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全厂电气综合控制系统XNCS方案介绍
点击次数:2630 发布时间:2011-07-26
  摘要:本文通过对电气综合控制系统(XNCS)方案的概述,阐明实现全厂电气自动化与DCS系统一体化是中国火电厂适应电力市场、提高整个电厂安全、经济运行从平和目动亿从平的一条有效途径。通过对新华公司在火电厂顶目中的实践介绍,刀图为以后火电厂电气自动化工程提供有益借鉴。
  
  ■电气综合自动化系统的设计原则
  
  全厂电气综合自动化系统采用分层、分布、分散全微机综合目动化系统技术,整个系统直接建立在XDPS系统平台的基础上,同时又将各台机组的XDPS系统相互连接起来,实现全厂控制系统平台统一和数据集中的一体化控制方案,满足分散控制和集中管理的要求。
  
  根据电厂的单元机组的运行控制的要求,我们认为电厂的电气综合自动化系统[XNCS]可以从横向分为机组电气自动化系统[ECS],升压站控制系统。ECS系统指从6kV厂用电母线到电厂侧的所有工厂房内的电气设备的监视和控制,包括与单元机组运行直接相关的电气设备的监控和保护;ECS系统的划分以机组为单位,每套机组有一套ECS系统,完成单元机组电气自动化。ECS系统的功能直接通过DCS平台实现,用CRT/键盘操作方式取代盘台上一对一的硬手操方式,不另外独设立电气自动化系统,实现了机、电、炉的全局数据共享,减少了自动化孤岛及系统数据交换的瓶颈,减少系统维护人员的工作量。升压巧控制系统的划分以电厂为单位,实现对于升压站的监控。
  
  全厂电气综合自动化系统[XNCS]完成整个电厂的电气系统和升压巧电气系统的监控和保护功能,提供整个电厂的电气运行维护平台,电气运行维护人员可以直接在此综合平台上实现对于全厂的电气设备统一维护,由各机组运行人员实现对于机组电气设备的运行操作,即实现对于电气设备的分散控制和集中管理的功能;同时通过远程通道接受上级调度的调度指令,进行厂内的(机组负荷经济分配,实现电厂出力控制,进一步提高电厂效率;通过电气控制算法模块,实现设备管理和状态检修功能,实现设备寿命管理,降低维修费用,延长设备使用寿命;通过实时成本计算模块,根据机组运行状态统计机组实时运行成本,作为实时竞价的决策依据,满足将来电力市场的实时竞价的要求。
  
  整个电气综合自动化系统纵向分为两层,即间隔层与中央控制层。间隔层通过现场总线网将各智能微机保护监控单元联结起来。各间隔控制单元均为智能式设备,负责与开关、变压器、电动机等一次设备直接。间隔层的智能单元直接上现场总线;中央处理单元[DPU]通过智能接口连接现场总线网,实现间隔层和中央控制层的数据交换,DPU完成规约转换和逻辑控制的功能。智能单元带有LCD显示屏,可直接通过面板上的触摸键盘进行参数整定和操作,在系统通讯中断或中央控制层失效的情况,仍能独立完成间隔层的监测和控制。保护监控单元采用交流采样技术,减少系统接线提高数据测量精度和速度。在保护配置上各保护功能独立,互不影响;各保护测控单元具有故障录波功能,录波波形可通过召唤方式传送到后台机,供存档、显示、打印。中央控制层设有中央处理单元和MMI站。中央处理单元[DPU]是整个电气综合自动化系统的核心,向下连接现场总线网实现中央控制层和间隔层的信息交换,向上通过冗余的以太网与MMI站相连,同时DPU内置图形组态算法可以实现顺序控制和五防闭锁等逻辑控制功能。MMI站作为整个系统的人机界面,实现数据和图形界面的显示,以及操作界面。
  
  ■火电厂电气综合自动化的实现方案
  
  新华控制工程有限公司作为具有雄厚实力的DCS生产厂家,依据其长期从事电厂自动化系统设计调试的丰富经验,通过宅电厂技术人员合作,将集DCS、ECS、NCS一体化的系统应用于实际工程中,实现在部分项目上实施了机组负荷分配功能,有效地改善了机组运行水平和电厂生产管理,对单元机组电气自动化和升压站的监控。
  
  1、一体化的系统配置
  
  上图为某电厂1#机组到6#机组DCS、ECS、NCS一体化系统的构成框图。在上述系统中,每台机组具有各自独立的单元控制系统,机组单元控制系统布置在集控室中。每套机组单元控制系统由DEH、DCS、ECS三个功能相对独立的子系统构成,运行人员可以通过MMI站分别实现对机、炉、电的监控。DEH、DCS、ECS实砚一体化设计,通过双以太网高速数据公路实现不同子系统间的数据共享和交换。同时单独设立一套NCS系统,作为升压站的综合自动化系统,实现对升压站的监控。NCS系统通过光缆与各台机组的ECS系统连接,获取全厂的电气设备运行数据。NCS作为全厂电气运行的综合平台,除完成升压站监控外,还作为全厂电气维护的平台。
  
  整个系统采用新华公司生产的分散控制系统XDPS-400+作为系统平台,采用统一的硬件平台,汽机调节系统[DEH]、锅炉控制系统[DCS]、单元机组电气控制系统[ECS]、升压站控制系统[NCS]全部采用XDPS-400+控制系统平台。各子系统间从功能上相对独立,同时又通过以太网高速数据公路联结在一起实现子系统间数据交换和共享,消除了不同子系统之间的数据接口的瓶颈,实现系统资源共享,减少了系统设计、调试、安装、运行、维护的工作量,降低系统造价。由于每个子系统并不是以自动化孤岛的形式存在,而是通过高速数据公路实现数据的有机,因而也为加入运行管理模块提供了良好的基础。
  
  NCS系统通过交换机和光缆分别和六套机组单元控制系统互联;NCS系统向下通过硬接线或通讯万式与电气保护系统相连。在NCS系统中配置了GPS时钟,作为系统时钟基准,同时通过NCS系统对机组望元控制系统对时,实现全系统时钟统一系统对外通过电厂的远动通道与上级调度通讯,接受上级调度的发电指令,经分配后作为各台机组的发电指令发送到机组单元控制系统,控制机组的出力。根据电厂电气控制系统实际应用的具体要求,电气控制系统的具体系统结构如下图所示。
  
  2、分层分布式的系统结构
  
  从整个系统上看,系统采用分层分布式的系统结构。
  
  分层:纵向上分为两层:间隔层和中央控制层。
  
  分布:具有两层言义
  
  ●系统根据电厂电气设备的布置特点和功能分为ECS系统[布置在集控室]和NCS系统[布置在网控室]。
  
  ●间隔层单元按分布式布置,有条件时可将单元装置直接安装在开关柜上,通过现场总线网络同中央层的设备通讯。
  
  在功能分配上,采用可以尽量下放的原则,凡是可以在本间隔单元就地完成的功能绝不依赖通讯网。这样的系统具有以下明显的优点:
  
  ●系统的可靠性高,任一部分设备有故障时只影响局部;
  
  ●可扩展性与灵活性提高;
  
  下面是对系统的各控制单元具体说明:
  
  2.1中央控制单元[DPU]
  
  DPU是电气综合自动化系统的通讯枢纽,协调间隔设备的数据、命令交换,收集变电站不同类型的实时数据,以不同规约、不同的通讯媒介向调度控制站转发,同时也接收来自上级调度控制站的下行命令,转发至各间隔设备单元。因具重要性,设计时采用双机配置,互为监视,自动切换,确保可靠。
  
  中央控制单元功能:
  
  1.收集智能设备间隔单元数据信息并转发至主控端;
  
  2.接收主控端控制命令,转送至相应间隔单元设备;
  
  3.监视各间隔的运行状态,发现异常及时告警;
  
  4.可支持各种现场总线网同智能设备连接;
  
  5.通讯速率可在线设定;
  
  6.支持远方在线参数设定;
  
  7.通讯协议可由用户指定;
  
  8.可提供双机热备份方案;
  
  9.完成可编程逻揖控制功能。
  
  2.2人机接口工作站[MMI]
  
  MMI站作为整个系统的人机接口工作站完成数据和画面显示并为运行人员提供操作界面。MMI站采用WlNDOWSNT操系统,应用系统软件采用新华公司研制开发XDPS-400+软件包,并具有下列功能:
  
  ●数据采集和处理
  
  [1]全厂各种模拟、状态量、电度量采集,并以图形表格方式显示记录;
  
  [2]测量异常、开关、闸刀和保护动作等异常情况报警并记录;
  
  [3]实时数据统计,累加并记录
  
  [4]事件顺序记录(SOE)打印;
  
  [5]故障录波波
  
  [6]保护参数整定及记录;
  
  [7]对有功和无功积分计算统计电度量;
  
  ●图形功能
  
  [1]提供电力系统标准图元符号,作图时直接调用,使画面标准、统一;
  
  [2]提供丰富而便利的图形编辑功能,画面设计方便自如;
  
  [3]具有画面漫流,无级缩放功能;
  
  [4]提供电压棒图,负荷曲线,系统配置,系统接线等画面,发生故障自动提出画面;
  
  [5]面向对象的画面直接操作,根据所选对象的权限提供相应操作菜单;
  
  [6]画面拷屏;
  
  ●报表系统
  
  [1]报表编辑的在线生成和修改;
  
  [2]灵活的制表功能,可轻松愉快地生成各种复杂报表;
  
  [3]数据库的联接制表;
  
  [4]定时打印、实时打印或召唤打印;
  
  ●控制操作
  
  [1]断路器的合闸、分闸操作;
  
  [2]马达的合闸、分闸操作;
  
  [3]电容器组的手动投切或自动投切;
  
  [4]有载调压变压器分接头的调节操作;
  
  [5]微机五防闭锁及操作票生成系统;
  
  ●保护管理功能
  
  [1]获取保护设备的运行信息,故障动作信息,自检信息等;
  
  [2]获取保护运行定值;
  
  [3]修改和下装保护定值;
  
  [4]保护信号复归;
  
  ●告警功能
  
  [1]开关变位告警;
  
  [2]保护动作告警;
  
  [3]测量越限告警;
  
  [4]设备异常告警;
  
  [5]画面闪烁,自动弹出告警画面,且伴有音响告警;
  
  2.3间隔控制单元
  
  间隔层采用智能监控保护单元。继电保护功能相对独立,采用保护监控一体化设计,但保护和监控功能相对独立,单元装置内由专门独立的CPU模块完成保护功能,本系统保护按被保护的电力设备单元[间隔]分别独立设置,直接由相关的CT及pT输入电气量,动作后由接点输出,直接操作相应断路器的跳合闸线圈,保护动作后,通过通讯网络将报告上传,但保护功能完全不依赖通讯网络。测量监控功能的精度高、实时性好,由于采用专门的监控模块完成本间隔的测量、控制,测量精度<0.5%,事件分辨率<2ms。系统中单元装置具有保护和监控功能,保护和监控模块都具有完善的自检功能,可快速定位任一硬件故障并发"装置故障"告警信息,DPU通过虚拟通道状态显示测量保护单元的工作情况,同时在测控保护单元上的LCD显示故障内容,方使现场维护。各单元硬件模块化设计,相同的硬件配以不同的软件即可实现不同的功能,互换性强,使得调试、维护大为简便,灵活的系统组态,可根据一次系统的变化,象"搭积木"一样,将系统加以扩展。
  
  ■电气综合自动化系统实现的主要功能
  
  火电厂电气自动化应实现对高低压电气设备电气参数实时监测和安全监控,有效地提高电厂运行安全性和可靠性,保证供电电能质量;减少值班人员,改善运行人员的工作条件。根据调度指令实现机组功率的经济分配,提高电厂经济效益,满足电厂综合运行管理功能。
  
  3.1发电机一变压器组的监控
  
  发电机顺控并网、顺控解列:机组正常启动时,当发电机达到额定转速时,ECS投入AVR;当发电机达到额定转速时,ECS启动同期装置,在同期合闸成功,友电机负荷达到一定值后,ECS将高压厂用电源从启/备变快速并联切换至高压厂变上。机组正常停机时,DCS控制降低机组负荷,当机组负荷降低到某一定值时,ECS将高压厂用电快速并联切换至启/备变;当机组负荷继续降到零时,跳开主开关,联跳汽机主汽门,发电机灭磁。
  
  当发电机突然部分或全部失去励磁后,根据失磁的严重程度,采取减负荷或跳闸将发电机解列等不同的决策。
  
  3.2发电机励磁系统的监控
  
  监视励磁系统装置运行状态和励磁开关的状态,根据发电机的无功功率,实现对励磁系统的主励、备励的自动增减控制,以及励磁系统的故障及异常报警。
  
  3.3厂用电系统的监控
  
  实现高、低压厂用电系统的实时数据采集,对高、低压厂用电系统进线开关和馈电开关的控制。采用交流采样技术[或通过电量变送器采用直流采样]对高、低压厂用电系统的母线电压,进线、馈线电流、电压、有功、无功功率及电量的采集。
  
  厂用电系统开关的分/合、试验、检修状态的监视。
  
  实现厂用电开关的分/合操作、逻辑闭锁,检修挂牌等操作。
  
  3.4厂用电源切换的监控
  
  通过新华公司生产的备用电源自动切换卡件[BZT]实现对厂用电源切换的监控。正常运行时,低压厂用母线分段运行、互为暗备用,并且联络断路器与低压厂用母线进线断路器互为逻辑闭锁;只有在母线分段时,低压厂用母线进线断路器才能合闸;母线不分段时,一段进线断路器断开,另一段进线断路器才能合上。
  
  3.5启/备变电源自动投切的监控
  
  正常运行时进行电源切换采用经同期并联切换,并目慢速断电切换操作为后备方式。
  
  当正常运行时,工作电源事故跳闸时,启动备用电源自投回路。当工作电源与备用电源的电动势夹角<20度时,启动备用电源断路器合闸回路;当工作电源与备用电源的电动势夹角>20度时,闭锁备用电源断路器合闸回路,只有当工作电源母线残压衰减到20%Un时,才能接通备用电源断路器合闸回路,即慢速断电切换。
  
  3.6柴油发电机和保安电源的监控
  
  实现柴油发电机母线电压,柴油发电机出口电流、功率,柴油发电机主开关状态和故障报警的监视;完成柴油发电机的启停控制。
  
  3.7直流系统和UPS系统的监控
  
  实现直流系统母线电压,充电器工作状态,UPS电压、电流、频率,UPS运行状态,直流系统主刀闸的分、合状态的监视。
  
  3.8发电机同期系统的监控
  
  发电机与电网的同期是由同期装置自动实现,同期过程中,同期装置通过DCS系统控制AVR,DEH。当同期条件满足时,向发电机断路器发合闸指令。
  
  ■对干电厂电气自动化的展望
  
  随着电力市场改革,厂网分开成为电力改革的必然趋势。电厂为适应竞价上网的要求,提高电厂安全经济运行水平和自动化水平是必然趋势。近年来,DCS系统已广泛装备了国内电厂的机组,将DCS\ECS\NCS打通,构成全厂的电气数据共享平台(xncs),实现系统一体化设计,满足电厂电气设备点多面广的特点,实现电气系统的分散运行操作,和设备的统一集中管理功能,为电气维护人员提供了强有力的工具,有效提高安全经济运行水平和自动化水平,减少运行维护费用。

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