從20世紀80年代末開始，我國單機容量300MW及以上的火電機組開始全面采用集散控制系統(DCS)，控制范圍主要為汽機和鍋爐，使機爐的自動化和控制水平大大提高。為了解決電氣和熱工之間自動化水平不協調的問題，從90年代中后期開始，電氣系統的發變組系統、廠用電系統陸續開始納入DCS進行監控，但電氣系統的數字化繼電保護和自動裝置是通過硬接線的方式接入DCS，而沒有通過網絡通信實現。隨著電子技術、信息技術的發展和電力運營的逐步市場化，火電廠在自動化技術應用方面取得了快速發展，火電廠電氣和熱工自動化的融合成為目前火電廠自動化的焦點問題之一。電氣監控系統(ECS)的部分信息通過網絡通信方式接入DCS成為一種新的發展方向，在新建的大中容量機組中得到了廣泛應用。對于取消全部硬接線、完全采用通信方式接入DCS，不少電力設備制造廠家和電廠也正在積極嘗試與探索。 　　本文從應用的角度出發，分析了火電廠ECS通過硬接線、硬接線+通信、全通信3種方式接入DCS的優缺點和需要解決的問題，展望了ECS最終實現全通信的前景和目標。 　　硬接線方式 　　硬接線方式電氣信息通過硬接線接入DCS(見圖1)。接入信息主要包括開關量輸入(DI)、開關量輸出(DO)和模擬量輸入(AI)，接入方式為空接點和4mA~20mA直流信號。　　 　　圖1 硬接線方式結構 　　采用硬接線方式后，通過DCS的CRT實現了電氣相關信息的顯示報警與電氣設備的控制調節，有效提高了整個電氣控制的安全性和可靠性，同時擴大了DCS的控制范圍，實現了機爐電系統的一體化運行和監控。 　　硬接線方式的優點是:電氣量的I0模件柜集中布置，便于管理，設備運行環境好;信號傳輸中轉環節少，對現場信號的反應快速、可靠，連接電纜一次敷設正確后，發生故障的概率較低，維護工作量小。硬接線方式雖然一次性投資較高，但目前大部分電廠、設計院仍認為它是電氣信息接人DCS的最可靠、快速的方式。因此，在通信方式逐步應用的情況下，目前對可靠性、實時性和確定性要求很高的電氣聯鎖與控制，仍然保留了硬接線方式。 　　硬接線方式在實際實施和運行過程中也存在很多問題。主要問題如下: 　　l) DCS需要配置大量的變送器、I0卡件、機柜和連接電纜，施工復雜，成本高。 　　2) 接入DCS的信息數量十分有限，系統的擴展性能差。 　　3) 用電回路需要配置單獨的電能表，但又不能實現自動抄表功能。 　　4) 無法完成事故追憶、保護定值管理、錄波分析、操作票、防誤閉鎖等較為復雜的電氣維護和管理工作，電氣系統的整體自動化水平較低。 　　5) 在倒送廠用電時，由于DCS一般尚未投運，高壓啟備變、高低壓廠用電源的遠方操作無法實現。 　　6) 廠用電系統己經采用微機化的綜合保護測控裝置(以下簡稱綜保裝置)，面向間隔設計，集保護、測控和通信功能一體，可以通過網絡接口傳輸電壓、電流、功率、電量和保護動作信號等大量DCS需要的信息，其精度和實時性完全滿足技術要求，硬接線方式客觀上造成了硬件的重復配置和資源浪費。 　　為了克服硬接線方式的不足，特別是對于接入DCS用于監測功能的信息，考慮采用通信方式取代硬接線很有必要。近年來，以現場總線、工業以太網為代表的網絡通信技術在工廠自動化和變電站自動化、DCS等電力自動化領域得到了廣泛和成功的應用，并且日趨成熟穩定，為火電廠電氣系統聯網接入DCS提供了成熟的運行經驗，同時，電氣系統的繼電保護和自動控制裝置的微機化也為電氣系統聯網接入DCS提供了條件。為了提高電廠的整體自動化水平，自21世紀初以來，一些電力設備制造廠陸續推出基于網絡通信的火電廠ECS，比較有代表性的產品有江蘇金智科技的DCAP-4000系統、北京四方的CSPA-2000系統等。火電廠電氣信息接入DCS的方式也變為硬接線十通信方式。目前，以通信方式部分取代硬接線，已經取得了廣大電廠用戶和電力規劃設計部門的一致認可。 硬接線+通信方式 　　硬接線十通信方式的ECS一般采用分層分布體系結構，系統分為站控層、通信層和間隔層3層，系統網絡結構如圖2所示。 　　站控層一般采用客戶服務器的分布式結構，由服務器、操作員工作站、維護工作站和通信網關等組成，構成電氣系統監控、管理和與DCS、管理信息系統(MIS)、監控信息系統(SIS)等自動化系統互聯的中心，雖然電氣系統的大量信息通過通信方式接入DCS，但主要用于監控功能，DCS并沒有開發針對電氣的高級應用軟件，這是由DCS的定位決定的。通過ECS的站控層相對獨立地實現對電氣系統的監控，不僅提供了DCS的后備控制手段，還通過對大量基礎信息的分析處理，實現了諸如事故追憶、保護定值管理、錄波分析等復雜的電氣維護和管理工作，為電氣系統的運行、維護和管理提供了專用的平臺，這是ECS的重要價值之一。 　　 　　圖2 硬接線+通信方式結構 　　通信層一般以通信管理機為核心，對信息起到分組和上傳下達的作用，通過1OOMbitS以太網接入站控層的實時主干網，廠用電綜保裝置通過RS-485或現場總線接入通信管理機，對于除廠用電綜保裝置外的第三方智能電氣設備，例如發變組保護、啟備變保護、勵磁系統、同期裝置、快切裝置和直流系統等，一般通過通信管理機實現通信接口和協議格式的轉換，從而實現完整的電氣系統聯網。同時，通信管理機可經串行接口與機組DCS的分布式處理單元(DPU)相連，進行信息交換。目前，ECS與DCS的通信可通過站控層的通信網關和通信層的通信管理機2種方式實現。通信網關一般采用1OOMbits以太網，信息吞吐量大，但需要DCS開發專門的軟件模塊，受DCS的開放性限制較大，通信管理機與DPU之間一般采用RS-485接口、ModbuS協議通信，相對簡單易行，同時也為電氣信息參與工藝聯鎖提供了可能，因而得到了廣泛應用。 　　間隔層包括分散安裝的廠用電綜保裝置(例如電動機保護測控裝置、低壓變壓器保護測控裝置等)、380V電動機控制器、發變組保護、廠用電快切裝置等智能電氣設備，完成對電氣系統現場信息的采集、保護、控制和數據通信等功能。硬接線+通信方式的ECS第1次把網絡化的應用引入火電廠電氣系統，也使DCS中電氣信息的接入模式發生了很大的變化，電壓、電流、功率、電量和保護動作信號等大量信息通過通信方式接入DCS，與工藝聯鎖和控制相關的開關量輸入輸出還保留硬接線，甚至只保留與熱工聯鎖相關的電動機回路的硬接線，廠用電源回路的控制也通過通信接口實現。這種方式為電廠的電氣運行和維護提供了，新的平臺，為采用新型的系統維護方式和企業管理模式提供了可能，具有如下優點: 　　l) DCS取消了大量的變送器、I0卡件、機柜和連接電纜，成本降低。 　　2) 接入DCS的信息全面、豐富，信息數量基本與投資無關，系統擴展性強。 　　3) 綜保裝置可實現廠用電系統電能的高精度計量，不必單獨配置電能表，并可通過網絡上送ECS后臺，實現自動抄表功能。 　　4) 通過電氣系統后臺可實現事故追憶、保護定值管理、錄波分析、操作票、防誤閉鎖等較復雜的電氣維護和管理工作，使電氣系統的整體自動化水平有較大的提高。 　　5) 在倒送廠用電時，通過ECS可實現對高壓啟備變、高低壓廠用電源的遠方操作。 　　近幾年來，在新建的容量30OMW及以上的火電機組，電氣系統都實現了范圍不等的聯網，并通過通信接口向DCS傳送監測信息，在提高電氣系統自動化水平和管理維護方面，給用戶提供了實實在在的好處。但是，ECS在實施過程中也存在此困難和問題，主要如下: 　　1) 對于DCS廠家來說，取消了大量的變送器和I0卡件，市場利益受到一定的沖擊，還要投入精力來做通信接入工作，難免會有定的抵觸情緒。 　　2) 目前國內投資于DCS的資金70挑用于進口設備，而進口DCS的通信開放性受到很大限制，對于通信的信息，DCS的通信周期、數據包長度都對通信的實時性有很大影響。 　　3) 通信方式與硬接線方式相比，信息申轉環節多，在可靠性和實時性方面還有一定的差距，目前通信的信息大多局限于監測信息，還不能完全實現用戶期望的全通信目標。 　　4) ECS節點多、分散性強，并且多臺機組需要分期建設，對系統的容量、網絡構架的可擴展性和設備廠家的售后服務能力都提出了很高的要求，而不同廠家的解決方案良秀不等，網絡通信中斷、信息刷新緩慢等問題經常困擾用戶，使系統維護量增大，從而影響ECS的實施效果和用戶的應用信心。 　　5) 從投資成本來看，由于部分工程ECS的站控層和通信層配置較復雜，從而使ECS的投資偏高，對于整個控制系統而言，成本降低并不明顯。 　　6) 在DCS投運之后，用戶對ECS酌應用相對較少，關注程度較低，因而目前ECS的電氣維護和管理功能并不十分完善。 　　對于以上問題的解決，一方面，需要ECS廠家切實根據用戶需求提供先進的技術、可靠的產品和完善的服務，并且能持續不斷地改進和創新，特別是提高網絡通信的可靠性和實時性、提供豐富完善的電氣維護和管理功能;另一方面，需要廣大電廠、設計規劃部門和DCS廠家以更加堅定的信心和開放的心態來接納ECS，各方密切配合，從真正為電廠用戶提供服務的角度出發，做好ECS和DCS的互聯規劃和實施工作，DCS廠家應從軟硬件配置上滿足異構系統互聯的開放性、實時性和靈活性要求。 全通信方式 　　ECS從產生、發展到被用戶廣泛接受，始終圍繞著提高電氣系統整體自動化水平、實現ECS和DCS無縫連接這個目標，目前的通信信息只監測不控制，離用戶真正期望的全通信方式還有一定的差距。目前，國內一些ECS廠家和電廠在全通信方面進行了有益的探索，積累了一定的經驗，例如云南巡檢司電廠與宣威電廠。對于目前投入工程應用的全通信方式，系統網絡結構如圖3所示。 　　 　　圖3 全通信方式結構 　　在這種方式中，通信管理機按電廠工藝過程配置，參與工藝聯鎖控制的通信管理機與相應的DPU一對一進行通信，由于每個工藝過程的電動機綜保裝置數量較少，因而通信實時性較高，完全可以滿足電廠工藝聯鎖控制的要求。對于不參與工藝聯鎖的電氣信息，通過ECS站控層的通信網關接入DCS。通過這種方式，電氣系統的控制和聯鎖全部通過網絡通信實現，實時性與硬接線雖有一定的差距，但都能滿足技術要求，在向全通信目標的過渡過程中，是一種大膽而有益的嘗試。但這種方式也存在很大的困難，主要是: 　　1) 在變電站自動化系統和DCS中，控制都是通過網絡通信實現的，但網絡結構一般都不大于3層，并且互聯的設備一般為一個廠家的產品和系統。在圖3中，控制信息的傳輸網絡為4層，DCS的開放性受限也影響了2個系統之間聯接的緊密性，可靠性和實時性受到較大的制約，這也是大部分用戶和設計院對這種模式望而卻步的主要原因。 　　2) 通信管理機根據工藝過程配置，因數量較多而使投資成本提高，同時，一個工藝過程的廠用電動機回路往往來自不同的配電間隔，網絡布線交叉，也增加了施工和維護的難度。 　　未來應用中，如果參與工藝聯鎖的綜保裝置能夠根據DCS和ECS的不同要求，把控制信息和非控制信息分開，分別通過獨立的通信接口接入DPU和ECS的通信管理機，那么，接入DCS信息的可靠性和實時性會有很大的提高;但通信負荷的增加、控制的切換等對綜保裝置提出了新的技術要求，同時，DCS廠家在市場利益受到更大沖擊的情況下，接入不同通信接口和協議的裝置，勢必會有較大的阻力。因此，在新模式的探索中，不僅需要電廠、設計院有很大的決心與DCS廠家、ECS廠家全力配合，同時，如何平衡市場利益的沖突也是一個需要相關各方解決的問題。 　　結語 　　隨著我國電力事業的飛速發展，電源建設特別是容量300MW及以上大型火電機組的建設得到了迅速發展，ECS也得到了廣泛應用，硬接線+通信方式在目前條件下更好地解決了ECS接入DCS實現機爐電一體化協調控制的要求，針對在實際應用中出現的問題，相信通過ECS廠家、DCS廠家、電廠與設計院的密切配合，合理規劃，正確實施，一定會得到很好解決。隨著ECS的日趨穩定和通信技術的不斷發展，相信在不久的將來，全通信方式將真正得到用戶的廣泛接受和應用。