置多个类似主机等。随着生产订单的不断增多，生产现场对于自动化技术的要求不断提升，现场总线也无法满足自动化生产的基本需求。当系统的通信节点数量超出额定范围时，系统对于数据采集的反应速度已经无法满足自动化生产的基本要求。同时，在网络拓扑结构中，任何节点都可能导致全部信息化系统的崩溃。

根据通信技术的基本要求，在网络传输过程中综合使用双绞线和光纤等不同形式的通信媒介进行数据的传输。在以太网中用于通信传输的集线器存在不同的冲突区域，这样会对系统的响应效率造成很大程度的影响，在未来以太网能够满足电厂电气系统通信过程中实时传输的基本要求。以太网传输过程中的标准协议，例如IEEE 802.3等协议对外开放且支持共享。随着通信应用场景的不断增加，目前全世界范围内的通信工具大多使用以太网作为传输载体。在环网中，单环网络中的任何一个节点发生问题都不会对整个通信网络造成影响，实现了对通信网络的全面优化。运用分层布局技术获取的数据具有分散性，且智能电子设备（Intelligent Electronic Device，IED）与通信网络相连接，分层分布的远程终端单元（Remote Terminal Unit，RTU）不承担数据的采集和数据的输入、输出，主要用于数据的规约转换，提升了数据管理能力。

3 结 论

随着工业生产水平的不断提升，电气设备在发电厂建设过程中发挥着越来越重要的作用。传统的电气设备控制技术均是借助硬件技术来实现，操作上也基本是采用手工方式进行处理。随着DCS系统建设的不断完善，需要加大力度建设ECS系统。和硬件相比，软件通信方式在具体通信环节中的可靠性还存在一定的提升空间。由于ECS节点设备分散，并且不同机组均采用分期建设的方式，对系统后期的兼容性和售后服务方面提出了更高的要求。不同厂家的产品质量不尽相同，影响了ECS的最终应用效果。随着数字化和自动化技术的不断发展，未来研究应该聚焦于电厂发电设备的自动化，逐步淘汰各类不适应的自动化设备，从而提升电厂的整体自动化水平。