摘要：實施以現場總線技術為基礎電站電氣控制系統（ECS），可充分利用FＣＳ的*分散和數字信息現場化、智能設備自診斷等特點，提高整個電氣控制的安全性和可靠性。本文闡述了電站電氣控制系統的主要特點和監控范圍，討論和論述了現場總線的技術特點及應用在電站電氣控制系統中的主
　　
　　近年來,隨著電力行業的技術進步及分散控制系統（DCS）在電廠中的廣泛應用,300ＭＷ及以上容量機組的熱工控制已全面采用分散控制系統（DCS）,逐步形成了數據采集（DAS）、模擬量控制（MCS）、順序控制（SCS）、燃燒器管理（BMS）四大系統。但DCS主要完成的是汽輪機、鍋爐的自動化過程控制,對電氣部分的自動化結合較少,DCS一般未充分考慮電氣設備的控制特點,所以無論是功能上還是系統結構上,與網絡微機監控系統相比在自動化程度、開放性等方面都有較大的差距。實施以現場總線技術為基礎電站電氣控制系統（ECS），進而將該系統以相對獨立的單元實體模式zui終納入DCS體系之中,充分利用FCS*的全分散控制技術,提高電氣控制自動化水平和可靠性?？沙浞掷肍CS的*分散和數字信息現場化、智能設備自診斷等特點，使電氣防誤操作等功能實現更方便、更完備,并且將相關量的顯示報警與電氣設備的控制調節有機地結合起來,有效提高整個電氣控制的安全性和可靠性。
　　
　　一、電站電氣控制系統的主要特點
　　
　　電站ECS與熱工自動化在控制要求及運行過程中都有較大的區別,電站ECS的主要特點為:（1）電氣設備相對熱工設備而言控制對象少,操作頻率低,有的系統或設備運行正常時,時常幾個月或更長時間才操作1次；控制系統所實現的是順序控制,即數字量控制,模擬量信號僅作監視,不參與系統邏輯控制（2）電氣設備保護自動裝置要求可靠性高,動作速度快。如發變組保護動作速度要求在40ｍｓ以內,廠用電快切裝置快速切換時間一般小于60～80ｍｓ。（3）300ＭＷ及以上機組一般每2臺機組共用1臺啟/備變,任一機組檢修都不能影響另一臺機組的正常運行。（4）電氣設備電氣系統的聯鎖邏輯較簡單,但電氣設備本身操作機構復雜。因此要求控制系統具有很高的可靠性。除了能實現正常啟停和運行操作外,尤其要求能夠實現實時顯示異常運行和事故狀態下的各種數據和狀態,并提供相應的操作指導和應急處理措施,保證電氣系統自動控制在zui安全合理的工況下工作。
　　
　　二、電站電氣控制系統的監控范圍
　　
　　一般來說,電站電氣控制系統的監控對象主要有:
　　
　　1）發電機-變壓器組,其監控范圍主要包括發電機、發電機勵磁系統、主變壓器、220kV斷路器;
　　
　　2）高壓廠用工作及備用電源,其監控范圍主要包括高壓廠用工作變壓器、起動-備用變壓器等;
　　
　　3）主廠房內低壓廠用電源,其監控范圍主要包括低壓廠用工作和公用變壓器、照明變壓器、檢修變壓器和除塵變壓器等主廠房的低壓廠用變壓器;
　　
　　4）輔助車間低壓廠用電源;
　　
　　5）動力中心至電動機控制中心電源饋線;
　　
　　6）單元機組發電機和鍋爐DCS控制電動機;
　　
　　7）保安電源;
　　
　　8）直流系統;交流不停電電源。
　　
　　三、現場總線的技術特點及EFCS的優勢
　　
　　20世紀90年代中后期,現場總線控制技術興起并蓬勃發展起來，并開始逐漸應用于電站自動化。近年來，隨著電氣控制運行經驗的成熟，各類電氣智能化控制設備不斷出現，為現場總線技術應用于電站電氣控制做好了準備?，F場總線將集中與分散相結合的控制系統結構，轉變稱為新型的全分布式結構，把控制功能*下放到現場，依靠現場智能設備自身實現基本控制功能；同時，由于采用了全數字化的現場智能設備和數字通信技術，使系統具備了*的自診斷和綜合信息集成的能力，為電站綜合自動化和全程自動化的實現奠定了堅實的基礎?，F場總線的特點主要表現在：
　　
　　1）系統的開放性。開放系統是指通信協議公開,各不同廠家的設備之間可進行互連并實現信息交換,現場總線就是要致力于建立統一的工廠底層網絡的開放系統。這里的開放是指對相關標準的一致、公開性,強調對標準的共識與遵從。一個開放系統,它可以與任何遵守相同標準的其它設備或系統相連。一個具有總線功能的現場總線網絡系統必須是開放的,開放系統把系統集成的權利交給了用戶。用戶可按自己的需要和對象把來自不同供應商的產品組成大小隨意的系統。
　　
　　2）互可操作性與互用性,這里的互可操作性,是指實現互連設備間、系統間的信息傳送與溝通,可實行點對點,一點對多點的數字通信。而互用性則意味著不同生產廠家的性能類似的設備可進行互換而實現互用。
　　
　　3）現場設備的智能化與功能自治性。它將傳感測量、補償計算、工程量處理與控制等功能分散到現場設備中完成,僅靠現場設備即可完成自動控制的基本功能,并可隨時診斷設備的運行狀態。
　　
　　4）系統結構的高度分散性。由于現場設備本身已可完成自動控制的基本功能,使得現場總線已構成一種新的全分布式控制系統的體系結構。從根本上改變了現有DCS集中與分散相結合的集散控制系統體系,簡化了系統結構,提高了可靠性。
　　
　　5）對現場環境的適應性。工作在現場設備前端,作為工廠網絡底層的現場總線,是專為在現場環境工作而設計的,它可支持雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線、電力線等,具有較強的抗*力,能采用兩線制實現送電與通信,并可滿足本質安全防爆要求等。由于現場總線的以上技術特點,特別是現場總線系統結構的簡化,使控制系統的設計、安裝、投運到正常生產運行及其檢修維護,都體現出*性。
　　
　　對于電氣系統全部采用硬接線進入DCS的控制系統,缺點是硬件設備對數據的采集只能采用I/O方式,電氣系統的信息量均要采用I/O方式接入DCS,電氣模擬量還要經過變送器轉換成4~20mA直流信號送入DCS,由于DCS的I/O點數總量控制及I/O采集方式本身的限制,不可能將所有電氣信息量送入DCS,信息量不完整,無法滿足電氣系統故障分析、狀態處理、設備管理等應用功能的需要;同時所有信息均要采用硬接線接入DCS,I/O接口多,硬接線測點量大,系統接線復雜,控制電纜用量多,系統中有大量的變送器和I/O接口,系統運行、維護的工作量較大,對提高電廠運行管理水平不利。EFCS是將在變電站和發電廠網絡控制中已經積累了豐富運行經驗的計算機分布式控制系統用于火力發電廠的電氣系統控制,其特點是采用現場總線的設計思路,所有電氣設備的信息采集主要采用綜合智能測控單元進行轉換和采集,對于特別重要的信號（如參與聯鎖控制的信號量）和控制量,除保留通信接口方式外,采用硬接線接入DCS的I/O柜進行采集,如運行（合閘）、停止（跳閘）、故障、允許操作等與控制聯鎖邏輯有關的信號均采用硬接線接入DCS的I/O柜,對于所有控制量如各斷路器的跳閘、合閘指令也通過DCS的I/O柜用硬接線方式接入各開關控制回路,避免了萬一通信不暢時不能進行監控的問題。由于采用綜合智能測控單元進行電氣數據采集,除能完成數據采集任務外,還能對數據進行預處理,并通過敷設在配電室開關柜內的現場總線將處理后的數據送入通信管理機,系統接線十分簡單。為便于運行維護和調試,各通信管理機均提供調試接口,可供機組維護人員在廠用電倒送和檢修調試期間使用。系統還配置有電氣工程師站,其主要功能是實現電氣系統故障信息管理及故障分析、設備管理、自動抄表等管理功能,供運行維護人員進行電氣系統的數據庫、界面、報表等的維護修改以及電氣自動化系統的監視與維護,還可以作為培訓工作站進行操作流程預演及對運行人員的培訓仿真或作為DCS操作員站的備用,可在建設初期DCS未投入時滿足廠用電倒送或DCS退出時對電氣系統進行監控。EFCS采用現場總線方式,電氣信息量采集完整,為實現電廠電氣系統高度自動化運行及管理水平提供了硬件基礎。該方案除具有遠程I/O的全部優點外,還可以減少大量DCS的隔離器件、端子柜、I/O卡件等,且綜合智能測控單元直接安裝在開關柜上,開關柜外采用總線進行通信連接,可大幅度節省控制電纜及施工安裝工作量和系統調試、檢修及維護工作量。對廠用電系統等基本上取消了硬接線,使控制系統接線更為簡單,能zui大程度地節省控制電纜,減小施工、安裝、調試、檢修和維護工作量。此外,由于各智能測控單元功能獨立,風險分散,任何一個測控裝置的故障僅涉及到相應元件,不影響其它間隔,使整個系統可靠性得到很大提高,又增加了備用操作手段（既可在控制層操作,也可在間隔層操作）,提高了信息轉換精度和可靠性,也避免了信號（特別是4～20mA模擬量信號）在傳輸中的衰減和干擾等問題。
　　
　　四、電站EFCS的設計實現
　　
　　4.1電站EFCS設計中需注意的問題
　　
　　針對電站ECS的主要特點，在設計電站EFCS時，應注意以下問題：
　　
　　1）選用的現場總線系統應具有較強的數字控制功能；
　　
　　2）選用的現場總線系統應具有較強的自診斷功能；
　　
　　3）選用的現場總線通信鏈路應具有較高的數據傳輸速率，以滿足ECS控制實時性的需要；
　　
　　4）選用的現場總線智能前端設備應具有強的抗電磁*力和高的可靠性。
　　
　　4.2電站EFCS設計的主要功能和系統結構
　　
　　針對電站ECS的監控范圍，所設計的電站EFCS應具有以下功能：
　　
　　1）所有有關的電氣設備進行控制、聯鎖，能對各有關電氣參數進行測量，并能在操作畫面上顯示各設備運行的狀態和工況；
　　
　　2）具有發變組及各配電設備的事故、預告、保護動作后的報警、顯示、歷史記錄和追憶等功能；
　　
　　3）發電機順控自動升壓、自動準同期并網；
　　
　　4）發電機主、備勵磁機之間的自動切換操作；
　　
　　5）廠用電可根據負荷自動切換
　　
　　依據以上主要功能，設計的電站EFCS具有如下三層結構，如圖1所示。zui上層采用數據庫服務器與DCS控制層以太網連接，使電站EFCS成為DCS有機的組成部分，且該部分具有很高的靈活性。中間層采用冗余以太網將服務器、電氣工程師站、EFCS控制器連接起來，使該層具有較高的通信速率，以保證系統整體控制的實時性；低層采用現場總線與位于現場的智能電氣設備連接，劃分為6KV網段、380VPC網段和發變組保護及錄波設備網段。發變組測控裝置與中間層以太網直接連接，可為三個網段的控制提供數據信息。　　
　　4.3電站EFCS設計實例
　　
　　某300MW機組電站，設計基于PROFIBUS－DP網絡的EFCS，該EFCS子系統很容易與DCS實現無縫連接。在此僅以該EFCS通過PROFIBUS－DP網絡實現對變頻器及現場智能電機的控制為例來說明設計過程。PROFIBUS是近年來上zui為流行的現場總線，也是目前數據傳輸率zui快的一種現場總線（傳輸率可達12Mbit／s），因此在很多領域內得到了廣泛的應用。它由三個兼容部分組成，即PROFIBUS—DP、PROFIBUS—PA和PROFIBUS—FMS。其中，在PROFIBUS—DP數據傳輸速率、效率和低連接成本方面特別適用于電站電氣控制系統的通信。使用PROFIBUS—DP可取代24V（DC）或4～20mA信號傳輸。PROFIBUS—DP用于現場的快速數據交換時，以中央自動化設備（如PLC／PC或過程控制系統）為主站，通過串行連接與分散的現場設備（如I／O、驅動器和閥門及測量變送器）組成通信網絡。
　　
　　1）系統結構
　　
　　該廠300MW機組采用北京國電智深公司的EDPF-NTDCS系統，原DCS主干網絡采用100M冗余以太網，用于連接各分散控制單元DPU和操作員站及工程師站，網絡拓撲結構為星型連接，中央節點采用高性能交換機，從而保證了各站點間數據交換的實時性。所設計的電氣EFCS通過與該DCS分散控制單元DPU內的PROFIBUS－DP現場總線網絡接口設備實現與上層DCS系統的無縫連接。整體系統具有三層網絡，上層為100M冗余以太網；DPU冗余主控模件通過PROFIBUS－DP現場總線網絡接口設備以及Controlnet與PROFIBUS－DP主站連接，構成中層網絡；低層網絡為PROFIBUS－DP現場總線，用于連接PROFIBUS－DP主站和智能電機及變頻器等從設備，共使用了兩個獨立的PROFIBUS網段，其中一段通過控制智能電機，另外一段與變頻器進行通訊。系統結構如圖2所示。　　
　　2）系統組態
　　
　　為實現與DCS互連的PROFIBUS總線網絡與變頻器及智能電機的通訊及控制，需利用DCS工程師站來完成PROFIBUS的網絡組態工作。主要包括以下四個方面的組態設計：
　　
　?、佻F場總線網絡組態：主要從PROFIBUS總線網絡主站、從站的通訊速率、從站數量、冗余安全幾個方面考慮?？紤]到位于現場的變頻器與智能電機的通訊速率不同，為了防止變頻器受到干擾，將變頻器與智能電機布置在不同的網段；
　　
　?、赑ROFIBUS總線系統模件的連接：將變頻器和智能電機通過PROFIBUS與系統中的PROFIBUS主站模塊相連接。PROFIBUS總線網絡的組態信息存儲在該主站的NVRAM中，從而可以支持掉電重啟自恢復對各從站設備的配置。
　　
　?、巯螺d安裝PROFIBUS總線系統從站GSD：為達到PROFIBUS簡單的即插即用配置，每一個PROFIBUS從站都要有一個"設備描述文件”稱為GSD文件，用來描述該PROFIBUS-DP設備的特性，PROFIBUS設備的特性均在GSD中具體說明。GSD文件包含了設備所有定義參數，包括：支持的波特率、支持的信息長度、輸入/輸出數據數量、診斷數據的含義、可選模塊種類等。建立PROFIBUS-DP總線，必須下載安裝設備GSD文件。標準化的GSD數據將通信擴大到操作員控制級。使用基于GSD的組態工具可將不同廠商生產的設備集成在同一總線系統中。既簡單又是對用戶友好的。GSD文件可以分為三個部分：
　　
　　◆一般規范這部分包括生產廠商和設備的名稱，硬件和軟件的版本狀況，支持的波特率一可能的監視時間問隔以及總線插頭的信號分配；
　　
　　◆與DP主站有關的規范這部分包括只運用于DP主站的各項參數（如連接從站的zui多臺數或上裝和下裝能力）。這一部分對從站沒有規定；
　　
　　◆與DP從站有關的規范這部分包括與從站有關的一切規范（如輸入／輸出通道的數量和類型、中斷測試的規范以及輸入／輸出數據一致性的信息）。
　　
　　GSD文件是ASCII文件．可以用任何一種ASCII編輯囂編輯。GSD文件是由若干行組成，每行都用一個關鍵字開頭，包括關鍵字及參數（無符號數或字符串）兩部分。GSD文件中的關鍵字可以是標準關鍵字（在PROFIBUS標準中定義）或自定義關鍵字。標準關鍵字可以被PROFIBUS的任何組態工具所識別，而自定義關鍵字只能被特定的組態工具識別。
　　
　　作為從站使用的變頻器及智能電機都有廠商提供的GSD文件，需要先安裝相應的GSD文件后方可進行系統軟組態。
　　
　?、躊ROFIBUS現場總線系統組態：將PROFIBUS主站及從站分別加入到現場總線網絡中；設置主站、從站的網絡地址，為各從站組態相應的控制模塊，配置主要運行參數。根據工藝流程需要和避免電磁干擾，通過總線接口卡件組成兩個獨立的PROFIBUS現場總線網絡，將現場電氣設備連接到這兩段不同的PROFIBUS網絡中，并使用PROFIBUS組態軟件完成兩個網段的組態。
　　
　　a.通過將智能電機的GSD文件加入上位組態平臺后，可對該下位設備進行組態。網絡主站站號為000，而智能電機作為從站，站號從001開始，智能電機從站支持多種數據結構，在此選擇8字節輸入/2字節輸出的方式，這樣可在保證不影響網絡數據傳輸速度的前提下提高數據讀取的效率。通過的軟件設置智能電機相應的站號，同時對電機的相應參數進行設置；對相應輸入、輸出字節信息進行組態，通過設置不同的標志為來指示電機運行、故障等信號；通訊速率在PROFIBUS主站上組態，在現場電機從站重啟后，可以自動獲取該組態信息。
　　
　　b.將變頻器設備與另一PROFIBUS總線接口卡件組成單獨的網絡，其通訊速率可達到1.5Mbps，保證了變頻器控制的實時性和可靠性。將變頻器的GSD文件加入后，可對該下位設備進行組態。在該段PROFIBUS_DP網絡中，與智能電機網段類似，主站站號為0，變頻器從站站號從001開始。在針對其Modules參數進行組態時，應注意變頻器共支持PPO1－PPO5共五種PPOModule，在此為提高該模件的模擬數據讀取的效率，選擇PPO4方式，不讀取變頻器相關的參數。同時在擴展參數設置中，應根據系統實際情況，而不是系統默認參數來進行組態。
　　
　　在變頻器側，加入PROFIBUS通訊模塊，其地址設置由硬跳線完成，在變頻器中對相應的通訊參數進行設置。變頻器需要進行初始化，須在總線系統中完成，以保證變頻器斷電重啟后的通訊正常。
　　
　　五、結束語
　　
　　電站EFCS采用現場總線控制技術,電氣信息量采集完整,為實現電廠電氣系統高度自動化運行及管理水平提供了硬件基礎。電站EFCS實現現場設備的智能化與功能自治性,大量減少了DCS卡件等,大幅度節省控制電纜及施工安裝工作量和系統調試、檢修及維護工作量；控制系統接線更為簡單,能zui大程度地節省控制電纜,減小施工工作量。同時,由于EFCS的*分散的特性,使電氣設備系統運行的風險*分散從而達到zui小，使系統整體可靠性得到很大提高。由于采用了全數字化的現場智能設備和數字通信技術，不僅大大提高了信息傳輸的精度和可靠性，更重要的使系統具備了*的自診斷和綜合信息集成的能力，為電站綜合自動化和全程自動化的實現奠定了堅實的基礎。相信在眾多DCS和電氣廠家的努力下，EFCS將在大、中型企業中廣泛推廣應用并將日益發展和成熟起來。