DCS控制技术在电气监控中的应用

介绍了以计算机微处理器为基础的，目前多用于热控系统的分散控制技术（DCS）在电气监控中的应用。指出了电气监控系统进行DCS改造后应注意的几个问题。

1、概述
随着机组向大容量、高参数发展，火力发电厂的自动化程度越来越受到重视。从80年代后期开始，以计算机微处理器为基础的分散控制系统（DCS）在国内新建大机组中得到了广泛的应用。为了提高机组的自动化水平，适应发电企业竟价上网、减人增效、参与市场竞争的需要，国内一些200MW、125MW的老机组也在积极进行DCS改造。由于传统观念的保守和电气设备控制对安全性、可靠性的高要求，国内电厂在进行DCS改造时，多数只是进行热动部分的改造，包括DAS、MCS、SCS、FSSS、DEH等，电气设备的监控（ECS）则改造的很少。有的只是将辅机开关控制的一部分功能由DCS来完成，参与热力系统的顺控；有的则是将一些电气模拟量、开关量送入DAS系统，满足数据采集的一些要求；较为彻底的电气部分改造也仅仅是将发电机、变压器等主机部分的一些开关的跳、合闸控制由DCS内的软手操来完成。电气返回屏、控制台仍然保留大量的信号、表计、硬手操、继电器等。
淮北发电厂#6机组为国产200MW机组。在机组大修中进行了分散控制系统（DCS）的改造。作为DCS的一部分，电气设备的监控（ECS）也同步进行了改造。淮北发电厂#6机组的电气设备的DCS改造是国内目前少数改造最为彻底的机组之一。不仅高、低压辅机的开关、主机部分的开关的控制、联琐、表计、信号等功能由DCS来完成，而且高、低压厂用电源的自投逻辑也由DCS来实现。我们还充分发挥计算机控制的优势，设计实现了一些电气顺控逻辑。如：发电机自动升压自动准同期并网逻辑、发电机自动解列逻辑、厂用电的自动切换逻辑、励磁系统的手动、自动切换逻辑等。淮北发电厂#6机组的DCS改造是由上海自动化仪表股份有限责任公司与淮北发电厂联合设计完成的，采用全套引进美国西屋全新MAX-1000系统。本文将对淮北发电厂#6机组ECS改造的情况做以下介绍，并谈谈在进行ESC改造后应注意的几个问题。
2、用DCS实现电气设备监控的基本功能
在进行DCS改造后，原高、低压辅机的开关、主机部分的开关的控制、联琐、表计、信号等功能均由DCS来完成。自动准同期的投入开关、手动升、降压开关等也由DCS内的软手操进行。
2.1 开关的控制
1）通过DCS内的软手操，送出D0点（AC220，10A），接入开关的跳、合闸回路，实现跳、合闸控制。大部分开关仅设置软手操，但为安全起见，对一些重要辅机，如给粉机总电源、冷却水泵、燃油泵、高压交流油泵等开关，除DCS内设置软手操外，屏上仍保留硬手操。
2）根据开关返回状态量DI点，通过CRT上开关的不同的颜色，显示开关状态。包括开关的合闸、分闸、异常等六种状态。
3）开关状态量由跳位、合位继电器指示，而不是由开关的辅助接点指示。不仅可以指示开关的状态，而且可以监视跳、合闸回路是否完好，监视操作保险是否完好。在跳、合闸回路故障，操作保险熔断时发出报警信号。
4）将原来的热动部分提供给电气回路的用于联琐启动、闭锁合闸、跳闸的油压、水压、温度等接点，直接送入DCS，通过DCS内的逻辑来实现原来的相应的功能。原来的辅机之间的电气联琐、锅炉大联琐也由DCS根据送入DCS的状态量，实现原有的功能。
2.2 表计、音响、信号
1）将原来的大部分盘表取消，通过仪表变送器，将电流、电压、频率、有功、无功等参数以4~20mA的AI点形式送入DCS，进行数据的采集、表计的指示、参与顺控、自投逻辑、过流报警等。所有表计均在CRT内主接线操作画面、监视画面上合适的位置显示出来，以便于运行操作和监视，并以画面的整体协调、美观为依据。屏上仍保留发电机有功、无功、频率等极少数的几块表计。
2）原屏上的事故信号、预告信号以DI点的形式送入DCS，在DCS内设计专用事故信号、预告信号画面。事故信号为红色、预告信号为黄色。在事故信号、预告信号发出时，发出不同的音响，此时可迅速切换至信号画面，查看发出的信号。部分重要信号，在进入DCS后再通过DO点输出，接入屏上的闪光报警器。
2.3 自动准同期回路
电气原有自动准同期装置、同步表、同期闭锁继电器仍然保留，原同期回路中的TK、STK、DTK等同期投入开关则由DCS内的软手操实现。TK、STK、DTK所需多付接点由DCS扩展送出。保留同期装置、同步表、同期闭锁继电器，把住同期并网的最后一道防线。
2.4 调压、调速回路
励磁增、减压操作开关也由DCS内的软手操实现，并通过脉冲形式输出。原发电机调速由同步马达进行，在进行DEH改造后，电气部分的增、减速操作取消。发电机的增、减速仅汽机专业有权，并通过DEH的CRT操作。
3、高、低压厂用电的自投逻辑
高、低压厂用电的自投逻辑这里是一个广义的概念，其包括三个方面的内容，即工作电源的低电压保护逻辑、备用电源的自投合闸逻辑和合于故障后的加速跳闸逻辑。传统的高、低压厂用电的自投逻辑是由继电器来实现的，在进行DCS改造后，则是将自投逻辑所必需的外部条件送入DCS，由DCS进行逻辑判断，实现工作电源的低电压保护跳闸、备用电源的自投合闸和合于故障后的加速跳闸等功能。由DCS实现的自投逻辑与原来由继电器实现的自投逻辑在功能上是一样的。这里值得指出的是在高、低压厂用电的自投逻辑中，工作电源的欠压（低电压保护）、失压、备用电源的有压判断，有的电厂是由继电器来完成的。在继电器达到整定值后动作，其接点作为DCS的逻辑条件送入DCS。而我厂则是利用工作母线和备用母线的电压变送器，进行工作电源的欠压、失压、备用电源的有压判断，定值大小由DCS内部整定。在进行DCS改造后，为实现数据的显示和数据采集必需将工作母线和备用母线电压送入DCS，因此，不需再另加电压继电器进行自投逻辑判断。
4、发电机的P、Q曲线
淮北电厂#6机组DCS改造将发电机生产厂家提供的P、Q曲线画面做在DCS内，发电机运行时的动态P、Q值在P、Q曲线画面横、纵坐标上显示出来，从而确定发电机的动态运行点。
由于软件和设计水平的限制，淮北电厂#6机组P、Q曲线做得比较简单。如果计算机软件功能更加强大，可以更加完善的发挥P、Q曲线的作用。如：可以将发电机的不同运行区域以不同的颜色显示出来；如果发电机运行越限可报警或动作跳闸；可以将发电机运行的历史数据记录下来，以便随时查阅等。
5、电气设备的顺控逻辑
电气设备的顺控逻辑主要包括发电机升压自动准同期并网逻辑、发电机自动解列逻辑、厂用电的自动切换逻辑、励磁系统的手动、自动切换逻辑、主、备励自动切换逻辑等。
5.1 发电机升压自动准同期并网逻辑
这一部分内容包括自动励磁升压自动准同期并网逻辑、手动励磁升压自动准同期并网逻辑、备励升压自动准同期并网逻辑。发电机可以在励磁自动、励磁手动或备励运行情况下实现自动升压自动准同期并网。
发电机主开关在热备用状态，发电机满速后，无论是在励磁自动、励磁手动或备励运行中的某一个状态下，一旦发出发电机自动并网指令，发电机都能够根据其所处的状态，自动执行其余的操作，直至并网。
5.2 发电机自动解列逻辑
发电机正常运行时，将发电机有功降到4MW左右。此时，发电机一旦接受自动解列指令，可以自动将有功、无功降到0，并实现厂用电的自动切换，直到将发电机解列。
5.3 厂用电的自动切换逻辑
高、低压厂用电能够根据指令实现由工作电源向备用电源或备用电源向工作电源的自动切换。
5.4 发电机自动励磁和手动励磁的自动切换逻辑
发电机可以根据指令实现自动励磁向手动励磁或手动励磁向自动励磁的自动切换。
发电机的顺控逻辑设计指导思想，就是将人为操作时需要观察的一些电压、电流、功率、转速和开关的状态等送入DCS，并增加一些闭锁条件，由DCS进行逻辑判断，实现电压及功率的自我调节和开关的自动操作。
6、DCS控制技术在电气监控应用中应注意的几个问题
6.1 在进行DCS改造后，一部分电气模拟量不再象原来那样，仅仅是一些数据的显示，而是作为逻辑条件，通过变送器，参与一些逻辑控制。如厂用电自投逻辑中的电压、DEH中的有、无功、厂用电切换中的电压、电流等。所以，对于仪表专业人员，必需进行认识上的转变，在进行变送器工作时，应充分注意到对有关逻辑的影响。
6.2 所有电气模拟量均是通过变送器送入DCS的，变送器大多需要外接辅助交流电源，辅助电源应有足够的可靠性，必需经UPS接入。如不经UPS，只是从一般的动力柜选取变送器辅助电源，在该动力柜所在母线故障时，即使备用电源自投再快，由于辅助电源瞬时失电，变送器也无法正常工作，无法保证自投成功。
6.3 在进行DEH改造后，一旦发电机主开关合闸，DEH装置将根据开关辅助接点，判断为机组并网，自动增加5000kW负荷。因此，在进行机组假并试验、带主开关零起升压试验或其它在DEH运行状态下的合主开关试验时，应拆除送于DEH的开关辅助接点，防止机组超速。
6.4 在进行DCS改造后，发电机增、减压操作是由DCS内的软手操通过脉冲来输出进行的。这里应注意软手操与传统的硬手操不同。DCS内的软手操将对按动鼠标的次数予以记忆，按动鼠标多少次，发电机的电压就会增、减多少次。由于发电机的实际增、减压有一定的迟滞时间，在进行发电机升压操作时，可能会因为快速、多次按动鼠标造成发电机过压。为此，在设置增、减压软手操的同时，应设置发电机过压限制。发电机顺控升压逻辑中也应设置发电机过压限制。
6.5 在进行DCS改造后，DCS对一些设备的调节、开关的控制等都是由DCS内的软手操通过脉冲的方式实现的，如发电机顺控、手控增、减压操作、增、减速操作、开关的跳、合闸操作等。除注意6.4中提到的可能出现的操作记忆之外，我们还必须注意脉冲的长短设置，脉冲的长短如果设置不当，可能会存在一些问题。如发电机电压调节，如果系统仍采用电磁励磁调节器或采用的微机励磁调节器没有设置调节步长限制，如果DCS内的调压脉冲设置太宽，则电压的调节幅度可能会很大，影响机组的运行稳定。但对于南瑞励磁公司生产的SAVR-2000励磁调节器则不存在这个问题，因为这种调节器本身设置有调节步长限制，只要调节器本身调节步长设置合适，DCS的脉冲长短则不会影响发电机电压的调整幅度。另外，所有开关的跳、合闸控制也应该注意脉冲长短的设置。如220kV、110kV等高压开关，其跳、合闸速度一般只有几十毫秒或100毫秒左右；即使是一些慢速合闸开关如一些SN2型油开关，其合闸时间也只是600毫秒左右。因此，其跳合闸脉冲一般不要设置太长，只要保证开关有足够的跳、合闸时间即可。否则，则可能出现开关跳跃、烧坏跳、合闸线圈等现象。特别应注意的是一些DW15的低压开关，尽管其型号都是DW15开关，但他们的合闸程序可能存在不同，因此更应该注意合闸脉冲的长短对开关的影响。有的是只要脉冲出现，开关就开始储能合闸；有的在脉冲出现时开始储能，在脉冲消失时才开始合闸。特别是对于后者，如果DCS合闸脉冲太宽，则开关一直保持在储能状态，开关的合闸线圈一直带电，就会烧坏，开关也无法合闸，我厂曾出现过这种情况。
6.6 关于DCS应用的有关规程都是针对热力系统的分散控制，但DCS技术目前已越来越多的应用于电气设备的监控。由于没有相关的规程、规范，在进行电气系统的DCS改造中，有关回路或逻辑的设计，各单位的情况是不同的，而且也可能存在一些问题。如对高压开关的控制，有的单位只是用开关的辅助接点反映开关的状态，这样原来按钮所具备的监视跳、合闸回路功能、控制回路断线功能将不复存在。我厂增加了跳、合闸位置继电器，用跳、合闸继电器的常开接点来反映开关的状态，同时用跳、合闸继电器的常闭接点串联来反映控制回路是否断线，很好地解决了这些问题。另外，在热力方面的DCS控制有关规程规定中规定，屏蔽电缆屏蔽层应一端接地，而电气二次回路有关规程则规定屏蔽电缆屏蔽层应两端接地，两者之间存在矛盾。所以有关机构或部门应尽快制定DCS控制技术应用于电气监控的相关规程、规定。
6.7 部分电厂、DCS控制开发商现在已将厂用电的备用电源故障切换、同期装置也纳入DCS控制中。根据有关厂家的情况介绍，结合备用电源切换、同期装置的重要情、复杂性，本人认为这些功能最好不要通过DCS来实现，还是以采用专用装置为好。这主要是基于以下考虑：
1）大多数DCS开发商的开发人员并不是这些方面的专业研究人员，他们对厂用系统、同期系统在故障情况、异常情况及其他各种情况下有关电气量的变化规律研究并不太多，只是根据电厂专业人员提供的逻辑关系、电气量之间的关系，通过软件予以实现。这样往往只是实现了这些装置的一些基本功能，在一些很特殊的情况下，往往难以满足要求。如厂用系统的切换装置，只是实现了原来的备用电源自投功能，其可靠性与目前在系统内广泛使用的快切装置相比，不可同日而语。厂用电源应该以采用快切装置为好。
2）鉴于同期装置、快切装置的重要性和复杂性，这些装置在广泛应用于系统之前，一般应经过动模试验、专家鉴定、挂网试运行、入网许可等程序，网内推广应用的产品应该是非常成熟、可靠、经过考验的产品。但DCS开发商所开发的一些备用电源切换、同期并网卡件一般未经过上述程序，如果稍有疏忽，一旦产生问题，其造成的损失将难以估量。
3）同期装置、快切装置一旦成型，其内部回路或程序将相对固定，经调试合格后，一般不会存在变化的可能。但一些DCS开发商所开发的备用电源切换、同期并网卡件的逻辑组态及相关回路对一些DCS工程师站管理专业人员是开放的。而电厂DCS的管理一般由热工人员管理，由于他们对这些装置的重要性或特点了解不多，如果出现某些失误也可能出现一些严重的问题。
综上所属，本人认为厂用电源应该以采用快切装置为好。同期装置应以选用专用的同期装置，来把住最后的关口，防止重大事故的发生。