探究火电厂电气监控中主控单元

探究火电厂电气监控中主控单元

吕文广

（国网能源阜康发电有限公司新疆维吾尔自治区昌吉州阜康市831500）

摘要：本文首先对火电厂自动化发展趋势进行简单分析，了解未来火力发电行业的发展方向以及自动化趋势，重点分析大型火力发电厂厂用电系统的现状，掌握目前火电厂厂用电系统的基本组成及特点，在此基础上深入研究火电厂电气监控系统中主控单元的软硬件结构以及功能的开发，希望通过本文的研究能够更加全面的掌握火电厂自动化发展的主要趋势以及厂用电系统的现状，同时也为后期更好的开发建设电气监控系统，完善主控单元提供参考。

关键词：火电厂；电气监控；主控单元

1、前言

近年来随着科学技术水平的不断提高，电力行业的技术含量也不断提升，火电厂的运行逐渐趋向自动化发展，以热工自动化为基础的电厂分布式运行监控系统在新电厂投建以及旧电厂的改建中得到广泛应用，而且发挥着越来越重要的作用。国内火电厂机组基本已经实现了锅炉、汽机以及电气设备的一体化运行，未来需要以此为基础大力发展锅炉、汽机、电气设备的自动化，其中最为关键的就是电气设备的自动化控制。传统模式中电气设备的控制是机遇外界应控制或者专用装置进行控制，自动化水平比较低，因此需要重点研究电气设备的自动化控制并建立相应的电气监控系统ECS。电厂总的电气系统主要分为发变机组、上网部分以及厂用电部分，其中厂用电的监控直接关系到整个监控系统的自动化程度，需要作为重点研究。而且技术的进步已经打破了传统模式中电气二次专业与热控自动化专业之间的技术障碍，对火电厂实行电气监控逐渐成为可能。因此在现阶段加强对于火电厂电气监控及主控单元的研究具有重要的现实意义，能够更加全面的掌握火电厂自动化发展的主要趋势，对火电厂自动化的发展进行引导，尤其是能够掌握在大型火电厂中厂用电系统的运行现状，了解其中存在的主要问题，从而利用先进的技术，结合火电厂的实际情况研究主控单元的硬件和软件结构以及具体功能的开发，全面推进火电厂电气监控系统的建设，更好的保障火电厂电气系统的正常工作，维护火电厂的正常运行，更好的促进经济社会的良好发展。

2、火电厂自动化发展趋势

2.1厂级逐步形成生产过程自动化以及管理现代化系统

随着电厂技术水平的不断提高，电厂管理部门逐步开始建设厂级自动化系统SIS，与电力集团的MIS系统配合使用。一般情况下SIS与MIS有两种设置方式，一种是设置在同一网络环境下，分别设置为两个不同的功能，这样就可以使用公共的计算单元以及数据服务器。另外一种是将两者设置在不同的网络环境下，在网关接口进行分割，这样就单独使用独立的数据服务器和计算单元，后者SIS网络的安全性能更高。对于大型电厂，往往会选择使用第二种类型的系统设置，具体结构如图1所示。

如图1所示，在这种结构下，火电厂的厂级MIS系统就直接与电力集团企业级的MIS以及电网的运营系统直接联系在一起，同时以发电端的RTU为节点将电网调度系统与网内火电厂的厂级自动化控制系统SIS相连接，这样就可以实现电力控制的1级和2级调度。而且能够同时利用传统方式将厂级系统直接接入到电力公司的网络监控系统中。在这样的机构设置下，厂级自动化系统SIS起到双重作用，对内可以实现厂级生产管理的现代化以及生产过程的自动化，对外可以为电力集团企业级的MIS提供支持，用于电网运营及电力调度。这样就不需要再设置单独的发电厂报价系统，成本得到一定的降低，电厂自动化水平也进一步提高。

2.2辅助车间控制系统

火电厂生产运行过程中有十多个辅助车间同时工作，提供支持。目前许多发达国家已经利用网络集中的方式将辅助车间的控制集中到一个独立的控制室进行控制。国内普遍使用的模式是每个辅助车间独立控制，将车间内的各种仪器设备连接到PLC和上位机构成的网络中，在车间控制室进行单独控制。随着技术的不断进步，国内也逐渐开始研究试行辅助车间集中控制的方案。根据火电厂的具体运行情况将主要网络分为水、煤、灰三个独立的网络，同时设立3个监控点，分别对三个网络进行控制，以此为基础未来进行更进一步的集中控制，逐渐减少控制点数量。同时将辅助车间的网络与厂级SIS网连接在一起，并且将两个机组的公用厂用电系统与公用DCS网连接，从而实现监控。具体的连接方式在图1中已经体现。

2.3网路站监控系统

随着计算机技术的不断推广使用，电厂的锅炉、汽机、电力等都已经开始使用并入DCS系统，自动化水平得到大幅度提高。针对发电厂的升压站网络部分的监控也开始提上日程，目前使用最为广泛的方案是对升压站进行独立监控，同时保持与火电厂机组的密切联系。具体的监控控制地点的选择也有两种不同的方案，一种是设置独立的网络控制楼单独进行网络监控，另外一种是直接设置在机组的控制室内，不需要单独设置网控楼，新的发展阶段，第二种方案更受欢迎。

监控手段也得到进一步的改进，整体自动化水平取得较大的进步，基本实现了全面的计算机控制。但是升压站的自动化水平相对火电厂变电站而言仍然存在一定差距，具体的监控要求也与变电站有一定的区别，不能完全照搬变电站监控方案，尤其是要注意以下几个方面：

2.4单元机组自动化发展新特点

DCS控制系统技术含量比较高，综合使用了先进的计算机技术、通信技术以及控制技术。在火电厂的运行中使用DCS控制系统能够提供可靠的信号处理以及传输手段支持火电厂的电力生产以及自动化管理。目前国内大型发电机组基本都已经覆盖使用了这种先进的控制系统，DCS在火电厂的使用也涉及到包括炉、机、电在内的主要部分。火电厂中DCS的分级控制系统的具体结构如图2所示。

图2

2.5DCS向现场总线控制系统的方法发展

上世纪末，逐渐开始出现各种先进的智能化现场仪表，功能更加全面，性能更加优秀，最大的特点是利用数字信号进行通信。因此需要建立一个标准化的通信链路来连接现场仪表和上位机系统。这样就能逐渐实现数字信号对于模拟信号的替代，实现全面的数字通信，DCS控制系统也开始向现场总线控制系统的方向发展。利用现场总线控制系统能够改变传统模拟信号传输模式下下，信号一对一传输的方式，简化现场工作，降低现场布线成本；而且能够保持传输信号的稳定准确性。目前在现场总线的设置中可以利用光纤、红外线和无线电波作为传输介质。为了更好的促进现场总线控制的发展，IEC制定了基本的国际标准，而且逐渐融入使用先进的计算机网络技术，使得现场总线控制的功能更加强大，具有广阔的发展空间。

3大型火力发电厂厂用电系统现状

一直以来火电厂的科学技术也不断进步，用电系统也得到改进，火电厂的用电系统的管理概念逐渐从原来的“设备简单，接线可靠”向现在的“设备可靠，接线简单”观念转变。而且机组中使用的电气设备的技术含量也不断提高，为这种新型管理观念的实行提供了可靠的保障。

3.1厂用电系统及负荷分类

所谓的厂用电系统指的是火电厂运行过程中为厂用电气设备提供负荷的供电系统。根据系统连接电源的区别可以将厂用电中使用到的电源种类具体分析直流厂用负荷和交流厂用负荷，其中大部分的负荷都是使用交流电源，只有个别设备或者需要在断电状态下运行的设备需要使用直流供电比如说通信系统、控制保护系统等。另外根据供电电压的高低也可以将厂用负荷分为高压厂用以及低压厂用两种而厂用负荷涉及到系统设备也比较多，基本涵盖了电厂机组的所有系统。

根据对生产过程的影响程度，可以将火电厂的厂用负荷分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和0Ⅰ、0Ⅱ、0Ⅲ六种类型。其中最重要的就是Ⅰ类，这种类型的负荷对于电力生产的安全运行至关重要，容易对现场设备及工作人员的生命安全造成极大的威胁，导致生产停顿。这种类型的负荷设备需要直接连接在供电母线上，而且必须做好备用电源设置。常见的Ⅰ类负荷有循环水泵、整流盘通风机等。0Ⅲ类负荷主要在机组的启停过程中发挥重要作用，一般需要设置柴油发电机作为备用保安电源来供电。

3.2高压厂用电系统

装机容量在200MW以上的机组需要使用独立的高压厂用电系统。对于容量较小的机组，其母线可以直接按照锅炉进行分段，而对于这种大容量的机组则要按照机组进行分段。厂用电的电源也要从母线位置通过变压器进行引接，同时设置相应的备用电源。在机组启动的时候利用备用电源供电，正常运转时使用工作电源。机组的变压器一般是使用有载调压变压器，从而保证厂用电的质量。另外要根据机组的具体情况选择合适的厂用电中性点接地方式，目前国内主要使用的是不接地或者高电阻接地两种方式。

3.3低压厂用电系统

对于用电电压较低、电机容量较小的机组需要使用低压厂用电系统。这种系统的接线普遍使用动力中心-电动机控制中心的方式。由低压工作变压器为机组运行提供电力支持，在工作变压器停运时使用备用电源。低压厂用电系统的中性点接地与高压厂用电系统相似，也是普遍使用中性点不接地或者经高电阻接地两种方式。利用第一种方式能够降低出现故障的可能，有利于系统的安全运行，但是不利于变压器系统的使用，要根据具体情况进行选择。而且对于低压厂用电系统要设置相应的交流保安电源，将动力供电和照明供电分开使用。

3.4厂用电设备保护及自动装置

为了对机炉设备运行和电机使用进行保护，需要对厂用电电源实现快速切换，具体又分为手动切换和事故切换。而且将电气设备并入DCS系统已经成为电厂自动化的主流趋势，具体的方式可以分为硬接线、现场总线以及两种方式结合。具体的设备配置要考虑到系统的性能要求以及成本。

3.5备用电源自投

目前在火电厂机组中普遍实用备用电源自投装置对厂用电进行切换，存在切换时间长、冲击大、故障多等各种问题。改进后的切换方式分为主设备故障切换以及非故障切换，有效缩短切换时间，减少冲击，备用电源的自投更加稳定。

4、主控单元的硬件和软件结构

主控单元相当于一个基于操作系统的软件包，这个软件包能够在硬件平台上实现各种主控功能。软件部分为各种功能的设置，硬件部分则是一个功能实现的平台。

4.1主控单元的硬件

主控单元的硬件配置至少要包括CPU板、电源插件、IO口插件、标准软驱、多串口卡、网卡等。硬件设备的选择要在满足基本功能的前提下尽量使用成本更低的设备。

4.2开发平台

根据火电厂电气监控系统主控单元的特点，选择QNX操作系统作为主控单元的开发平台。这种操作系统灵活便捷，裁剪自由，能够在计算机系统的应用下进行延伸扩展。

4.3软件结构

电气监控主控单元的软件结构主要分为硬件接口层、数据处理及应用层和数据库三部分。其中硬件接口层的主要作用是对数据进行交换处理，如果直接使用硬件接口，数据采集控制以及报文功能容易出现细节上的错误，操作也不够隐蔽，因此可以设置一个抽象层，与本接口的上一API接口直接对应，这样就可以直接对接口进行编程设计，不需要硬件驱动。一般情况下接口指需要提供字符服务即可。

而数据处理及应用层的作用是为数据库的信息交换奠定基础，提供交换通道。数据处理主要是对硬件层接收的数据进行格式转换，变为能够被数据库识别的统一格式。同时还要接收数据库发出的各种指令，根据指令要求将相关文件打包发送到指定的硬件接口位置，然后再集中进行数据处理。另外该结构层还具有一定的监控、遥控以及定值保护功能。

数据库层是整个软件结构的核心，各种软件功能应用数据的获得必须通过数据库层。在使用过程中一方面要对相关数据进行保存更新，另一方面要设计规范高效的数据接口。同时要确保数据的独立保存。这样就可以利用专业符号对各项数据进行标记，为主控功能的实现提供相应的API服务，保护数据库的安全。

5、主控单元功能的开发

5.1logic逻辑进程的控制

火电厂电气监控的主控逻辑是一个较为独立的存在，不会与系统中的任何数据产生交换，而只是作为一个虚拟RTU提供逻辑运算条件，运算得出逻辑结果，在此基础上根据具体结果检查并发送相应的遥控指令。而且逻辑进程中的所有模块都必须经过扫描并确认相关顺序。在火电厂电气监控主控单元的投备功能中，这种逻辑控制最长使用。由于具体的逻辑关系比较简单，也使得主控单元的功能开发比较容易。而且如果需要使用专业的控制软件可以直接在逻辑控制上进行搭建，另外还具有先进的自投和闭锁功能，使得逻辑进程的控制更加规范。

在应用逻辑控制的过程中，会有许多逻辑结构直接包含在相关文件中，一般可以直接在系统中生成文件包，能够将扫描顺序、模块数量以及相关参数信息直接包括。而且逻辑控制的应用程序可以提供各种具体的信息库节点和结构信息，这样只要将逻辑运算得到的输出值直接添加向相应的位置就能够实现对于系统功能的整合控制。

5.2控制操作录波进程record

虽然不同的系统有不同的控制指令，但是所有指令的下发执行都必须由主控单元进行控制。一般情况下，为了保障系统的安全，对于主控单元的所有操作都要进行全面的记录，从而更好的进行功能操作和责任划分，记录的内容主要把控具体的操作命令、指令下达操作的时间以及指令的操作对象等。在火电厂电气监控系统中可以借助外置硬件设备或者云盘对相关记录进行保存，而且能够直接上传到网络云端。Record进程基本都是在QNX系统控制下进行相关编程，这种进程的构建也都是从主控单元中完成，之后在于数据库进行连接。而每一个进程的形成的同时都要创建一个记录性的文件，将record进程的信息全面记录在内。

6、结语

随着计算机技术以及先进信息技术的推广使用，火电厂的自动化程度不断提高。火电厂电气监控主控单元的构建对于保障火电厂的运行具有重要的作用，本文针对火电厂电气监控主控单元软硬件以及功能开发的研究能够为后期更好的开发电气监控主控单元奠定坚实的基础。

参考文献：

[1]李静.火电厂电气监控中主控单元的研究[D].华北电力大学（北京），2004.

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