DCS

作者：李日龙 赵振雄 王宝华
摘要：山西神头二电厂对电气监控在分散控制系统DCS中的应用进行了积极大胆的尝试与探索。文中结合电力规划设计总院对电气监控进入DSC的范围的要求，介绍了电气DCS系统概况、电气监控的特点及纳入况DCS的范围，分析了在DCS中实现电气监控的方案及其优缺点，提出了设计、施工中存在的
　 　
根据《火力发电厂设计技术规程》(DL5000-2000)和部颁新厂新办法的有关规定，要实现机、炉、电统一的单元集中控制，使单元控制室的机、炉、电控制水平协调发展。因此，电气监控在DCS中的应用，尤其是电气在DCS中的控制愈来愈受到各方关注。
目前国内电厂的现状是:300W及以上机组，单元控制室的电气数据采集和监测大都已通过DCS实现，并有少数电厂电气系统的控制也不同程度地由DSC实现。此外国外电厂单元控制室电气系统控制由DCS控制也有应用，并有部分供货商有较成熟的经验。所有这些都为单元控制室电气系统进入DCS控制创造了有利条件。
一、有关规定
国电公司电力规划设计总院于1995年底在北京主持召开了电力系统各有关单位和西门子、ABB、贝利等国际知名公司电气、热工自动化等专业参加的”单元控制室电气控制系统”研讨会，会议交流了专家们提出的电气系统控制进入DCS的方案和设想，会议认为应根据国内具体情况及国外供货商经验，选择试点工程将电气控制系统由DCS实现，逐步提高单元控制室电气系统控制水平，会议建议电气控制纳入单元机组DCS的范围:(1)发电机、变压器组，由DCS实现数据采集和控制;(2)厂用电源系统，由DCS实现数据采集和控制;(3)直流系统UPS等，由DCS实现数据采集。
发电机励磁系统自动电压调整器(ARV)、自动准同期装置(ASS)、主设备保护等应采用成熟的技术和产品，与DCS有必要的接口。会议明确了电气专业工作范围:要求电气专业对纳入DCS的电气监控功能负责，向热工专业提交有关的I/O清单，数据采集和处理功能(包括:画面、制表、SOE、点、性能计算等)以及控制逻辑设计要求等，从电气专业角度对DCS系统总的要求提出意见，参加DCS系统中电气有关部分的技术谈判。会议还要求单元控制室电气监控由DCS实现应采取积极稳妥的步骤，可先在一些条件较好的电厂(包括成套进口机组)进行工程应用，在取得经验的基础上再逐步推广。试点工作应取得业主及运行单位的支持，应选择有成熟经验的供货商。试点应用工程应按单元机组由DCS实现监控的原则进行设计。不应重复设置过多的后备监控设备。
二、电气监控的特点
山西神头二电厂DCS系统采用贝利控制公司INFI-90分散式控制系统。
电气系统与热工自动化相比在控制要求及运行过程中有着很多不同点，电气的主要特点表现为：
2.1 电气设备相对热工设备而言控制对象少，操作频率低，有的系统或设备运行正常时，时常几个月或更长时间才操作一次。
2.2 电气设各保护自动装置要求可靠性高，动作速度快。发变组保护动作速度要求在4Oms以内；自动准同期采用同步电压方式，转速、电压调整和滑压控制要求在5ms以内;电压自动调整装置快速励磁要求时间极短;厂用电快切装置快速切换时间一般小于60～8Oms，同步鉴定相位差5°～20°。
2.3 300MW及以上机组一般每2台机组共用1台起/备变，任一机组检修都不能影响另1台机组的正常运行，因此DCS控制应考虑其控制方式，确保只能有1台机组的DCS实现对共用部分的控制，同时另一机组DCS能够实现实时监视，并且这种操作控制权能实现切换。
2.4 电气设备电气系统的联锁逻辑较简单，但电气设备本身操作机构复杂。
针对以上特点，神头二电厂#1机组的电气系统纳入DCS控制(#2机组的电气系统DCS改造将列入计划)，要求控制系统具有极高的可靠性。除了能实现正常起停和运行操作外，还能够实现实时显示异常运行和事故状态下的各种数据和状态，并提供相应的操作指导和应急处理措施，保证电气系统自动控制在最安全合理的工况下工作。
三、电气监控进入DCS的范围
因为当时国内对电气监控进入DCS的范围还没有相关规定，也没有经验可以借鉴，专家对此还是非常慎重。所以，进入DCS的控制范围只是限于厂用电系统。同时为了安全可靠起见，在发电机电气控制盘上仍然保留厂用电系统的硬手操作后备而不用。
根据单元机组的运行和电气控制的特点，神头二电厂采用了将发电机—变压器组和厂用电源等电气系统的控制都纳入DCS监控，从升压站(不包括升压站)至电厂侧的所有主厂房内电气系统均纳入DCS监控，主要系统归纳为:
3.1 主电源系统(#1发电机、#l励磁系统、#1主变、#1厂高变、起备变)
1)发电机同期:发电机自动同期与DCS的接口。
2)数据采集与监视:发电机定子三相电压、定子三相电流、励磁电压、励磁电流、负序电流、有功、无功、频率、功率因数、有功无功电量，主变高压侧单相电压、三相电流、中性点电流、有功无功电量、油温、高低压绕组温度，励磁变压器高压侧绕组电流、有功电量。
3)励磁系统装置的运行状态和励磁开关的状态监视，励磁系统整流设备与控制装置故障及异常报警。
4)继电保护装置动作报警。
5)#1高厂变分接头的指示及控制(升、降)及分接头位置状态。
6)起备变分接头的指示及控制(升、降)及分接头位置状态。
3.2 22OKV开关站系统
221断路器控制及位置指示、部分隔离开关、部分地刀的状态监视;断路器、刀闸分、合、故障状态。
3.3 厂用电系统
1)厂用电系统数据采集与监视:6KV、380V母线电压，工作进线及备用进线电压、电流、有功无功电量，馈线电流、有功电量。
2)厂用段与公用段联锁、自动切换。
3)厂用电系统故障及异常报警:工作进线及备用进线及低变馈线开关的故障及异常。
4)厂用电系统开关状态监视:工作进线及备用进线及低变馈线开关的分、合、故障、试验位置状态。
5)厂用电切换操作。
3.4 公用段系统
1) 公用段系统数据采集与监视:6KV、380V母线电压，工作进线及备用进线电压、电流、有功无功电量，馈线电流、有功电量。
2) 公用段与厂用段联锁、自动切换。
3) 公用电系统故障及异常报警:备用进线及低变馈线开关的故障及异常。
4) 公用段系统开关状态监视:工作进线、备用进线、段上开关开关及分、合、故障、试验位置状态。
5) 公用电切换操作。
3.5 外围系统
主厂房外辅助系统的电气系统如输煤、化水、制氢、电除尘等没有纳入DCS系统中
3.6 DC直流系统
1)数据采集:直流母线电压。
2)充电装置、蓄电池组及配电装置的故障及异常报警
3)6KV开关装置380V直流控制电源消失报警。
综合以上几个方面，纯电气在DCS中的点数为2247点，占DCS总点数的15%左右。其中包括发电机-变压器组的并列及解列控制、22OKV开关启备变进线开关的控制、厂用电系统的控制及切换，发电机同期、励磁系统及厂用电各用电源切换都与DCS有接口，电气系统的数据采集监视和故障异常报警也全在DCS中实现。上述范围达到并超过了[纪要]中的要求。
四、电气系统监控分析
4.1 采集与监视
现场电气范围内的信号种类有电压、电流、功率、频率、功率因数、温度等模拟信号和电度脉冲信号。其中电度量脉冲信号经中间端子柜内的频率/电流转换器变成4-2OmA的信号。所有这些信号从现场硬接线引出后先进中间端子柜，经中间端子柜送往PCU柜
4.2 设备状态
现场的电气范围内的设备指示主要是指开关、隔离开关、接地刀闸的分、合、故障等状态。其中，开关有合闸、分闸、故障和准备好四种状态，地刀有分闸、合闸两种状态。以上各种状态在CRT上都有指示。
开关位于主厂房内的开关室，其状态直接由位于开关装置上的辅助接点送到中间端子柜进入DCS。而22OKV、5OOKV系统的开关、隔离开关和地刀位于远离控制室的开关站，其状态先送到控制室辅区的中间继电器柜，经中间继电器柜将接点数目扩充后，一部分接点送22OKV、5OOKV控制盘，另一部分接点送到PCU柜进入DCS。这样避免了所有电缆都从开关站接，节省了大量电缆。
4.3 设备故障及异常报警、继电保护动作报警
电气设备所有的故障及异常信号和继电保护动作信号都送入DCS，而送到集控立盘上光字牌的信号，原则是:预告信号—–送到GEB盘上的光字牌，某一设备保护跳闸的事故信号相加后送到GEB盘上的光字牌，至于是哪种保护动作起动跳闸，须在CRT画面上查找。本来合同要求是将预告信号和保护跳闸事故信号一一都上光字牌，只是由于上光字牌的信号太多，GEB盘上容纳不下，所以经双方讨论才形成该原则。这样可以一目了然地提醒运行人员对预告信号引起注意，采取措施，防止扩大事故。
报警信号为数字输入信号，它经中间端子柜送入AS的FM2l0输入模件，经CP将信号从AP中送到OM系统，光字牌信号由AS的FM5l1输出模件送到GEB盘上的光字牌。当报警信号出现时该信号对应的窗口闪光。光字牌信号GEB盘上有声光报警。
4.4 电气控制
在DCS中实现的电气控制主要是指开关分闸及合闸控制，刀闸返回信号。
对5OOKV、22OKV系统而言，发电机-变压器组出口断路器在DCS中控制并显示其运行状态，主刀闸显示其运行状态。启动备变压器高压侧断路器在DCS控制，隔离开关在DCS中画面显示。所有开关、隔离开关和接地刀闸的联锁控制逻辑和中、低压厂用电系统的控制联锁逻辑都在DCS中实现，因此在DCS中的控制相对复杂一些。
4.5 后备监控设备的配置
根据采用DCS控制的机组的运行经验，系统控制中来用DCS以CRT和键盘监控为中心后，尽可能地减少控制盘台上的显示仪表、操作器/开关、报警窗等，仅保留的后备监控设备为:
(1)模拟量信号全部进DCS显示，盘上仅保留少量显示仪表。
(2)只保留少量的重要电气开关并取消电气控制屏/盘，控制功能在DCS实现。关于手动同期开关的保留与否，由于自动准同期装置产品的可靠性已越来越高，取消手动同期开关。保留的后备手操开关为:发变组断路器紧急跳闸按钮。
(3)报警光字牌数量保留20个左右，与热工报警合并在一起，既减少了设备的种类，又便于布置。
神头二电厂原电气操作、监控立盘和卧盘已全部拆除，报警光字牌数量减少到30个左右，保留了发变组断路器紧急跳闸按钮。
4.6 电气CRT画面
电气DCS操作画面，按照电气系统和操作功能划分为11个画面，分别显示各自的系统状态并提供操作功能，包括了:
1)6KV厂用系统
显示功能:6KV系统参数;系统图中开关状态，联锁回路状态;
操作功能:6KV系统所有电源开关的操作(通过同期操作的6KV开关除外);380V所有显示开关的操作;厂用380V联锁回路的操作;直流系统的显示。
2)6KV公用系统
显示功能:6KV系统参数;系统图中开关状态，联锁回路状态;
操作功能:6KV系统所有电源开关的操作(通过同期操作的6KV开关除外);380V所有显示开关的操作;公用380V联锁回路的操作。
3)电气主画面
显示功能:电气主系统，主设各的参数;电气主系统的开关状态，刀闸状态;
操作功能:5012,5013开关试验状态下的操作和运行状态下的断开操作;5012,5013开关试验状态下的操作是指5012-1、5012-2在断开状态下操作5012,5013-1、5013-2在断开状态下操作5013;灭磁开关的操作。
4)12BT2O 1#启动变画面
显示功能:启动变的运行参数，启动变6KV侧电源开关及与其他电源的联络开关的状态;联锁开关联络功能的投退;联络线路的运行参数;
操作功能:启动变分接开关的调整，风机的起停，221开关的操作，联络开关的断开及联锁投入，12BLO2、12BMO2开关具有手合、手跳功能，以便于在启动变检修后的送电操作。
5)lBTlO 1#高厂变画面
显示功能:高厂变的运行参数，高厂变6KV侧电源开关及与其他电源的联络开关的状态;联锁开关联络功能的投退;联络线路的运行参数;
操作功能:高厂变分接开关的调整，风机的起停，联络开关的断开及联锁投入。
6)厂用系统电量平衡图
厂用系统的开关状态及电量显示。
7)公用系统电量平衡图
公用系统的开关状态及电量显示。
8)励磁画面
显示功能:发电机的主要电气运行参数，励磁调节器的运行状态;
操作功能:发电机励磁的起、停、增、减;励磁调节器的信号复归，远方切B。
9)同期画面
显示功能:同期系统的运行参数，同期开关的选择状态，同期系统有关开关的状态以及同期系统的运行状态;
操作功能;同期开关的选择及解除选择，同期装置的投退。
10)保警画面
利用画面的功能键的提示，直接进入本画面，显示有关报警信号的详细内容。
11)画面功能键
在每幅画面的上方，都有一个功能键条，用来操作画面的切换和显示翻看报警信号。
五、问题及建议
对电气监控在DCS中的应用，为实现机、炉、电统一控制和统一管理，使单元控制室机、炉、电控制水平协调发展，取消电气监控的硬手操作后备，完全依靠DCS。以下是我们在设计及安装中遇到的问题和建议，请大家研究和探讨。
5.1 电气微机保护、控制与测量装置与DCS的接口问题
现在微机元件保护、微机线路保护、微机控制与测量装置使用愈趋普通，这些装置大都配有通讯接口，其通讯功能也愈趋增强，这就为其与DCS系统通讯创造了条件。目前的设计原则仍然是用硬接线电缆将这些装置的信号送到中间端子柜，再到DCS。建议用通讯电缆将这些装置的通讯接口与DCS通过通讯接口连接起来。需要注意的是，在设备采购过程中，要规定微机装置的通讯规约必须是标准规约，并且对微机装置的通讯功能、通讯内容(如模拟量、开关量等)提出具体要求。这样，只要在EWS中进行简单组态就可以实现设备的监控功能。
5.2 电气与热控专业的界面设备问题
目前国内的电厂在检修维护及技术管理上电气与热控专业仍然为不同的管理单元。因此客观存在电气与热控专业界面分工问题。一般来讲，电气专业范围内的电气量自现场到中间端子柜端子排范围的检修维护及技术管理工作是由电气专业负责的;中间端子柜端子排至DCS以内的范同全部由热控专业负责 。因此，供货商在设计上将电气的电气监控量在中间端子柜及DCS继电器柜的布置，安排在独立的或相对集中的位置上是必要的。这样可以容易分清责任，对专业管理是非常有益的。
5.3 电气与热控专业的界面管理分工问题
电气与热控专业的界面和分工问题，在《纪要》中也作了规定。计算机应用范围推广，使得专业界面更加模糊，专业渗透面及深度更加深广。往往接口界面是最容易出问题的地方。为了成功地将电气监控运用在DCS系统中，电气、热控专业应分家不分工。电气专业应学习熟悉DCS系统，热控专业也应学习熟悉电气系统。电气、热控应紧密配合，相互合作，打破专业界限。热控专业应了解电气专业的一些基本运行方式、操作要求、联锁要求、电气控制和保护的原理等。电气专业熟悉了解DCS配置、性能、基本模块功能及组态等。做到能发现对方所出现的问题。电厂的运行、检修管理要能适应这一发展要求，制定相应的规章制度。
5.4 DCS投入与厂用电受电工期配合
厂用电源控制纳入DCS后，由于不设独立于DCS的硬手操，在倒送厂用电时，DCS一般尚未投运，此时高压启/各变、高/低压厂用电源操作无法实现，故要求DCS设备安装、调试及投运在工期上予以配合。在厂用电设各安装调试的同时，开展了DCS的安装调试，特别是与厂用电有关的子系统的调试，使其投运在倒送厂用电之前，以满足电气倒送厂用电、厂内各工艺系统的分部试运行的要求。
六、结束语
山西神头二电厂#1机DCS系统从2001年11月26日机组并网至今已经运行半年多时间。从电气监控方面来看，运行情况良好，电气系统的各项功能(包括开关、联锁、SOE报警以及报表显示、仪表显示等)均能正常投入，没有出现拒操、误操、逻辑误判断等异常情况。电气监控功能达到了设计要求，电气监控在DCS中的应用是成功的。我们希望DCS系统在神头二电厂的应用能为以后同类工程提供借鉴，提供一些成功的经验，同时诚恳地期望同行能为我们提出宝贵的意见，使电气监在DCS中应用日趋完善，

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