2机组厂用ECMS系统设备的应用及改造

来源 :中国化工贸易 | 被引量 : 0次 | 上传用户:zhoudm2005
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  摘 要:针对丰润热电2*300MW亚临界供热抽汽凝汽式发电机组把电气监控系统(ECS)纳入DCS的成功应用,介绍了以CSN-031E主控单元为基础,从硬件和软件两方面分析电气监控系统的实现过程及其在电厂电气监测控制中的实际应用。分析了ECS与DCS通信的实现方式介绍了应用 Cybercontrol组态软件对 ECS 系统监视画面组态的实现,以期为更大容量单元机组实现电气进 DCS 控制和小机组实行DCS改造提供相关的范例和参考,09年投入运行后,运行中暴露的问题,以及对系统应进行相关升级及改造的必要性。
  关键词:丰润热电 ECS 电气监控系统 现场总线 DCS
  一、引言
  电气监控系统(Electric Control System,ECS)是集计算机、通信、图型显示和控制四大技术于一体的自动化综合系统,因其具有布线容易、节约成本,运算能力强、实时可靠性高、信息共享和管理集中等优点,并能实现与集散控制系统(DCS)、厂级监控信息系统(SIS)、厂级管理信息系统(MIS)和输煤、化水等辅助控制系统的一体化而在大中型火电机组中得到了广泛应用[1];大唐丰润热电有限责任公司一期2*300MW机组采用北京四方ECS系统成功的将电气量监控纳入DCS并将辅机电量传送达SIS系统,本文介绍了ECS系统的组成及组网方式,并结合该厂实际分析了ECS与DCS和SIS互联的方式和利弊,以期为后期项目提供一定的参考。
  二、电厂电气监控系统的组成及组网方式
  1.ECS系统的组成
  ECS采用开放、分层分布式网络结构,通常采用3层设备2 层网络结构,分为间隔层、通信管理层、站控层[2-4]和一套GPS对时装置。系统结构如图1所示。
  图1 ECS系统结构图
  1.1间隔层,主要是完成各种专业化功能的智能装置,由众多的保护和自动装置构成,包括厂用电母线、开关测量控制保护装置,机组励磁、调速及同期装置,发变组保护装置,投切装置,微机型在线监测装置等智能设备。该層装置数量众多且分散,一般采用串口或现场总线与通信层连接。
  1.2通信管理层,包括通信网络及通信管理机(communication management unit,CMU)。由于各保护测控装置间通信协议的多样性,各种装置之间无法实现信息的直接交互。通信管理机完成通信控制和规约的转换,实现不同装置之间以及装置与DCS、电气主站之间的信息交互。
  1.3.站控层,包括电厂电气监控系统站控层计算机硬件和各种专业应用软件,硬件有服务器、工作站等,应用软件包括 SCADA、故障诊断等与电网中类似的各种基础应用及高级应用功能软件[5],以及电厂电气监控系统与发电厂其他管理系统间的通信接口等。通信管理机向下一般采用串口或 CAN 等现场总线与间隔层组网,向上采用以太网与站控层连接。站控层网络结构采用以太网总线,间隔层采用串口组网(如RS-485)或现场总线,网络设备一般包括集线器、网络电缆或光缆等。
  采用双网络,所提供的通信网络由两路单独、完整的通道(包括冗余的通信网络接口模件)组成。任何一路数据通信网络发生故障不会使系统瘫痪,增强了电厂电气监控系统的可靠性。
  2.组网方式
  间隔层与通信管理层的组网方式主要分为两类:1)面向电气间隔的组网方式[6],是根据厂用系统主接线分段,基于地理上的就近原则,对各种智能控制设备进行分组组网至对应的通信管理机;2)面向过程的组网方式,是根据发电厂发电控制流程,将与热工控制流程紧密相关的6KV、380V厂用电的各种电动机的保护测控设备、开关测控设备等组成一个或几个组,其他设备在组织成另外一个或几个组接入通信管理机,由通信管理机通过以太网发送至ECS[7]。
  丰润热电2*300MW机组ECS系统采用面向电气间隔的组网方式,根据厂用电系统主接线,对各种测控装置和保护设备进行分组,工作及公用6KVA、B段相关的各种综保设备,采用12台通信管理机组成LonWorks(Local Operating NetWorks)网络;380V系统按PC、MCC间隔采用屏蔽双绞线并行连接方式直接与网关通信,间隔分明,地理上就近,便于维护和扩容,现场总线布线比较容易,网络构建成本较低。
  这种面向电气间隔的组网方式因其组网方案等诸多优点已成为国内大部分电厂的首选布线方式,但是这种方式也存在如下一些缺点:
  1)发电厂发电流程是一个过程控制工业,DCS是电厂控制的主要工具,这种面向间隔、地理就近的组网方式与发电工艺流程相关性不足;
  2)在与DCS进行通信的过程中,通信管理机无法与DCS中的分布式处理单元(DPU)一对一通信,导致通信实现逻辑复杂,不便于过程控制。
  三、ECS与DCS、SIS系统的通信
  1.ECS与DCS系统的通信
  为了实现发电厂机、电、炉的一体化运行和管理,ECS 必须能有效地与 DCS 保持通信和协调控制,因此ECS与DCS进行可靠通信是ECS成功实施的重要内容。根据不同的现场和不同的需求,ECS和 DCS 互连存在如下多种模式:间隔层独立采集运行模式、通信管理层连接运行模式、站级监控层网络连接运行模式、混合连接模式[6]。
  丰润热电厂ECS与DCS的通信采用通信管理层连接的运行模式,绝大部分发电厂电气信息由 ECS 采集;DCS 在DPU 层通过与 ECS 的通信管理机连接进行通信。这种运行模式需要 DPU 和通信管理机之间的接口和规约比较规范,两个系统的改动量很小。ECS和DCS通信管理层连接运行模式如图2所示。
  图2 ECS和DCS通信连接运行模式
  由于对 ECS 和 DCS 的相互牵扯量比较少,通信管理层连接运行模式是一种非常切实可行的运行模式,目前发电厂进行ECS改造或新上ECS时,这种模式比较简单有效。其特点是:   1)由ECS全面采集电气信息,与DCS通过通信管理机相连,提高了信息的利用率,可减少现场设备投资。
  2)由于系统在功能和数据采集方式上独立,系统扩展和维护比较容易。
  3)对ECS和DCS共同监控设备的控制只能由通信管理机来处理,可能会影响控制的实时性。
  为便于实现过程控制丰润热电ECS系统采用了“通信+硬接线”构成方式。对输煤等辅助系统以及电压显示均以硬接线的方式传送达DCS。对于工作及公用6KV、机炉PC,汽机MCC、保安段、照明检修PC等380V系统与DCS的通信通过通信网关或通信管理机经串行接口与机组DCS的分布式处理单元(DPU)相连,进行信息交换,通信网关采用100M以太网。通信管理机与DPU之间采用RS485接口、modbus规约通信。
  2. ECS与SIS系统的通信
  ECS与SIS通信连接:由ECS系统服务器引出两根网线经由集线器(HUB)后由一根光纤连接SIS系统。ECS与SIS通信以报文形式传送,辅机电量从间隔层智能装置上采集,在经由站控层的服务器将的正向有功电度值以每五分钟一次传输SIS系统。
  四、ECS系统的组态与实现
  丰润热电ECS系统采用CyberControl组态软件作为监控层一级的软件平台与工控计算机和网络系统结合,实现集中管理和监控的目的,方便的实现向控制层和管理层的全部接口连接,以实现与“第三方”的软、硬件系统进行集成。
  正常运行时,ECS画面能实时显示和记录厂用电系统的正常运行、异常运行和事故工况下的各种数据和状态,并提供操作指导;同时也能监视电气其它子系统,如UPS电源、直流供电系统及快切系统的运行状况。
  画面颜色定义:画面底色黑色,装置失电显示灰色,开关合位显示为红色,开关位分位显示为绿色,越限红闪,确认后红色。位置不对应情况,合位红闪,跳位绿闪,确认后平光。
  五、运行中暴露的问题及改造的必要性
  河北大唐国际丰润热电有限责任公司2机组厂用ECMS系统设备08年进入调试期,09年投入运行,现已经运行了5年,期间四方公司ECMS系统设备进行了多次持续开发,在系统稳定性、系统性能、数据挖掘、系统应用方面有了较大的提升。其主站系统2012年获得了北京市科技进步三等奖。现我公司ECMS系统设备软硬件等先后出现异常,系统陈旧,存在很大安全隐患,现急需对现系统软硬件进行升级改造。
  运行中先后暴露的设备问题及导致的安全隐患:
  1.后台服务器多次运行中出现异常,死机现象频发,失去DCS、ECMS系统后台的监测,原因确定为工控机电源板、主板故障,咨詢工控机厂方研发,我厂设备现已到寿命期,需进行设备更新换代。
  2.多台次CSC-237A电动机综保跳闸板出现抗干扰回路电阻发热异常,导致板件过热烧损,综保装置异常,如果不及时修复,将导致综保装置拒动,存在重大安全隐患。
  3.多台次微机型综保装置,先后出现电量显示、蓝屏等设备异常,导致电能采集数据不能实现实时传输监测。
  4.核查我厂厂用负荷CSC-237过热保护73台次,在高负荷运行工况下,负荷的变化可能导致保护的非选择性跳闸,检查软件版本,其原理延用过热老模型,现需进行升级改造,CSC-237A数字式电动机综合保护装置所采用的过热保护模型引自《 数字式电动机综合保护装置通用技术条件》。该标准是中华人民共和国机械行业标准,标准编码:JB/T 10613—2006。该标准的5.6.2.7 热过载保护 规定如下:
  其中: Ip是反应过负荷前的负载电流。如果电机是在冷启动时过载,则Ip=0;如果电机是在运行过程中过载,则模型取过热启动前半个周波(10ms左右)的负荷电流作为过负荷前的负载电流。因此对于电流缓慢增长的情况下Ip获取会比较接近过载定值门槛,这样计算的动作时间比理论值偏小。
  新版本的程序对过热模型进行了升级,Ip其本质应该代表过负荷前电动机的热积累状况。就是用Ip来估计过负荷前的热积累效应。
  根据Ip所代表的物理意义,Ip的计算原则是过负荷前无限长时间内电流的某种平均值,并且该平均值的阶跃响应按指数规律变化,时间常数同电动机的发热时间常数相同。这比老模型的Ip获取更科学。
  我厂现场使用的73台次综保,都可能会出现非选择性跳闸重大安全隐患,现过热保护均投入信号方式运行,过热保护急需进行升级改造。
  六、结论
  丰润热电2*300MW机组从厂用电受电、启备变运行到两台机组成功通过168 h试运行,2009年底投产运行至今,ECS系统基本实现了预期的设计目标。主要应用在以下三个方面:
  1.将电气监控系统(ECS )纳入DCS系统,能够实时显示电气异常运行和事故状态下的各种数据和状态。将厂用6KV、380V系统的电流实现RTU显示;
  2.对UPS电源、直流供电系统及快切系统的运行工况实现了实时监视;
  3.实现了厂用电系统电能的高精度计量,不用单独配置电度表减少了系统的投资,并且通过网络上送SIS系统,实现了自动化抄表功能。
  但是在实现上述功能的同时也逐渐暴露一下问题:
  4.后台软件方面急待升级,从以下方面,提升系统性能品质
  4.1实现现系统实时历史数据库,支持无息存储技术,分布存储快速访问技术。
  4.2实现现系统优化故障自诊断技术,支持系统的智能自检;
  4.3扩展现系统电度量报表功能,使之支持不同报表之间的数据引用;
  4.4加强现系统故障自恢复能力;
  4.5优化现系统电气逻辑功能,遵循IEC61131-3标准;
  4.6实现现系统IEC61850数字化技术;
  4.7实现现系统全面支持Profibus/DP技术;
  4.8对现ECMS系统计算机设备进行更新。
  5.现场设备硬件方面
  5.1对现场ECMS系统的计算机进行更新,提高硬件配置;
  5.2更换现场CSC-200、CSC-237A、 CSC-298装置电源板、交流板,提高交流板抗干扰性、安全性,采集精度;
  5.3升级现系统设备软件,增强防误处理能力;
  参考文献
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