引言 從20世紀(jì)80年代末開始，我國單機(jī)容量300MW及以上的火電機(jī)組開始全面采用集散控制系統(tǒng)（DCS），控制范圍主要為汽機(jī)和鍋爐，使機(jī)爐的自動化和控制水平大大提高。為了解決電氣和熱工之間自動化水平不協(xié)調(diào)的問題，從90年代中后期開始，電氣系統(tǒng)的發(fā)變組系統(tǒng)、廠用電系統(tǒng)陸續(xù)開始納入DCS進(jìn)行監(jiān)控，但電氣系統(tǒng)的數(shù)字化繼電保護(hù)和自動裝置是通過硬接線的方式接入DCS，而沒有通過網(wǎng)絡(luò)通信實現(xiàn)。隨著電子技術(shù)、信息技術(shù)的發(fā)展和電力運營的逐步市場化，火電廠在自動化技術(shù)應(yīng)用方面取得了快速發(fā)展，火電廠電氣和熱工自動化的融合成為目前火電廠自動化的焦點問題之一。電氣監(jiān)控系統(tǒng)（ECS）的部分信息通過網(wǎng)絡(luò)通信方式接入DCS成為一種新的發(fā)展方向，在新建的大中容量機(jī)組中得到了廣泛應(yīng)用。對于取消全部硬接線、完全采用通信方式接入DCS，不少電力設(shè)備制造廠家和電廠也正在積極嘗試與探索。 本文從應(yīng)用的角度出發(fā)，分析了火電廠ECS通過硬接線、硬接線+通信、全通信3種方式接入DCS的優(yōu)缺點和需要解決的問題，展望了ECS最終實現(xiàn)全通信的前景和目標(biāo)。 一、硬接線方式 硬接線方式電氣信息通過硬接線接入DCS（見圖1）。接入信息主要包括開關(guān)量輸入（DI）、開關(guān)量輸出（DO）和模擬量輸入（AI），接入方式為空接點和4mA～20mA直流信號。 采用硬接線方式后，通過DCS的CRT實現(xiàn)了電氣相關(guān)信息的顯示報警與電氣設(shè)備的控制調(diào)節(jié)，有效提高了整個電氣控制的安全性和可靠性，同時擴(kuò)大了DCS的控制范圍，實現(xiàn)了機(jī)爐電系統(tǒng)的一體化運行和監(jiān)控。 硬接線方式的優(yōu)點是：電氣量的I0模件柜集中布置，便于管理，設(shè)備運行環(huán)境好；信號傳輸中轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)少，對現(xiàn)場信號的反應(yīng)快速、可靠，連接電纜一次敷設(shè)正確后，發(fā)生故障的概率較低，維護(hù)工作量小。硬接線方式雖然一次性投資較高，但目前大部分電廠、設(shè)計院仍認(rèn)為它是電氣信息接人DCS的最可靠、快速的方式。因此，在通信方式逐步應(yīng)用的情況下，目前對可靠性、實時性和確定性要求很高的電氣聯(lián)鎖與控制，仍然保留了硬接線方式。 硬接線方式在實際實施和運行過程中也存在很多問題。主要問題如下： l） DCS需要配置大量的變送器、I0卡件、機(jī)柜和連接電纜，施工復(fù)雜，成本高。 2） 接入DCS的信息數(shù)量十分有限，系統(tǒng)的擴(kuò)展性能差。 3） 用電回路需要配置單獨的電能表，但又不能實現(xiàn)自動抄表功能。 4） 無法完成事故追憶、保護(hù)定值管理、錄波分析、操作票、防誤閉鎖等較為復(fù)雜的電氣維護(hù)和管理工作，電氣系統(tǒng)的整體自動化水平較低。 5） 在倒送廠用電時，由于DCS一般尚未投運，高壓啟備變、高低壓廠用電源的遠(yuǎn)方操作無法實現(xiàn)。 6） 廠用電系統(tǒng)己經(jīng)采用微機(jī)化的綜合保護(hù)測控裝置（以下簡稱綜保裝置），面向間隔設(shè)計，集保護(hù)、測控和通信功能一體，可以通過網(wǎng)絡(luò)接口傳輸電壓、電流、功率、電量和保護(hù)動作信號等大量DCS需要的信息，其精度和實時性完全滿足技術(shù)要求，硬接線方式客觀上造成了硬件的重復(fù)配置和資源浪費。 為了克服硬接線方式的不足，特別是對于接入DCS用于監(jiān)測功能的信息，考慮采用通信方式取代硬接線很有必要。近年來，以現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)為代表的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)在工廠自動化和變電站自動化、DCS等電力自動化領(lǐng)域得到了廣泛和成功的應(yīng)用，并且日趨成熟穩(wěn)定，為火電廠電氣系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)接入DCS提供了成熟的運行經(jīng)驗，同時，電氣系統(tǒng)的繼電保護(hù)和自動控制裝置的微機(jī)化也為電氣系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)接入DCS提供了條件。為了提高電廠的整體自動化水平，自21世紀(jì)初以來，一些電力設(shè)備制造廠陸續(xù)推出基于網(wǎng)絡(luò)通信的火電廠ECS，比較有代表性的產(chǎn)品有江蘇金智科技的DCAP-4000系統(tǒng)、北京四方的CSPA-2000系統(tǒng)等?；痣姀S電氣信息接入DCS的方式也變?yōu)橛步泳€十通信方式。目前，以通信方式部分取代硬接線，已經(jīng)取得了廣大電廠用戶和電力規(guī)劃設(shè)計部門的一致認(rèn)可。 二、硬接線+通信方式 硬接線十通信方式的ECS一般采用分層分布體系結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)分為站控層、通信層和間隔層3層，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。 站控層一般采用客戶服務(wù)器的分布式結(jié)構(gòu)，由服務(wù)器、操作員工作站、維護(hù)工作站和通信網(wǎng)關(guān)等組成，構(gòu)成電氣系統(tǒng)監(jiān)控、管理和與DCS、管理信息系統(tǒng)（MIS）、監(jiān)控信息系統(tǒng)（SIS）等自動化系統(tǒng)互聯(lián)的中心，雖然電氣系統(tǒng)的大量信息通過通信方式接入DCS，但主要用于監(jiān)控功能，DCS并沒有開發(fā)針對電氣的高級應(yīng)用軟件，這是由DCS的定位決定的。通過ECS的站控層相對獨立地實現(xiàn)對電氣系統(tǒng)的監(jiān)控，不僅提供了DCS的后備控制手段，還通過對大量基礎(chǔ)信息的分析處理，實現(xiàn)了諸如事故追憶、保護(hù)定值管理、錄波分析等復(fù)雜的電氣維護(hù)和管理工作，為電氣系統(tǒng)的運行、維護(hù)和管理提供了專用的平臺，這是ECS的重要價值之一。 通信層一般以通信管理機(jī)為核心，對信息起到分組和上傳下達(dá)的作用，通過1OOMbitS以太網(wǎng)接入站控層的實時主干網(wǎng)，廠用電綜保裝置通過RS-485或現(xiàn)場總線接入通信管理機(jī)，對于除廠用電綜保裝置外的第三方智能電氣設(shè)備，例如發(fā)變組保護(hù)、啟備變保護(hù)、勵磁系統(tǒng)、同期裝置、快切裝置和直流系統(tǒng)等，一般通過通信管理機(jī)實現(xiàn)通信接口和協(xié)議格式的轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)完整的電氣系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)。同時，通信管理機(jī)可經(jīng)串行接口與機(jī)組DCS的分布式處理單元（DPU）相連，進(jìn)行信息交換。目前，ECS與DCS的通信可通過站控層的通信網(wǎng)關(guān)和通信層的通信管理機(jī)2種方式實現(xiàn)。通信網(wǎng)關(guān)一般采用1OOMbits以太網(wǎng)，信息吞吐量大，但需要DCS開發(fā)專門的軟件模塊，受DCS的開放性限制較大，通信管理機(jī)與DPU之間一般采用RS-485接口、ModbuS協(xié)議通信，相對簡單易行，同時也為電氣信息參與工藝聯(lián)鎖提供了可能，因而得到了廣泛應(yīng)用。 間隔層包括分散安裝的廠用電綜保裝置（例如電動機(jī)保護(hù)測控裝置、低壓變壓器保護(hù)測控裝置等）、380V電動機(jī)控制器、發(fā)變組保護(hù)、廠用電快切裝置等智能電氣設(shè)備，完成對電氣系統(tǒng)現(xiàn)場信息的采集、保護(hù)、控制和數(shù)據(jù)通信等功能。硬接線+通信方式的ECS第1次把網(wǎng)絡(luò)化的應(yīng)用引入火電廠電氣系統(tǒng)，也使DCS中電氣信息的接入模式發(fā)生了很大的變化，電壓、電流、功率、電量和保護(hù)動作信號等大量信息通過通信方式接入DCS，與工藝聯(lián)鎖和控制相關(guān)的開關(guān)量輸入輸出還保留硬接線，甚至只保留與熱工聯(lián)鎖相關(guān)的電動機(jī)回路的硬接線，廠用電源回路的控制也通過通信接口實現(xiàn)。這種方式為電廠的電氣運行和維護(hù)提供了，新的平臺，為采用新型的系統(tǒng)維護(hù)方式和企業(yè)管理模式提供了可能，具有如下優(yōu)點： l） DCS取消了大量的變送器、I0卡件、機(jī)柜和連接電纜，成本降低。 2） 接入DCS的信息全面、豐富，信息數(shù)量基本與投資無關(guān)，系統(tǒng)擴(kuò)展性強(qiáng)。 3） 綜保裝置可實現(xiàn)廠用電系統(tǒng)電能的高精度計量，不必單獨配置電能表，并可通過網(wǎng)絡(luò)上送ECS后臺，實現(xiàn)自動抄表功能。 4） 通過電氣系統(tǒng)后臺可實現(xiàn)事故追憶、保護(hù)定值管理、錄波分析、操作票、防誤閉鎖等較復(fù)雜的電氣維護(hù)和管理工作，使電氣系統(tǒng)的整體自動化水平有較大的提高。 5） 在倒送廠用電時，通過ECS可實現(xiàn)對高壓啟備變、高低壓廠用電源的遠(yuǎn)方操作。 近幾年來，在新建的容量30OMW及以上的火電機(jī)組，電氣系統(tǒng)都實現(xiàn)了范圍不等的聯(lián)網(wǎng)，并通過通信接口向DCS傳送監(jiān)測信息，在提高電氣系統(tǒng)自動化水平和管理維護(hù)方面，給用戶提供了實實在在的好處。但是，ECS在實施過程中也存在此困難和問題，主要如下： 1） 對于DCS廠家來說，取消了大量的變送器和I0卡件，市場利益受到一定的沖擊，還要投入精力來做通信接入工作，難免會有定的抵觸情緒。 2） 目前國內(nèi)投資于DCS的資金70挑用于進(jìn)口設(shè)備，而進(jìn)口DCS的通信開放性受到很大限制，對于通信的信息，DCS的通信周期、數(shù)據(jù)包長度都對通信的實時性有很大影響。 3） 通信方式與硬接線方式相比，信息申轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)多，在可靠性和實時性方面還有一定的差距，目前通信的信息大多局限于監(jiān)測信息，還不能完全實現(xiàn)用戶期望的全通信目標(biāo)。 4） ECS節(jié)點多、分散性強(qiáng)，并且多臺機(jī)組需要分期建設(shè)，對系統(tǒng)的容量、網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架的可擴(kuò)展性和設(shè)備廠家的售后服務(wù)能力都提出了很高的要求，而不同廠家的解決方案良秀不等，網(wǎng)絡(luò)通信中斷、信息刷新緩慢等問題經(jīng)常困擾用戶，使系統(tǒng)維護(hù)量增大，從而影響ECS的實施效果和用戶的應(yīng)用信心。 5） 從投資成本來看，由于部分工程ECS的站控層和通信層配置較復(fù)雜，從而使ECS的投資偏高，對于整個控制系統(tǒng)而言，成本降低并不明顯。 6） 在DCS投運之后，用戶對ECS酌應(yīng)用相對較少，關(guān)注程度較低，因而目前ECS的電氣維護(hù)和管理功能并不十分完善。 對于以上問題的解決，一方面，需要ECS廠家切實根據(jù)用戶需求提供先進(jìn)的技術(shù)、可靠的產(chǎn)品和完善的服務(wù)，并且能持續(xù)不斷地改進(jìn)和創(chuàng)新，特別是提高網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性和實時性、提供豐富完善的電氣維護(hù)和管理功能；另一方面，需要廣大電廠、設(shè)計規(guī)劃部門和DCS廠家以更加堅定的信心和開放的心態(tài)來接納ECS，各方密切配合，從真正為電廠用戶提供服務(wù)的角度出發(fā)，做好ECS和DCS的互聯(lián)規(guī)劃和實施工作，DCS廠家應(yīng)從軟硬件配置上滿足異構(gòu)系統(tǒng)互聯(lián)的開放性、實時性和靈活性要求。 三、全通信方式 ECS從產(chǎn)生、發(fā)展到被用戶廣泛接受，始終圍繞著提高電氣系統(tǒng)整體自動化水平、實現(xiàn)ECS和DCS無縫連接這個目標(biāo)，目前的通信信息只監(jiān)測不控制，離用戶真正期望的全通信方式還有一定的差距。目前，國內(nèi)一些ECS廠家和電廠在全通信方面進(jìn)行了有益的探索，積累了一定的經(jīng)驗，例如云南巡檢司電廠與宣威電廠。對于目前投入工程應(yīng)用的全通信方式，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。 在這種方式中，通信管理機(jī)按電廠工藝過程配置，參與工藝聯(lián)鎖控制的通信管理機(jī)與相應(yīng)的DPU一對一進(jìn)行通信，由于每個工藝過程的電動機(jī)綜保裝置數(shù)量較少，因而通信實時性較高，完全可以滿足電廠工藝聯(lián)鎖控制的要求。對于不參與工藝聯(lián)鎖的電氣信息，通過ECS站控層的通信網(wǎng)關(guān)接入DCS。通過這種方式，電氣系統(tǒng)的控制和聯(lián)鎖全部通過網(wǎng)絡(luò)通信實現(xiàn)，實時性與硬接線雖有一定的差距，但都能滿足技術(shù)要求，在向全通信目標(biāo)的過渡過程中，是一種大膽而有益的嘗試。但這種方式也存在很大的困難，主要是： 1） 在變電站自動化系統(tǒng)和DCS中，控制都是通過網(wǎng)絡(luò)通信實現(xiàn)的，但網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)一般都不大于3層，并且互聯(lián)的設(shè)備一般為一個廠家的產(chǎn)品和系統(tǒng)。在圖3中，控制信息的傳輸網(wǎng)絡(luò)為4層，DCS的開放性受限也影響了2個系統(tǒng)之間聯(lián)接的緊密性，可靠性和實時性受到較大的制約，這也是大部分用戶和設(shè)計院對這種模式望而卻步的主要原因。 2） 通信管理機(jī)根據(jù)工藝過程配置，因數(shù)量較多而使投資成本提高，同時，一個工藝過程的廠用電動機(jī)回路往往來自不同的配電間隔，網(wǎng)絡(luò)布線交叉，也增加了施工和維護(hù)的難度。 未來應(yīng)用中，如果參與工藝聯(lián)鎖的綜保裝置能夠根據(jù)DCS和ECS的不同要求，把控制信息和非控制信息分開，分別通過獨立的通信接口接入DPU和ECS的通信管理機(jī)，那么，接入DCS信息的可靠性和實時性會有很大的提高；但通信負(fù)荷的增加、控制的切換等對綜保裝置提出了新的技術(shù)要求，同時，DCS廠家在市場利益受到更大沖擊的情況下，接入不同通信接口和協(xié)議的裝置，勢必會有較大的阻力。因此，在新模式的探索中，不僅需要電廠、設(shè)計院有很大的決心與DCS廠家、ECS廠家全力配合，同時，如何平衡市場利益的沖突也是一個需要相關(guān)各方解決的問題。 四、結(jié)語 隨著我國電力事業(yè)的飛速發(fā)展，電源建設(shè)特別是容量300MW及以上大型火電機(jī)組的建設(shè)得到了迅速發(fā)展，ECS也得到了廣泛應(yīng)用，硬接線+通信方式在目前條件下更好地解決了ECS接入DCS實現(xiàn)機(jī)爐電一體化協(xié)調(diào)控制的要求，針對在實際應(yīng)用中出現(xiàn)的問題，相信通過ECS廠家、DCS廠家、電廠與設(shè)計院的密切配合，合理規(guī)劃，正確實施，一定會得到很好解決。隨著ECS的日趨穩(wěn)定和通信技術(shù)的不斷發(fā)展，相信在不久的將來，全通信方式將真正得到用戶的廣泛接受和應(yīng)用。