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1、 年 0女汐 :k穿 专业硕士学位论文 发电厂电气自动化技术的应用方案 The Application of Automation Technology in Thermal Power Plant 郑鸿志 2011年 6月 国内图书分类号： TM621 国际图书分类号： 621.3 学校代码： 10079 密级：公开 专业硕士学位论文 发电厂电气自动化技术的应用方案 硕 士研究 生： 郑鸿志 导 师： 肖仕武副教授 企 业 导 师 ： 陈 光高级工程师 申 请 学 位 ： 工 程硕士 专业领 域：电气工程 所 在 学 院 ： 电气与电子工程学院 答 辩 日 期 ：2011年 6月 授予学位单
2、位 ： 华北电力大学 Classified Index: TM621 U.D.C: 621.3 Thesis for the Master Degree The Application of Automation Technology in Thermal Power Plant Candidate： Hongzhi Zheng Supervisor： Associate Professor Shiwu Xiao Mentor-mentee: Senior Engineer Guang Chen School： School of Electrical & Electronic Enginee
3、ring Date of Defence： June, 2011Degr ee-C onferring-Institution ： North China Electric Power University 华北电力大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文发电厂电气自动化技术的应用 方案，是本人在导师指导下，在华北电力大学攻读硕士学位期间独立进行研究 工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名今海炙、 日 期
4、： 年 w * 1: 1 - * : J : : s s*機 ： 1 IIMI1 !, | 图 3-1典型 NCS组网方案示意图 该系统采用了双以太网结构，通信网络实现了冗余结构，提高了通信和整个系 统的可靠性。当地的后台子系统可以采用单机或双机配置。系统另一个重要特点是 实现了双机之间各种切换和双通道切换的不丢失状态信息 COS和事件顺序记录信 息 SOE， 不重发 COS和 SOE， 实现了真正意义上的切换不丢失数据。 根据目前各个 NCS设备厂家的技术发展情况，该组网方案还具有如下特点： 全开放式、全分散的控制系统结构，扩建和升级方便，可靠性高。采用对象建 模技术，面向设备建模和自我描述
5、以适应应用功能的需要和发展，满足应用开放互 操性要求 22。 系统具有三个独立的通信数据流，一个是装置与当地后台机之间的通信数据 流，一个是装置与数据处理及通信装置之间的通信数据流，还有一个是装置与装置 之间的通信数据流。它们都直接从装置获取数据，真正实现直采直送。 装置之间可以相互通信，可以方便地实现全站的电气防误操作联锁。 五防系统一体化，即五防系统与自动化系统融为一体，共用数据库和图形键面， 自动化系统具有五防系统所有的功能，可以配置电脑五防锁具等等。 远动处理机一般采用专用的通信处理装置，无风扇和硬盘，能够实现装置级的 运行性能和寿命，同时兼备处理机的灵活多变的处理能力和接口能力。 网
6、络中的间隔层设备主要是由网络继电器室和机组保护设备间的测控装置构 成，可实现遥测、遥信（电度）、遥控、遥调功能，它可以集中安装，也可以直接 安装在开关柜上，分散安装时可以节省大量的 二次电缆，减少了接线的工作量和工 程造价。 3.3间隔层测控装置 目前各个生产厂家的测控装置装置均采用 32位双 DSP处理器，可以完成以下 功能 18， 19: 26 华北电力大学硕士学位论文 测量量的滤波与处理 逻辑功能的处理 下发遥控命令 遥控的检同期合闸 将控制命令输出到接点 遥信信号采集 事件记录、告警 图形和人机交互界面 数据通信和 GPS对时 装置之间直接通信进行逻辑功能的关联处理 支持所有的控制和监
7、测功能，特别是检同期合闸和五防逻辑闭锁控制输出，这 些都是高压和超高压变电站网络微机监控系统所必不可缺少的功能，保证了开关等 一次设备的可靠控制。自适应以太网接口，可以很方便的集成到 NSC系列厂站自 动化系统中 .强大的以太网通信功能使得测控装置可以通过装置之间的直接通信， 实现不同装置之间的逻辑闭锁功能，极大地改善了以往监控单元之间的逻辑闭锁需 要上一层主控单元实现的弱点，提高了系统的可靠性和稳定性。 3.3.1实时数据采集 系统通过设在间隔层的测控装置进行实时信息的采集和处理。实时信息包括： 模拟量、开关量 (状态量 )、脉冲量等信号。 模拟量包括电流、电压、有功功率、无功功率、频率、功
8、率因数和温度量。除 直流电压和温度等通过变送器输入外，其余的采用直接交流采样方式。 开关量 (状态量 )包括：断路器、隔离开关以及接地开关的位置信号，继电保护 和安全自动装置的动作、告警信号，运行监视信号，变压器有载调压分接头位置。 开关量 (状态量 )的输入为无源接点输入。 模拟量的采集处理包括：定时采样，越限报警。 开关量 (状态量 )的采集处理包括：定时采集，设备异常报警，事件顺序记录， 开关事故跳闸到指定次数或者开关拉闸到指定次数时推出报警信息并提示用户检 修，当某一设备为挂牌操作时与该设备相关联的状态量 (开关量 )报警和操作将被闭 锁。 计算机监控系统对实时数据的采集按电气设备间隔
9、单元（线路、旁路、母线、 母联 /母联兼旁路、分段、主变、无功设备等 ） 划分，每个测控单元为一个相对独立 的智能小系统，对所采集的输入量进行数据滤波、有效性检查、实际工程值转换、 故障判断、信号接点消抖等处理。 27 华北电力大学硕士学位论文 模拟量的采集处理 a) 定时采集：按扫描周期定时采集数据并进行相应转换、滤波、精度检验及 数据库更新等。 b) 越限报警：按设置的限值对模拟量进行死区判别和越限报警，其报警信息 包括报警条文、参数值及报警时间等内容。 c) 追忆记录：对要求追忆的模拟量，能追忆记录事故前、后的采集数据。 状态量（开关量）的采集处理 a) 定时采集：按快速扫描方式周期采集
10、输入量、并进行状态检查及数据库更 新等。 b) 设备异常报警：当被监测的设备状态发生变化时，出现设备变位指示或异 常报警，其报警信息包括报警条文、事件性质及报警时间。 c) 事件顺序记录：对断路器位置信号、继电保护动作信号等需要快速反应的开 关量按其变位发生时间的先后顺序进行事件顺序记录。 3.4数据库功能 变电站综合自动化系统建立有实时数据库和历史数据库，实时数据库的刷新周 期及数据精度满足规程要求。历史数据库为通用数据库，记录周期满足监控系统要 求。 数据库采用通用数据库，便于扩充和维护，可在线修改或离线生成数据库。可 方便地实现交互式查询和调用，响应时间满足规程要求。 数据库维护工具是变
11、电站综合自动化系统的一个组成部分，是一个数据的定义 和维护系统。由它生成的数据是界面编辑系统中保护设备 、一 次设备等动态图元关 联数据点的数据来源是变电站综合自动化系统在线运行的基础。数据库维护工具提 供了 友好的用户界面，方便的列表格式，用于系统数据库的描述。对于系统数据库 中某些属性的填充，采用弹出菜单进行选择。 数据库维护工具主要完成以下五个方面的工作： 厂站信息的配置 装置以及相关的遥信、遥测、遥控、脉冲和档位信息的配置 设备组和一次设备信息的配置 旁路代换信息的配置 系统及节点信息的配置 3.5控制操作、同期检测和防误闭锁 系统可以实现对断路器、电动隔离开关、电动接地开关、主变分接
12、头、成组无 28 华北电力大学硕士学位论文 功设备的顺序控制。控制可在间隔层、站控层、远方集控站或者调度端实现。 控制方式分为三级，控制方式为三级控制：即就地控制、站控层控制、远方遥 控。操作命令的优先级为：就地控制 站控层控制 远方遥控。同一时间只允许一 种控制方式有效。对任何操作方式，保证只有在上一次操作步骤完成后，才能进行 下步操作。 在间隔层控制柜上设 “ 就地 /远方 ” 转换开关，任何时候只允许一种操作模式有 效； “ 就地 ” 位置，可在继电器室通过人工按键实现对断路器的一对一操作。操作 过程由计算机显示记录。间隔层根据操作需要具有防误操作闭锁和检同步功能。 “ 远 方 ”位置，
13、操作既可在操作员站上操作，又可由远方调度中心遥控。同时测控装置 控制开出作为遥信量反接入测控装置，用来记录测控装置的出口时间。 站控层控制即为操作员站上操作，操作按 “ 选择一返校一执行 ” 的过程进行，具 有防误闭锁及同步检测功能。操作错误时有相应的提示。 远方遥控即在远方调度中心下达操作命令，由计算机监控系统判断、选择执行。 遵守调度自动化系统对遥控的各项要求。 一个任务要对多个设备进行操作，计算机监控系统在保证操作的安全性、 可靠 性的前提下，可按规定的程序进行顺序控制操作。 系统可进行模拟操作。 控制操作、同步检测和操作电气联锁功能。 计算机监控系统具有同步功能，同期电压输入分别来自断
14、路器两侧 PT的单相 电压。当两侧均无压或一侧无压时，允许合闸；当两侧有压，满足同期条件时，才 允许合闸。同步判断在间隔层测控单元上进行，同步成功与失败均有信息输出。同 步检测点按实际要求配置。 联锁组态软件主要用于实现变电站操作电气联锁逻辑的编辑、编译等功能。组 态一般采用画流程图 29的形式，简单、直观且功能强大。同时配以文本语言以供分 析。在编译过程中具有查错功能，若有错误，能直接标出出错的模块。编辑完的逻 辑可以即时下装，不需设置网络参数或进行网络联接。 系统可与微机五防系统实现无缝连接，共享各自采集的信息。以通信的方式连 接。 3.6继电保护及智能装置 网络继电器室内一般安装有输电线
15、路保护、母线保护以及一些监测和在线测量 装置 24,28，这些装置通过保护管理机单独组网，再与 NCS系统间实现信息共享。 NCS系统内的自动装置主要是与调度通信和实施控制的设备，主要就是自动发 电控制 （ AGC)、 自动电压控制 （ AVC)设备，自动发电控制 （ AGC)用于接收来 29 华北电力大学硕士学位论文 自远方调度的调节指令，经规约转换后，输出电流或脉冲，控制发电厂内的发电机 功率自动调节装置，达到自动调节发动机出力大小的目的。实时自动电压控制 (AVC)是指在正常运行情况下，通过实时监视电网无功电压，进行在线优化计算， 分层调节控制电压无功电源及变压器分接头，调度自动化主站对
16、介入同一电压等级 电网的各节点的可控设备实行实时最优闭环控制，满足全网安全电压约束条件下的 优化无功潮流运行，达到电压优质和网损最小。即在电网调度自动化系统与现场装 置之间通过闭环控制实现 AVC。 电厂电压无功控制系统主要是针对负荷波动造成的 电压变化动作来控制调节各电厂励磁，实现发电厂侧的一级电压控制。它接受来自 本区域内的二级电压控制器的控制命令和母线电压的整定值，协调调节发电机励磁 调节器的整定点，以保证母线电压为目标母线电压 2)。 AGC系统应具备下述三种控制方式： 控制方式一（遥调方式 ）： 接收调度下达的单机出力定值，通过间隔层的 I/O单 元直接传输至机组 DCS系统。 控制
17、方式二（当地 自动方式一 ）： 接收调度下达的电厂出力定值，由电厂计算 机监控系统根据各个机组的实际运行工况进行再分配。 控制方式三（当地自动方式二 ）： 根据调度下达的电厂发电计划曲线 （ 自动或 人工输入），并根据各个机组的实际运行工况进行处理转换为各发电机组出力设定 值后送给各个机组 DCS系统，对各个机组出力进行自动控制，使机组出力之和与 调度下达的计划曲线相吻合（跟踪发电计划曲线功能）。 AGC命令的接收 1) 通过计算机监控系统或电厂报价系统接收调度下达给各个机组的出力定值， 或全厂出力定值。 2) 通过报价系统接收调度下达的全厂发电 曲线。 3) 根据调度要求通过人机对话方式人工
18、输入全厂或单机发电曲线。 AGC负荷分配功能 1) 根据各机组的运行工况进行机组的发电负荷经济分配。 2) 按照设定比例分配负荷 AGC性能监测 1) 按照电网调度要求在线修改发电计划曲线。 2) 根据机组的实际运行情况，选择确定机组的调节方式（遥调 /当地）、调节速 率。 3) 计划曲线、实发功率曲线、 AGC给定功率曲线的显示以及差值、超欠百分 数或合格率统计计算。 4) AGC控制给定功率与机组实发功率差值（功率差值）数字输出指示。 30 华北电力大学硕士学位论文 5) 机组 AGC控制调节速率统计计算。 6) 机组增、减负荷提示及异常信息告警。 电力系统自动电压控制 （ AVC)主要强
19、调以下两个方面 25: 1) 无功可控设备的自动化。包括发电机、有载调压器、电容 /电抗器、 SVC、 STATCOM及其它无功补偿设备的自动控制； 2) 全网无功电压的最优化。 AVC着重于从全局角度实现无功电压的自动优化 控制，属于最优潮流 （ OPF)的研究范畴，对于提高电力系统安全、优质、经济运 行以及提高电力系统的调度自动化管理水平具有重要意义。 无功优化计算是在系统网络结构和系统负荷给定的情况下，通过调节控制变量 (发电机无功出力、电容器投切和变压器分接头的调节）使系统在满足各种约束条 件下使网损达到最小。通过无功优化不仅使全网电压在额定值附近运行，而且能取 得可观的经济效益，使电
20、能质量、系统运行的安全性和经济性结合在一起。 华北电力大学硕士学位论文 第 4章发电厂电气自动化技术的网络通讯 4.1现场总线及工业以太网 由于各方的利益之争，现场总线 3,4标准更多的是事实标准， IEC61158用于工 业控制系统的现场总线的国际标准于 2000年初获得通过，列入国际标准的有 FF HI、ControlNet、 Profibus、 P-Net、 FF-HSE、 SwiftNet、 WorldFIP、Interbus-S 八种。 其后， IEC/SC65C成立了 MT9现场总线修订小组，继续这方面的工作。 MT9工作 组在原来 8种类型现场总线的基础之上进行不断完善扩充，于2
21、001年 8月制定出 由 10种类型现场总线组成的第三版现场总线标准，它们是： TyPelTS61158现场总 线、 Type2 ControlNet 和 Ethemet/IP 现场总线、 Type3 Profibus 现场总线、 Type4 P-NET现场总线、 Type5 FF HSE现场总线、Type6 Swift-Net现场总线、 Type7 WorldFIP现场总线、 Type8 INTERBUS现场总线、 Type9 FF HI现场总线以及 TypelO PROFInet现场总线，该标准于 2003年 4月成为正式国际标准。下面对用于发电厂 电气自动化系统中的现场总线 3,4,5,
22、21， 27做一简要介绍。 4.1.1 RS-485 严格地讲， RS-485不是现场总线，因为它只有物理层。但由于它使用简单方便， 在国内应用较早并广泛使用，采用 2线、差分、平衡方式传输。优点是使用简单、 抗干扰能力强（与 RS-232相比）、通信距离远 （ 115200波特率，不加中继器可以达 到1000米）等。必须采用主从问答方式交换数据。最大的弱点是总线上的某个节 点故障，有可能会导致整个总线的瘫痪，所以现在正在被其它现场总线所替代。 4.1.2 CAN CAN5是众多现场总线中的一种，应用的领域较广，在汽车、电力、工业控制 等均有很好的应用。也是被我国电力行业认可的一种现场总线。
23、支持单主和多主方式的数据传输方式。在多主方式中，会引起网络数据的碰撞， 解决的办法是重发，这一过程由 CAN的控制器自己独立完成，而不需要应用层的 干预。通信的距离与通信的速率有关，最高通信速率达 1Mbps (40米 ）， 最长距离 达 10 千米 （ 5Kbps)。 4.1.3 Profibus Profibus源自西门子，它也是一种现场总线，被广泛用于对实时性要求高的工 32 华北电力大学硕士学位论文 业控制领域。通信的距离与通信的速率有很大的关系，距离越长速率越低，最高通 信速率达 12兆。 Profibus 系列由三个兼容部分组成，即 Profibus-DP、 Profibus-FM
24、S 和 Profibus-PA 三条总线构成。为了提高 Profibus总线性能，近几年 PNO推出了新版本的 Profibus-DP-Vl 和 Profibus-DP-V2， 同时逐步取消 Profibus-FMS 总线 。 Profibus-DPVl主要是增加了非循环服务，并扩大了与 2类主站的通信。众所 周知， Profibus-DP性能的特征是在循环连接 （ Mscy-Cl)的基础上应用数据交换服 务，实现一个主站和一系列从站之间集中的数据交换。 1类主站指 PLC、 PC或控制 器。2类主站指操作员站和编程器等 1()， 12。 DPVl扩展了上述功能，在已有的 MScy-Cl 连接
25、基础上，增加了非循环服务，利用新的服务可以对从站中任何数据组进行读写。 过去， 2类主站只能利用 DP从站的无连接服务，现在则可通过面向连接的通信对 数组进行非循环读写，同时为进入因特网通信扩充了功能。 PmfibUS-DPV2可以实现循环通信、非循环通信以及从站之间的通信。由于从 站之间可直接通信，通信时间缩短 1个 DP总线周期和主站 周期，从而使反应时间 缩短 60%至 90%，同时又建立了等时间间隔的总线循环周期，其时间偏差小于 1押， 即适用于高精度定位控制，又可实现闭环控制。 DPV2可根据不同的应用需要开发 专用行规 （ profile)， 如用于运动控制的 ProfiDrive
26、和用于联锁保护的 ProfiSafe等。 4.1.4 LonWorks LonWorks(LON Local Operating System 局部操作系统 ） 美国 Echelon 公司 1991 年推出，主要应用于楼宇自动化、工业自动化和电力行业等。 LonWorks的全部 7 层协议，介质访问方式为 P-P CSMA (预测 -persistent载波监听多路复用），采用网 络逻辑地址寻址方式，优先权机制充分保证了通信的实时性。 Echelon公司推出的 Neuron神经元芯片可实现在应用层上的幵发。目前在电厂系统中 LonWorks常用的 通信速率为 78K。 目前，还有一种观点，无论
27、是 Profibus、 Lonworks、 Modbus、 Remote I/O、 Interbus 等，都是基于源 /目的 （ Source/Destination)方式的旧一代网络技术，即主 /从通信模 式， 而 Foundation Fieldbus、 ControlNet、 WorldFIP、 ProfiNet (Profilms 的下一代 网络）等，是基于新一代生产者 /消费者 （ Producer/Consumer)模式网络技术，这种 模式又称之为出版者 /订户模式 （ Publisher/Subscriber)， 可实现轮循Polling、 点对多 点 Multicast以及广播
28、 Broadcast模式，具有更高的网络传输效率。 4.1.5以太网 十种类型现场总线体系结构和通信协议都不相同，但对 Ethernet TCP/IP工业以 33 华北电力大学硕士学位论文 太网技术用于 H2高速现场总线基本达成共识， Ethemet/IP、 FF HSE和 PROFInet 工业以太网技术事实上已成为国际标准。在工业控制领域都采用工业以太网，现在 一般在 100Mbps速率，网线通信距离 100米，如果大于 100米距离则需要光缆进行 通讯连接。 以太网主要有 2种工作模式： TCP和 UDP (广播、多播）。 TCP是面向连接的、 数据是有序的、能保证数据可靠到达； UDP
29、是无连接的，数据是无序的，不保证可 靠到达。 根据以太网的特性，在使用时重要数据（如 SOE、 保护事件等）采用 “ TCP+ 数据确认 ” 方式，首先由以太网保证数据的成功传输，万一数据发生丢失，由应用 层的“ 数据确认 ” 机制来做到数据 100%的不丢失。这里的 “ 不丢失 ” 不是指数据 发出了一定能够到达目的地，而是指数据从装置上发出后，只有经过通信管理机的 确认，装置才认为是正确地上送了，否则会保留在装置内部，下次再传。所以，重 要的数据要么成功上送到了通信管理机，要么仍然保留在装置内。 以太网是支持多主方式的。即使传输过程中发生数据碰撞，因为 TCP有连接， 再加上应用层的 “
30、数据确认 机制，可以保证数据的不丢失。 对于那些循环数据（如模拟量、电度量），可以采用 UDP方式，也可以采用 TCP 方式。采用 UDP方式时，即使某次装置上送的数据没有被通信管理机正确接收到， 还可以在下次传送时进行弥补。所以，丢一、二次数据没有关系。当然，如果也采 用 TCP方式最好。因为现在的以太网带宽很宽，可以快速高效地完成这些数据的传 输。在具体应用时还可以进行网络分段，在物理上隔离出不同的以太网段，减少数 据碰撞。以上以太网的这些技术均在变电站综合自动化系统中成功地应用了。 变电站 NCS系统中，一个网段所接的间隔层设备一般均在 100台以下，但在 发电厂 ECMS应用中，单台主
31、控连接的间隔层设备较多，而且也比较分散，在工程 实施中，网络布线的工作量很大，所以，这种以太网通信方式建议在变电站使用， 而不建议在发电厂 ECMS中使用。 4.2关于 ECMS现场总线通信问题 4.2.1 ECMS系统通信特点 发电厂 ECMS系统的特点是采集数据量庞大、同时对控制的实时性要求也很高 6 。一方面，尽管电气系统单个设备的响应速度要求很高，如保护要求在几十毫秒 内动作，但针对电气系统自身应用需要的大量数据如报表、事故分析等，从系统角 度实时性要求并不高；另一方面，为保证 ECMS系统参与通信控制时有足够的响应 速度，对控制的实时性要求高，并应足够可靠。此外，发电厂 ECMS系统
32、接入装置 34 华北电力大学硕士学位论文 数量众多，在 NCS系统中一般采用的两层网结构在现阶段 ECMS系统中无法实现， 必须采用三层网络结构。上述特点决定了 ECMS系统的通信特点是要保证高可靠性 和实时性。 通信速率与通信距离有关，盲目地提高通信速率，而不考虑通信距离是没有应 用价值的，在 FECS系统中一般通信距离在 300米左右，辅助厂房到主控室可大于 500米，而一般情况下，考虑到现场干扰存在，各种现场总线的通信速度是远远达 不到其最高通讯速率的，例如，实际应用中 CAN的典型通信速率是 125Kbps， LonWorks的典型通信速率是 78Kbps， Profibus典型通信速
33、率是 187.5Kbps。 可以看 出，其速率与各自的最高通信速率相差很多，如与以太网的 100Mbps相比，则相差 甚远。 4.2.2 ECMS系统通数据 传输机制 在通信数据上， ECMS系统应该对一般测量值，事件及控制三种数据做不同考 虑。对一般测量值如模拟量、不产生 S0E事件的开关量等，实时性要求不是很高， 但要保证系统规定的数据刷新周期。对于保护事件及 SOE事件，应保证一定的优先 级，但重点是事件不丢失。对控制命令，应保证其实时性以及命令不丢失。 对控制命令，无论采用何种现场总线， ECMS系统中无疑必须采用最高优先级， 保证控制命令的优先传送，并须进行确认。 对一般测值及事件传
34、送，在通信层可以采用三种方式 23。 一种是如 DCS系统的轮询扫查方式，采用此方式将会对所有 10量做定期循环 扫查，无论系统状态是否发生较大改变，扫查都是一如既往的周而复始地进行，这 种方式信息即时传送的响应速度就受到了轮询周期的限制。如果网络主节点所扫查 节点为 32个，而扫查间隔为 30ms， 则数据刷新周期则为 960ms， 如果要加快刷新 周期，可减少扫查节点数或加快扫查间隔。如果再把测量数据细分为电度量、全遥 测量和变化的遥测量，多不同性质的测量量采用不同的查询策略，则可以进一步优 化网络中的数据结构，减少网络流量、提高通信效率。平时系统正常稳定的情况下， 通信负载可以做到很轻。
35、 第二种是采用事件优先传送的轮询扫查方式，这种方式正常情况下轮询实时数 据，当产生了保护事件或 S0E事件时，被查询装置优先传送事件信息而不是送实时 数据，其优点是随着 SOE事件的优先上送，开关状态也被同时优先上送。但此时一 些正常扫查应传送的一般测值，如测量模拟量、非 S0E开关量等就会被延迟上送。 第三种方式为事件主动上送方式，即所谓的平衡传送方式， CAN、 LonWorks 等现场总线均支持事件主动上送方式，这种方式下，实时数据的传输与第二种方式 完全相同，不同之处在于装置的事件信息不 需要通信管理机扫查，而是主动发送到 35 华北电力大学硕士学位论文 上位机。该方式与第二种方式一样
36、，平时系统在正常稳定的情况下，网络负载较轻， 通讯效率比较高。不过一旦出现系统状态有较大改变的情况，就会在通信通道上产 生大量的骤发传输信息，众多装置同时产生的骤发信息会导致信道上产生暴涨的通 信流量，因此对通信通道的带宽要求比较高。 一般而言，主动上送方式采用 CSMA/CD机制的网络通信通道，如以太网、 Lonworks现场总线等方式。对于以太网，目前工业监控中一般都釆用 100M以太网， 具有较高的带宽。对于多装置同时产生骤发信息会导致信道上通信流量暴涨的问 题，以太网会有更为充裕带宽来应对，目前局域以太网上广泛采用的网络交换机技 术进一步优化了以太网在这方面的性能，工业和商业现场这方面
37、的大量应用实例也 证明了这一点。而对于低速现场总线，即使是采用碰撞检测及重发机制，但对于像 ECMS系统这样的骤发大数据量信息传输所带来的问题依然无法从根本上解决和回 避，而解决的办法只有一个，不必要地增加大量的通信管理机，试图减少每个通信 管理机所带节点，造成投资浪费。 发电厂 ECMS系统接入装置数量众多，采用现场总线非常方便，一般建议使用 现场总线，如 RS485、 Profibus、 CAN等，针对 ECMS系统特点，对速率不高的现 场总线，推荐应采用上述第三种扫查方式，即采用事件优先传送的轮询扫查方式。 或者采用 ControlNet、 WorldFIP、 ProfiNet 等网络的
38、轮循 Polling、点对多点 Multicast 以及广播 Broadcast模式相结合，这样可以提高网络传输效率。 而在以太网下，由于有 100M的带宽，一般在通信节点不是很多的情况下采用 多主方式是没有问题的，这一点 ECMS与 NCS系统有很大的不同。 4.3智能装置的通讯互联 目前电站自动化终端智能设备的生产商众多，通讯标准和内部处理方式也各不 相同，虽然在设备互联时可以采用规约转换设备，可以这些设备之间的相互通讯， 但经过中间的很多环节后导致通讯速率降低。因此变电站自动化系统在实现功能之 外，还应具备互操作性、可扩展性和高可靠性等性能。这在以往系统分析和设计过 程中通常是被忽视的。
39、 为了实现不同厂家 IED设备的信息共享和互操作性，使厂站电气综合自动化系 统成为开发系统，在 20世纪 90年代初，欧洲和美国同时开展了这方面的研究工作， 并制定了相应标准。为了避免两个标准冲突，在 IEEE和 IEC的共同协调下 ， IEC 决定以 UCA2.0数据模型和服务为基础，将 UCA的研究结果纳入： EEC标准，在此 基础上国际电工委员会制定了 IEC 61850国际标准。 IEC 61850通信协议定义了数据访问机制（通信服务）和向通信协议栈的映射， 如在变电站层和间隔层之间的网络采用抽象通信服务接口映射到 MMS (IEC 36 华北电力大学硕士学位论文 61850-8-0。
40、在间隔层和过程层之间的网络映射成串行单向多点或点对点传输网络 (IEC 61850-9-1)或映射成基于 IEEE 802.3标准的过程总线 （ IEC 61850-9-2) 该标准具有信息分层、面向对象的数据对象统一建模、数据自描述、抽象通信 服务接口 ACSI等主要特点。该标准为数字化厂站系统的发展奠定了基础 。 IEC 61850 在逻辑结构上将电气综合自动化系统分为三个层次：过程层、间隔层和站控层。过 程层是一次与二次设备的结合面，主要完成开关量 I/O、模拟量采集和控制命令发 送等与一次设备相关的功能；间隔层设备主要实现控制和保护功能，并实现间隔层 设备间的相互对话机制；站控层完成对
41、站内间隔层设备、一次设备的控制及与远方 控制中心 DCS及 SIS系统通信的功能。 IEC 61850标准总结了变电站内信息传输所必需的通信服务，设计了独立于所 采用网络和应用层协议的抽象通信服务接口 （ Abstract Communi-cation Service Interface， ACSI)。 在 IEC 61850-7-2中， 建立了标准兼容服务器所必须提供的通信 服务的模型，包括服务器模型、逻辑设备模型、逻辑节点模型、数据模型和数据集 模型。客户通过 ACSI， 由专用通信服务映射 （ Specific Communi-cation Service Map， SCSM)映射到所采
42、用的具体协议，如制造报文规范 （ Manufacturing Message Specification， MMS)等 。 IEC 61850标准使用 ACSI和 SCSM技术，解决了标准的 稳定性与未来网络技术发展之间的矛盾，即当网络技术发展时只要改动 SCSM， 而 不需要修 改 ACSI。 目前在国内已对基于 IEC 61850标准的电气综自系统产品投入了大量研发，基 于该标准的数字化变电站示范工程在国内也有投运，这为自动化系统的数字化、标 准化发展提供了成功借鉴，为不同厂商的 IED实现互操作和系统无缝集成提供了途 径。 37 华北电力大学硕士学位论文 第 5 章 结 论 随着机组向大
43、容量、高参数发展，发电厂的电气自动化程度越来越重要。发电 厂电气自动化的水平直接影响火电厂建设的投资效益、电厂运行的综合经济效益以 及整个电力系统的自动化水平。目前随着网络技术的不断发展和网络可靠性的不断 提高，同时电气设备的控制、保护等设备在不断的发展，这样电气监控系统的外部 条件越来越成熟。正是在这种背景下课题提出和开发了发电厂的电气监控系统。针 对目前发电厂中电气系统自动化应用方案存在较大差异的问题，本文结合工程实际 分析了现今火电厂实现电气监控系统所采用模式的弊端，分析了电气自动化系统构 建方案，并总结出如下，以供工程技术人员参考。 1. 在目前技术发展水平来看 ECMS的应用方案还是
44、主要以监控方式和关键硬 接线 +电气全通信的方式为主，这两种方式可靠性较高，部分通讯故障不会影响全 厂运行的安全性。 2. 如果网络中智能终端设备数量较少，在通讯速率能够满足实时性的前提下， 可以采用全通讯控制模式，但首先要双网架构，通讯设备要冗余配置，同时要解决 通讯电缆通道的安全性问题，避免发生通讯电缆损坏导致大量设备失去控制的情况 发生。 3. 电气监控系统 ECMS与集散控制系统 DCS的接口方式应根据控制模式来确 定，对于监测模式，可以采用 “ 专用网关 ” 接入 DCS的以太网交换机的方式，当 然也可以采取 “ 串口接入 DCS的 DPU” 和 “ 串口 +通 讯网关 ” 的方式，
45、这样数据的上 送的实时性会更好。对于关键硬接线 +电气全通讯模式，至少应该采用 “ 串口 +网关 ” 的接口方式，硬接线控制的工艺设备的数据可以通过网关送入 DCS系统，而通讯 方式控制的电气电源系统则必须采用串口方式与 DCS的 DPU通讯，以增加响应速 度。对于全通讯模式，则要采用与 DCS的 DPU 一对应的串口作为 ECMS与 DCS 接口方式。 4. 电气网络微机监控系统 NCS应用方案还是主要以双层结构双层网方式为主， 以增加通讯速率和冗余配置的安全性，方案中建议将 AGC等调度自动化设备直接 接于远动终端设备 上，以增加快速响应的实时性。 但从目前的电站自动化技术发展状况来看，在
46、发电厂中的热控自动化和电气自 动化还是完全独立区分的，没有有机的融合为整体，市场中从事电站自动化产品生 产和研发机构也相对独立，本人还是寄希望于自动化产品的研发机构在电站自动化 技术方面能够相互协作，将电站自动化技术有机融合，避免资源浪费，自动化产品 38 华北电力大学硕士学位论文 的重复配置。 39 华北电力大学硕士学位论文 参 考 文 献 1 范锡普 .发电厂电气部分 M.北京：中国电力出版社， 1995, 1 84 2 朱能飞 .电气监控在 DCS中的应用 J.电力自动化设备， 1999, 19(6): 75 76 3 夏德海 .现场总线技术 M北京：中国电力出版社 ,2003, 302
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