一、引言 火力發(fā)電廠的自動化包括熱工自動化和電氣自動化兩大部分，熱工自動化由于在新建機(jī)組和老機(jī)組改造中廣泛采用了分散控制系統(tǒng)DCS（Distributed Control System）實(shí)現(xiàn)對機(jī)、爐的監(jiān)控，其控制水平有了很大的提高。雖然電氣系統(tǒng)中的繼電保護(hù)、勵磁調(diào)節(jié)、自動同期等裝置已逐步實(shí)現(xiàn)了微機(jī)化，但其自動化的整體水平一直未能得到提高。 近一段時(shí)間，各發(fā)電廠及設(shè)計(jì)部門對各種電氣系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)及納入DCS的方案進(jìn)行了探討。普遍的觀點(diǎn)認(rèn)為，電氣系統(tǒng)納入DCS是必然趨勢。 本文根據(jù)發(fā)電廠電氣自動化的特點(diǎn)和要求，探討了應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)將電氣接入DCS，實(shí)現(xiàn)發(fā)電廠電氣監(jiān)控的可行性，并給出了相應(yīng)的軟、硬件結(jié)構(gòu)方案。 二、發(fā)電廠電氣監(jiān)控管理的提出 目前，許多發(fā)電廠都具有DCS系統(tǒng)，但發(fā)電廠的DCS側(cè)重于機(jī)爐，對電氣系統(tǒng)考慮較少，形成了較為普遍的機(jī)爐與電氣之間控制及自動化水平相互不協(xié)調(diào)的現(xiàn)象，主要表現(xiàn)在以下3個(gè)方面: a. 電氣系統(tǒng)申，主要的保護(hù)、安全自動裝置基本獨(dú)立運(yùn)行，與DCS系統(tǒng)間通過硬接點(diǎn)（開關(guān)量）方式進(jìn)行有限的控制和信號交換; b. 作為單元機(jī)組一部分的發(fā)變組和廠用電系統(tǒng)的控制，基本上采用常規(guī)控制手段; c. 電氣運(yùn)行管理水平落后，電氣運(yùn)行維護(hù)人員關(guān)心的電氣系統(tǒng)設(shè)備的測量、保護(hù)動作、整定、事故追憶等信息不完整，不能充分發(fā)揮電氣系統(tǒng)微機(jī)化裝置的數(shù)字化信息的作用。 雖然電氣系統(tǒng)重要的運(yùn)行參數(shù)和狀態(tài)已進(jìn)入DCS，實(shí)現(xiàn)了基于CRT的畫面顯示、越限報(bào)警、記錄等功能，但是大部分的運(yùn)行參數(shù)和狀態(tài)仍采用安裝在盤臺上的模擬或數(shù)字儀表和信號燈顯示。電氣系統(tǒng)運(yùn)行過程的信息反映不完整，更不可能在整個(gè)機(jī)組的控制中達(dá)到信息共享。電氣系統(tǒng)的運(yùn)行操作只能按功能和專項(xiàng)區(qū)分，通過單獨(dú)設(shè)置專用的電氣操作開關(guān)和按鈕來完成。顯然，電氣系統(tǒng)的運(yùn)行監(jiān)控水平和基于DCS的熱力系統(tǒng)監(jiān)控水平形成巨大反差，這也制約了進(jìn)一步提高整個(gè)機(jī)組（機(jī)、爐、電）的綜合自動化水平及實(shí)現(xiàn)廠級運(yùn)行的現(xiàn)代化管理。 隨著發(fā)電廠規(guī)模的擴(kuò)大，電氣系統(tǒng)變得越來越復(fù)雜，必然要求電氣系統(tǒng)有獨(dú)立的人機(jī)界面以方便運(yùn)行維護(hù)人員的監(jiān)視和控制，同時(shí)電氣系統(tǒng)信息都是交流采樣信息，絕大多數(shù)為數(shù)字量處理，并且有一定數(shù)量的事故追憶和SOE信息，這些都是DCS系統(tǒng)所不能滿足的。由于主系統(tǒng)的故障將引起電壓、頻率的變化，造成運(yùn)行方式的突變，因此對電氣設(shè)備保護(hù)自動裝置要求可靠性高、動作速度快，動作時(shí)間只能限定在幾毫秒到幾十毫秒，而DCS適用于秒級別的熱力系統(tǒng)，在響應(yīng)速度方面也不能很好地滿足電氣系統(tǒng)控制的要求。所以，盡管電氣系統(tǒng)接入DCS系統(tǒng)已毋庸置疑，但仍然存在著需要深入探討的地方。 a. 系統(tǒng)接入問題:目前電氣系統(tǒng)接入DCS系統(tǒng)一般采用所謂的"硬連接"方式。硬連接方式的主要缺點(diǎn)是投資過大，DCS系統(tǒng)按"點(diǎn)"收費(fèi)，每增加一個(gè)量，都要額外增加一路電纜與DCS系統(tǒng)直接相連，造成DCS系統(tǒng)的投資隨著接入量的數(shù)量而增加。 b. 通信數(shù)據(jù)問題:發(fā)電廠電氣部分的保護(hù)測控等自動裝置很多，其需要傳輸?shù)乃倪b（遙測、遙信、遙脈、遙控）通信信息必然也很多，這些數(shù)據(jù)中大部分是DCS所不關(guān)心的，如果不加區(qū)分地將所有數(shù)據(jù)都提交給DCS處理，必然造成網(wǎng)絡(luò)繁忙，影響DCS系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因此廠家對接入如此多的通信數(shù)據(jù)存在疑問。 c. 通信接口問題:DCS與電氣部分的通信接口并沒有統(tǒng)一的規(guī)范，需要根據(jù)具體工程決定實(shí)施方案，這就存在DCS廠家與電氣系統(tǒng)廠家的配合問題，系統(tǒng)連接困難。 d. 電氣聯(lián)鎖問題:發(fā)電廠中存在很多聯(lián)鎖回路，盡管聯(lián)鎖的邏輯比較簡單，但是電氣設(shè)備本身操作復(fù)雜，過去基于RS-485/RS-232的通信并不穩(wěn)定，容易出現(xiàn)通信中斷，從而造成聯(lián)鎖失效，因此在聯(lián)鎖的通信方式上都采用硬接線方式。 e. 功能問題:電氣系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)后，如果只在DCS系統(tǒng)中有監(jiān)視、測量、動作等簡單功能，并不能在深層次上提高電氣系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)管理水平，也無法體現(xiàn)出電氣系統(tǒng)接入DCS實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)自動化的優(yōu)越性。 從以上分析可以看出，解決上述問題，從而改進(jìn)以往的電氣系統(tǒng)接入DCS的方式是完全必要的。從目前的技術(shù)發(fā)展看，在接入DCS的方式上，以數(shù)字通信取代"硬連接"，增強(qiáng)現(xiàn)有電氣系統(tǒng)的功能，研制發(fā)電廠電氣監(jiān)控管理系統(tǒng)是發(fā)展方向。 三、發(fā)電廠電氣監(jiān)控管理的可行性 近年來，微機(jī)自動化技術(shù)已經(jīng)在電力系統(tǒng)的高、中、低壓各級變電站中得到了廣泛的應(yīng)用，國產(chǎn)設(shè)備和技術(shù)已日益成熟，并為廣大用戶所接受。目前，微機(jī)自動化系統(tǒng)普遍采用分散分布式技術(shù)，保護(hù)和測控裝置就地安裝于開關(guān)柜，通過現(xiàn)場總線連接起來，經(jīng)通信管理機(jī)接至后臺機(jī)。這種模式與集中式模式相比，具有結(jié)構(gòu)簡單靈活、可靠性高、安裝維護(hù)方便、節(jié)省電纜等優(yōu)點(diǎn)，將這種模式應(yīng)用于發(fā)電廠電氣系統(tǒng)是完全可行且必要的。 現(xiàn)場總線技術(shù)被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場的微機(jī)化測量控制設(shè)備之間，以實(shí)現(xiàn)雙向串行多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通信，也被稱為開放式、數(shù)字化、多點(diǎn)通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)。隨著在通信速率、通信距離及抗干擾能力等方面不斷提高，利用現(xiàn)場總線構(gòu)成的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）成為繼集中式數(shù)字控制系統(tǒng)、集散控制 系統(tǒng)DCS后的新一代控制系統(tǒng)。 電氣控制裝置微機(jī)化水平的提高和現(xiàn)場總線技術(shù)的成熟為電氣系統(tǒng)監(jiān)控?cái)?shù)字化提供了有力的技術(shù)支持和保障。 四、發(fā)電廠電氣監(jiān)控管理的實(shí)現(xiàn)體系 發(fā)電廠電氣監(jiān)控管理系統(tǒng)通過現(xiàn)場總線或工業(yè)以太網(wǎng)，將電氣側(cè)眾多的保護(hù)和自動裝置有機(jī)地結(jié)合起來，經(jīng)通信管理裝置接至DCS系統(tǒng)和電氣工作站，基本的控制仍由DCS系統(tǒng)完成，電氣工作站除實(shí)現(xiàn)電氣監(jiān)視、維護(hù)等功能外，還可以充分利用電氣系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)后信息全面的優(yōu)勢，加強(qiáng)電氣信息的應(yīng)用，完成較為復(fù)雜的電氣運(yùn)行管理工作。 發(fā)電廠電氣監(jiān)控管理包含2個(gè)層面，一是電氣系統(tǒng)的組網(wǎng)，二是組網(wǎng)后的功能擴(kuò)展，即接入后電氣系統(tǒng)數(shù)據(jù)的挖掘。為了更好地解決上述2個(gè)層面的問題，保障發(fā)電廠電氣監(jiān)控管理系統(tǒng)的實(shí)施，并考慮到系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和可擴(kuò)展性，可以采用硬件分層設(shè)計(jì)的思想，把整個(gè)硬件系統(tǒng)劃分為3個(gè)層次。 4.1 保護(hù)測控層 發(fā)電廠的保護(hù)和自動裝置多且分散，這些裝置須具備測量、控制、保護(hù)、信號、通信等基本功能，并完成各自的特殊功能。在利用現(xiàn)場總線技術(shù)予以連接時(shí)，考慮到不同廠家生產(chǎn)的保護(hù)和自動裝置支持的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)可能不同，而現(xiàn)場總線的標(biāo)準(zhǔn)近期內(nèi)又很難統(tǒng)一，因此可以采用相關(guān)分類的方案，即將電氣系統(tǒng)的所有裝置分成幾大子系統(tǒng)，如6kV子系統(tǒng)、400V子系統(tǒng)、發(fā)變組保護(hù)子系統(tǒng)、AVR子系統(tǒng)等，并要求同一子系統(tǒng)的裝置支持同一種總線標(biāo)準(zhǔn)。如，6kV系統(tǒng)的電源分支、電動機(jī)、變壓器保護(hù)及廠用電快切、同期、低壓備自投等，支持同一種標(biāo)準(zhǔn);400V系統(tǒng)的保護(hù)或智能脫扣器應(yīng)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn);發(fā)電機(jī)、變壓器保護(hù)和AVR可有相同或不同的標(biāo)準(zhǔn)。與DCS系統(tǒng)和電氣工作站相聯(lián)時(shí)，可以將這幾大子系統(tǒng)分別接至DCS系統(tǒng)和電氣工作站，也可以將子系統(tǒng)先經(jīng)專門的通信管理裝置相聯(lián)后再統(tǒng)一接至DCS系統(tǒng)和電氣工作站。 4.2 通信管理層 由于各保護(hù)測控裝置間通信協(xié)議的多樣性，保護(hù)測控裝置之間無法全部實(shí)現(xiàn)信息相互傳輸;同時(shí)，主站與保護(hù)測控裝置之間的通信也存在同樣問題?？紤]到這些因素，可以通過加入前置機(jī)（通信管理單元）完成通信控制和規(guī)約的轉(zhuǎn)換功能，由此實(shí)現(xiàn)不同種類裝置之間的數(shù)據(jù)連接。為了能夠支持如此眾多的保護(hù)測控層設(shè)備，通信管理裝置（單元）必須適應(yīng)以下要求: a. 在硬件上必須采用模塊化設(shè)計(jì)以支持多種通信接口，包括以太網(wǎng)、串行通信口、可擴(kuò)充的其他現(xiàn)場總線接口等; b. 在軟件上必須具備規(guī)約庫以支持MODBUS，PROFIBUS及標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（TCP/IP）等，從而具有良好的軟硬件擴(kuò)展性; c. 在功能上必須具備通信接收、發(fā)送、規(guī)約轉(zhuǎn)換等功能，將DCS對測控保護(hù)層的控制命令或電氣主站系統(tǒng)的查詢及修改定值等命令，向下發(fā)至各有關(guān)裝置，同時(shí)將各裝置上傳信息送至DCS系統(tǒng)或電氣主站系統(tǒng)。 4.3 電氣主站層 電氣主站層包括數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、Web服務(wù)器、運(yùn)行工作站、維護(hù)工作站、監(jiān)視工作站等。發(fā)電廠電氣監(jiān)控管理系統(tǒng)的硬件架構(gòu)如圖1所示。 由圖1可以看出，整個(gè)硬件系統(tǒng)明顯地分成3個(gè)層次:最低層的保護(hù)測控層設(shè)備通過現(xiàn)場總線連接到通信管理層的前置機(jī);前置機(jī)對這些設(shè)備的通信信息進(jìn)行解釋處理，再通過前置機(jī)的以太網(wǎng)通信結(jié)構(gòu)上傳到電氣主站層的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器/工作站; DCS系統(tǒng)與發(fā)電廠電氣監(jiān)控管理系統(tǒng)之間的連接也通過以太網(wǎng)進(jìn)行。 根據(jù)發(fā)電廠電氣監(jiān)控管理的要求，在上述硬件體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上利用組件技術(shù)可將軟件體系結(jié)構(gòu)分為5個(gè)部分。 a. 實(shí)時(shí)運(yùn)行子系統(tǒng):實(shí)時(shí)運(yùn)行是整個(gè)電氣監(jiān)控管理的基礎(chǔ)和核心，實(shí)時(shí)運(yùn)行子系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)各單元間的通信、監(jiān)測、整定、維護(hù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理等功能。 b. 數(shù)據(jù)庫組態(tài)子系統(tǒng):數(shù)據(jù)庫組態(tài)是一個(gè)對電氣系統(tǒng)進(jìn)行描述的過程，為實(shí)時(shí)運(yùn)行系統(tǒng)提供必要的運(yùn)行參數(shù)設(shè)置，包括以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)配置、用戶管理配置、廠站配置、電氣主設(shè)備配置、一次及二次設(shè)備配置及四遙（遙測、遙信、遙脈、遙控）配置、虛擬量配置、告警設(shè)定、庫存設(shè)定，以及人機(jī)交互畫面的建立修改等功能。通過數(shù)據(jù)庫組態(tài)子系統(tǒng)可以完整地將整個(gè)電氣系統(tǒng)以數(shù)字方式描述出來，并保存到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中[6，7]。 c. 人機(jī)界面子系統(tǒng):人機(jī)界面子系統(tǒng)可分為離線部分和在線部分。離線部分主要提供對畫面進(jìn)行繪制和組態(tài)配置的功能，通過它定義需要顯示的界面，并對界面中需要顯示的信息進(jìn)行配置，并提供用于顯示系統(tǒng)的報(bào)警信息、曲線、棒圖等，以及歷史數(shù)據(jù)庫有關(guān)的查詢和顯示功能。在線部分根據(jù)實(shí)時(shí)運(yùn)行子系統(tǒng)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)信息顯示相應(yīng)的運(yùn)行信息，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與運(yùn)行監(jiān)視人員的實(shí)時(shí)交互功能。 d. 報(bào)表管理子系統(tǒng):實(shí)現(xiàn)報(bào)表的自定義、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、打印及存檔功能。報(bào)表應(yīng)該包括日報(bào)、月報(bào)、潮流報(bào)表、電量報(bào)表、設(shè)備管理報(bào)表、運(yùn)行日值報(bào)表、運(yùn)行情況報(bào)表及電壓合格率報(bào)表等。 e. 高級應(yīng)用子系統(tǒng):主要指在實(shí)現(xiàn)了電氣系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，并建立電氣監(jiān)控系統(tǒng)以后，可以在主站使用的一系列的高級應(yīng)用功能，如自動抄表、設(shè)備管理等功能。 五、電氣監(jiān)控管理的主站應(yīng)用 電氣主站系統(tǒng)功能如果僅限于基本的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視測量、動作情況、整定值修改等，則無法體現(xiàn)出足夠的應(yīng)用價(jià)值。因此，電氣主站應(yīng)該利用先進(jìn)的數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對電氣實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)倉庫和歷史數(shù)據(jù)倉庫的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，提供一系列的高級應(yīng)用功能，全面提高發(fā)電廠電氣運(yùn)行、管理自動化水平。下面簡要介紹具體應(yīng)用。 a. SCADA:具有采集和監(jiān)視測量、狀態(tài)、投退等功能（暫不包括控制），配以電氣接線和簡單地理信息畫面，即是一個(gè)廠用電氣的SCADA系統(tǒng)。 b. 自動抄表系統(tǒng):目前，廠用電的抄表基本上由人工完成，有些發(fā)電廠購買專門的抄表系統(tǒng)，針對廠用電系統(tǒng)建立專用網(wǎng)絡(luò)，購買專用設(shè)備，將原有機(jī)械式或電子脈沖式計(jì)量信號傳送至主站系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、報(bào)表等。而在電氣監(jiān)控系統(tǒng)中，利用測控裝置本身的計(jì)量功能或轉(zhuǎn)接電度表獲得的測量信號，經(jīng)現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)傳送，在主站進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和報(bào)表生成，可實(shí)現(xiàn)專用的廠用電抄表系統(tǒng)的所有功能。同時(shí)，有了各點(diǎn)的實(shí)時(shí)潮流信息，對分析發(fā)電廠的能耗推進(jìn)電廠的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有重要的意義。 c. 設(shè)備管理:包括保護(hù)和自動裝置的臺帳、檔案、維修記錄等，實(shí)現(xiàn)設(shè)備管理的無紙化。更為重要 的是，電氣主站系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)在線設(shè)備管理，如統(tǒng)計(jì)設(shè)備動作情況，運(yùn)行情況等。這部分信息可以傳送至 MIS系統(tǒng)，補(bǔ)充MIS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。 d. 定值管理:定值的遠(yuǎn)方設(shè)置、修改、及在線自動校核等。未來還可以擴(kuò)展為可視化發(fā)電廠繼電保護(hù)整定計(jì)算與定值管理系統(tǒng)。 e. 故障信息管理:動作告警、SOE、事故追憶、事故重演、錄波分析等，對分析事故原因進(jìn)而實(shí)現(xiàn)事故防范有重要意義。 f. 設(shè)備在線診斷:對設(shè)備關(guān)鍵參數(shù)的監(jiān)測、計(jì)算、分析，掌握設(shè)備的健康狀況，及時(shí)提供維護(hù)信息和消缺指令。 g. 小電流接地選線:聯(lián)網(wǎng)后此項(xiàng)功能將大大優(yōu)于目前的小電流接地選線裝置的功能。因現(xiàn)在每路有一個(gè)CPU，各CPU間可并行采集計(jì)算，且同步時(shí)標(biāo)問題在以太網(wǎng)平臺上可以得到很好地解決，而原小電流接地選線裝置只有一個(gè)CPU。另外，現(xiàn)由主站的PC機(jī)進(jìn)行綜合計(jì)算判斷，而原裝置由單片機(jī)作綜合運(yùn)算。 h. SIS系統(tǒng)和MIS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接入:SIS和MIS系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)機(jī)組優(yōu)化控制和優(yōu)化管理，必須經(jīng)現(xiàn)場總線網(wǎng)和主站系統(tǒng)（兼網(wǎng)關(guān)）取得廠用電氣系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。 i. 發(fā)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視:實(shí)時(shí)顯示可視化發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)圖，為發(fā)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行提供指導(dǎo)。 j. Web功能:利用Intranet技術(shù)方便用戶遠(yuǎn)程登錄，信息查詢、遠(yuǎn)程維護(hù)等。 以上應(yīng)用只有在建立電氣監(jiān)控系統(tǒng)后才能實(shí)現(xiàn)，且最適合在此主站系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，因此不存在這些應(yīng)用與其他系統(tǒng)重復(fù)、可被其他系統(tǒng)代替的問題。 六、結(jié)束語 近年來，我國大容量機(jī)組的發(fā)電廠熱工系統(tǒng)發(fā)展迅速，而電氣系統(tǒng)的整體控制水平則進(jìn)展較慢，造成整個(gè)機(jī)組監(jiān)控的不協(xié)調(diào)，且在監(jiān)控、管理技術(shù)上與國外水平有較大差距?，F(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展和發(fā)電廠電氣設(shè)備微機(jī)化程度的提高，為以數(shù)字通信方式實(shí)現(xiàn)發(fā)電廠電氣接入DCS，建立電氣監(jiān)控管理系統(tǒng)提供了技術(shù)上的保證。發(fā)電廠電氣監(jiān)控管理系統(tǒng)是進(jìn)一步提高電廠自動化水平，特別是電氣運(yùn)行管理水平的必然趨勢，采用電氣監(jiān)控管理系統(tǒng)新建或改造發(fā)電廠DCS系統(tǒng)將節(jié)省可觀的投資。