引言 從20世紀(jì)80年代末開始，我國(guó)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(dòng)化和控制水平大大提高。為了解決電氣和熱工之間自動(dòng)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(dòng)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(shí)現(xiàn)。隨著電子技術(shù)、信息技術(shù)的發(fā)展和電力運(yùn)營(yíng)的逐步市場(chǎng)化，火電廠在自動(dòng)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(dòng)化的融合成為目前火電廠自動(dòng)化的焦點(diǎn)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(duì)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(diǎn)和需要解決的問題，展望了ECS最終實(shí)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(diǎn)和4mA～20mA直流信號(hào)。 采用硬接線方式后，通過DCS的CRT實(shí)現(xiàn)了電氣相關(guān)信息的顯示報(bào)警與電氣設(shè)備的控制調(diào)節(jié)，有效提高了整個(gè)電氣控制的安全性和可靠性，同時(shí)擴(kuò)大了DCS的控制范圍，實(shí)現(xiàn)了機(jī)爐電系統(tǒng)的一體化運(yùn)行和監(jiān)控。 硬接線方式的優(yōu)點(diǎn)是：電氣量的I0模件柜集中布置，便于管理，設(shè)備運(yùn)行環(huán)境好；信號(hào)傳輸中轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)少，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)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(jì)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(duì)可靠性、實(shí)時(shí)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(shí)際實(shí)施和運(yùn)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(dú)的電能表，但又不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抄表功能。 4） 無(wú)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(dòng)化水平較低。 5） 在倒送廠用電時(shí)，由于DCS一般尚未投運(yùn)，高壓?jiǎn)渥?、高低壓廠用電源的遠(yuǎn)方操作無(wú)法實(shí)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(cè)控裝置（以下簡(jiǎn)稱綜保裝置），面向間隔設(shè)計(jì)，集保護(hù)、測(cè)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(dòng)作信號(hào)等大量DCS需要的信息，其精度和實(shí)時(shí)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(fèi)。 為了克服硬接線方式的不足，特別是對(duì)于接入DCS用于監(jiān)測(cè)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(chǎng)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(dòng)化和變電站自動(dòng)化、DCS等電力自動(dòng)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(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)，電氣系統(tǒng)的繼電保護(hù)和自動(dòng)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(dòng)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(jì)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(dòng)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(duì)電氣的高級(jí)應(yīng)用軟件，這是由DCS的定位決定的。通過ECS的站控層相對(duì)獨(dú)立地實(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)大量基礎(chǔ)信息的分析處理，實(shí)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(yùn)行、維護(hù)和管理提供了專用的平臺(tái)，這是ECS的重要價(jià)值之一。 通信層一般以通信管理機(jī)為核心，對(duì)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(shí)時(shí)主干網(wǎng)，廠用電綜保裝置通過RS-485或現(xiàn)場(chǎng)總線接入通信管理機(jī)，對(duì)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(lì)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(shí)現(xiàn)通信接口和協(xié)議格式的轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)完整的電氣系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)。同時(shí)，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(shí)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(duì)簡(jiǎn)單易行，同時(shí)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(dòng)機(jī)保護(hù)測(cè)控裝置、低壓變壓器保護(hù)測(cè)控裝置等）、380V電動(dòng)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(duì)電氣系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)作信號(hào)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(dòng)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(shí)現(xiàn)。這種方式為電廠的電氣運(yùn)行和維護(hù)提供了，新的平臺(tái)，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(diǎn)： 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(wú)關(guān)，系統(tǒng)擴(kuò)展性強(qiáng)。 3） 綜保裝置可實(shí)現(xiàn)廠用電系統(tǒng)電能的高精度計(jì)量，不必單獨(dú)配置電能表，并可通過網(wǎng)絡(luò)上送ECS后臺(tái)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抄表功能。 4） 通過電氣系統(tǒng)后臺(tái)可實(shí)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(dòng)化水平有較大的提高。 5） 在倒送廠用電時(shí)，通過ECS可實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓?jiǎn)渥?、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(shí)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(cè)信息，在提高電氣系統(tǒng)自動(dòng)化水平和管理維護(hù)方面，給用戶提供了實(shí)實(shí)在在的好處。但是，ECS在實(shí)施過程中也存在此困難和問題，主要如下： 1） 對(duì)于DCS廠家來說，取消了大量的變送器和I0卡件，市場(chǎng)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(huì)有定的抵觸情緒。 2） 目前國(guó)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(duì)于通信的信息，DCS的通信周期、數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度都對(duì)通信的實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)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(cè)信息，還不能完全實(shí)現(xiàn)用戶期望的全通信目標(biāo)。 4） ECS節(jié)點(diǎn)多、分散性強(qiáng)，并且多臺(tái)機(jī)組需要分期建設(shè)，對(duì)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(shí)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(duì)于整個(gè)控制系統(tǒng)而言，成本降低并不明顯。 6） 在DCS投運(yùn)之后，用戶對(duì)ECS酌應(yīng)用相對(duì)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(duì)于以上問題的解決，一方面，需要ECS廠家切實(shí)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(shí)時(shí)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(jì)規(guī)劃部門和DCS廠家以更加堅(jiān)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(shí)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(shí)時(shí)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(dòng)化水平、實(shí)現(xiàn)ECS和DCS無(wú)縫連接這個(gè)目標(biāo)，目前的通信信息只監(jiān)測(cè)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(guó)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(yàn)，例如云南巡檢司電廠與宣威電廠。對(duì)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(duì)一進(jìn)行通信，由于每個(gè)工藝過程的電動(dòng)機(jī)綜保裝置數(shù)量較少，因而通信實(shí)時(shí)性較高，完全可以滿足電廠工藝聯(lián)鎖控制的要求。對(duì)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(shí)現(xiàn)，實(shí)時(shí)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(dòng)化系統(tǒng)和DCS中，控制都是通過網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)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(gè)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(gè)系統(tǒng)之間聯(lián)接的緊密性，可靠性和實(shí)時(shí)性受到較大的制約，這也是大部分用戶和設(shè)計(jì)院對(duì)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(shí)，一個(gè)工藝過程的廠用電動(dòng)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(dú)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(shí)時(shí)性會(huì)有很大的提高；但通信負(fù)荷的增加、控制的切換等對(duì)綜保裝置提出了新的技術(shù)要求，同時(shí)，DCS廠家在市場(chǎng)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(shì)必會(huì)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(jì)院有很大的決心與DCS廠家、ECS廠家全力配合，同時(shí)，如何平衡市場(chǎng)利益的沖突也是一個(gè)需要相關(guān)各方解決的問題。 四、結(jié)語(yǔ) 隨著我國(guó)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(shí)現(xiàn)機(jī)爐電一體化協(xié)調(diào)控制的要求，針對(duì)在實(shí)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(jì)院的密切配合，合理規(guī)劃，正確實(shí)施，一定會(huì)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。