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摘要: 随着计算机技术及网络技术的发展和日益成熟，大型火力发电厂单元机组电气控制全面采用DCS 已成为可能，并已逐步在各工程中进行实践。本文重点对发电厂电气控制系统的运行管理进行了分析探讨。
关键词: 发电厂；DCS；电气系统；监控
1 引言
火力发电厂中热工自动化和电气系统自动化的水平反映了整个电厂的运行管理水平。分散控制系统DCS 是集计算机、通信、图形显示和控制四大技术于一体的自动化综合系统，他基于控制功能分散、操作管理集中、信息共享的原则，具有运算能力强、实时、可靠和精度高、操作简单、检修维护方便、人机界面友善等特点。我国火力发电厂对DCS 的运用始于80 年代，主要是热工专业运用于对机炉生产过程的控制。
2 电气系统监控范围和功能
2.1 监控范围
从大的方面来划分，电气设备监控系统可以分为两大监控单元组: 即发电机- 变压器监控单元组和厂用电源监控单元组，而检测范围除包括此两大单元组外，还应包括单元机组直流系统UPS 和保安电源系统等。
2.2 单元组功能
2.2.1 发电机- 变压器监控单元组
发电机- 变压器监控单元组应能实现程序控制和软手操控制，使发动机由零起升速、升压直到并网带初始负荷。根据实际运行水平和设备可靠性，机组顺控并网应该设置间断点，分步进行，即:第一步由DEH 零起升速至额定；第二步，启动并网，主要完成并网前的准备工作，如投退相关保护压板，投入灭磁开关等；第三步，升压过程，DCS 将投入AVR，通过AVR 自动励磁调节器完成发电机零起升压至额定电压；第四步，完成并网，主要检查定转子的接地情况，投入AS 自动准同步装置(发电机与电网的同步是由同步装置自动实现的)，在同步过程中通过DCS 控制AVR、DEH，当同步条件满足时，向发电机断路器发合闸指令，在同步合闸成功、发电机电负荷达到一定值之后，DCS 将高压厂用电系统快速从起/ 备变切换到高压工作厂变上。
机组顺控解列操作大致与此相反:即机组正常停运时，DCS控制降低机组负荷，当机组负荷降到某一定值时，DCS 将高压厂用电系统快速切换到起/ 备变系统供电； 当机组负荷继续降到零，跳开主开关，联跳汽轮机(主汽门关闭)，发电机灭磁。
2.2.2 厂用电源监控单元组
厂用电源监控单元组主要包括高压厂用电源系统、低压厂用电源系统及保安电源系统以及需要在集控室控制的和参加机炉辅机程控的高、低压电动机等的控制。厂用电系统在起动停止阶段和正常运行阶段应能实现程序控制和软手操控制，即在机组启动时通过起动/ 备用变压器向厂用负荷供电； 在机组正常用电时，由高压工作厂变供电并经低压厂变向400VMCC低压负荷供电以启动机组所必须的辅机；在厂用电消失时，为了保护设备和系统的安全，厂用电快速切换装置应快速将厂用工作负荷自动切换至起/ 备变；当确认保安段母线失压后，应启动事故备用柴油机供电以保证设备安全。其监控对象具体可归纳为:
(1) 高压厂用工作变压器和高压起动/ 备用变压器的投切控制；
(2) 工作段及公用段电源进线断路器投切6kV控制；
(3) 高压厂用工作变压器与高压起动/ 备用变压器的正常倒闸操作；
(4) 高压起动备用变压器有载分接头调节控制；
(5) 低压厂用工作变压器和低压公用变的投切控制；
(6) 段进线和分段断路器投切控制；
(7) 单元机组辅助车间电源进线断路器投切控制；
(8) PC 段分段斷路器投切控制；
(9) 柴油发电机出口断路器的投切控制；
(10) 保安PC 段断路器的投切控制；
(11) 事故保安MCC 工作电源进线断路器的投切控制；
(12) 柴油发电机程控启动控制；
(13) 消防水泵的投切控制；
(14) 锅炉、汽机辅助电动机的顺序控制。
除以上监控功能外，电气控制回路中原来由红、绿灯实现的控制电源回路及跳合闸回路监视功能均可由DCS 实现。此外，断路器防跳，高、低压厂用母线低电压保护分时段跳厂用电动机，专用低压备用变接线方式，备用电源自投等等，这些功能在不增加I/O 点数速度满足要求的情况下，也可利用DCS 来完
成。
3 电气DCS 系统配置
3.1 电气控制站的配置
DCS 控制站一般按单元机组设置，两台机组设一集控室，电气和热工合用一套DCS，实现DAS(数据采集与处理系统)、MCS(模拟量控制系统)，SCS(顺序控制系统)及FSSS(锅炉炉膛安全监视系统)等功能，按机组单元设置炉机电公用DCS。
电气部分每机发变组与高低压厂用电系统作为一个子站进入该单元DCS；每两台机组设置一公用控制网系统，该系统作为一个子站挂入相关两单元机组DCS 上。对于两台机组的公用系统，如厂用公用及备用电源系统等，DCS 的配置应能实
现一台机组停运时，另一台机组的运行人员能对公用系统进行监控，并且要求采用可靠的闭锁措施确保其控制命令的唯一性，即在同一时间只允许一套DCS 系统对公用设备起控制作用，确保各机组DCS 独立运行并不致使两单元机组DCS 耦合在一起，保证机组的可靠运行。
3.2 监控系统配置
从近几年来火力发电厂电气进入DCS 监控的发展过程看，电气监控系统的配置可分为:I/O 集中控制方式、远程智能I/O 方式及现场总线控制系统(FCS)方式等。
3.2.1 I/O 集中方式
I/O 集中方式，是将电气的各馈线遮现场设置现场设备I/O接口，通过硬接线电缆与集控室DCSI/O 通道相连，经A/D 处理后进入DCS 组态，实现DCS 对全厂电气设备的监控。这种监控方式优点是速度相应快、运行维护好、控制站的防护等级低，从而使DCS 的造价下降，但由于电气设备全部进入DCS监控，伴随着监控对象的大量增加随之而来的是DCS 主机冗余的下降，电缆数量巨大，控制楼面积大，长距离电缆引进的干扰也可能影响DCS 的可靠性，且大量的电缆进入控制室会增加控制室火灾引发的危险。
3.2.2 远程智能I/O 方式
远程智能I/O 方式是将控制站中的I/O 下放，在数据采集较集中且离控制室较远的现场设立远程I/O 采集柜即现A/D转换机柜，现场设备I/O 信号通过硬接线电缆与I/O 采集柜(A/D 转换机柜)相连，A/D 转换机柜与控制室DCS 控制器主机柜通过光纤或双绞线的相连。远程I/O 具有节省大量电缆、节省安装费用、节省控制楼面积、可靠性高等优点，智能化远程I/O 卡件、模拟量卡件及电量
变送器还是不能减少。我国近年来已有部分大型火力发电厂采用这一控制方式。
3.2.3 现场总线方式
厂用电系统采用现场总线方式进入DCS，是采用连接智能现场设备和自动化系统的数字式双向传输及多分支结构通信网络来取代现行的智能化远程I/O 分散式控制系统。智能现场设备可实现数据采集、处理及逻辑控制等功能，可在就地实现对现场设备的控制、监视、保护和通信等功能，通过现场总线经通信单元将处理好的信息上传至控制站，并能将控制站的指令下达。
目前，对于以太网、现场总线等计算机网络技术已普遍应用于变电站综合自动化系统中且已，积累了丰富的运行经验智能化电气设备也有了，较快的发展均为网络控制系统应用于发电厂厂用电系统奠定了良好的基础。厂用电系统包括高压厂用电源系统、低压厂用电源系统及保安电源系统等，厂用电系统采用现场总线方式进入DCS 就是将这些分散式就地安装的被控设备选用集保护、测量、控制、通信于一体的智能化电气设备，如:发变组保护及测量装置、励磁调节装置、厂用电快速切换装置、微机厂用电源分支测控保护装置、电动机测控及保护装置等等，用现场总线将这些智能前端设备的通信接口连接起来，再与通信管理机相连，通过通信管理机接至站控层以太网，再由以太网接至各机组DCS 系统，同时还可通过以太网扩接到电气运行维护工程师站、远动工作站、数据库工作站、电厂MIS 系统、SIS 系统等。
采用现场总线方式进入电厂DCS 系统除具有远程智能I/O 的全部优点外，还可减少大量的隔离器件、端子柜、I/O 卡件、模拟量卡件等，且智能电气设备就地安装，与DCS 通过通信线连接，可节省大量的控制电缆及施工安装维护工程量，从而降低综合成本。
另外各装置的功能独立，装置之间仅通过网络联结，网络组态灵活，使整个系统的可靠性得到很大提高，任一装置故障仅影响到相对应的元件。因此现场总线监控方式是今后火力发电厂计算机监控系统发展的方向。
4 值得注意和探讨的问题
(1) 随着电厂大量采用微机监控系统，为了提高全厂事故分析水平，全厂互联系统时钟应统一。
(2) 电气设备监控采用DCS 系统的接口问题:通过多年的实践及应用电气已具有的几套成熟的专用装置，即自动励磁调节器(AVR)、自动准同步装置(ASS)、发变组保护、厂用电快速切换装置等，一般而言，功能强大的DCS 应能实现这些功能，然而这些装置原理较复杂，专业性较强且电气设备保护装置要求可靠性高，动作速度快，(例如: 发变组保护动作速度要求在40ms 以内；自动准同步采用同步电压方式，转速、电压调整和滑压控制要求在5ms 以内； 厂用电快切装置时间一般小于60～80ms 等)如让DCS 实现这些功能，将大大增加对DCS 硬件及软件的投资开发费用，因此其功能还不宜由DCS 来实现，从而引申出这些装置与DCS 的接口问题。同时，网控计算机监控系统、输煤程控系统、电除尘程控系统等電气控制系统与DCS 也存在一个接口问题，如果接口处理不当，会影响DCS 监控功能的实现，而接口的连接主要包括硬接线连接方式和通信口网络连接方式，国内现已设计并投产或正在施工的大型火力发电厂基本采用硬接线的连接方式，但如果在网络速度能满足电气设计需要的前提下也可采用通信口网络的连接方式，因此在工程方案确定前需要设计院会同这些电气专用装置生产厂家与DCS 制造厂协调配合，从而圆满解决不同装置间的接口问题。
(3) 机组公用电气系统的控制:两台机组公用电气系统(如高压起动/ 备用电源)的控制由DCS 公用控制网完成。DCS 公用系统设置独立的公用控制网络分别与两台机组的DCS 系统相连，数据可以同时进入两套DCS 系统。每台机组的DCS 操作员站均可对公用系统进行操作，但两套DCS 之间必须由软件实现闭锁，保证同一时刻仅有一个操作有效。
(4) 现场总线可根据具体工程控制对象的范围及位置不同设置不同的段，可布置在分散的开关柜附近的房间内或集中布置在电气分场办公楼或专用的房间内。
(5) 电气运行人员可通过电气工作站的CRT 了解电气设备的运行状况，可通过电气工作站制定及修改保护定值、起动方式等，电气工作站也设操作功能，但正常情况下受DCS 的闭锁，仅在机组投运前及大修期间作为运行试验之用。
5 结束语
电气控制系统逐渐从监测走向监控，从I/O 集中方式到远程I/O 方式逐渐开始向现场总线方式探索，有待我们在今后各工程设计中不断实践、总结并将之升华。大型火力发电厂电气控制全面采用DCS 在国内还是近几年的事，但国外大机组电气采用DCS 监控已有成功的运行经验，热工专业采用DCS 监控系统多年来已积累了丰富的经验，现行的“2000 年燃煤示范电厂”自动化设计和目标也要求大型火力发电厂电气控制系统全面进入DCS，因此在火力发电厂中电气监控系统采用DCS 已成为今后发展的方向。
关键词: 发电厂；DCS；电气系统；监控
1 引言
火力发电厂中热工自动化和电气系统自动化的水平反映了整个电厂的运行管理水平。分散控制系统DCS 是集计算机、通信、图形显示和控制四大技术于一体的自动化综合系统，他基于控制功能分散、操作管理集中、信息共享的原则，具有运算能力强、实时、可靠和精度高、操作简单、检修维护方便、人机界面友善等特点。我国火力发电厂对DCS 的运用始于80 年代，主要是热工专业运用于对机炉生产过程的控制。
2 电气系统监控范围和功能
2.1 监控范围
从大的方面来划分，电气设备监控系统可以分为两大监控单元组: 即发电机- 变压器监控单元组和厂用电源监控单元组，而检测范围除包括此两大单元组外，还应包括单元机组直流系统UPS 和保安电源系统等。
2.2 单元组功能
2.2.1 发电机- 变压器监控单元组
发电机- 变压器监控单元组应能实现程序控制和软手操控制，使发动机由零起升速、升压直到并网带初始负荷。根据实际运行水平和设备可靠性，机组顺控并网应该设置间断点，分步进行，即:第一步由DEH 零起升速至额定；第二步，启动并网，主要完成并网前的准备工作，如投退相关保护压板，投入灭磁开关等；第三步，升压过程，DCS 将投入AVR，通过AVR 自动励磁调节器完成发电机零起升压至额定电压；第四步，完成并网，主要检查定转子的接地情况，投入AS 自动准同步装置(发电机与电网的同步是由同步装置自动实现的)，在同步过程中通过DCS 控制AVR、DEH，当同步条件满足时，向发电机断路器发合闸指令，在同步合闸成功、发电机电负荷达到一定值之后，DCS 将高压厂用电系统快速从起/ 备变切换到高压工作厂变上。
机组顺控解列操作大致与此相反:即机组正常停运时，DCS控制降低机组负荷，当机组负荷降到某一定值时，DCS 将高压厂用电系统快速切换到起/ 备变系统供电； 当机组负荷继续降到零，跳开主开关，联跳汽轮机(主汽门关闭)，发电机灭磁。
2.2.2 厂用电源监控单元组
厂用电源监控单元组主要包括高压厂用电源系统、低压厂用电源系统及保安电源系统以及需要在集控室控制的和参加机炉辅机程控的高、低压电动机等的控制。厂用电系统在起动停止阶段和正常运行阶段应能实现程序控制和软手操控制，即在机组启动时通过起动/ 备用变压器向厂用负荷供电； 在机组正常用电时，由高压工作厂变供电并经低压厂变向400VMCC低压负荷供电以启动机组所必须的辅机；在厂用电消失时，为了保护设备和系统的安全，厂用电快速切换装置应快速将厂用工作负荷自动切换至起/ 备变；当确认保安段母线失压后，应启动事故备用柴油机供电以保证设备安全。其监控对象具体可归纳为:
(1) 高压厂用工作变压器和高压起动/ 备用变压器的投切控制；
(2) 工作段及公用段电源进线断路器投切6kV控制；
(3) 高压厂用工作变压器与高压起动/ 备用变压器的正常倒闸操作；
(4) 高压起动备用变压器有载分接头调节控制；
(5) 低压厂用工作变压器和低压公用变的投切控制；
(6) 段进线和分段断路器投切控制；
(7) 单元机组辅助车间电源进线断路器投切控制；
(8) PC 段分段斷路器投切控制；
(9) 柴油发电机出口断路器的投切控制；
(10) 保安PC 段断路器的投切控制；
(11) 事故保安MCC 工作电源进线断路器的投切控制；
(12) 柴油发电机程控启动控制；
(13) 消防水泵的投切控制；
(14) 锅炉、汽机辅助电动机的顺序控制。
除以上监控功能外，电气控制回路中原来由红、绿灯实现的控制电源回路及跳合闸回路监视功能均可由DCS 实现。此外，断路器防跳，高、低压厂用母线低电压保护分时段跳厂用电动机，专用低压备用变接线方式，备用电源自投等等，这些功能在不增加I/O 点数速度满足要求的情况下，也可利用DCS 来完
成。
3 电气DCS 系统配置
3.1 电气控制站的配置
DCS 控制站一般按单元机组设置，两台机组设一集控室，电气和热工合用一套DCS，实现DAS(数据采集与处理系统)、MCS(模拟量控制系统)，SCS(顺序控制系统)及FSSS(锅炉炉膛安全监视系统)等功能，按机组单元设置炉机电公用DCS。
电气部分每机发变组与高低压厂用电系统作为一个子站进入该单元DCS；每两台机组设置一公用控制网系统，该系统作为一个子站挂入相关两单元机组DCS 上。对于两台机组的公用系统，如厂用公用及备用电源系统等，DCS 的配置应能实
现一台机组停运时，另一台机组的运行人员能对公用系统进行监控，并且要求采用可靠的闭锁措施确保其控制命令的唯一性，即在同一时间只允许一套DCS 系统对公用设备起控制作用，确保各机组DCS 独立运行并不致使两单元机组DCS 耦合在一起，保证机组的可靠运行。
3.2 监控系统配置
从近几年来火力发电厂电气进入DCS 监控的发展过程看，电气监控系统的配置可分为:I/O 集中控制方式、远程智能I/O 方式及现场总线控制系统(FCS)方式等。
3.2.1 I/O 集中方式
I/O 集中方式，是将电气的各馈线遮现场设置现场设备I/O接口，通过硬接线电缆与集控室DCSI/O 通道相连，经A/D 处理后进入DCS 组态，实现DCS 对全厂电气设备的监控。这种监控方式优点是速度相应快、运行维护好、控制站的防护等级低，从而使DCS 的造价下降，但由于电气设备全部进入DCS监控，伴随着监控对象的大量增加随之而来的是DCS 主机冗余的下降，电缆数量巨大，控制楼面积大，长距离电缆引进的干扰也可能影响DCS 的可靠性，且大量的电缆进入控制室会增加控制室火灾引发的危险。
3.2.2 远程智能I/O 方式
远程智能I/O 方式是将控制站中的I/O 下放，在数据采集较集中且离控制室较远的现场设立远程I/O 采集柜即现A/D转换机柜，现场设备I/O 信号通过硬接线电缆与I/O 采集柜(A/D 转换机柜)相连，A/D 转换机柜与控制室DCS 控制器主机柜通过光纤或双绞线的相连。远程I/O 具有节省大量电缆、节省安装费用、节省控制楼面积、可靠性高等优点，智能化远程I/O 卡件、模拟量卡件及电量
变送器还是不能减少。我国近年来已有部分大型火力发电厂采用这一控制方式。
3.2.3 现场总线方式
厂用电系统采用现场总线方式进入DCS，是采用连接智能现场设备和自动化系统的数字式双向传输及多分支结构通信网络来取代现行的智能化远程I/O 分散式控制系统。智能现场设备可实现数据采集、处理及逻辑控制等功能，可在就地实现对现场设备的控制、监视、保护和通信等功能，通过现场总线经通信单元将处理好的信息上传至控制站，并能将控制站的指令下达。
目前，对于以太网、现场总线等计算机网络技术已普遍应用于变电站综合自动化系统中且已，积累了丰富的运行经验智能化电气设备也有了，较快的发展均为网络控制系统应用于发电厂厂用电系统奠定了良好的基础。厂用电系统包括高压厂用电源系统、低压厂用电源系统及保安电源系统等，厂用电系统采用现场总线方式进入DCS 就是将这些分散式就地安装的被控设备选用集保护、测量、控制、通信于一体的智能化电气设备，如:发变组保护及测量装置、励磁调节装置、厂用电快速切换装置、微机厂用电源分支测控保护装置、电动机测控及保护装置等等，用现场总线将这些智能前端设备的通信接口连接起来，再与通信管理机相连，通过通信管理机接至站控层以太网，再由以太网接至各机组DCS 系统，同时还可通过以太网扩接到电气运行维护工程师站、远动工作站、数据库工作站、电厂MIS 系统、SIS 系统等。
采用现场总线方式进入电厂DCS 系统除具有远程智能I/O 的全部优点外，还可减少大量的隔离器件、端子柜、I/O 卡件、模拟量卡件等，且智能电气设备就地安装，与DCS 通过通信线连接，可节省大量的控制电缆及施工安装维护工程量，从而降低综合成本。
另外各装置的功能独立，装置之间仅通过网络联结，网络组态灵活，使整个系统的可靠性得到很大提高，任一装置故障仅影响到相对应的元件。因此现场总线监控方式是今后火力发电厂计算机监控系统发展的方向。
4 值得注意和探讨的问题
(1) 随着电厂大量采用微机监控系统，为了提高全厂事故分析水平，全厂互联系统时钟应统一。
(2) 电气设备监控采用DCS 系统的接口问题:通过多年的实践及应用电气已具有的几套成熟的专用装置，即自动励磁调节器(AVR)、自动准同步装置(ASS)、发变组保护、厂用电快速切换装置等，一般而言，功能强大的DCS 应能实现这些功能，然而这些装置原理较复杂，专业性较强且电气设备保护装置要求可靠性高，动作速度快，(例如: 发变组保护动作速度要求在40ms 以内；自动准同步采用同步电压方式，转速、电压调整和滑压控制要求在5ms 以内； 厂用电快切装置时间一般小于60～80ms 等)如让DCS 实现这些功能，将大大增加对DCS 硬件及软件的投资开发费用，因此其功能还不宜由DCS 来实现，从而引申出这些装置与DCS 的接口问题。同时，网控计算机监控系统、输煤程控系统、电除尘程控系统等電气控制系统与DCS 也存在一个接口问题，如果接口处理不当，会影响DCS 监控功能的实现，而接口的连接主要包括硬接线连接方式和通信口网络连接方式，国内现已设计并投产或正在施工的大型火力发电厂基本采用硬接线的连接方式，但如果在网络速度能满足电气设计需要的前提下也可采用通信口网络的连接方式，因此在工程方案确定前需要设计院会同这些电气专用装置生产厂家与DCS 制造厂协调配合，从而圆满解决不同装置间的接口问题。
(3) 机组公用电气系统的控制:两台机组公用电气系统(如高压起动/ 备用电源)的控制由DCS 公用控制网完成。DCS 公用系统设置独立的公用控制网络分别与两台机组的DCS 系统相连，数据可以同时进入两套DCS 系统。每台机组的DCS 操作员站均可对公用系统进行操作，但两套DCS 之间必须由软件实现闭锁，保证同一时刻仅有一个操作有效。
(4) 现场总线可根据具体工程控制对象的范围及位置不同设置不同的段，可布置在分散的开关柜附近的房间内或集中布置在电气分场办公楼或专用的房间内。
(5) 电气运行人员可通过电气工作站的CRT 了解电气设备的运行状况，可通过电气工作站制定及修改保护定值、起动方式等，电气工作站也设操作功能，但正常情况下受DCS 的闭锁，仅在机组投运前及大修期间作为运行试验之用。
5 结束语
电气控制系统逐渐从监测走向监控，从I/O 集中方式到远程I/O 方式逐渐开始向现场总线方式探索，有待我们在今后各工程设计中不断实践、总结并将之升华。大型火力发电厂电气控制全面采用DCS 在国内还是近几年的事，但国外大机组电气采用DCS 监控已有成功的运行经验，热工专业采用DCS 监控系统多年来已积累了丰富的经验，现行的“2000 年燃煤示范电厂”自动化设计和目标也要求大型火力发电厂电气控制系统全面进入DCS，因此在火力发电厂中电气监控系统采用DCS 已成为今后发展的方向。