DCS控制技術在電氣監控中的應用

介紹了以計算機微處理器為基礎的，目前多用于熱控系統的分散控制技術（DCS）在電氣監控中的應用。指出了電氣監控系統進行DCS改造后應注意的幾個問題。

1、概述
隨著機組向大容量、高參數發展，火力發電廠的自動化程度越來越受到重視。從80年代后期開始，以計算機微處理器為基礎的分散控制系統（DCS）在國內新建大機組中得到了廣泛的應用。為了提高機組的自動化水平，適應發電企業竟價上網、減人增效、參與市場競爭的需要，國內一些200MW、125MW的老機組也在積極進行DCS改造。由于傳統觀念的保守和電氣設備控制對安全性、可靠性的高要求，國內電廠在進行DCS改造時，多數只是進行熱動部分的改造，包括DAS、MCS、SCS、FSSS、DEH等，電氣設備的監控（ECS）則改造的很少。有的只是將輔機開關控制的一部分功能由DCS來完成，參與熱力系統的順控；有的則是將一些電氣模擬量、開關量送入DAS系統，滿足數據采集的一些要求；較為徹底的電氣部分改造也僅僅是將發電機、變壓器等主機部分的一些開關的跳、合閘控制由DCS內的軟手操來完成。電氣返回屏、控制臺仍然保留大量的信號、表計、硬手操、繼電器等。
淮北發電廠#6機組為國產200MW機組。在機組大修中進行了分散控制系統（DCS）的改造。作為DCS的一部分，電氣設備的監控（ECS）也同步進行了改造?；幢卑l電廠#6機組的電氣設備的DCS改造是國內目前少數改造最為徹底的機組之一。不僅高、低壓輔機的開關、主機部分的開關的控制、聯瑣、表計、信號等功能由DCS來完成，而且高、低壓廠用電源的自投邏輯也由DCS來實現。我們還充分發揮計算機控制的優勢，設計實現了一些電氣順控邏輯。如：發電機自動升壓自動準同期并網邏輯、發電機自動解列邏輯、廠用電的自動切換邏輯、勵磁系統的手動、自動切換邏輯等?；幢卑l電廠#6機組的DCS改造是由上海自動化儀表股份有限責任公司與淮北發電廠聯合設計完成的，采用全套引進美國西屋全新MAX-1000系統。本文將對淮北發電廠#6機組ECS改造的情況做以下介紹，并談談在進行ESC改造后應注意的幾個問題。
2、用DCS實現電氣設備監控的基本功能
在進行DCS改造后，原高、低壓輔機的開關、主機部分的開關的控制、聯瑣、表計、信號等功能均由DCS來完成。自動準同期的投入開關、手動升、降壓開關等也由DCS內的軟手操進行。
2.1 開關的控制
1）通過DCS內的軟手操，送出D0點（AC220，10A），接入開關的跳、合閘回路，實現跳、合閘控制。大部分開關僅設置軟手操，但為安全起見，對一些重要輔機，如給粉機總電源、冷卻水泵、燃油泵、高壓交流油泵等開關，除DCS內設置軟手操外，屏上仍保留硬手操。
2）根據開關返回狀態量DI點，通過CRT上開關的不同的顏色，顯示開關狀態。包括開關的合閘、分閘、異常等六種狀態。
3）開關狀態量由跳位、合位繼電器指示，而不是由開關的輔助接點指示。不僅可以指示開關的狀態，而且可以監視跳、合閘回路是否完好，監視操作保險是否完好。在跳、合閘回路故障，操作保險熔斷時發出報警信號。
4）將原來的熱動部分提供給電氣回路的用于聯瑣啟動、閉鎖合閘、跳閘的油壓、水壓、溫度等接點，直接送入DCS，通過DCS內的邏輯來實現原來的相應的功能。原來的輔機之間的電氣聯瑣、鍋爐大聯瑣也由DCS根據送入DCS的狀態量，實現原有的功能。
2.2 表計、音響、信號
1）將原來的大部分盤表取消，通過儀表變送器，將電流、電壓、頻率、有功、無功等參數以4~20mA的AI點形式送入DCS，進行數據的采集、表計的指示、參與順控、自投邏輯、過流報警等。所有表計均在CRT內主接線操作畫面、監視畫面上合適的位置顯示出來，以便于運行操作和監視，并以畫面的整體協調、美觀為依據。屏上仍保留發電機有功、無功、頻率等極少數的幾塊表計。
2）原屏上的事故信號、預告信號以DI點的形式送入DCS，在DCS內設計專用事故信號、預告信號畫面。事故信號為紅色、預告信號為黃色。在事故信號、預告信號發出時，發出不同的音響，此時可迅速切換至信號畫面，查看發出的信號。部分重要信號，在進入DCS后再通過DO點輸出，接入屏上的閃光報警器。
2.3 自動準同期回路
電氣原有自動準同期裝置、同步表、同期閉鎖繼電器仍然保留，原同期回路中的TK、STK、DTK等同期投入開關則由DCS內的軟手操實現。TK、STK、DTK所需多付接點由DCS擴展送出。保留同期裝置、同步表、同期閉鎖繼電器，把住同期并網的最后一道防線。
2.4 調壓、調速回路
勵磁增、減壓操作開關也由DCS內的軟手操實現，并通過脈沖形式輸出。原發電機調速由同步馬達進行，在進行DEH改造后，電氣部分的增、減速操作取消。發電機的增、減速僅汽機專業有權，并通過DEH的CRT操作。
3、高、低壓廠用電的自投邏輯
高、低壓廠用電的自投邏輯這里是一個廣義的概念，其包括三個方面的內容，即工作電源的低電壓保護邏輯、備用電源的自投合閘邏輯和合于故障后的加速跳閘邏輯。傳統的高、低壓廠用電的自投邏輯是由繼電器來實現的，在進行DCS改造后，則是將自投邏輯所必需的外部條件送入DCS，由DCS進行邏輯判斷，實現工作電源的低電壓保護跳閘、備用電源的自投合閘和合于故障后的加速跳閘等功能。由DCS實現的自投邏輯與原來由繼電器實現的自投邏輯在功能上是一樣的。這里值得指出的是在高、低壓廠用電的自投邏輯中，工作電源的欠壓（低電壓保護）、失壓、備用電源的有壓判斷，有的電廠是由繼電器來完成的。在繼電器達到整定值后動作，其接點作為DCS的邏輯條件送入DCS。而我廠則是利用工作母線和備用母線的電壓變送器，進行工作電源的欠壓、失壓、備用電源的有壓判斷，定值大小由DCS內部整定。在進行DCS改造后，為實現數據的顯示和數據采集必需將工作母線和備用母線電壓送入DCS，因此，不需再另加電壓繼電器進行自投邏輯判斷。
4、發電機的P、Q曲線
淮北電廠#6機組DCS改造將發電機生產廠家提供的P、Q曲線畫面做在DCS內，發電機運行時的動態P、Q值在P、Q曲線畫面橫、縱坐標上顯示出來，從而確定發電機的動態運行點。
由于軟件和設計水平的限制，淮北電廠#6機組P、Q曲線做得比較簡單。如果計算機軟件功能更加強大，可以更加完善的發揮P、Q曲線的作用。如：可以將發電機的不同運行區域以不同的顏色顯示出來；如果發電機運行越限可報警或動作跳閘；可以將發電機運行的歷史數據記錄下來，以便隨時查閱等。
5、電氣設備的順控邏輯
電氣設備的順控邏輯主要包括發電機升壓自動準同期并網邏輯、發電機自動解列邏輯、廠用電的自動切換邏輯、勵磁系統的手動、自動切換邏輯、主、備勵自動切換邏輯等。
5.1 發電機升壓自動準同期并網邏輯
這一部分內容包括自動勵磁升壓自動準同期并網邏輯、手動勵磁升壓自動準同期并網邏輯、備勵升壓自動準同期并網邏輯。發電機可以在勵磁自動、勵磁手動或備勵運行情況下實現自動升壓自動準同期并網。
發電機主開關在熱備用狀態，發電機滿速后，無論是在勵磁自動、勵磁手動或備勵運行中的某一個狀態下，一旦發出發電機自動并網指令，發電機都能夠根據其所處的狀態，自動執行其余的操作，直至并網。
5.2 發電機自動解列邏輯
發電機正常運行時，將發電機有功降到4MW左右。此時，發電機一旦接受自動解列指令，可以自動將有功、無功降到0，并實現廠用電的自動切換，直到將發電機解列。
5.3 廠用電的自動切換邏輯
高、低壓廠用電能夠根據指令實現由工作電源向備用電源或備用電源向工作電源的自動切換。
5.4 發電機自動勵磁和手動勵磁的自動切換邏輯
發電機可以根據指令實現自動勵磁向手動勵磁或手動勵磁向自動勵磁的自動切換。
發電機的順控邏輯設計指導思想，就是將人為操作時需要觀察的一些電壓、電流、功率、轉速和開關的狀態等送入DCS，并增加一些閉鎖條件，由DCS進行邏輯判斷，實現電壓及功率的自我調節和開關的自動操作。
6、DCS控制技術在電氣監控應用中應注意的幾個問題
6.1 在進行DCS改造后，一部分電氣模擬量不再象原來那樣，僅僅是一些數據的顯示，而是作為邏輯條件，通過變送器，參與一些邏輯控制。如廠用電自投邏輯中的電壓、DEH中的有、無功、廠用電切換中的電壓、電流等。所以，對于儀表專業人員，必需進行認識上的轉變，在進行變送器工作時，應充分注意到對有關邏輯的影響。
6.2 所有電氣模擬量均是通過變送器送入DCS的，變送器大多需要外接輔助交流電源，輔助電源應有足夠的可靠性，必需經UPS接入。如不經UPS，只是從一般的動力柜選取變送器輔助電源，在該動力柜所在母線故障時，即使備用電源自投再快，由于輔助電源瞬時失電，變送器也無法正常工作，無法保證自投成功。
6.3 在進行DEH改造后，一旦發電機主開關合閘，DEH裝置將根據開關輔助接點，判斷為機組并網，自動增加5000kW負荷。因此，在進行機組假并試驗、帶主開關零起升壓試驗或其它在DEH運行狀態下的合主開關試驗時，應拆除送于DEH的開關輔助接點，防止機組超速。
6.4 在進行DCS改造后，發電機增、減壓操作是由DCS內的軟手操通過脈沖來輸出進行的。這里應注意軟手操與傳統的硬手操不同。DCS內的軟手操將對按動鼠標的次數予以記憶，按動鼠標多少次，發電機的電壓就會增、減多少次。由于發電機的實際增、減壓有一定的遲滯時間，在進行發電機升壓操作時，可能會因為快速、多次按動鼠標造成發電機過壓。為此，在設置增、減壓軟手操的同時，應設置發電機過壓限制。發電機順控升壓邏輯中也應設置發電機過壓限制。
6.5 在進行DCS改造后，DCS對一些設備的調節、開關的控制等都是由DCS內的軟手操通過脈沖的方式實現的，如發電機順控、手控增、減壓操作、增、減速操作、開關的跳、合閘操作等。除注意6.4中提到的可能出現的操作記憶之外，我們還必須注意脈沖的長短設置，脈沖的長短如果設置不當，可能會存在一些問題。如發電機電壓調節，如果系統仍采用電磁勵磁調節器或采用的微機勵磁調節器沒有設置調節步長限制，如果DCS內的調壓脈沖設置太寬，則電壓的調節幅度可能會很大，影響機組的運行穩定。但對于南瑞勵磁公司生產的SAVR-2000勵磁調節器則不存在這個問題，因為這種調節器本身設置有調節步長限制，只要調節器本身調節步長設置合適，DCS的脈沖長短則不會影響發電機電壓的調整幅度。另外，所有開關的跳、合閘控制也應該注意脈沖長短的設置。如220kV、110kV等高壓開關，其跳、合閘速度一般只有幾十毫秒或100毫秒左右；即使是一些慢速合閘開關如一些SN2型油開關，其合閘時間也只是600毫秒左右。因此，其跳合閘脈沖一般不要設置太長，只要保證開關有足夠的跳、合閘時間即可。否則，則可能出現開關跳躍、燒壞跳、合閘線圈等現象。特別應注意的是一些DW15的低壓開關，盡管其型號都是DW15開關，但他們的合閘程序可能存在不同，因此更應該注意合閘脈沖的長短對開關的影響。有的是只要脈沖出現，開關就開始儲能合閘；有的在脈沖出現時開始儲能，在脈沖消失時才開始合閘。特別是對于后者，如果DCS合閘脈沖太寬，則開關一直保持在儲能狀態，開關的合閘線圈一直帶電，就會燒壞，開關也無法合閘，我廠曾出現過這種情況。
6.6 關于DCS應用的有關規程都是針對熱力系統的分散控制，但DCS技術目前已越來越多的應用于電氣設備的監控。由于沒有相關的規程、規范，在進行電氣系統的DCS改造中，有關回路或邏輯的設計，各單位的情況是不同的，而且也可能存在一些問題。如對高壓開關的控制，有的單位只是用開關的輔助接點反映開關的狀態，這樣原來按鈕所具備的監視跳、合閘回路功能、控制回路斷線功能將不復存在。我廠增加了跳、合閘位置繼電器，用跳、合閘繼電器的常開接點來反映開關的狀態，同時用跳、合閘繼電器的常閉接點串聯來反映控制回路是否斷線，很好地解決了這些問題。另外，在熱力方面的DCS控制有關規程規定中規定，屏蔽電纜屏蔽層應一端接地，而電氣二次回路有關規程則規定屏蔽電纜屏蔽層應兩端接地，兩者之間存在矛盾。所以有關機構或部門應盡快制定DCS控制技術應用于電氣監控的相關規程、規定。
6.7 部分電廠、DCS控制開發商現在已將廠用電的備用電源故障切換、同期裝置也納入DCS控制中。根據有關廠家的情況介紹，結合備用電源切換、同期裝置的重要情、復雜性，本人認為這些功能最好不要通過DCS來實現，還是以采用專用裝置為好。這主要是基于以下考慮：
1）大多數DCS開發商的開發人員并不是這些方面的專業研究人員，他們對廠用系統、同期系統在故障情況、異常情況及其他各種情況下有關電氣量的變化規律研究并不太多，只是根據電廠專業人員提供的邏輯關系、電氣量之間的關系，通過軟件予以實現。這樣往往只是實現了這些裝置的一些基本功能，在一些很特殊的情況下，往往難以滿足要求。如廠用系統的切換裝置，只是實現了原來的備用電源自投功能，其可靠性與目前在系統內廣泛使用的快切裝置相比，不可同日而語。廠用電源應該以采用快切裝置為好。
2）鑒于同期裝置、快切裝置的重要性和復雜性，這些裝置在廣泛應用于系統之前，一般應經過動模試驗、專家鑒定、掛網試運行、入網許可等程序，網內推廣應用的產品應該是非常成熟、可靠、經過考驗的產品。但DCS開發商所開發的一些備用電源切換、同期并網卡件一般未經過上述程序，如果稍有疏忽，一旦產生問題，其造成的損失將難以估量。
3）同期裝置、快切裝置一旦成型，其內部回路或程序將相對固定，經調試合格后，一般不會存在變化的可能。但一些DCS開發商所開發的備用電源切換、同期并網卡件的邏輯組態及相關回路對一些DCS工程師站管理專業人員是開放的。而電廠DCS的管理一般由熱工人員管理，由于他們對這些裝置的重要性或特點了解不多，如果出現某些失誤也可能出現一些嚴重的問題。
綜上所屬，本人認為廠用電源應該以采用快切裝置為好。同期裝置應以選用專用的同期裝置，來把住最后的關口，防止重大事故的發生。