0、引言
大型火力發(fā)電廠的電氣系統(tǒng)一般由機組保護系統(tǒng)、6kv廠用電系統(tǒng)、400v低壓系統(tǒng)、220kv～500kv網(wǎng)控系統(tǒng)組成，網(wǎng)控系統(tǒng)相對獨立。一般意義下的電氣監(jiān)控系統(tǒng)（ecs）包含除網(wǎng)控系統(tǒng)以外的所有電氣子系統(tǒng)。
國內(nèi)大部分發(fā)電廠都采用進口的集散控制系統(tǒng)（dcs）來實現(xiàn)熱工系統(tǒng)的自動化運行，而電氣系統(tǒng)一般采用一對一的硬接線控制以及儀表監(jiān)視，自動化水平相對落后。為了提高電氣系統(tǒng)的運行管理水平，提升發(fā)電廠在發(fā)電市場上的競爭能力，有必要對相對陳舊的電氣系統(tǒng)進行自動化改造。對已建發(fā)電廠而言，考慮到dcs具有可擴展性，可以把電氣系統(tǒng)納入dcs，依靠dcs的分散處理單元（dpu）完成重要電氣對象的測量、控制。對于新建發(fā)電廠，可以考慮建設(shè)獨立的ecs，完成發(fā)電廠所有電氣對象的保護、測量、控制，該系統(tǒng)與dcs可以基于通信網(wǎng)絡(luò)雙向通信。
本文在總結(jié)四方公司在700多個35kv～500kv變電站自動化系統(tǒng)成功實施的基礎(chǔ)上，結(jié)合四方公司在江蘇、貴州、云南等地成功實施的若干個單機容量300mw及600mw發(fā)電廠ecs的工程實踐，提出了基于以太網(wǎng)的新一代分布式發(fā)電廠ecs（cspa2000）的組成方案，為300mw以上火力發(fā)電廠的ecs提供了完整的解決方案。
一、ecs的現(xiàn)狀
電氣系統(tǒng)中，發(fā)變組保護、同期、avr、6kv廠用電系統(tǒng)的保護功能獨立，6kv系統(tǒng)的遙測采用變送器轉(zhuǎn)換后接入dcs，遙信采用硬接線接至dcs,遙控由dpu輸出硬接點到操作箱,400v低壓系統(tǒng)的保護由開關(guān)本體實現(xiàn)，測量和控制一般不接入dcs。
建設(shè)ecs的關(guān)鍵在于如何接入dcs。常規(guī)模式下，廠用電部分的遙測由變送器接入dcs，遙信采用硬接線接入dcs，遙控由dcs提供硬接線直接控制，這種方式帶來了繁瑣的接線和附加的投資。參考近10年來變電站自動化系統(tǒng)發(fā)展的歷程可以發(fā)現(xiàn)，“變送器＋遠(yuǎn)程終端單元（rtu）模式己經(jīng)被取消，取而代之的是全數(shù)字化的信息交換，即一次設(shè)備運行信息的采集系統(tǒng)只有1套，遠(yuǎn)動系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)在通信網(wǎng)絡(luò)上共享數(shù)字化的信息（如電流、電壓、功率、開關(guān)量等），同時，遠(yuǎn)動系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)均可以通過網(wǎng)絡(luò)進行遙控和遙調(diào)，這不僅取消了大量的變送器和rtu，還提高了變電站整體的安全運行水平，大大降低了運行維護成本。
目前，發(fā)電廠的發(fā)變組保護、同期、avr一般均采用微機型裝置，具備一定的數(shù)據(jù)通信能力;而6kv系統(tǒng)一般采用集保護、測量、控制、通信于一體的單元式綜合保護測控裝置，400v系統(tǒng)廣泛采用的智能斷路器也具備數(shù)字通信能力。利用這些裝置的數(shù)據(jù)采集及通信功能，取消變送器和硬接線就可以把遙測、遙信送到dcs，在構(gòu)建快速通信系統(tǒng)的前提下，遙控也可以由通信完成。
一些運行人員對6kv系統(tǒng)全面采用網(wǎng)絡(luò)控制存在懷疑，主要集中在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的實時性及可靠性方面。在ecs建設(shè)的實踐中，我們認(rèn)為，只要合理構(gòu)建通信網(wǎng)絡(luò)，在底層綜合保護測控裝置采用快速網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，*可以保證系統(tǒng)的實時性和可靠性。
二、ecs的構(gòu)成
ecs由間隔層、通信層、系統(tǒng)層組成。整體的核心設(shè)計思想是在任何情況下均要保證自動化系統(tǒng)的可靠性，網(wǎng)絡(luò)的可靠性在系統(tǒng)各個層次的設(shè)計中均得到充分體現(xiàn)。本節(jié)將結(jié)合圖1，詳細(xì)介紹ecs的典型結(jié)構(gòu)。
2.1間隔層
間隔層不僅包括6kv廠用電系統(tǒng)的綜合保護和400v配電系統(tǒng)的智能保護，還包括機組保護系統(tǒng)、直流系統(tǒng)、avr系統(tǒng)等。其中數(shù)量zui多、zui重要的是6kv廠用電系統(tǒng)的綜合保護裝置?？紤]到cspa2000采用全數(shù)字式遙控，必須采用一定的手段保證綜合保護裝置與dcs的快速信息交換，因此，cspa2000的綜合保護裝置采用雙10mbit/s工業(yè)以太網(wǎng)作為通信網(wǎng)絡(luò)，在抗干擾要求比較高的環(huán)境下還可以直接采用光纖通信。雖然綜合保護裝置為保護、測控一體化裝置，但保護、測控功能獨立，保護功能不信賴于通信網(wǎng)絡(luò)。
典型的間隔層組網(wǎng)方式為：
a.6kv廠用電系統(tǒng)的綜合保護測控裝置，包括電動機保護、饋線保護、變壓器保護、備自投、電壓互感器測控、分段保護等。這些裝置以10mbit/s雙以太網(wǎng)方式接入通信層的冗余雙重化通信管理機。
b.400v饋線及電動機負(fù)荷，包括主廠房、輔助廠房內(nèi)甚至碼頭輸煤系統(tǒng)的智能開關(guān)保護單元。系統(tǒng)配置獨立的通信管理機，以rs-485的方式接入這些開關(guān)保護單元。
c.發(fā)變組保護及輔助系統(tǒng)，包括發(fā)變組保護、同期裝置、廠用電快速切換裝置、發(fā)變組錄波裝置、勵磁調(diào)節(jié)控制單元、ups系統(tǒng)、直流系統(tǒng)、柴油發(fā)電機組等。根據(jù)重要性的不同，系統(tǒng)配置若干通信管理機，以rs-485/rs-232等方式接入。
2.2通信層
通信層是間隔層和系統(tǒng)層之間的適配層，并負(fù)責(zé)與dcs接口。通信層一般由若干功能明確的通信管理機組成，這此通信管理機通過l0mbit.s-1/100mbit.s-1自適應(yīng)交換機接入ecs層，同時與dcs可采用一對一的通信方式，把dcs關(guān)心的實時數(shù)據(jù)整理出來，發(fā)送給dcs;另外，還可以接受dcs下發(fā)的控制命令，實現(xiàn)對電動機、線路等對象開關(guān)的遙控操作。根據(jù)dcs開放性的不同，通信管理機還可以以其他方式（例如總線式）接入dcs。考慮到網(wǎng)絡(luò)通信的抗干擾能力和高速率、高可靠性，通信層各通信子站（即通信處理機）到系統(tǒng)層之間均采用光纖通信方式。
通信管理機是通信層的核心設(shè)備，cspa2000的通信管理機支持?jǐn)?shù)據(jù)在線管理，即用戶可以從zui大化的間隔層數(shù)據(jù)中挑選若干需要的數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)發(fā)給dcs。
2.3系統(tǒng)層
系統(tǒng)層是發(fā)電廠電氣設(shè)備監(jiān)視、測量、控制、管理的中心，是整個ecs的核心。cspa2000系統(tǒng)層采用冗余的100mbit/s以太網(wǎng)為主干網(wǎng)，設(shè)置ecs主服務(wù)器、工程師站、五防工作站、管理信息系統(tǒng)（mis）通信服務(wù)器、監(jiān)控信息系統(tǒng)（sis）通信服務(wù)器、dcs通信服務(wù)器等。無論是dcs、mis、廠級sis，均可以經(jīng)通信服務(wù)器從ecs得到需要的原始數(shù)據(jù)或者經(jīng)過處理、過濾的數(shù)據(jù)，集中體現(xiàn)了ecs的開放性。根據(jù)用戶需求的不同，還可以裁減工作站的數(shù)量（例如zui小的系統(tǒng)層設(shè)備僅配置1臺工程師兼操作員站即可），系統(tǒng)規(guī)模具有可伸縮性。
系統(tǒng)層網(wǎng)絡(luò)上的服務(wù)器和工作站全部采用多網(wǎng)絡(luò)接口及動態(tài)網(wǎng)絡(luò)訪問技術(shù)，具有故障檢出能力強、主備機故障切換快（小于1s）、運行效率高、響應(yīng)速度快和事件處理優(yōu)先等優(yōu)點，確保關(guān)鍵設(shè)備工作于*狀態(tài)并一直在線，系統(tǒng)中任何單一網(wǎng)絡(luò)設(shè)備發(fā)生故障時不會影響系統(tǒng)的正常運行。
在發(fā)電廠建設(shè)初期，廠用電系統(tǒng)往往先于dcs投運，此時可以依靠ecs對全廠進行電氣控制;當(dāng)dcs發(fā)生故障時，也可以使用ecs緊急處理。考慮到電廠正常運行的習(xí)慣，可以把控制權(quán)限放到dcs,而ecs作為控制的后備手段。
三、ecs與dcs的接□
ecs原則上是與dcs（包括機組dcs、公用dcs）平等地接入sis。但是，考慮到發(fā)電廠實際的運行習(xí)慣，dcs仍將是運行的首要工具。ecs中的發(fā)電機組和廠用電部分則是發(fā)電廠運行*的一部分，因此，ecs中操作的關(guān)鍵在于對發(fā)電機組和廠用電部分的操作。一方面，運行人員能夠在ecs的監(jiān)控后臺顯示器上實現(xiàn)對發(fā)電機組和廠用電的操作;另一方面，運行人員還應(yīng)能從dcs的監(jiān)控顯示器上實現(xiàn)對發(fā)電機組和廠用電的操作。這一點是電氣監(jiān)控系統(tǒng)與dcs配合接口的關(guān)鍵。
ecs與dcs接口，從dcs的角度看相當(dāng)于擴展了dcs的控制范圍，包括dcs的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（das）、模擬量控制系統(tǒng)（mcs）、順序控制系統(tǒng)（scs）。對于采用全開放式結(jié)構(gòu)的ecs，dcs可以從系統(tǒng)層、通信層甚至間隔層與ecs交換任何數(shù)據(jù)。常見的接口方式如下:
a.ecs的通信處理機采用以太網(wǎng)/rs-485/rs-232（均可選冗余的雙網(wǎng)方式）與dcs的dpu通信，根據(jù)預(yù)先的設(shè)置，把dcs關(guān)心的實時數(shù)據(jù)（例如遙信、遙測等）快速轉(zhuǎn)發(fā)到dpu，同時接收dpu下發(fā)的各種控制命令（例如遙合、遙跳等），并轉(zhuǎn)送到具體的保護測控裝置。對于scs來說，這樣的接口方式可能是必須的。
b.ecs在系統(tǒng)層設(shè)置通信服務(wù)器，采用以太網(wǎng)與dcs的系統(tǒng)層通信，主要交互一些實時性要求不高的數(shù)據(jù)，例如事件、錄波分析結(jié)果等，這些數(shù)據(jù)往往與dcs的工作流程無關(guān)。
由于間隔層綜合保護裝置的數(shù)據(jù)是通過雙網(wǎng)接入不同的通信管理機，所以通信層與dcs的接口實際上也是雙網(wǎng)，如果兩個通信管理機分別接入不同的dcs-dpu，就實現(xiàn)了從間隔層到dcs的全套雙機雙網(wǎng)配置。實踐證明，cspa2000的這種與dcs接口方式非常可靠，任一段網(wǎng)絡(luò)、任一臺通信管理機出現(xiàn)故障，均不會引起數(shù)據(jù)的丟失。
四、ecs的主要功能
a.繼電保護。按照分散分布的原則，6kv保護測控裝置就地安裝于開關(guān)柜內(nèi)，完成被保護對象的所有保護功能。保護功能不依賴于通信網(wǎng)絡(luò)，與測控功能獨立。
b.測量與控制。取消的各種測量表計，由測控裝置完成有關(guān)模擬量、開關(guān)量的采集，在ecs主站上統(tǒng)一監(jiān)視。考慮到廠用電系統(tǒng)的電能不參與計費，可以利用測控裝置的內(nèi)置電能測量功能，無需裝調(diào)的電能表。6kv廠用電保護測控裝置自帶操作回路，具備防跳及跳合閘保持功能。保護跳閘與遙控跳閘分開，考慮到與舊的模式兼容，保留kkj與twj串聯(lián)給出事故總信號的告警方式。系統(tǒng)支持遙控，并在實時性上提供遙控時間小于600ms、遙信變位上送時間小于300ms的保證。
c.事故分析。保護裝置具備動作告警及故障錄波功能，在ecs主站上可以調(diào)取保護動作后的錄波數(shù)據(jù)以及各種事件順序記錄（soe——sequenceofevents），對故障進行詳盡的分析，迅速得出事故原因。
d.數(shù)據(jù)統(tǒng)計及裝置管理。在ecs主站上可以顯示各種電壓、電流、功率的實時曲線，自動生產(chǎn)數(shù)據(jù)報表、操作記錄，實現(xiàn)保護定值管理、保護壓板遠(yuǎn)程投退等功能。
e.web服務(wù)。系統(tǒng)提供web服務(wù)接口，得到授權(quán)的用戶可以通過internet訪問系統(tǒng)的實時信息及統(tǒng)計信息。
f.系統(tǒng)接口。具備與sis、mis、電力市場決策支持系統(tǒng)等的接口，為其他系統(tǒng)提供發(fā)電廠電氣系統(tǒng)的詳細(xì)信息。
五、ecs的特殊問題
過去10年中，變電站自動化技術(shù)在各種電壓等級的變電站中得到了長足的發(fā)展，并取得了顯著的技術(shù)和經(jīng)濟效益。與變電站自動化相比，發(fā)電廠ecs的建設(shè)可以借鑒一些經(jīng)驗，但還是存在一些*的地方，例如:
a.廠用電系統(tǒng)的繼電保護裝置一般安裝于開關(guān)柜，工作環(huán)境惡劣，要求具備*的電磁兼容性能。
b.ecs的可靠性必須得到重視，從間隔層就采用雙網(wǎng)技術(shù)是較好的選擇。
c.ecs需要接入的測控點數(shù)量龐大，以2臺300mw機組為例，ecs的數(shù)據(jù)點一般都在數(shù)萬點以上，無論是內(nèi)部通信協(xié)議，還是系統(tǒng)層數(shù)據(jù)庫的容量，都與變電站自動化的要求*不同。
四方公司針對ecs的一些特殊問題，提出了對應(yīng)的解決方案。例如，為保證間隔層綜合保護裝置的可靠性，在電氣、結(jié)構(gòu)、工藝的設(shè)計上嚴(yán)格遵循匡際標(biāo)準(zhǔn)，抗干擾能力達到iec6l000-4中zui嚴(yán)酷等級的電磁兼容性9項試驗;為保證間隔層的通信速度，綜合保護裝置直接采用l0mbit/s以太網(wǎng);為保證間隔層的通信可靠性，綜合保護裝置支持雙以太網(wǎng)，并有光纖接口;為了接入更多的數(shù)據(jù)點，系統(tǒng)層數(shù)據(jù)庫的設(shè)計容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)突破65536點的限制。
六、結(jié)語
在工程實踐中，我們曾有一個美好的設(shè)想:如果dcs能夠開放以太網(wǎng)，豈不是省去了大量的通信管理機，并可大大提高dcs與ecs的數(shù)據(jù)交換速度?當(dāng)前的這種dcs通過dpu、采用串口通信與ecs交互的方式，并沒有充分發(fā)揮ecs通信層與間隔層的通信潛力。也許熱工專業(yè)人員對ecs的這種思路需要時間去認(rèn)識和接受，但我們相信，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，ecs與dcs在快速以太網(wǎng)的基礎(chǔ)上無縫連接肯定不是遙遠(yuǎn)的夢想。