DCS在包头第二热电厂电气系统中的应用

摘 要：文章论述了包头二电厂300MW工程采用了国电智深DCS控制系统，它兼有电气系统的控制功能。该DCS由自动控制系统、过程控制与信息系统、工程师站、诊断系统、历史站组成，其在电气系统的功能为电气模拟、数字量的采集与处理、电气开关控制等。介绍了DCS控制电气系统的特点。
关键词：DCS；电气系统；数据采集；开关控制
1 DCS电气控制系统简介
1．1 DCS的组成
　　目前我国发电厂采用的分散控制系统（DCS）主要是新华和智深公司的产品，这两家公司的DCS结构和操作方式不尽相同，但功能一般由数据采集（DAS）、顺序控制（SCS）、模拟量控制（MCS）、炉膛安全（FSSS）等系统组成，本文着重介绍与电气系统密切相关的DAS和SCS。
1．2 DCS 电气控制系统的功能
　　DAS贯穿整个DCS控制过程，用于采集和处理机组的测点信号和设备状态信号，提供机组运行信息并进行数据存储、制表、记录和性能分析。DAS能及时反应异常工况，用报警和图象颜色及闪动变化反应故障信息，实现机组安全运行。
　　SCS通常用于锅炉、汽机及辅机系统的顺序控制，在DCS中加入了发变组系统、厂用电系统的顺序控制。SCS按结构可分为机组级、功能组级、子功能组级。机组级顺控包括对机组重要参数的监视与自动控制，它建立在功能组级顺控基础上；一个功能组是指某一工艺系统的所有辅机及相关设备的集合；另一个子功能组是指某个设备组（如1台给水泵及其前置泵、液力耦合器等相关设备）。顺控系统在启动和停止过程中一般在重要的节点设置断点，在运行人员确认满足条件后继续执行命令，而且每步指令发出后都有执行情况的反馈信号，如果程序执行有误，则发出报警信号并转入安全运行状态。一般的顺控程序都应设置优先等级，即联锁保护优先于手动操作，手动操作优先于自动操作。
2 DCS在电气系统的应用
2．1 系统组成
　　智深DCS包括分布式处理单元（DPU）、操作员站（OPU）、历史数据站（HSU）、工程师站（ENG）、计算站（CAC），各系统问通过在工业控制领域已得到广泛应用的以太网通讯系统连接。
2．2 DCS 中电气系统的布置与功能
2．2．1 电气设备的布置
　　在DCS中电气系统设备包括汽机电气设备问的端子柜、继电器柜和控制柜。端子柜用于电气量的采集和转接扩展；控制柜用于DPU中电气SCS逻辑的实现和OPU远方操作指令的处理，在DPU中用于电气开关控制的模件主要有开关量处理模件、变送器模拟量处理模件和开关量耦合模件，部分电气量采用有冗余的DPU模件，以提高重要开关操作和运行的安全性；继电器柜用于开关控制命令输出，继电器的接点输出可以保证强、弱电完全隔离。电气系统设备在DCS中的布置见图1。

2．2．2 电气设备的功能。
　　图1中，发变组及厂用电系统在DCS中，完成发变组出口开关控制，励磁开关控制和励磁调节器（AVR）调节通道选择及手动调节，发变组出口开关同期装置投入与推出，高、低压厂用配电装置电源开关控制，高压厂用电源快切装置手动切换和装置闭锁及复归，低压厂用变压器高、低压侧开关控制，高、低压电动机控制等。公用系统包括启动、备用变压器高压侧开关控制和有载调压操作，高、低压公用负荷（如循环水和输煤变压器）开关控制380V公用段和照明段电源开关控制等。二台机组的DCS都可以控制公用系统的开关，这样可以满足一台机组检修时不影响另一台机组的正常运行。二台机组都运行时，一台机组的DCS控制公用系统，另一台机组的DCS进行监视，并可以互换。
　　独立系统包括柴油发电机自启动、AVR自动调压、发变组出口开关同期装置电压频率调节、整流柜及UPS状态切换等。它们自动完成各自的逻辑，在CAC中交换数据格式后通过总线与OPU联接，用于DCS对这些系统远方监视。
2．3 电气数据的采集与显示
2．3．1 电气量的采集
　　发变组出口开关的合跳状态信号和非电量信号（如SF6泄漏、油泵故障）由升压站断路器控制箱送至DCS端子柜。高、低压厂用配电装置开关的合跳状态，保护动作信号由各配电装置的相应间隔保护装置发出至端子柜。
　　发电机励磁开关的合跳状态和AVR 装置故障（如启励故障、整流桥熔断器熔断等）由AVR 柜送出，另外AVR 工作在自动通道时，装置所处的状态信号也由AVR随时送至DCS。
　　主变和高厂变温度、瓦斯等非电量信号和通风控制系统信号由变压器本体送至端子柜，启备变有载调压开关位置信号和启备变非电量信号由启备变本体送至端子柜。低厂变（干式变压器）温度数据由低厂变温控器送出。
　　发电机、主变、高厂变保护装置发出的发变组系统故障信号由汽机电子设备间的发变组保护柜送到端子柜。启备变保护装置发出的启备变故障信号由汽机电子设备间的启备变保护柜送出。
　　发变组出口开关同期装置的状态信号（同期合闸、装置失电或故障等）由同期装置屏送到端子柜高压厂用电源快切装置状态信号（切换完毕、装置故障等）由厂用快切装置屏送出。发变组故障录波器的装置自身故障信号（如装置异常或装置失电等）由录波器送出。直流系统的整流柜运行状态、蓄电池状况、直流母线故障信号和各负荷开关状态信号由直流配电装置送到端子柜。UPS系统的UPS机柜故障、逆变器运行等信号和各负荷开关状态信号由UPS机柜送到端子柜。
　　发电机模拟量数据如定子电流、电压、频率、功率和主变高压侧模拟量数据经变送器送至端-y：柜高、低压厂用配电装置，直流，UPS的母线电压、电流数据从各配电装置经变送器至DCS。高、低压电动机电流，有功功率（电度）分别由电动机电源开关柜（6kV配电装置、380V动力中心PC和电动机控制中心MCC）经变送器送出。
2．3．2 电气量的显示和控制
　　所有电气模拟量（电流、电压、功率、变压器温度等）和开关位置信号以及模拟量的设定值都通过DPU经总线系统送至OPU的监视器或大屏幕显示。监视器和大屏幕上的被控量通过颜色变化表示开关状态的改变以及模拟量是否超限，开关故障时故障信号接人OPU并打开二级窗口显示故障的详细内容。模拟量还可以用棒状图的形式显示，而且当前值和设定值用不同的颜色表示，以增加直观性。采集的电气模拟量可以在OPU内进行计算和统计分析并绘制曲线打印输出。所有电气开关的远方操作指令都是从0PU的大屏幕或监视器输出的，指令首先输出至DPU，由DPU的模件确认开关操作的其他条件是否满足，如果满足则把指令送给继电器柜，用串联到电气开关控制回路中的继电器动作接点实现开关远方合跳。
2．4 电气开关控制逻辑
　　DCS在发变组系统出口断路器和高、低压厂用配电装置电源断路器控制中主要用于替代传统的远方手动操作开关，开关远方合跳的各项条件判断通过程序在DCS中实现。
2．4．1 顺序控制
　　在电动机开关控制中，DCS除替代远方操作按钮外，更重要的是实现了SCS顺序控制。汽机和锅炉电动机属于SCS 功能组或子功能组，其控制分为SCS软操作和就地按钮操作二种方式，其中软操作又可分为SCS程控操作和监视器手动操作。电动机控制及其联锁逻辑包括在SCS功能组中，通过程序实现，不设置传统用于完成电动机联锁的逻辑柜（继电器柜）。
2．4．2 断路器的DCS控制逻辑
　　图2，3是发变组出口断路器的DCS控制逻辑。


　　由图2，3可以看出，断路器远方控制分为手动和程控2种方式，手动控制相当于传统远方控制开关的功能。
　　在合闸逻辑中加入了传统硬接线完成的远方控制、开关断开位置、励磁开关合闸位置和网控计算机送来的微机五防等合闸条件。合闸程序在判断断路器位置时，采用了分别把断路器常开和常闭接点送人程序，再经非门和与门判断加以确认的方法提供真实的开关状态，防止误判。
　　发电机启动逻辑中与电气相关的内容主要有：发电机转速达到2900r／min一合励磁开关一投ASS一投ASS一调AVR、DEH一合断路器；发电机停机逻辑中与电气相关的内容主要有：厂用电源快速切换一调DEH一跳断路器一调AVR一跳励磁开关。因为发变组出口断路器合跳属于发电机程控启、停机的一部分，断路器程控控制时，除原有电气条件外还增加了发电机程控启、停机的条件。在程控跳闸逻辑中用程序的方式加入了远方控制、厂用切换成功（母线电压合格、工作备用开关位置正确）、发电机功率降为0的跳闸条件。
2．4．3 电气开关控制逻辑
　　电气开关控制逻辑并非全部由DCS实现，图4、5是几个电气开关控制的原理图。

　　图4是发变组出口断路器远方合闸原理图。回路中加入了由硬接线实现的同期合闸接点ASS K1，发电机程控启动时，首先投入同期装置，同期装置条件满足后K1闭合，然后由程序控制DCS合闸接点接通，断路器合闸。
　　图5是6kV配电装置工作电源进线开关跳闸原理图。图中的就地跳闸按钮接点、快切跳闸接点以及保护跳闸接点都是由硬接线实现的。另外如低厂变高压侧开关跳闸需连跳低压侧开关，380V保安段备用进线开关在检测到保安段失电和备用电源出口开关闭合信号后，可以自动合闸，都由电气硬接线实现。
2．5 电气后备监控设备的布置
　　集控BTG 盘上只保留少数电气表计作为后备监视设备，它们是发电机定子线电压表、定子相电流表、发电机有功功率表、发电机无功功率表、发电机励磁电流表、6kV 母线电压表、启／备变电源电压表。这些表计的信号来源于发变组和厂用系统的变送器，不需要经过DCS处理。
　　BTG盘上保留主要的电气报警光字，光字闪光和音响信号由DCS闪光报警器实现，如果电气系统能送出两对故障接点，则一对送至DPU端子柜，另一对送至报警器，否则由DPU的开关量耦合模件经端子柜扩展转送至闪光报警器。
　　CRT操作台上只有少数电气后备控制按钮，它们是发变组出口开关紧急跳闸按钮、励磁开关紧急跳闸按钮、备用电源紧急启动按钮、交直流润滑油泵紧急启动按钮。
3 DCS控制电气系统的特点
　　DCS控制的厂用电源系统不设独立的硬手操按钮。因此在厂用电源系统受电前，DCS 系统中与受电有关的设备安装、调试及投运必须完成。同样，受电后DCS安装调试进度还要满足各工艺系统逐渐开始的分部试运要求。在包头第二热电厂1号机组试运中，因为一些工艺系统的DCS调试速度较慢，部分高压电动机空载试运转时，不得不在高压开关柜外设置临时启、停按钮，即相当于远方操作，影响了试运进度。
　　DCS在电气系统中发挥的作用是明显的。例如，用监视器鼠标操作断路器可以避免由于控制开关机构或接点损坏造成的开关拒动或误动；在重要操作前，OM给运行人员的文字提示可以有效防止开关误操作；用SCS程序实现电动机联锁，可防止某个继电器故障对系统造成的不良影响，并满足开关快速反应的要求。
　　对于电气故障，如开关异常变位或模拟量超限等，都可以在监视器或大屏幕上报警。同时，将电气重要开关的保护动作情况送入SoE（按动作顺序的事件追忆系统），可以在故障发生以后打印，即以s为单位，记录跳闸前后10min 内模拟量和开关量的变化，便于对故障原因进行分析。
　　总之，从发展趋势看，以前相对独立的电气控制回路将逐步被DCS程序取代。