（电气工程专业论文）发电厂电气综合自动化系统的研究与实践.pdf

声明田日h 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文发电厂电气综合自动化系统的研究与 实践，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果。据本人所知，除了文中特，i i j ) j n 以标注和致谢之处外，论文中不包含其它 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：兰丝日期：型丝：呈：多 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文：同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：递 日 期：生丝：主： 导师签名： 乒鲐会 e l期：。丝! 里：垒： 。r 1一 ， 华北电力大学工程硕士学位论文摘要 摘要 将电厂电气部分纳入分散控制系统( d c s ) 统一控制，可以实现机、炉、电的 集中统一管理，实现全局数据共享，消除系统数据交换的瓶颈。目前国内应用e c s 的电厂在使用中还存在着一些问题，主要表现在系统的可靠性、联锁保护逻辑、通 讯速率、抗干扰能力等方面。针对e c s 系统存在的问题，在充分考虑电厂电气系统 特殊性的基础上，提出了火电厂电气控制系统的设计方案。该方案利用电气设备分 布相对集中的特点，采用现场数据总线代替控制电缆，可以节约大量投资和维护工 作量。现场设置微机综合保护测控装置，将测控、保护信息经数据总线进入d c s ， e c s 系统可以按照通讯规约与其它自动装置( 发变组保护、励磁调节系统、快切装 置、同期装置等) 进行双向数据通信，实现定值管理、故障录波等功能。 关键词：电气控制系统( e c s ) ，分散控制系统( d c s ) ，现场数据总线，双向数 据通信 a b s t r a c t t a k et h ep o w e rp l a n te l e c t r i c a lp a r ti n t ot h ed c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) c e n t r a l i z e dc o n t r o lc a na c h i e v em a c h i n e s s t o v e sa n de l e c t r i cc e n t r a l i z e da n du n i 矗e d m a n a g e m e n ta n dg l o b a ld a t as h a r i n g , a n di tc a ne l i m i n a t et h eb o t t l e n e c k si nt h es y s t e md a t a e x c h a n g e t h e r ea l es t i l ls o m ep r o b l e m si nt h ep o w e rp l a n tw h i c ha p p l i e st h ee c s ，a n dt h e p r o b l e m sm a i n l yr e f l e c t e di nt h er e l i a b i l i t yo ft h es y s t e m ，t h ei n t e r l o c k i n gp r o t e c t i o nl o g i c ，t h e c o m m u n i c a t i o ns p e e da n dt h ea n t i - j a m m i n gc a p a b i l i t ya n ds oo n i nt h ev i e wo ft h ec u r r e n t s t a t u sq u oa n dt h ee x i s t i n gp r o b l e m so ft h ee c ss y s t e m ，o nt h eb a s i so ft a k i n g 伽la c c o u n to f t h ep a r t i c u l a r i t yo ft h ep o w e rp l a n te l e c t r i c a ls y s t e mp r o p o s e dt h ed e s i g no ft h et h e r m a lp o w e r p l a n te l e c t r i c a lc o n t r o ls y s t e m 1 1 地p r o g r a md r a w so nt h e c h a r a c t e r i s t i c so fr e l a t i v e l y c o n c e n t r a t e dd i s t r i b u t i o no fe l e c t r i c a le q u i p m e n t a n di t 吮t h ef i e l dd a t ab u si n s t e a do ft h e c o n f f o lc a b l e s o 嬲t os a v eal o to fi n v e s t m e n ta n dm a i n t e n a n c ew o r k l o a d s e t t i n gt h es c e n e m i c r o c o m p u t e ri n t e g r a t e dp r o t e c t i o na n dc o n t r o ld e v i c e s t h em e a s u r e dd a t aa n dp r o t e c t i o n i n f o r m a t i o nw a st a k e ni n t od c s t h r o u g ht h ed a t ab u s e c ss y s t e mc a nc a r r yo nt w o - w a yd a t a c o m m u n i c a t i o nw i t ho t h e ra u t o m a t i c d e v i c e ( t r a n s f c i r m e r u n i t p r o t e c t i o n , e x c i t a t i o n - c o n d i t i o n i n gs y s t e m s ，f a s tc u t t i n gd e v i c e ，s y n c h r o n i z e r , e t c ) i na c c o r d a n c e 、i t l lt h e c o m m u n i c a t i o np r o t o c o lt oa c h i e v et h ev a l u a t i o nm a n a g ：e m e n t , f a u l tr e c o r d e r sa n do t h e r f u n c t i o n s w a n gw c n z h o n g ( e l e 由k a te n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f l uj i n l i n g k e yw o r d s ：e l e c t r i c a lc o n t r o ls y s t e m ( e c s ) ，d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ( d c s ) ，f i e l d d a t ab u s ，t w o - w a yd a t ac o m m u n i c a t i o n s 1j 华北电力大学工程硕士学位论文目录 目录 中文摘要 英文摘要 第一章绪论1 1 1 课题的研究背景l 1 2 课题的现状和研究意义1 1 2 1 电气控制系统( e c s ) 的发展概况1 1 2 2 我国e c s 系统的应用现状和存在的问题2 1 2 3 课题的研究意义3 1 3 本文的主要工作一3 第二章火电厂电气控制系统( e g s ) 的功能和组成4 2 1 电气控制系统e c s 的技术特点和要水4 2 2e c s 系统实现的功能4 2 3 电气控制系统e c s 的实现模式6 2 3 1e c s 的传统实现方式6 2 3 2d a s 方式的e c s 实现模式7 2 3 3 保留关键硬接线的f e c s 方式的e c s 实现模式8 2 3 4 完全采用通信方式的f e c s 模式1 0 2 3 5 几种e c s 模式的工程比较：1 0 2 4 小结1 1 第三章电气控制系统中的智能装置和通讯技术1 3 3 1 微机发变组保护装置1 3 3 1 1 保护配置方式1 3 3 1 2 保护配置的特点1 4 3 2 重要保护的原理和判据1 5 3 2 1 发变组差动、变压器( 主变、厂高变、励磁变) 差动保护原理和动作特 性1 6 3 2 1 1 比例差动原理1 6 3 2 1 - 2 励磁涌流闭锁原理1 7 3 2 1 3t a 断线的判据和对策1 8 华北电力大学工程硕士学位论文目录 3 2 1 4 短路故障时t a 饱和判据和对策1 8 3 2 1 5 区外故障切除时t a 饱和判据和对策1 9 3 2 1 6 比例差动保护出口逻辑1 9 3 2 2 发电机定子接地保护2 0 3 2 2 1 基波零序电压接地保护2 0 3 2 2 2 三次谐波电压比率定子接地保护2 0 3 3 发变组保护配置的探讨2 1 3 3 1 发电机匝间保护方式选择问题2 1 3 3 2 关于转子接地保护2 2 3 4 数字化电动机综合保护测控装置2 2 3 4 1 厂用电动机应配置的保护2 2 3 4 2 典型的电动机保护原理：2 3 3 4 3 数字式电动机综合保护装置的特点2 4 3 5e c s 系统中的网络通信技术2 4 3 5 1d c s 和e c s 控制层之间的通信2 5 3 5 2e c s 站控层和电气间隔层之间的通信2 6 3 5 2 1 快速r s 一4 8 5 网2 6 3 5 2 2 现场总线网2 7 3 5 2 3 工业以太网，2 7 3 6 小结2 9 第四章发电厂电气控制系统的工程实践3 0 4 1 工程背景“。3 0 4 2 达电四期机组概况3 0 4 2 1i o k v 系统3 0 4 2 23 8 0 v 系统3 l 4 2 3 直流系统3 l 4 3 达电四期e c s 监控的范围3 1 4 4 达电四期机组e c s 的实现3 2 4 4 1 硬件构成3 2 4 4 2 系统结构3 2 4 4 3 软件实现3 3 i i 华北电力大学工程硕士学位论文目录 4 5 达电四期机组e c s 的主要控制逻辑3 4 4 5 1 高压厂用启动备用变压器控制逻辑3 4 4 5 2 厂用电源控制逻辑3 5 4 6 达电四期机组e c s 实现的功能及监控画面3 6 4 6 1 发变组监控系统及画面3 6 4 6 2 厂用部分监控系统及画面3 7 4 6 3 励磁系统控制3 9 4 6 4 故障录波3 9 4 6 5 与其他系统的接口4 0 4 7e c s 系统设计和应用时应注意的问题4 0 4 8 小结4 2 第五章结论和今后的工作4 3 5 1 结论4 3 5 2 今后的工作4 4 参考文献，4 5 致谢4 7 在学期间发表的学术论文和参加科研情况4 8 i 华北电力大学工程硕士学位论文 1 1 课题的研究背景 第一章绪论 随着电力行业的技术进步，发电厂的自动化水平日趋提高。分散控制系统( d c s ) 作为机组运行控制的主要手段，已逐步取代盘台上一对一的硬手操方式，成为新建 电厂和老机组改造的标准配置。d c s 系统的借助其强大的控制功能，已经实现了机 组主辅机的参数控制、回路控制、联锁保护、顺序控制、参数显示、异常报警、 性能计算、趋势和报表输出等综合控制功能，成为保证发电机组安全稳定运行的重 要基础。 电气设备由于其在电厂中的重要地位和特殊性，传统的电气设备控制都是通过 继电器等硬件逻辑和专门的自动装置来实现的，操作方法也是对设备的一对一硬手 操。随着d c s 系统软件硬件的不断完善，现在已经可以将电气设备控制纳入n d c s 系 统中来，成为一个相对独立的子系统一一电气控制系统e c s ( e i e c t r i cc o n t r o l s y s t e m ) 。 火电厂的电气部分分为5 0 0 k v ( 2 2 0 k v ) 系统、发变组系统和高低压厂用电系统。 从目前来看，5 0 0 k v 系统因保护逻辑复杂且继电保护技术十分成熟，已经形成了成 熟的网络监控系统( n c s ) ，故不宜纳入d c s 控制。其他发变组和厂用系统均可进入 d c s 。将e c s 纳入d c s 系统，可实现全厂自动控制一体化，实现全局数据共享，消除 了系统数据交换的瓶颈，节约系统投资，减少维护的工作量。e c s 系统还可以与 m i s s i s 等系统接口，接受调度指令，生产各种报表，方便生产管理，提高效益。 1 2 课题的现状和研究意义 1 2 1 电气控制系统( e c s ) 的发展概况 电气控制系统( e c s ) 技术经过了3 个阶段的发展历程n 1 。 第1 个阶段是一对一的控制方式，即设置发电机组厂用电控制屏，通过测量仪 表、光字牌和指示灯进行监测，控制开关采用一对一的强电控制方式，这也是发电 厂设计的原始控制系统，该方式的控制系统特点是设备监控简捷明了，但自动化程 度低。 第2 个阶段是电气监控纳入分散控制系统( d c s ) 随着计算机信息技术的发展 和分散控制技术在自动控制领域的广泛应用，为提高发电机组的电、热负荷适应能 力和自动化水平，d c s 已经在电厂自动控制领域得到广泛应用，逐步从较为简单的 数据采集系统( d a s ) 、模拟量控制系统( m c s ) 逐渐发展到机电一体化控制系统。在这 i 华北电力大学工程硕士学位论文 个阶段，厂用电监控纳入d c s 主要是指发电机变压器组由d c s 进行测量与控制；直流 系统、不问断供电系统( u p s ) 等由d c s 实现数据采集；厂用电快切装置、6k v ( 1 0 k v ) 厂用电保护、3 8 0v 电动机控制装置、3 8 0v 配电控制装置等各自独立，测控功能由 d c s 直接进行。电气控制系统由于存在通信能力比较弱、可靠性不高、对d c s 下发的 控制命令无法快速响应、无法快速地把相关电气量传给d c s 、不能满足d c s 对参与顺 序控制的电气量进行快速数据采集的要求等问题，所以，常规做法是对这些要参与 d c sj i j 页序控制的电气量专门铺设二次电缆和加装变送器，由d c s 直接进行数据采集和 控制操作。铺设电缆的工作量很大，投资也很大，而厂用电保护装置或电机控制中 心( m c c ) 、动力中心( p c ) 控制装置本身所具有的采集和控制功能没有得到充分利用。 第3 个阶段是全数字化的电气监控系统，并为d c s 提供所需信息接口和控制接 口。通过工业现场总线或以太网将厂用电气系统组成局域网，构建成专用的e c s ， 实现完全数字化的电气信息量监控，同时为d c s 提供高速实时的数字化通信接口。 这时，d c s 对参与顺序控制的电气量的采集和控制完全以通信软报文的方式进行， 不需要二次电缆硬接线减少了设计和施工的工作量，节省大量成本。 1 2 2 我国e c s 系统的应用现状和存在的问题 近年来，在新建的容量在3 0 0 m w 以上的火电机组中，电气系统都实现了不同范 围的联网，并通过通信接口向d c s 传送监控信息，在提高电气系统自动化水平和管 理维护方面，给用户带来了实实在在的好处。比较典型的应用有江油电厂3 2 号机、 华润常熟二电厂 k b lx 1 , 七l 洲 i l lr n 1 3 k w 霉l + k b l rx ( l i ) l k b t 2x ( ，一n 1 ) + 6 + ，耐一( l 绝乞) 尺撕= ( 如2 一1 ) ( 2 x 以) b = 眯啦i 七k 时rxn ) xn i t k i i i + l h i 七i3 式中l 为差动电流，为制动电流，为差动电流起动定值，l 为额定电 1 6 + 一2 + 纠一l 叫一 + 一叱 # 一 ， ，il 流，厶、厶未定义。 低压侧a 、b 分支电流， 压侧电流，厶、厶未定 比率制动系数定义： 。为比率差动制动系数，k ，为比率差动制动系数增量； 1 为起始比率差动斜率，定值范围为0 0 5 0 1 5 ，一般取0 1 0 ； k ，2 为最大比率差动斜率，定值范围为0 5 0 - - - 0 8 0 ，一般取0 7 0 ； 胛为最大斜率时的制动电流倍数，固定取6 。 3 2 1 2 励磁涌流闭锁原理 变压器差动保护需考虑励磁涌流的影响。变压器住充电时会有激磁涌流，涌流 一般是不对称非周期分量，会在回路中产生差流。为了防止差动误动，变压器差动 保护装置中加入了励磁涌流判别环节，当励磁涌流出现时闭锁差动。 励磁涌流的判别有两种方法：二次谐波制动原理和波形对称原理。 l 、二次谐波制动原理 可以采用三相差动电流中二次谐波与基波的比值作为励磁涌流闭锁判据，动作 方程如下： 厶 k 2 x bx 厶 其中厶为每相差动电流中的二次谐波，为对应相的差流基波，k 2 x b 为二次谐 波制动系数整定值。推荐k 2 x b 整定为o 1 5 。 2 、波形对称原理 利用三相差动电流中的波形判别作为励磁涌流识别判据。内部故障时，各侧电 流经互感器变换后，差流基本上是工频正弦波。而励磁涌流时，有大量的谐波分量 存在，波形是间断，不对称的。 内部故障时，有如下表达式成立： s k s + s s t 其中s 是差动电流的全周积分值，s + 是( 差动电流的瞬时值+ 差动电流半周前 的瞬时值) 的全周积分值，瓦是某一固定常数，& 是门槛定值。& 的表达式如下： 1 7 华北电力大学工程硕士学位论文 s t = a d + 0 1 。 式中厶是差电流的全周积分值，口是某一比例常数。 而励磁涌流时，以上波形判别关系式肯定不成立，比率差动保护元件不会误动。 3 2 1 3t a 断线的判据和对策 若发生t a 断线，一般会有差流产生，使差动保护误动，故需设置专门的t a 断 线判别环节，在差动保护出口前，判别出差流是t a 断线所致，从而闭锁差动保护 出口。 判断t a 断线有两种方法。对于循环闭锁出口方式，一相差动动作而又无负序 电压，即判定为t a 断线。这是因为发电机中性点不直接接地，内部短路时都会两 相差动或三相差动同时动作。+ 对于单相出口方式的发电机差动保护的t a 断线判别，一般用电流突变方向判 定，主要有以下判据： 一般短路时电流增大，断线时电流却减小。采用电流突变方向为负值作为主 要判据。 一般不考虑异侧t a 同时断线的可能性，故电流突变为负值须发生在同一侧 t a 不考虑三相同时断线，即突变电流不超过2 路。 至少有一侧的三相电流健全，张断线侧电流必须有一相存在，另外一相或两 相偏小。 差流应小于解除t a 断线功能差流倍数l 整定值。 3 2 1 4 短路故障时t a 饱和判据和对策 电力系统严重故障时，包括区外区内故障。短路电流非常大，t a 将严重饱和 有时短路电流中含有非周期衰减分量，t a 饱和也会产生。上述情况下，t a 传变特 性交差。加上差动保护两侧t a 不同变比不同型号不同负载，各t a 回路饱和程度不 一致，区外故障时差动保护的差电流加大，按正常比率制动特性将可能制动不住， 产生误动。而区内故障时由于t a 传变不精确，饱和产生波形畸变，差动保护也有 可能被误闭锁。 可以利用t a 饱和特征量( 即t a 在故障后4 1 周波内一般不会饱和) 来判别t a 饱和，并判断出t a 饱和是因区内故障还是区外故障引起。若是区外故障时t a 饱和， 采用陷阱技术防止差动保护误动作。若是区内故障，差动保护不仅能正确动作，而 且动作时间和灵敏度丝毫不受影响。 1 8 文 蔗动逮断元件 麓动保护硬压扳投入 差动遮断保护赣压扳投入 差劝起动元件 负荷电流转变的暂态过程中， 过程也不一致。当故障电流中 又由于故障电流已消失，差动 避免差动保护的误动。 的暂态过程，并采用负荷电流 差动保护的误动。此方法不影 刁o 羞动速断像护 髋闸 图3 3 比例差动保护逻辑图 1 9 华北电力大学工程硕士学位论文 3 2 2 发电机定子接地保护 由零序基波电压接地保护和三次谐波电压零序接地保护共同构成1 0 0 范围的 发电机定子接地保护。 3 2 2 1 基波零序电压接地保护 基波零序电压保护发电机8 5 - 9 5 的定子绕组单相接地。基波零序电压保护反 应发电机零序电压大小。由于保护采用了频率跟踪、数字滤波及全周傅氏算法，使 得零序电压对三次谐波的滤除比达1 0 0 以上，保护只反应基波分量。 基波零序电压保护设两段定值，一段为灵敏段，另一段为高定值段。 1 、灵敏段基波零序电压保护，动作于信号时，其动作方程为： 乩o v o 耐 式中乩。为发电机中性点零序电压，砜耐为零序电压定值 灵敏段动作于跳闸时，还需主变高、中压侧零序电压闭锁，以防止区外故障时 定子接地基波零序电压灵敏段误动。 对于大多数保护装置，灵敏段动作于跳闸时，需经机端开口三角零序电压闭锁， 闭锁定值不需整定，保护装置根据系统参数中机端、中性点t v 的变比自动转换 2 、高定值段基波零序电压保护，取中性点零序电压为动作量，动作方程为： u 删 高定值段可单独整定动作于跳闸 3 2 2 2 三次谐波电压比率定子接地保护 三次谐波电压比率判据只保护发电机中性点2 5 左右的定子接地，机端三次谐 波电压取自机端开口三角零序电压，中性点侧三次谐波电压取自发电机中性点t v 三次谐波保护动作方程： u , i 珊 式中：玑r 、u 为机端和中性点三次谐波电压值，墨m 为三次谐波电压比值整 定值。 机组并网前后，机端等值容抗有较大的变化，因此三次谐波电压比率关系也随 之变化，保护装置在机组并网前后各设一段定值，随机组出口断路器位置接点变化 自动切换。 三次谐波电压比率判据可选择动作于跳闸或信号。 基波电压定子接地保护和三次谐波电压定子接地保护的出口逻辑如图3 4 和 图3 5 所示 2 0 图3 - - 5 三次谐波电压定子接地保护出口逻辑 3 3 发变组保护配置的探讨 3 3 1 发电机匝间保护方式选择问题 从理论上讲，应对发电机相间短路、匝间短路和定子绕组开焊故障的最佳保护 方案是配置横差保护，但因我厂机组每相绕组均是两并联分支，中性点只有三个引 出端子，无法安装横差保护。而国内机组出现过定子线圈匝间短路烧坏铁芯的情况， 故必须采取其他方式的匝间保护我厂6 0 0 m w 机组采用的是纵向零序电压式保护方 案，其方法是通过检测机端三相电压自产的零序电压，并用负序功率方向进行闭锁 这种方式的匝间保护，发电机中性点与机端t v 中性点经电缆相连，当电缆接地 时相当于发电机定子接地，这增加了误动的可能性。用负序功率方向闭锁是为了区 分内部故障还是外部故障。负序功率方向在系统出现扰动( 如远方故障跳闸后重合 闸过程中可能出现的三相不平衡以及并网过程中的冲击) 时容易出现扰动，故还增 2 1 华北电力大学工程硕士学位论文 加了其他判据以防误动。 3 3 2 关于转子接地保护 转子接地保护主要反映励磁系统的接地故障。虽然一点接地对发电机不构成直 接危害，但因一点接地后转子电压分布发生变化，很容易发展成两点接地，导致转 子烧伤。因此必须配置转子接地保护。 转子接地保护有两种实现方法：切换采样( 乒乓式) 转子接地保护和注入式转 子接地保护。发变组成套保护装置一般配置乒乓式，励磁系统一般自带注入式。因 两种方式存在相互干扰，运行时只能选择其一。经综合考虑，我厂四期机组选择发 变组保护的乒乓式转子接地保护，定值如下： ( 1 ) 转子一点接地保护 灵敏段接地电阻动作值：r g 出i - 4 0 k 灵敏段保护出口方式：信号 转子一点接地电阻动作值：r g 崩= 1 0 k 转子一点接地出口方式：信号 转子一点接地动作延时：t l = 5 s ( 2 ) 转子两点接地保护 转子两点接地保护位移值：3 转子两点接地2 次谐波电压定值：o 3 v 转子两点接地延时lt 2 篇0 5 s 转子两点接地出口方式：全停 3 4 数字化电动机综合保护测控装置 电动机是发电厂厂用系统中最多的一次设备，电动机保护装置性能的好坏直接 影响着电厂的安全经济运行。 现代电动机的设计都对材料的运用越来越趋于极限，电动机的体积不断缩小， 这就使得电机的热容量和耐热限度急剧下降，为了确保电动机的安全稳定运行，更 有必要改善保护装置的性能。同时，e c s 系统也要求保护装置具备测控、保护、通 讯等多种功能数字化智能型的综合保护测控装置就应运而生了。 3 4 1 厂用电动机应配置的保护 根据运行要求，电动机应配置绕组保护、 针对绕组的保护有：温度保护、热保护、 2 2 供电系统保护、轴承保护 过电流保护、纵差和电流速断保护、 华北电力大学工程硕士学位论文 地保护等。 电系统的保护有：低电压保护、三相不平衡保护等。 承的保护有：用热电偶或热敏电阻的轴承温度过高；用油标尺监视的油 压力开关监视的润滑油压力低；节流开关控制的油量不足；振动表监视 等。 3 4 2 典型的电动机保护原理 随着半导体器件技术的发展，电动机保护也由纯物理测量发展到通过计算获得 相关数据。根据故障前的温度和发生的异常情况( 堵转、三相不平衡、过负荷等) ， 随时计算电动机定子绕组、转子绕组和铁芯温度，判断电机是否处于安全状态。建 立一套机、电、热数学模型，理论完善，是电动机保护的正确发展方向。但模型建 立相当复杂，要求的原始数据较多，制造厂难以提供，因此近期实现起来还有较大 的难度。下面仅对典型保护的原理做简单论述。 1 、电动机过热保护的等效电流，。 感应电动机的堵转、三相不平衡、过负荷等异常工况，最终构成对电动机安全 威胁的是温度。因此可以根据电机定子正序和负序电流引起的发热特征构成电动机 过热保护。但幅值相同的正序电流和负序电流，：产生的热量并不相同。为简便反 映，。和厶的不同热效应，英国g e c 公司提出了一个粗略的发热效应公式： l 乞= k i i ：+ k 2 i ； 式中墨在启动时间内取0 5 ，防止在电机正常启动过程中保护误动；在启动 时间后取1 0 。k 取3 1 0 ，模拟负序电流的发热效果。对于各种型号电动机和 各种不对称工况，准确选取墨较难，一般就大致选定为6 。 2 、过热保护 用等效电流l 表示的发热效果表达式为： 肿= 3 屹( 尺l + r i ) 当发热使温度达到报警值时过热保护发信号，当达到跳闸水平时，保护作用于 跳闸。保护应具有反时限特性。 3 、短路、启动时间过长和堵转保护 这三种故障均产生很大的正序电流，应设置单独的正序电流保护。根据故障特 性的不同，对应不同的判据。短路保护应躲过启动时间内的最大正常启动电流。如 启动电流大于速断定值，则瞬时动作于跳闸。启动时间过长和堵转保护根据整定的 启动时间和l 计算发热效果，按反时限特性动作 华北电力大学工程硕士学位论文 3 4 3 数字式电动机综合保护装置的特点 作为e c s 系统间隔层的重要设备，数字式电动机综合保护装置应具备如下特点： 保护原理成熟可靠，并经历长时间的现场运行考验。 带有测控功能，计算精度高，能实现四遥功能，是四合一保护产品。 能采用通信方式与监控系统交换数据，通讯速度快，可靠性高 装置可存入多套定值，定值可以由本地或远方整定。 采用硬件实时时钟，装置掉电后仍连续计时，并采用g p s 、通讯对时。 采用大屏幕液晶中文显示，人机界面友好，信息详细直观，操作、调试方便。 装置具有故障录波功能及时间信息的保护动作顺序事件记录，且具有掉电保 持功能。 装置为分板插件整面板式结构，封闭、加强型单元机箱，抗强振动、强干扰 设计，适应于恶劣环境。 装置具有独立的交流电流电压输入、输出回路，及独立的具有防跳功能的操 作回路( 适用于断路器回路或f c 回路) 可分散安装于开关柜上，也可集中组屏安装 3 5e g s 系统中的网络通信技术 e c s 的分层分散特性决定了必须依靠通信技术才能实现数据的传输和交换合 适的通信技术是e c s 发挥作用的基础图3 6 是典型的e c s 网络结构图由系统站控 层、通信层和间隔层3 层所组成。 系统站控层采用1 0 1 0 0 m b i t s 的双以太网冗余结构。根据运行管理的需要可设 置数据库服务器、电气操作员站、电气维护工程师站、网络打印机、通信主站等 形成电气系统监控和管理中心。并完成与d e s 、监控信息系统( s i s ) 、管理信息系统 ( u i s ) 等系统的数据交换。 间隔层由数量众多的厂用电保护装置、m c c 及p c 控制装置和其他智能装置组成， 考虑到电厂物理位置的分散性。间隔层一般先组成以下几个局部网络：6k v 厂用电 子系统、3 8 0vm c c 及p c 子系统、厂用公用子系统和保护及智能设备子系统等，各 局部网络之间再连接起来，形成完整的间隔层网络 通信层是站控层和间隔层之间的桥梁，主要由多台通信管理机组成起到沟通 通信的作用。 从上述系统结构图可看出，d e s 对电气间隔进行软采集和控制主要经过以下3 个 主要的通信和处理环节：d e s 和e c s 站控层之间的通信、e c s 站控层和电气间隔之间 2 4 都要充分挖掘其通信速率的潜力。片面要求其中某一环节加快速度往往并不能使整 体的通信速度满足要求。对任一通信环节而言通信介质和通信规约的选择是提高 通信速度的主要因素。 ! 引熬ll 熬旧鼎圳热l | 嚣 li 1 1l ll |i |i i i 0 0 m b 矗薯冗余以太阿1i r 层阮余雠本网交换机 冗余以太同交换机 “ 一 ii t 。m b i 。酋冗余以太网 ，囱申光纤 l ll ii lk l i 瑟 发变组6k v3 8 0v l 通信接口i 保护厂用电m c c 及p c i 测控子系统子系统 l 厂用电智能设备、 i t 恤嘲鼬盛嫩蕾 l u r 3 、i 刚刖、朋饵可 图3 6 典型的e c s 网络结构 3 5 1d c s 和e c s 控制层之间的通信 由于历史和习惯的原因，d c s 系统特别是国外进口的d c s 系统大都使用串口的 m o d b u s 规约与其他装置通信。这其中就包括和e c s 站控层的通信主机之间的通信。 串口介质本身就是相对低速的，通信带宽有限；m o d b u s 规约是个问答式规约，d c s 是通信主机，e c s 等其他装置是通信的从机，只有主机能主动启动通信过程。从机 只能被动应答。即使从机中有数据变化。只要主机不召唤，从机无法主动上送。另 # b m o d b u s 规约本身的通信机制也过于简单，只能进行全数据或部分全数据的召唤和 上送，不能优先提取少量的变化数据。这对有限的通信带宽是很不利的 d c s 和e c s 控制层之间的通信介质应采用基于t c p i p 的以太网。通信规约采用 i e c l 0 4 或o p c ( o l ef o r p r o c e s sc o n t r 0 1 ) 为宜。以太网介质可达到1 0 0m b i t s 或10 0 0 m b i t s 的通信带宽。t c p i p 提供了链路层的快速可靠连接，通信双方的t c p i p 协议 栈提供了不依赖于应用层的链路通断测试机制，能在毫秒级范围内侦测出通信链路 的中断，并主动进行再次的握手连接。i e c l 0 4 和o p c 都是客户服务器模式的平 华北电力大学工程硕士学位论文 衡式通信协议，般d c s 是客户端，e c s t 贝0 是服务器，通信双方都可以主动发起通信 过程且支持变化数据的优先上送。这样只要e c s 中有变化数据，就会立即无延时地 主动向d c s 上送。目前，几大国产d c s 厂家都能实现i e c l 0 4 或o p c 协议通信。 3 5 2e c s 站控层和电气间隔层之间的通信 e c s 站控层和电气间隔层之间的通信实际包含2 个部分，一个是e c s 站控制层各 主机和通信层之间的通信，另一个是通信层和间隔层之间的通信。 由于e c s 站控层主要由多台基于u n i x 和w i n d o w s 操作系统的服务器及工控机组 成。操作系统本身对各种商用以太网卡提供了很好的支持，所以各厂家的e c s 组网 方案中站控层几乎无一例外地由1 0 0m b i t s 或10 0 0m b i t s 的以太网组成。由于站 控层各主机的硬件配置都很高，以太网带宽也很大，数据在这些主机之间的通信时 间为几毫秒，可认为是无延时的。 间隔层主要由2 9 k ：类装置组成：一类是数量众多的厂用电保护装置、3 8 0 vm c c 和p c 。这些装置上所采集的部分开关量、模拟量是要上送到d c s 去参与顺序控制的， 而d c s 所发送的控制命令也是通过这些装置作用于开关柜或电动机的。这部分装置 需要能和d e s 进行高速通信另一类是数量有限的发变组保护装置、厂用电快切装 置、直流系统、u p s 、励磁系统控制装置等这些装置独立完成某种预定功能，和 d e s 的顺序控制过程无关d c s 只是要定期了解其状态，这部分装置和d c s 之间其实 并不需要高速通信。 目前，各厂家e c s 系统间隔层的组网方式存在着很大的差异差异主要体现在 间隔层的通信介质和通信协议上。因为间隔层装置的数量最多，直接反映每个电气 间隔的实时运行状况，所以间隔层通信的速度快慢和可靠与否在很大程度上决定了 整套e c s 系统的通信速度和可靠性。目前，e c s 系统间隔层的组网方式主要有快速r s 一4 8 5 网、各种现场总线网和工业以太网3 种。 3 5 2 1 快速r s 一4 8 5 网 快速r s 一4 8 5 网就是在普通r s 一4 8 5 串口的基础上采取一些特殊的控制技术提 升r s 一4 8 5 口的通信速率和带负载能力，然后将多台间隔层装置和l 台通信管理机组 成主从式的简易通信网络。通信管理机是主节点，通信速度最高可达1 1 5 2 k b i t s 这种方案的最大问题在于r s 一4 8 5 通信速率低。r s 一4 8 5 网只能有1 个主节点，其他 都只能是从节点，只有主节点能主动启动通信过程，从接点只能被动应答，主节点 只能采取轮询的方式依次对各从节点进行访问获取数据，无法做到并发式处理。同 时由于站控层一般都是以太网通信，主节点通信管理机还要向站控层以太网转发数 据。在这种r s 一4 8 5 网中为了提高通信速率，常用的方法是：加快主节点的查询速 度和频度，减少单个r s 一4 8 5 网中的从节点数量，简化通信规约加快主节点的查 2 6 华北电力大学工程硕士学位论文 询速度和频度将加重主节点的任务负担，况且查询速度和频度的提升也有其上限。 毕竟作为主节点的通信管理机除了与间隔层装置通信外，还有数据入库处理和向站 控制层转发数据等任务，过度地加快和间隔层装置的通信任务势必影响其他任务的 正常运行，使其成为网络中最脆弱的瓶颈。减少单个r s 一4 8 5 网中的从节点数量的 实质就是化整为零，这将增加通信电缆的铺设工作量，增加通信管理机的数量，使 整个e c s 系统的性能价格比下降。简化通信规约可以提高通信速度，但简化的通信 规约中通信信息语义的不完整，即间隔层装置中很多有用的数据信息无法上送到 e c s 站控层主机，e c s 站控层主机获取不到电气监控所需要的全面信息。显然，r s 一 4 8 5 网不太合适作问隔层的组网。 3 5 2 2 现场总线网 现场总线n 钔n 们是以单个分散的数字化、智能化的测量和控制设备作为网络节点， 用总线连接实现相互交换信息共同完成自动控制功能的网络系统与控制系统。其主 要特征是采用数字式通信方式取代设备级的4 2 0m a 模拟量或2 4 v 直流开关量信号。 使用一根电缆连接所有现场设备。现场总线种类较多，主要有p r o f i b u s 、c a n 、 l o n w o r k s 、w o r l d f i p 等，各种总线的主流应用领域也各有侧重。发电厂中p r o f i b u s 总线应用较多。p r o f i b u s 以国际标准化组织( i s o ) 开放式系统互联网络的7 层模型为 参考。在发电厂中使用p r o f i b u s 总线主要优势有2 点： 1 、大幅度地提高了通信速度。增强了现场级信息集成能力。p r o f i b u s 协议栈 的链路层规定了通信过程中冲撞冲突检测的仲裁原理和重发手段，使得使用 p r o f i b u s 总线的问隔层各装置和通信层的管理机在通信时能最大限度的避免冲撞 冲突，实现并发式通信，提高通信速度。该功能直接由p r o f i b u s 总线的协议栈提供， 用户的应用程序中无需考虑。若使用专用的连接插头，p r o f i b u s 总线的通信速度能 达到1m b i t s 。通信速度的提高使得大信息量的传输成为可能。采用p r o f i b u s 总线 后。可实现设备状态、故障、参数信息向e c s 站控层的传送，使e c s 站控层获得更多 更丰富的信息。 2 、系统可靠性高、可维护性好、抗干扰性强。基于现场总线的自动化监控系 统采用总线连接方式替代一对一的i o 连线，对于大规模i o 系统而言，减少了由接 线点造成的不可靠因素。同时，系统具有现场级设备的在线故障诊断、报警、记录 功能，可完成现场设备的远程参数设定、修改等工作。也增强了系统的可维护性， 从而降低了系统及工程成本。p r o f i b u s 总线的另一大特点就是抗干扰性强，比较适 合在电磁干扰很强的恶劣电气环境中使用。 3 5 2 3 工业以太网 以太网是使用最为广泛的局域网技术，在当今所有的网络连接中有8 0 是基于 华北电力大学工程硕士学位论文 以太网的。以太网具有诸多优点乜小2 2 儿2 3 1 ： 以太网的传输速度有1 0 1 0 0 10 0 0 m b i t s ，是现场总线网所无法比拟 的。可充分满足e c s 间隔层与站控层进行高速通信的要求。 以太网本身是一种可靠的网络系统，它使用简单可靠的c s m a c d ( 载波 侦听冲撞检测) 协议确保可靠的数据传输。 以太网技术的广泛应用使网络设备价格大幅度下降，其价格比现场总线 部件低l - - 2 个数量级