（电力系统及其自动化专业论文）达拉特发电厂电气综合自动化的方案研究和实施.pdf

华北电力大学工程硕士学位论文摘要 摘要 随着发电机组向大容量、高参数方向的发展，电气控制系统的自动化水平 愈显重要。由于历史的原因，电气监控系统的自动化水平仍然较低。针对目前 发电厂中电气控制系统自动化的实际情况，本文分析了其产生的原因，存在的 弊病，提出了基于分层控制思想的发电厂电气综合自动化系统。该系统以现场 总线和网络通讯技术为核心，智能化设备为基础，通过网络实现对全部电气系 统的监控。对于系统中涉及的现场总线技术、网络通讯技术和对于智能化设备 的配置及功能要求本文做了专门论述，并对保护装置的故障判别原理做了研究。 此系统在达拉特电厂三期2 3 3 0 m w 机组中得到了应用，取得了良好的效果。 关键词：发电厂，电气自动化，通讯 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fl a r g ec a p a c i t ya n d h i g hp a r a m e t e r s ，t h el e v e lo f e l e c t r i ca u t o m a t i o ni si n c r e a s i n g l ye m p h a s i z e di np o w e rp l a n t s h o w e v e r ，t h el e v e l o fe l e c t r i ca u t o m a t i o ni ss t i l ll o w e rd u et ot h et r a d i t i o n a lr e a s o n s ，a c c o r d i n gt ot h e a c t u a lc o n d i t i o n ，t h i sa r t i c l ep o i n t so u ti t s s h o r t a g ea n dp r o p o s e sad e we l e c t r i c a u t o m a t i o nc o n t r o ls y s t e mi np o w e rp l a n tb a s e d0 1 3 l a y e r e dc o n t r 0 1 t h i ss y s t e mi s b a s e do n i n t e l l i g e n td e v i c e s ，f i e l db u st e c h n o l o g ya n dn e t w o r kc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y ，w h i c hr e a l i z e sm o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n gt h ew h o l ee l e c t r i cs y s t e mo f t h ep o w e rp l a n t t h ef u n c t i o na n da r r a n g e m e n to ft h e s ed e v i c e sa n dt e c h n o l o g i e si s d i s c u s s e dr e s p e c t i v e l y ，a n dt h ep r i n c i p l eo ff a u l td e t e r m i n a t i o ni nr e l a yp r o t e c t i o n d e v i c e si sa l s ob e e nr e s e a r c h e d t h i ss y s t e mh a sb e e nu s e di nt h et h i r dp h a s eo f d a l a t ep o w e rp l a n t ( 2 4 3 3 0 m w ) s u c c e s s f u l l y l id o n g p i n g ( e l e c t r i cp o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f l i ux i a o f a n g k e y w o r d s ：p o w e rp l a n t ，e l e c t r i ca u t o m a t i o n ，c o m m u n i c a t i o n 声明 本人郑重声明：此处所提交的工程硕士专业学位论文达拉特发电厂电气综合自动 化的方案研究和实施，是本人在华北电力大学攻读工程硕士专业学位期问，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，除了文中特别加以标注和致谢之 处外，论文中不包含其他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 学或其他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：查查芏日期：型! ：! ：! 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；垒查导师签名：雌 日期： 塑醢! ：圭 日 期：宣坚：j 坐! ! 皇查查堂：! ：型堡主堂垡丝茎 第一章绪论 1 1 课题的背景 在电力市场飞速发展的今天，随着电力体制改革的深入，对火电机组自动化控 制水平的要求越来越高，分散控制系统( d c s ) 已成为新建电厂控制系统的标准配 置，对早期投产的机组进行d c s 改造也越来越普遍。d c s 作为机组运行监视和控制 的主要手段，已逐步取代了盘台上一对一的硬手操方式，实现了在集中控制室内对 机组各项参数的集中监视、控制和事故处理。与此同时，发电厂电气控制系统( e c s ) 也逐步纳入了d c s 的范围5 “”“”。将电厂电气自动化部分纳入d c s 范围，可实现机、 电、炉的集中管理，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。 12 本课题的现状、发展方向和研究意义 1 2 1e o s 进入d c s 的现状 分散控制系统( d c s ) 的应用，极大的提高了热力系统的自动化水平，也取得 了显著的经济和社会效益。常规的d e s 系统主要有以下子系统组成：d a s ( 数字采集 系统) 、m c s ( 模拟量控制系统) 、s c s ( 顺序控制系统) 、f s s s ( 锅炉安全监视系统) 、 d e h ( 数字电液调节系统) 、e t s ( 汽机紧急跳闸系统) 、e c s ( 电气控制系统) ，m e h ( 小 汽轮机电液调节系统) 等”。山于d c s 厂家的历史原因和电气控制对象的特殊性 匣 序控制为主、响应快迷性) ，对电气部分的自动化运行考虑较少。一般情况下，电 气系统的主要保护、安全自动装置，如发一变组保护、a v r ( 自动励磁调节装贾) 、 1 用电源快切装置、同期装置等基本独立运行，与d c s 只进行少量的数据传输：与 辅机相关的电气设备，如6 k v 、4 0 0 v 电动机等，其控制基本由d c s 完成，但电气运 行人员关心的这些设备的测量、保护动作情况、定值整定、事故追忆等信息在d c s 系统却无法反映”m “。”，。 目前在新建或改造火电机组中，电气控制进入d c s 从方式上讲主要是将断路器 位置信号等开关量直接接入d c s 的数据采集系统( d a s ) ，电压、电流等模拟量通过 变送器变成4 2 0m a 电流信号后接入d a s 系统，经处理后进入监控中心，电气控 制信号通过硬接线方式由i 0 接口送入过程处理单元( p c u ) ，这种方式的缺点是“： 1 ) 由于采用了变送器，二次接线复杂，造价高，抗干扰能力差，精度不高( 例 如受c t 精度和采用单元精度限制，高压电动机、厂变等设备在d c s 上显示数据与 华北电力大学：r 程硕士学位论文 就地电度表的数据不相符) 。 2 ) 电气保护、测控设备和自动装置都已实现微机化，但d c s 不能与这些设备实 现通讯，共享数据。 3 ) 通过d c s 采用专用硬件和软件实现电气逻辑如厂用电自动切换等，这些逻辑 对速度要求较高，d c s 也不太适用；并且由于d c s 实现电气功能的方式是i o 采集 信号功能通过主控单元完成算法，实时性较差，不易满足电气要求。 4 ) 增加了d e s 硬件，没有实现真正的分散控制。 5 ) d c s 系统与电气保护测控单元间没有通讯联系，不能实现对保护测控装置的 智能化管理，减少了监控信息的采集，从而降低了系统的自动化运行水平。 造成这种现象的原因是电气控制系统要求可靠性高、动作速度快，从而对新技 术的应用非常谨慎，各种智能终端设备发展较慢。应用较少更加重了对其可靠性的 疑问，因而形成电气控制自动化水平落后于热工控制水平。目前国内外主要的d c s 厂家都没有涉足电气保护领域，而像发变组保护、励磁调节系统、厂用快切装置等 保护控制装置又被几家厂商所垄断，且已经非常可靠和成熟，现场应用经验丰富。 这就造成了d e s 与电气控制系统互连较少，形成了资源与数据的浪费。 随着电力市场的发展，发电市场竞争局面的形成，发电厂为了适应竞价上网的 要求，客观上需要将e c s 纳入d c s 范畴。提高整个电气系统的运行自动化水平，将 提高电厂运行的安全性和经济性。 目前国内已经有电厂在改造或新建机组中对e c s 的使用做了一些探索，经过我 们调研其中比较有代表性的有： 1 ) 贵州纳雍一厂( 4 x 6 0 0 m w ) 。该厂的数据传输采用“r s 一4 8 5 总线+ 硬接线” 方式，现场采集单元数据经工控机送至d c s 币de c s 上位机，由于现场电气量未经筛选 全部上传，受d p u 容量和通讯接口速度限制，调试中出现过d c s 负载过重而死机的现 象，现通过限制电气量数| 三| 的方式加以解决。 2 ) 徐州华润电力公司二期( 2 x3 0 0 m w ) 工程。此工程烽# 3 、# 4 机和公用系 统都纳入e c s 控制，共计9 2 套6 k v 综合保护装置，2 2 9 套3 8 0 v 综合保护装置，5 0 0 0 余个1 0 点，并有多种通讯协议共存。该系统采用分层设计，较好的解决了通讯速 率和抗干扰问题。 3 ) 贵州纳雍二厂( 2 6 0 0 m w ) 。电气系统设置一套监控系统，出东大金智公司 成套供货，采用分层分布式结构。就地设备采用4 8 5 总线作为控制网络，配置d c a p 一4 0 0 0 f 型信息管理单元，负责协议转换和指令传输，站控层采用1 0 0 m 以太网。此 系统真正实现了电气系统的物理分散和风险分散，是目前应用较成功的e c s 系统。 但配置上存在以下问题：工控机配置少，负载重，不仅影响可靠性，更影响通讯速 华北电力大学工程硕士学位论文 度：3 8 0 v 保护信息和p c 馈线控制未进入e c s ，这部分设备仍就地管理，自动化水 平低。 这些应用实例为e c s 的进一步推广提供了经验，所反映出的问题也是本文要研 究解决的内容。 1 2 2 电气综合自动化系统( e o s ) 的功能和发展方向川m 6 3 电气综合自动化系统应将发电机一变压器组和厂用电源等电气系统都纳入其 监控管理系统中，应包括通常的基本功能，如：发变组出口断路器、隔离开关的操 作和控制；发变组保护、厂用变压器保护、励磁变压器保护；发电机励磁系统控制； 2 2 0 k v 5 0 0 k v 断路器同期并网操作；6 k v 1 0 k v 高压厂用电源监视、厂用电源快切装 置控制；3 8 0 v 氐压厂用系统监控；柴油发电机和保安电源的控制操作；直流系统和 u p s 系统的监控等。 除了这些基本功能外，发电厂综合自动化系统还应包括一些高级功能，如：自 动抄表功能；自动发电控制( a g c ) ；保护定值远程在线管理；电气设备运行情况和 动作情况管理；故障渗断专家系统等。 在常用的电气综合自动化系统拓扑结构中，现场总线结构以明显的优势成为了 目前最具发展前途的方式“。现场总线结构中智能设备就地安装，通过网络与主机 相连，可以节约大量控制电缆，还能减少很多变送器、隔离设备和i o 机柜。另外， 系统中各装置的功能相对独立，装置之间仅通过网络连接，网络组态灵活，使整个 系统的可靠性大大提高，任一装置故障仅影响相应的元件，不会导致系统瘫痪。 发电厂综合自动化系统按照分层分布式多c p u 的体系结构，可以设计多个层次， 每一层完成不同的功能，每一层由不同的设备或子系统组成。就地间隔层设备要求 实现智能化，应有远方就地操控功能，并具有通讯接口。由于各种智能设备所配备 的通讯协议不同，需要配置专用的通讯层进行协议转换。这样可使数据以统一规范 的格式传送到监控层，简化了程序设计、提高了效率。作为上层的监控层是整个系 统功能的体现。该层可以使用通用的操作系统和标准商业数据库软件，实现对内对 外两方面功能。对内指对间隔层等下层设备的监控和管理，以及系统自诊断功能： 对外功能指与d c s 、m i s 、s i s 等系统的接口，实现数据共享，并提供w e b 浏览功能。 现场总线技术、网络通讯技术和智能化设备是电气综合自动化系统的核心，智 能化设备的选择与可靠故障判别是保证系统安全稳定运行的关键。 1 2 3 课题的研究意义 电气综合自动化e c s 纳入d c s 控制不仅仅是形式上用c r t 操作代替盘台上一对一 的硬手操，更重要的是使整个控制系统掌握机、电、炉所有数据，实现机、电、炉 华北电力人学1 ：稃硕士学位论文 一体化控制，减少通讯接 2 1 设备。由于采用统一的d c s 系统，备品备件的数量可以 减少，并可最大限度地利用设备资源。同时可以实现高级控制算法，进行设备寿命 管理，并可加入成本计算模块，作为实时竞价上网的决策依据，满足电力市场实时 竞价的要求。 目前国内应用e c s 的电厂在使用中有成功经验，也有存在的问题，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。本文将对这些应用 经验进行总结分析，提出改进方法，使e c s 在设计应用中更符合实际。 1 3 本文的主要工作 本文较全面的考察了国内大中型火力发电厂e c s 系统的应用情况，针对目前e c s 系统的现状和存在的问题，在充分考虑电厂电气系统特殊性的基础上，提出了火电 厂电气综合自动化系统的设计方案。 此方案利用电气设备分布相对集中的优势，利用冗余现场数据总线代替大量的 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 测量数据经数据总线进入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。具体工作包括以下几方面： 1 ) e c s 系统所需相关技术，包括现场总线技术、网络通讯技术、微机智调研国 内e c s 系统的应用情况，研究电气控制自动化系统的各种组成结构，分析其优缺点。 2 ) 研究能化设备等。 3 ) 阐述智能化微机发变组保护装置巾对故障的判别方法，提出适用于达电三期 的切实可行的故障判据。 4 ) 提出电气控制自动化系统的设计思路和方案。 5 ) 与设计单位和设备生产厂家合作，将此思路和方案应用于达拉特发电厂三期 e c s 系统设计建设中。 华北电力大学工程硕十学位论文 第二章发电厂电气自动化控制系统的设计思想和组成 2 1 电气自动化控制系统的功能和要求 发电厂电气综合自动化系统除了能实现传统控制装置的功能外，还应具备适应 现代发电管理的新功能，对组成设备也提出了相应要求。 2 1 1 电气综合自动化系统的功能 根据单元机组的运行和电气控制的特点，应将发电机一变压器组和厂用电源等 电气系统的控制都纳入e c s 监控。其基本功能为： 发变组出口2 2 0 k v 5 0 0 k v 断路器、隔离开关的控制及操作。 发变组保护、厂高变保护、励磁变压器保护控制。 发电机励磁系统。包括启励、灭磁操作，控制方式切换，增磁、减磁操作， p s s ( 电力系统稳定器) 的投退。 2 2 0 k v 5 0 0 k v 开关自动同期并网及手动同期并网。 6 k v 高压厂用电源监视、操作、厂用电压快切装置的状态监视、投退、手动 启动等。 3 8 0 v _ f e 压厂用电源监视、操作、低压备i h 投装置控制。 高压启备变压器控制和操作( 2 台机共用) 。 柴油发电机组和保安电源控制和操作。 直流系统；f l i u p s 系统的监视。 对于发变组保护等主保护和安全自动装置，冈其设备已经很成熟而且要求全部 在d c s 中实现其功能尚有一定难度，可能增加牛h 当大的费用，故可以保留。但是它 们与d c s 问要求接f 1 ，控制采用硬接线，利用通讯方式传输自动装置信息，并可以 通过d c s 进行事故追忆。 除了以上基本功能外，发电厂综合自动化系统还应包括如下高级功能： 自动抄表功能 目前，厂用电的抄表基本由手工完成，有些电厂配置了专业的抄表系统。利用 测控装罱本身的计量功能或电度表的脉冲信号，可以在上位机进行电量的在线统 训。有了各点的实时潮流，列分析电厂能耗，改进运行方式有重要意义。 自动发电控制( a g c ) 自动发电控制可以使电厂实时接收中调的负荷指令，快速跟踪系统负荷的变 华北电力人学下程硕+ 学位论文 化，增强机组调频调峰能力。 保护定值管理 利用d c s 与保护装置的接口，远方修改保护定值并进行在线自动效核。还可以 将此功能扩展为可视化电厂继电保护整定计算与定值管理系统。 电气设备管理 包括保护和自动装置的台帐、档案、维修记录等，还可以统计设备运行情况、 动作情况等。这部分信息可以与m i s 、s i s 系统共享，补充m i s 和s i s 系统数据。 故障诊断功能 通过故障诊断专家系统可以对发电机的状态作出判断，根据实时数据的变化判 断是否有匝间短路等故障；根据电机的启动电流波形可以分析出鼠笼电机的断条故 障等。为检修提供依据。 2 1 2 电气综合自动化系统的要求 在电气综合自动化系统中，设备要求就地安装，与d c s 通过通讯方式进行数据 交换，凡是有在e c s 系统进行遥控、遥测、遥信、遥调要求的厂用电气系统间隔层 设备，应实现数字化。要求采用分散式就地安装的集保护、测量、控制、通信于一 体的综合智能终端设备，如微机式发变组保护装置、电动机综合保护测控装置、电 动机差动保护装置、低压变压器保护测控装簧、微机厂用电快切装置等。 要求配置通讯管理设备，将这些终端设备连接起来，通过通讯子站实现设备的 分层控制。通讯子站通过现场总线或网络与临控主站连接。能实现直接通过d c s 系 统对间隔层设备进行必要的控制，也能通过厂用s i s 系统监视设备运行情况，还可 以提供w e b 服务器实现对厂用电4 i 系统的远程浏览。 2 2 电气自动化控制系统的构成 电气综合自动化系统的拓扑结构不同，所对应的系统组成也有区别，本节将讨 论e c s 的网络结构和系统构成。 2 2 1 网络结构类型 从发电厂电气自动化系统的发展历程看，网络结构有以下三种模式。 2 2 1 1 集中监控方式 6 华北电力大学：朋鼙硕士学位论文 图2 1 集中j | = ：i 控方式 这种监控方式优点是运行维护方便，控制站的防护要求不高，系统设训容易。 但由于集中式的主要特点是将系统的各个功能集中到一个处理器进行处理，处理器 的任务相当繁重，处理速度受到影响。由于电气设备全部进入监控，伴随着监控对 象的大量增加随之而来的足主机冗余的下降、电缆数量增加，投资加大，长距离电 缆引入的干扰也可能影响系统的可靠性。同时，隔离刀闸的操作闭锁和断路器的联 锁采用硬接线，由于隔离刀闸的辅助接点经常不到位，造成设备无法操作。这种接 线的二次接线复杂，查线不方便，大大增加了维护量，还存在由于查线或传动过程 中由于接线复杂而造成误操作的可能性”3 。 2 2 1 2 远程监控方式 上位机系统 现场总线 图2 2 远程监控方式 远程监控方式具有节约大量电缆、节省安装费用、节约材料、可靠性高、组态 灵活等优点。由于各种现场总线( 如l o n w o r k s 总线，c a n 总线等) 的通讯速度不是 华：l e 电力大学一f ：程硕七学位论文 很高，而电厂电气部分通讯量相对又比较大，所有这种方式适合于小系统监控，而 不适应于全j 一的电气自动化系统的构建。 2 2 1 3 现场总线监控方式 图2 3 现场总线监控方式 f l 前，对于以太网( e t h e r n e t ) 、现场总线等计算机网络技术已经普遍应用于 变电站综合自动化系统中，且已经积累了丰富的运行经验，智能化电气设备也有了 较快的发展，这些都为网络控制系统应用于发电厂电气系统奠定了良好的基础。现 场总线监控方式使系统设计更加有针对性，对于不同的间隔可以有不同的功能，这 样可以根据间隔的情况进行设计。采用这种监控方式除了具有远程监控方式的全部 优点外，还可以减少大量的隔离设备、端子柜、t o 卡件、模拟量变送器等，而且 智能设备就地安装，与监控系统通过通信线连接，可以节省火量控制电缆，节约很 多投资和安装维护工作量，从而降低成本。另外，各装置的功能相对独立，装置之 闯仅通过网络连接，网络组态灵活，使整个系统的可靠性大大提高，任一装置故障 仅影响相应的元件，不会导致系统瘫痪。凶此现场总线监控方式是今后火力发电j _ 计算机监控系统的发展方向”3 。 2 2 2 系统组成 发电综合自动化系统按照分层分布式多c p u 的体系结构设计，每一层完成不 同的功能，每一层由不同的设备或子系统组成。整个系统可以分为三层：闯隔层， 通讯层和监控层。系统框图如图2 4 所示。 2 2 2 1 间隔层 系统的底层为间隔层，即体化的控制和保护测控装置，并根据发电厂的控制 华i 电力大学工程硕士学位论文 对象灵活选用测控装置和过程控制单元。主要包括：发变组保护装胃、微机准同期 装置、自动励磁调节控制器( a v r ) 、厂用电快速切换装置、低压电源备自投装置、 电动机保护测量单元、变压器保护单元等。这些装置来自不同的厂家，现已基本实 现智能化，选型时要求通过通讯的远方操作可以实现就地操作的所有功能，但所用 的通讯协议不完全相同，有些是r s 2 3 2 4 8 5 接口，有的是c a n 总线或i 。o n w o r k s 等 现场总线，需设置通讯协议转换装置。 间隔层设备采用冗余现场总线接口，双网连接，双网同时运行，无缝切换。当 其中一网出现故障时，系统单网运行，并发出报警，保证系统运行不问断。 间隔层的主要特点： 装置集测量、控制、保护功能与一身，可以安装在就地开关柜上，减少二次 接线，节省投资。 采用机箱插件后捅拔接线方式，整体面板，全封闭设计。减少了大量的接u 回路和多次转接，装置可靠性高，电磁兼容能力强。 采用多层印刷电路板和s m t 表面贴封技术，电路设计强弱电回路分离，杜绝 了元件虚接和强电窜入弱点系统的问题。 应用3 2 位高性能浮点d s p 处理芯片，运算能力强。 采用1 6 位a d 转换器，采用精度高。 大容量存储器设计，便于系统扩展和信息保存。 ，采用大规模可编程逻辑芯片，电路没计清晰简明，可靠性高，功能灵活强大。 显示屏为彩色液晶显示屏，图形化显示，内容全面清晰；全中文菜单，操作 方便。 采用国际上成熟的r t o s 实时多任务操作系统，软件升级方便，可以满足用 厂，的多方面要求。 支持r s 4 8 5 、c a n 总线、l o n w o r k s 、w o r l d f i p 等现场总线、议。 支持i e c 一6 0 8 7 0 5 一i 0 3 、i e c 一6 0 8 7 0 5 一1 0 4 等标准通讯规约。 测量回路精度可通过软件校准，有效缩短调试周期。 充足的设计裕度，保证系统升级能力。 22 2 2 通讯层 系统的中间层为通讯层，是网络传输的核心。在这一层上，将不同厂家的、不 同种类通讯协议的、不同传输速度的各种装置的通讯内容转换成高速的、协议致 的内容，实现间隔层和监控层的实时通讯。通讯层根据e c s 的规模和配置要求可以 是分层、分布实现的，也可以包括多套通讯层设备。每套通讯层设备由网络处理机 9 华北电力大学：t ：程硕士学位论文 ( n p u ) 和现场总线协议转换器( p i u ) 组成。其中n p u 和现场总线网络是冗余的， 现场总线网络介质采用光纤，支持远距离传输( 2 k m ) 。每套通讯层设备所含的p i u 数量根据实际需要而定。 现场总线协议转换器是通讯层的关键部分，是一种专门开发的智能通讯设备。 它的硬件支持多种不同的通讯电气规范，如r s 2 3 2 、r s 4 8 5 、c a n 、l o n w o r k s 等；软 件则是针对不同设备编制了不同的协议，能支持现场总线国际标准协议和国内主要 设备厂商的通讯协议。协议转换器与网络处理机( n p u ) 的通讯则采用标准、高速 的通讯方式，使得间隔层设备的低速、类型不同的通讯能够高速和统一的同监控层 设备进行数据交换。 特别的，协议转换器的软件设计采用下行通讯优先原则，最大限度地保证来自 蠊控层的指令和相关信息优先传输，使得通讯速度得以保证。 卧议转换器用金属外壳封装，可靠接地，抗电磁干扰能力强。安装位嚣靠近间 隔层设备，减少了引线干扰。通讯速率上，削隔层设备多采用低速率方案，如 4 8 0 0 b p s 、9 6 0 0 b p s ，也提高了抗干扰能力。 通讯层的特点： 采用冗余光纤网络，传输速率高，传输距离长。 基于网络管理机集线器的总线拓扑结构和结构化布线技术使网络可靠性达 到了很高的标准。 站点扩展可通过集线器的升级或叠加来完成，灵活方便。 2 2 2 3 监控层 电气综合自动化系统的卜- 层为监控层，是系统功能的核心。系统的监控功能在 这一层得以实现。监控层由工程师站、操作员站、通讯站和网络设备组成，工程师 站和操作员站为标准的工控机，软件为w i n d o w sn t 、l i n u x 操作系统或s u n 公司的 xw i n d o w s 系统。网络是冗余的1 0 0 m 工业以太网。监控层的功能分为两火部分，一 部分是对外，一部分是对内。对外功能指e c s 和d c s 、s i s 系统的接口功能，其中 和d c s 系统的接口是双向的，需要通过d c s 系统操作间隔层的设备，并且有严格的 速度要求。对内功能指对间隔层设备的间隔和管理功能，以及系统自珍断功能。监 控功能包括通过问隔层设备对电气系统的监控和操作，管理功能包括系统的组态， 间隔层设备参数的设定和修改，以及历史数据记录和管理等。自诊断功能是对系统 自身设备如主机、网络、间隔层设备等运行状况的诊断。 监控层采用c l l e n t s e r v e r 结构。软件界面友好，模块化设计，采用大型商业 数据库与专业实时数据库结合，使历史库和内存库的访问达到数据无缝连接和统一 管理。支持o d b c 和s q l ，具有很好的开放性。利用先进的组态软件，通用性强，不 华北电力大学工程硕士学位论文 但可以用于电厂综合自动化系统，还可以应用于其它监控系统。系统数据库按照间 隔、装置建立模板库，工程人员和运行维护人员可以很方便的由模板生产实际的对 象，大大简化和方便了： 程实施和维护。系统可以提供功能强、灵活自如的报表生 产功能，并提供典型报表模板，以满足不同用户的需求。监控层软件全面支持局域 广域w e b 浏览和远程诊断与维护，大大提高了系统可靠性”。 操作员站用于完成对下层测控单元数据的处理和控制工作，主机采用双机配 置，主机一热备用机工作方式，主机故障时热备用机自动成为主机工作。操作员站 对电气设备所实施的监控和操作包括：电压、电流、有功功率、无功功率等模拟量 的监视；断路器的合闸分闸控制；发电机a v r 调节；主变启备变有载调压分接头调 整；厂用电源快速切换等。操作员站还完成实时报表的记录和文件生成、声光信号 报警、实时数据库存储及历史数据库修改、系统时钟管理等。 配置一台工程师维护工作站，供维护技术人员进行数据库维护、界面和报表的 修改、网络状况监视维护等功能。同时工程师站也可以作为培训工作站，进行操作 方法预演及对运行人员进行仿真培训等。 通讯站实现d e s 系统与电一m i s s i s 系统的连接，接受各级调度数据，实现资 源共享。通过周期扫描和突发方式采集数据，创建实时数据库作为数据处理的中枢， 能够满足d c s 主站对数据的实时性要求。同时通讯站可以实现i n t e i n e t 连接，可 远程对系统进行访问和维护。 监控层的特点为： 操作员站、工程师站、通讯站在网络上相互独立。 核心级双机热备用，无任何机械的切换装置。 灵活的组态平台。 支持w i n d o w s 、l ir u x 等操作系统。 可实现局域网+ 域网w e b i 女0 览。 可实现对继电保护和故障录波信息的处理，具有故障分析功能。 华北电力大学二f + 程硕十学位论文 区丽圃匡i 磊固i 藕黼褥j 燃糖l 臣藏口匦匦匿 竹仃1l fi 仃丌 jllll1l l 训礴 斟麟婷 中审，黼博审 2 3 小结 图2 4 电气综合自动化系统圈 火电厂电气综合自动化系统是为了提高电厂的自动化水平，增强竞争力，结合 火电厂实际，本章提出了e c $ 系统应实现的功能和要求，提出了分层分布式系统结 构的设计思想，并对每一层的组成，所实现的功能和特点作了论述。 华：1 b 乜力大学工程硕士学位论文 第三章电气综合自动化系统涉及的技术和自动装置 电气综合自动化系统的技术基础是通讯技术、网络技术和间隔层的智能化设 备。设备智能化水平的提高使得对现场设备状况的精确掌握成为可能，通讯技术的 发展则为大容量的数据传输提供了平台。下面将分别介绍电气综合自动化系统中的 关键技术和设备。 3 1 现场总线技术m 8 3 在电力系统厂站自动化系统发展历程中，其通讯技术的发展大致分为两个阶 段，即简单的串行通信技术和现场总线技术。在早期的场站自动化系统中，受当时 技术条件的限制，主要采用简单串行通信技术来传输信息。在实践中暴露出以下主 要问题： 1 ) 通信速率低，一般不超过9 6 k h p s ，无法适应大量数据传输的需要。 2 ) 可靠性低，缺乏简单有效的容错机制。 3 ) 拓扑结构不利于扩展和提高传输效率。 随着用户对自动化系统性能要求的提高，上述缺点显得更加突出，促使设备厂 家将目光转向现场总线技术。 现场总线技术无论在通信速率和实时性，还是在可靠性和组网灵活性上都远远 高于简单的串行通信技术，它的广泛应用使得发电厂电气综合自动化系统的性能得 到极大提高。 3 1 1 现场总线的概述 现场总线( f i e l d b u s ) 是应用于过程自动化或制造自动化中的、实现智能化现 场设备( 如变送器、控制器、执行器) 与高层设备( 如主机、网关、人机接口设备) 之间互联的、全数字、串行、双向的通信系统。通过它可以实现跨网络的分布式控 制。按照国际电工委员会l e c 标准和现场总线基金会f f 的定义：现场总线是连接 智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。 现场总线的本质含义表现在以下几个方面： 1 )现场通信网络。现场总线作为一种数字式通信网络一直延伸到生产现场的 现场设备，使过去采用点对点式的模拟量信号传输或开关量信号的单向并行传输变 成多点一线的双向串行数字式传输。 2 ) 现场设备互联。现场设备指位于现场的传感器、变送器和执行机构等。这 些现场设备可以通过现场总线直接在现场实现互联，互相交换信息。 华北电力大学【：程硕士学位论文 3 )互操作性。所谓互操作性指来自不同厂家的设备可以互相通信，并且可以 在多个厂家的环境中完成所需要的功能。这体现在用户可以自由地选择设备和软 件。 4 )分散功能块。现场总线控制系统把功能块分散到现场仪表中执行，因此取 消了传统d c s 中的过程控制站，节省投资，提高了可靠性。 5 )现场总线供电。现场总线除了传送信息外，还可以完成为现场设备供电的 功能。现场总线供电不仅简化了系统的安装和布线，而且可以通过配套的安全栅实 现本质安全系统，为现场总线控制系统在易燃易爆环境中的应用奠定了基础。 6 )开放式互联网络。现场总线为开放式瓦联网络，既可以同层网络互联，也 可以不同层网络互联。现场总线是一个完全开放的协议，这意味着来自不同厂家的 现场总线设备，只要符合现场总线协议，就可以通过现场总线网络连接成系统，实 现综合自动化。 3 。1 2 几种典型的现场总线 现场总线技术的研究开始于2 0 世纪8 0 年代，9 0 年代逐步走向实用化。到目前 为止已经出现了多利，现场总线协议，包括c a n 、l o nw o r k s 、p r o f i b u s 、h a r t 、f f 等。由于各大公司努力维护既得利益，希望在竞争中保持并扩大自身的市场份额， 目前统的现场总线难以确立。国际电工委员会通过多年的协商，提出了现场总线 的国际标准i e c6 1 1 5 8 ，其中共包含8 种现场总线协议，即h 1 、c o n t r o nn e t ( 美 国r o c k w e i i ，公司支持) 、p r o f i b u s ( 西门子公司支持) 、p n ol ( 丹麦p r o c e s sd a t a 公司支持) 、f r ( 现场总线基金会协议) 、s w i f tn e t ( 美国波音公司支持) 、w o r l d f i p ( 法国a l s t o m 公司支持) 和i n t e r b u s ( 德国p h o e n i xc o n t a c t 公司支持) 。再加上 之前已经成为国际标准的c a n 总线协议、s d s 协议、a s i 协议和d e v i c en e t 协议， 国际现场总线标准一共有1 2 种。 此外，一些国家和公司还推出了自己的标准，如l o nw o r k s 标准等，应用也很 广泛。多种现场总线协议并存的局面将在一定时期内存在。下面对各主要现场总线 协议作简要介绍。 3 1 2 1g a n c a n 是控制局域网络( c o n t r 0 1a r e an e t w o r k ) 的缩写，它由德国b o s c h 公司 推出，最早应用于汽车内部测控部件闻的数据通信网络。现在在其他领域也得到了 广泛应用。c a n 已经被国际标准化委员会采纳，成为i s o l l 8 9 8 标准。c a n 协议是建 立在i s o o s i 模型基础上的，采用了o s i 底层的物理层、数据链路层和最高的应用 层。其信号传输介质为双绞线，最高通讯速率为1 m b p s ( 距离4 0 m ) ，最远通信距离 为l o k m ( 速率5 k b p s ) ，节点数可达1 1 0 个。 华北电力火学工程硕士学位论文 c a n 的信号传输采用短帧结构，每一帧有效字节数为8 个，因而通讯时问短， 受干扰的概率低，每帧信息都有c r c 校验，通信误码率极低。c a n 总线中的节点在 发生严重错误时具有自动关闭总线的功能，使这个节点脱离总线，不影响其他节点。 3 122l o nw or k s l o nw o r k s 是局部操作网络( l o c a lo p e r a t i n gn e t w o r k s ) 的缩写。它由美国 e c h e o n 公司研制，于1 9 9 0 年正式公布的现场总线网络。它采用i s o o s i 模型中完 整的7 层通信协议，采用面向对象的设计方法，通过网络变量把网络设置简化为参 数设置，其最高通讯速率为1 2 5 m b p s ( 通讯距离i3 0 m ) ，最远通信距离2 7 k m ( 速 率7 8 k b p s ) ，节点数可达3 2 0 0 0 个。网络通讯介质可以是双绞线、同轴电缆、光纤、 射频、红外或电力线等。 l o nw o r k s 的信号传输采用可变长帧结构。每帧的有效字节数目是0 2 8 8 个。 t o nw o r k s 采用的l o nt a k 通信协议被封装在n e r u o n 的神经元芯片中。j 卷片旱有 3 个8 位c p u ，c p u i 用于实现i s o o s i 模型中第层和第二层的功能，称为媒体访 问控制处理器；c p u 2 用于完成3 6 层功能，称为网络处理器；第i 层对应于o s i 模型的第七层，称为应用处理器。芯片1 1 还有信息缓冲区，以实现c p u 间的信息传 递，并作为网络缓冲区和应用缓冲区。 3 1 23p r o fjb u s p r o f i b u s 是过程现场总线( p r o c e s sf i e ldb u s ) 的缩写，它是德国国家标准 d i n l 9 2 4 5 和欧洲标准e n s 0 1 7 0 所规定的现场总线标准。p r o f i b u s 由三个兼容的部 分组成，即p r o f i b u s d p 、p r o f i b u s p a 、p r o f i b u s f _ s 。其中p r o f i b u s d p 是 一种高速低成本的通信系统。它按照i s o o s i 模型定义了物理层、数据链路层和用 户接口；p r o f i b u s p a 专为过程自动化设计，可时变送器和执行机构连接在一根总 线一h ，并提供本质安全和总线供电特征。p r o f i b u s p a 采用扩展的p r o f i b u s d p 协议，另外还有现场总线设备描述的p a 行规；p r o f i b u s f m s 根据i s o o s i 模型定 义了物理层、数据链路层和应用层，其中应用层包含了现场总线报文规范f m s ( f i e ld b u sm e s s a g es p e c i f i c a t i o n ) 和低层接口l l i ( l o w e rl a y e ri n t e r f a c e ) ， 最高通信速率1 2 m b p s ( 距离l o o m ) ，最远通信距离1 2 k m ( 速率g 6 k b p s ) ，如果带 中继器可达】o k m ，传输介质可以是双绞线或光纤。每个网络可挂3 2 个节点，带中 继器最多可挂1 2 7 个节点。 p r o f i b u s 采用可交长帧结构，定长帧一般为8 字节，可变长帧有效字节数为1 2 4 4 个。 312 4w or l d f lp w o r l d f i p 为世界工厂仪表协议( w o r l df a c t o r yi n s t r u m e n tp r o t o c 0 1 ) 的缩 华北电力大学1 摧硕十学位论文 写，是欧洲现场总线标准e n s o l 7 0 - - 3 。最初由法国c e g e l e c 公司制定，以后成为法 国标准，后来又成为i e c 6 1 1 5 8 标准的一部分。目前有a l s o m 、s c h n e id e r 、i o n e y w e l l 等世界著名大公司支持。 3 1 2 5f f f f 是现场总线基金会( f i e l d b u sf o u n d a t i o n ) 的缩写。现场总线基盒会是不 隶属于某一企业、非商业化的国际标准化组织。f f 协议的前身是以美国f is h e r r o s e m o u n t 公司为首，联合f o x b o r o 、y o k o g a w a 、a b b 、s i e i l l e r l s 等8 0 家公司制订的 i s p 协议和以h o n e y w e l 公司为首的联合欧洲1 5 0 家公司制订的w o r l d f i p 。迫于市 场需求，支持i s p 和w o r d f i p 的两大集团已于1 9 9 4 年9 月联合发起成立了现场总 线基金会。f f 协议以i o s o s i 模型为基础，取其物理层、链路层和应用层为f f 通 信模型的相应层次，并在此基础h 增加了用户层。f f 总线分为低速总线h l 和高速 总线h s e ，其通信速率分别为3 1 2 5 k b p s 和l o o m b p s 。h 1 支持总线供电和本质安全 特性，提供过程自动化现场设备接口；h s e 提供厂级主干网和高速数据传送，支持 冗余通信线路，主干网能集成所有自动子系统，包括有厂级应用软件包和供销系统 所需的数据服务器。通信介质为双绞线、光纤或电缆。目前世界上已经有1 2 0 多个 用户和制造商成为现场总线基金会成员，我国也是成员之一。 现场总线网络适应现场环境，以其町靠的数据传输能力，灵活方便的组网能力 和丰富的产品选择成为厂站自动化系统的主要通讯方式。 3 2 以太网技术” 现场总线网络将问隔层设备连接起来，构成了电气综合自动化系统中的基础， 以太网则是系统的主网架，莲于以太阳的通讯技术是电气综合自动化系统得以发挥 作用的关键。现场总线网络所收集的数据只有通过以太网才能为站控层设备所接 收，才能实现相应的功能。以太网能作为电气综合自动化系统的主干网是由其自身 的优越性所决定的。 1 ) 速度快。以太网的带宽高达1 0 m b p s 以上，1 0 0 m b p s