基于工業以太網和現場總線的火電廠電氣自動化系統

電廠電氣自動化系統，簡稱ECS，是電廠自動化領域近年來興起的一個新的熱點。與DCS側重于熱工系統的監控相對應，ECS側重于電氣系統的監控;與NCS側重于電廠接入電網部分的電氣監控相對比，ECS側重于發電廠內部，實現廠用電中低壓電氣系統的保護、測量、計量、控制、分析等綜合功能。本文介紹了一種基于工業以太網和現場總線的電廠電氣自動化系統。
傳統的電廠電氣監控的實現方式是由DCS系統經I/O板實現對電氣部分的數據采集和遠方控制。電氣部分特殊控制功能如繼電保護、故障錄波等都由獨立的裝置來實現，與DCS系統無關。圖1為傳統電廠電氣監控方案，在這個方案中，DCS的I/O板只能處理標準信號，模擬量需要經過變送器轉換成標準的4~20mA電流。DCS可以實現對電氣中的關鍵少量的信號的監視和控制，但需要大量的電纜和變送器，實施的成本比較高。

二、電廠電氣自動化系統方案
隨著微機在繼電保護和自動裝置中的廣泛應用，電氣綜合保護測控裝置可以實現基于交流采樣的保護、測量、錄波、控制和通信，這些新型的微機保護測控裝置可以非常方便地采用現場總線、工業以太網等技術組成網絡，電廠電氣監控也發展為以交流采樣、數字通信為主要特點的綜合自動化系統。
2.1 現場總線簡介
現場總線(Field Bus)是工廠底層設備之間的通信網絡，是計算機數字通信技術在自動化領域的應用，為底層設備信息及生產過程信息集成提供了通信平臺。工廠底層應用現場總線技術實現了全廠信息縱向集成的透明通信，即從管理層到自動化底層的數據存取?，F場總線的介質訪問控制方式可滿足工業控制網絡的要求，即通信的實時性和確定性，但是現場總線的通信速率相對比較低，不適合大量的數據傳輸。
2.2 工業以太網簡介
以太網和TCP/IP協議在IT行業得到了廣泛應用，隨著IEC61158統一現場總線標準的失敗，使得工業控制領域的專家將目標轉向在IT行業獲得成功的以太網技術，以太網具有兼容性好、成本低廉、通信速率高等優點，但是也有實時性差、不確定性等問題。以太網適合應用于大數據量，實時性要求不是特別高的場合。
2.3 電廠電氣監控的特點
電廠電氣監控系統的范圍包括廠用電系統、網控系統、機組系統等，其申網控系統可采用目前非常成熟的變電站自動化系統的技術，電廠電氣監控系統具有以下特點:
·系統的設備數量和種類多，信息量大，物理位置分散。要接入的裝置類型包括6kV綜保、380V綜保、發變組保護測控、錄波、勵磁、同期、廠用電快切、UPS、柴油發電機組、安全穩定裝置、直流系統等，裝置數量經常是幾百臺甚至上千臺，每臺裝置都有幾百個信息點，裝置分布在電子設備司及各個廠房。
· 與其他系統的接口復雜，需要與ECS系統接口的其他系統包括機組的DCS系統、電廠SIS系統、MIS系統等，而與DCS的接口方式既有硬接線方式，又有通信方式，通信接口方式既有系統級的接口又有主控單元和DPU級的接口。
· ECS是DCS系統的一個子系統。
2.4 基于工業以太網和現場總線的電廠電氣自動化系統的網絡結構

根據電廠電氣監控的要求以及工業以太網、現場總線的特點，電廠電氣自動化系統采用以下網絡結構，站控層采用工業以太網，司隔層采用現場總線組網，如圖2所示。整個系統采用分層分布式結構，分為站控層、通信控制層和間隔層，下層的功能不依賴于上層設備及通信網絡。站控層由主站系統構成，是整個ECS系統的控制管理中心，完成對整個ECS系統的數據收集、處理、顯示、監視、控制功能。通信控制層不僅完成間隔層裝置和主站系統數據的轉換，可實現與DCS的DPU的數據交換，而且可以實現與電氣相關的部分邏輯控制功能，通信控制層主要由通信和控制兩個功能組成。間隔層也叫設備層或者裝置層，主要由各種保護測控裝置和智能設備組成，可以通過現場總線、以太網、串口等方式和上一層主控單元進行數據通信。

整個系統的網絡由兩種網絡組成，站控層網絡和間隔層網絡。
站控層網絡包括兩個部分功能，一是站控層設備和通信控制層設備或間隔層裝置之間的通信，一是站控層各個節點之間的通信。主站系統中有兩個相互冗余的作為數據處理核心的通信服務器，通信服務器負責通過以太網絡、站級通信規約與通信控制層的主控單元或者直接與裝置進行數據交換，同時通過實時數據庫與站控層其他主站接口交換數據。站控層網絡采用高速以太網絡，通信介質采用五類雙絞線，當距離遠時采用光纖。
間隔層網絡指通信控制層與間隔層裝置之間的通信網絡，主要采用LON現場總線為基本測控網絡，傳輸通道物理介質采用屏蔽雙絞線。LON現場總線網絡己經過了充分的實驗驗證和現場考驗，是較理想的自動化系統的測控網絡。間隔層也可根據用戶需求和現場實際情況采用工業以太網、CAN現場總線、RS-485等作為通信網絡。
系統吸收了DCS系統和變電站自動化系統的優點，具有以下特點:
·采用分層分布式系統結構，站控層和間隔層分別用工業以太網和現場總線組網;
·采用雙機雙網的冗余設計，各種關鍵的主機和網絡均采用熱備冗余方式;
·保護測控一體化設計;
·開放的通信系統，支持與各種綜保、智能裝置、DCS系統、SIS系統的通信接口;
·可根據用戶的需要按照DCS的生產工藝流程組網，也可按照電氣分段組網。
2.5 電廠電氣自動化系統與DCS的接口
采用電氣自動化系統后，ECS系統內部的信息交換以網絡通信方式為主，但是ECS與DCS的信息交換還主要采用硬接線方式，主要原因是通信方式還沒有被廣大用戶和設計院接受，全通信方式在有些對新技術比較容易接受的電廠中也有采用，甚至是大容量和高電壓等級的機組。目前ECS與DCS的接口方式主要有以下幾種:
·DAS(Data Acquirment System)模式，即ECS作為DCS的一個數據采集子系統。
·保留關鍵硬接線的方式，采用現場總線、按照電廠工藝流程構成控制網絡的電氣自動化控制系統，通過現場總線實現電氣部分的信息采集和控制;參與熱工控制的重要電動機的起?？刂埔杂步泳€實現控制。
·完全采用通信方式。
三、結語
ECS系統充分利用了工業以太網和現場總線的優點，將各自獨立運行的保護測控裝置、自動裝置以及其他智能設備等通過現場總線或以太網聯結起來構成自動化系統，同時實現了采用通信方式與DCS系統交換信息，減少了DCS的測點投資和硬接線方式下的電纜投資，同時提高了整個發電廠的自動控制水平和運行管理水平。與DCS的通信方式的信息交換也必將隨著軟硬件技術的成熟和運行經驗的豐富成為主流的方式。