[硕士论文精品]发电厂电气监控系统及其测控单元的研究.pdf

中国海洋大学 硕士学位论文 发电厂电气监控系统及其测控单元的研究 姓名 严奉莲 申请学位级别 硕士 专业 电子与通信工程 指导教师 李欣 20071207 发电厂电气监控系统及英测控单元的研究 摘要 本文针对发电厂的电气部分进行了分析和探索 分析了发电厂的厂用电 系统的现状 探索了发电厂自动化系统中d c s 系统的发展 现场总线和f c s 技 术正在电厂中带来新的技术革命 发电厂的电气系统 包括厂用电系统 升 压站系统及机组电气部分 的保护监控以及自动化正在成为新的技术热点 针对目前发电厂中 电气系统自动化水平与热工自动化水平存在较大差异的 闯题 本文结合工程实际分析了现今发电厂实现电气监控系统所采用模式的 弊端提国了基于c a n 总线和以太网的系统构建 设计了发电厂的电气监控系 统的总体框架及e c s 与t c s 的连结方式 本文还提出了测控单元装置的设计方 案 曼设计了装置的硬件电路 编写了透信接叠的软件 该方案采用了先进 的3 2 位嵌入式微控制器和1 6 位高精度a d 构成的硬件平台 在软件的设计上 采用了基于多任务实时操作系统的软件设计方法 分析设计了监控系统的通 讯策略 关键词 发电厂电气监控系统集散控制系统测控单元 r e a s e r c ho ft h ee l e o t rfa lc o n t r o ls y s t e ma n dm e a r u a l c o n t r o lu nitinp o w e rp l a n t a b s t r a c t i nt h ep a p e r a n a l y s i sa n de x p l o r eh a sb e e nm a d eo ne l e c t r i c a l a u t o m a t i o ni nl a r g ep o w e rp l a n t t h ed e v e l o p m e n to fd c ss y s t e mi np o w e r p l a n ta u t o m a t i o nd i s c u s s e d n e wt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n ti sb r o u g h t a b o u ti np o w e rp l a n tb yu s i n gt h ef i e l db u sa n df c s p r o t e c ti o na n d s u p e r v i s i n go fe l e c t r i c a ls y s t e mp o w e rp l a n tw h i c hi n c l u d e sa u x i li a r y p o w e rs y s t e m s u b s t a t i o nt r a n s f o r m e rs y s t e ma n du n i te l e c t r i c a l s e c ti o nb e c o m e st e c h n o l o g yf o c u s i n gp o i n t t h em a i np r o b l e m sa n d s o l u t i o n so fe l e c t r i c a la u t o m a t i o nb a s e do nt h ef i e l db u sa n dn e t w o r k c o m m u n i c a t i o nh a sb e e nw e l le x p l o r e d t h et e c h n o l o g yo fa p p l y i n g e l e c t r i c a l a u t o m a t i o ns y s t e mt od c st h r o u g hc o m m u n i c a t i o na n d c o m b i n i n gi t sf u n c t i o nt ot h a to fd c sh a sb e e na n a l y z e d a g a i n s tt o t h es i t u a t i o no ft h ed i f f e r e n c eo fc o n t r o ll e v e lb e t w e e ne l e c t r i c a u t o m a ti o na n dt h e r m a lp r o c e s sa u t o m a ti o ninp o w e rp l a n t t h es h o r t a g e o fc u r r e n tu s e dm o d e si np l a n ti sa n a l y z e db a s e do np r o j e c tp r a c t i c e i nt h i sp a p e r an e ws y s t e mc o n f i g u r a t i o nb a s e do nc a nb u sa n de t h e r n e t i sp r o p o s e d w h i c hr e a l i z e st h ee l e c t r i ci n t e g r a t e da u t o m a t i o no ft h e w h o l ep l a n t t h ed e s i g ns c h e m e o fm e a s u r ec o n t r o lu n i td e v i c ei s p r e s e n t e d t h eh a r d w a r e c i r c u i to ft h i sd e v i c ei sd e s i g n e d t h e s o f t w a r eo fc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ei sc o m p i l e d i nt h i ss c h e m e t h e h a r d w a r ep l a t f o r mc o m p o s e db ya d v a n c e d3 2 一b i te m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o r u n i ta n dh i g h p r e c i s i o n1 6 一b i ta di sa d o p t e d i nt h ed e s i g no fi t s s o f t w a r e t h em e t h o db a s e do nm u l t i t a s kr e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e m i su s e d t h es t r a t e g yb fc o m m u n i c a t i o ni sa n a l y z e d k e yw o r d s p o w e rpia n t e l e c t r i cc 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 l s y s t e m d o s t h em e a s u r ea n dc o n t r o lu n i t 2 独创声明 本人声明所里交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果 据我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含未获得 1 逵己翅遗褒基熊霞要挂型虚盟的 奎拦亘窒2 或其他教育机构的学位或证书使 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 确的说明并表示谢意 学位论文作者签名 琴拳堑舞隅叩靴月谚嚣 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 允许论文被查阅和借阅 本人 授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 可以采用 影印 缩印或扫描等复制手段保存 汇编学位论文 同时授权中国科学技术信息 研究所将本学位论文收录到 中国学位论文全文数据库 并通过网络向社会公 众提供信息服务 保密的学位论文在解密后适用本授权书 学位论文作者签名 弓地 l 签字日期 叩年 胪占日 觥字 鹰傲 签孝日期 力哆年 月哆网 发l 乜j i 乜气舱挖系统及j t 测控单冗的研究 第一章前言 1 1 课题背景意义 随着电力行业的技术进步 发电厂运行的自动化水平日趋提高 以热工自动 化部分为龙头的发电厂分布式运行监控系统d c s d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m 已 经在新建和改建电厂中得以大量应用u 塌3 目前锅炉 汽机和电气的一体化运行 已经实现 这要求发电厂运行不仅包括锅炉 汽枫自动化丽且包括电气的皂动化 阻1 由于电气设备在电厂中的突出重要位置 传统的电气设备控制都是通过硬 继电器逻辑或专用的自动装置来完成的 并通过硬把手直接控制设备 包括各种 断路器 隔离刀等 l i z j 发电厂的电气部分分为厂用电部分 上网部分和发变机 组 其中厂用电部分直接关系到发电厂的生产与运行 上网部分是发电厂与输电 网发生联系的部分 随着d c s 硬件与软件的不断完善及用户对自动化水平和全厂 一体化等要求的不断提出与提高 迫切需要将电气设备的控制逐步纳入至t j d c s 的 范畴里来 并发展一个相对独立的d c s 子系统一e c s e l e c t r i cc o n t r o ls y s t e m 电气监控系统u 副 以太网是露前应用最广泛的计算机网络技术 受到广泛的技术支持 由于以 太网具有远程i 0 能力 具有很强的互操作性 具有l o m b p s l o o o m b p s 或甚至更高 的通讯速率 网络透性接口卡价格十分便宜和很强的资源共享能力使得以太网技 术为基础的企业内部网互联在企业中大量建立 因此将低速的现场总线与高速的 以太网实现互连 运用予控制系统 己经成为当前测控模式的发展趋势 本课题 是基于以太网和c a n 总线来构建发电厂电气监控系统 1 2 电气监控系统的国内外研究现状 传统的d c s 系统中对电气量的监视 控制j 常有限 尤其是对电气专用智能 设备信息的采集更是少之又少 致使这些设备各自为阵 对运行人员来说 无法 在操作员站的监视器上了解相关信息 有时不得不采用大量的电流 电压变送器 将部分模拟量采集进d c s 系统 或者采用部分硬接线的方式接入d c s 系统 使得 系统复杂 投资增加和资源浪费 发电j 电气监控系统及其测控单几的研究 早期进入d c s 的是数据采集系统d a s d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m 郎重要的 电气模拟量 开关量及电度脉冲量 在d c s 中进行状态监视 越限报警 事故顺 序记录及报表打印等 以后逐步将厂用电动机的控制纳入了d c s 的顺序控制系统 s c s s e q u e n c ec o n t r o ls y s t e m 个别电厂也有将发电机及厂用电的控制进入 d c s 网络控制室也广泛采用了计算机监控系统 但目前即使发电机及厂用电的 控制全部按进入d c s 设计 还仍保留了常规的电气手动控制方式 还保留了较大 的电气控制屏 使得单元控制室的面积不能减少 电气控制系统的投资增加 造 成这种现象的主要原因是由于受到电气传统控制方式的束缚和传统运行 检修专 业划分的影响 电厂运行人员目前对全部c r t 监视 计算机键盘及鼠标操作还有 疑虑 对d c s 的可靠性不放心 因此 曩煎电气控制系统还没能取消常规的手动 控制方式 实现真正意义上的计算机控制 逶过国外公司的介绍和对国内的一些弓 进项墨的了解 国外工程电气控制己 基本进入d c s 而且控制方式也采用c r t 监视 键盘鼠标操作 取消了常规的手动 控制方式 但国内孳 进的工程虽然电气进入了d c s 但常规的手动控制方式没有 完全取消 常规的控制开关仍设在操作台上 发电厂厂用电监控系统既s 技术最初是一对一的控制方式 即设置发电机厂 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 也是发电厂设计原始的控制系统 此方式的控制系统特点是设备 监控简捷明了 自动化程度低 随着计算枫信崽技术盼发展和分散控制技术在囊动控制领域广泛应用 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 并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 功 能 逐渐发展到机电一体化控制系统 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 不间断供电系统u p s 厂用电快切等由 d c s 实现数据采集 6 k v 厂用电保护 3 8 0 v 电动机控制装置 3 8 0 v 配电控制装置 等各自独立 测控功能由d c s 直接进行 德主要存在以下问题 通信麓力比较弱 可靠性不高 串豳链路本身是没有通信可靠性保证的 只能在通信规约中增加确 认一重发机割来保证可靠性 但这是以降低通信效率为代价的 对d c s f 茇的控 制命令无法快速响应 也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 所以常规做法是对这些要参与d c s 2 发l 也j 电气监控系统及其测控单元的研究 顺序控制的电气量专门镳设二次电缆和舷装变送器 出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 投资也很高 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至充分 利用 当今世界网络技术的不断提高促进国民经济的飞速发展 丽网络技术与计算 机技术相结合也引起工业控制领域技术上的飞跃 现场总线在这种背景下发展了 起来 现场总线是全数字纯的 睾行的 双向的通信系统 数字化监控系统的出 现为d c s 提供所需信息接口和控制接豳 完善了d c s 系统的监控范围和自动化程 度 该技术的应用将大大提离发电厂运行的自动化水平n 4 羽 厂用电保护装置和 燃c p c 控制装置已能满足保护 测控和高速透信一体化的要求 通过王业现场 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逶信接口 这时d c s 对参 与顺序控制的电气量的采集和控制完全是以通信软报文的方式进行 不需要二次 电缆硬接线 简化了设计和施王的工作量 节省大量成本 由现场总线组建的控制系统 具有开放 分散 极易扩充等许多优点 在世 雾工业界 现场总线有几个主要的总线标准 如 i s p 默艘 l 洲酌r l c a n 等 1 9 i 在这些总线标准中c a n 以其高性能 高可靠性及其独特的设计越来越受人 们的重视 在国外已有缀多大公司的产菇采用了这一技术 c a n 被公认为是几种最 有前途的现场总线之一 已成为一种国际标准 i s 0 1 1 8 9 8 以太网是目前应用最 广泛的计算机网络技术 受到广泛的技术支持 由于以太霜具有远程i 内能力 具有各类现场总线所无法比拟的互操作性 具l o m b p s l o o o m b p s 或甚至更高的通 讯速率 瓣络遥性接瞬卡价格十分便宣和很强的资源共享能力使得以太网技术为 基础的企业内部网互联在企业中大量建立嘲瑚 近几年 电气专用设备朝着智能 化 小型化 多功能化 信息量大的方向发展 电气专用设备制造厂家 如国 电南瑞 国电南自 北京四方 许继电气 南京东大金智等厂家 纷纷捶蹬了双 c p u 智能型 带现场总线接阴的高可靠性能的产品瞄引 加之这些厂家也推出了 鸯主知识产权的电气练合基动纯系统 如l s a 3 0 0 0 系统 使e c s 功能扩展 实现 3 发i 乜j 电气j 瞌控系统及其测控单冗的研究 电气综合自动化同时保证电气系统的相对独立性的条件已经成熟睇争3 引 发电厂配 置只傈黧极少量的硬接线 全部采用通信方式连接的模式已成力一种趋势 如3 引 计算机数字网络技术的发展特别是应用于恶劣工业环境的现场总线控制系统 咒s f i e l dc o n t r o ls y s t e m 的诞生 为电气二次专业与热控专业的融合创造了 契机 近年来 国内为此进行了许多有益的探索和尝试 并取得了一定的经验 f c s 在变电站综合自动化系统中的应用已经积累了丰富的设计 制造 运行和维 护经验 大大提高了变电站的自动化水平 普遍认为厂用电系统电气设备的测 量 控制和保护以f c s 进入d c s 是今后的发展方向 f c s 打破了传统d c s 的位于底层的现场级的结构形式 传统d c s 在现场级采用 对一的设备连接 按控制回路分别进行连接 位子现场的测量变送器与位于控 制室的控制器之间 控制器与位于现场的执行器 开关之间均为一对一的物理连 接 在一条线缆上只能进行单向的模拟信号传输 f c s 采用智能现场设备 能把 原来d c s 底层的现场级模块置入现场智能设备中 同时 现场智能设备具备了完 全的数字通信能力 现场的测量变送仪表之间及现场仪表和过程级计算机之间可 直接传递数字信息 f c s 采用数字信号代替模拟信号传输 因而可在一对线缆上传 输多个数字量 实现了彻底的分散控制和完全的现场级全数字化通信 为发电厂 生产全过程自动化的实现做好了准备 1 3 现场总线技术简介 董 c i m s c o m p u t e ri n t e g r a t e dm a k i n gs y s t e m 体系结构及工业数据结构的 层次划分 根据工厂管理 生产过程及功熊要求 c l m s 体系结构可分隽5 层 帮工厂级 车间级 单元级 工作站级和现场级 简化的c l m s 则分为3 层 即工厂级 车间 级和现场级 在一个现代化工厂环境中 在大规模的工业生产过程控制中 工业 数据结构同样分为这三个层次 与简化的网络层次相对应 如图i i 所示 现场级与车闽级鸯动化监控及信息集成系统主要完成底层设备单机控制 连 机控制 通信连网 在线设备状态监测及现场设备运行 生产数据的采集 存储 统计等功能 保证现场设备高质量完成生产任务 并将现场设备生产及运行数据 信息传送到工厂管理层 向工厂级m i s 系统数据库提供数据 同时也可接受工厂 4 发i 乜ji 乜气 氍摔系统及j l 测挖峄儿的研究 管理层下达的生产管理及调度命令并执行之 因此 现场级与车间级监控及信息 集成系统是实现工厂自动化及c l m s 系统的基础 工厂管理级 曼i 网9 五日b 星曰 吐卜 凰 凰 茸 兰h 点 曲 图卜l 简化的c i m s 网络体系结构 现场级与车间级自动化监控及信息集成系统主要完成底层设备单机控制 连 机控制 通信连网 在线设备状态监测及现场设备运行 生产数据的采集 存储 统计等功能 保证现场设备高质量完成生产任务 并将现场设备生产及运行数据 信息传送到工厂管理层 向工厂级m i s 系统数据库提供数据 同时也可接受工厂 管理层下达的生产管理及调度命令并执行之 因此 现场级与车间级监控及信息 集成系统是实现工厂自动化及c i m s 系统的基础 传统的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统 包括 基于p c p l c d c s 产品的分布式控制系统 其主要特点之一是 现场层设备与控制器之间的连 接是一对一 一个i 0 点对设备的一个测控点 所谓i 0 接线方式 信号传递4 2 0 m a 传送模拟量信息 或2 4 v d c 传送开关量信息 信号 如图卜2 所示 系统的主要缺点 1 信息集成能力不强 控制器与现场设备之间靠i 0 连线连接 传送4 2 0 m a 模拟量信号或2 4 v d c 等开关量信号 并以此监控现场设备 这样 控制器获 取信息量有限 大量的数据如设备参数 故障及故障纪录等数据很难得到 底层 数据不全 信息集成能力不强 不能完全满足c m s 系统对底层数据的要求 车间级 车间级 现场级 口j 同 l 面鱼鱼博蠹 盘 兰氲百瓦 叠 监 c 图1 2 传统的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统 2 系统不开放 可集成性差 专业性不强 除现场设备均靠标准4 2 0 m a 2 4 v d c 连接 系统其它软 硬件通常只能使用一家产品 不同厂家产品之问缺乏互 操作性 互换性 因此可集成性差 这种系统很少留出接口 允许其它厂商将自 己专长的控制技术 如控制算法 工艺流程 配方等集成到通用系统中去 因此 面向行业的监控系统很少 3 可靠性不易保证 对于大范围的分布式系统 大量的i o 电缆及敷设施 工 不仅增加成本 也增加了系统的不可靠性 4 可维护性不高 由于现场级设备信息不全 现场级设备的在线故障诊断 报警 记录功能不强 另一方面也很难完成现场设备的远程参数设定 修改等参 数化功能 影响了系统的可维护性 2 基于现场总线的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统 基于现场总线技术的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统如图i 3 所示 系统主要优点 1 增强了现场级信息集成能力 现场总线可从现场设备获取大量丰富信息 能够更好的满足工厂自动化及c i m s 系统的信息集成要求 现场总线是数字化通信 网络 它不单纯取代4 2 0 m a 信号 还可实现设备状念 故障 参数信息传送 系 统除完成远程控制 还可完成远程参数化工作 f2 丌放式 互操作性 互换性 可集成性 不同厂家产品只要使用同一总 发i uji b 气 氍挎系统及j e 测摔学兀的研究 图卜3 基于现场总线的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统 线标准 就具有互操作性 互换性 因此设备具有很好的可集成性 系统为开放 式 允许其它厂商将自己专长的控制技术 如控制算法 工艺流程 配方等集成 到通用系统中去 因此 市场上将有许多面向行业特点的监控系统 3 系统可靠性高 可维护性好 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 系统来说 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 修改等参数化工作 也增强了系统的可维护性 4 降低了系统及工程成本 对大范围 大规模i o 的分布式系统来说 省 去了大量的电缆 i o 模块及电缆敷设工程费用 降低了系统及工程成本 3 现场总线标准 现场总线技术得以实现的一个关键问题 是要在自动化行业中形成一个制造 商们共同遵守的现场总线通信协议技术标准 制造商们能按照标准生产品 系统 集成商们能按照标准将不同产品组成系统 这就提出了现场总线标准的问题 国 际上著名自动化产品及现场设备生产厂家 意识到现场总线技术是未来发展方向 纷纷结成企业联盟 推出自己的总线标准及产品 在市场上培养用户 扩大影响 并积极支持国际标准组织制定现场总线国际标准 能否使自己总线技术标准在未 来国际标准中占有较大比例成份 关系到该公司相关产品前途 用户的信任及企 业的名誉 而历史经验证明 国际标准都是采用一个或几个市场上最成功的技术 为基础 因此 各大国际公司在制定现场总线国际标准中的竞争 体现了各公司 发l 乜j 电气j 临拎系统及其测控单 心的研究 在技术领先地位上的竞争 而其最终还是要归结到市场实力的竞争 据说目前国 际上现有各种总线及总线标准不下二百多种 具有一定影响和已占有 定市场份 额的总线有如下几种 1 p r o f i b u s 现场总线 1 9 9 6 年3 月1 5 日批准为欧洲标准 即d i n5 0 1 7 0v 2 p r o f i b u s 产品在世界 市场上黾被普遍接受 市场份额占欧洲首位 年增长率2 5 星前支持p r o f i b u s 标准的产品超过1 5 0 0 多种 分别来自国际上2 5 0 多个生产厂家 在世界范围内已 安装运行的p r o f i b u s 设备已超过2 0 0 万台 到1 9 9 8 年5 胄 适用于过程皇动化 的p r o f i b u s p a 仪表设备在1 9 个国家的4 0 个用户厂家投入现场运行 1 9 8 5 年组 建了p r o f i b u s 匿际支持中心 1 9 8 9 年1 2 月建立了p r o f i b u s 用户组织 p n o 目前在世界各地相继组建了2 0 个地区性的用户组织 企业会员近6 5 0 家 1 9 9 7 年 胃组建了中国现场总线 p r o f i b u s 专业委员会 并筹建现场总线p r o f i b u s 产 品演示及认证的实验室 主要应用领域有 制造业囱动化 汽车制造 机器人 装配线 冲压线等 造纸 纺织 过程控制自动化 楼宇 铁路交通 2 f f 现场总线 1 9 9 4 年由i s p 基金会和w o r l df i p j l 荧 两大集团合荠成立f f 基金会 其宗 旨在于歼发出符合i e c 和i s o 标准的 唯一的国际现场总线 f u n d a t i o nf i e l d b u s 低速总线 辑王 协议已于1 9 9 6 年发表 已完成开发的离速总线 嚣2 拟予羔 9 9 8 年内表 1 9 9 7 年5 月建立了中国现场总线 f f 专业委员会 并筹建f f 现场 总线产晶认证中心 曩翦 释现场总线的应用领域以过程自动化为主 如 化工 电力厂实验系统 废水处理 油e f j 等行业 3 毛罐鼢r s 总线 l o n w o r k s 现场总线全称为l o n w o r k s 制e t w o r k s 即分布式智能控制网络技术 希望接溺能够适合各种现场总线赢用场合的测控网络 露翁l o n g w o r k s 应焉范露 广泛 主要包括工业控制 楼宇自动化 数据采集 s c a d a 系统等 国内主要应用 予楼宇舞动他方面 4 c a n b u s 现场总线 c a n b u s 现场总线已囊i s o t c 2 2 技术委员会批准力国际标准l o s1 1 8 9 8 通讯 速率小于1 m b p s 和i s o l1 5 1 9 通讯速率小于1 2 5 k b p s c a n b u s 主要产品应用 8 发 逸j 乜气艇挖系统及j 测按謦死魄磺究 于汽车制造 公共交道车辆 枫器入 液压系统 分散型i 0 另外在电梯 医疗 器械 王具机床 楼字舞动化电力 电力 发电 输配电等场合均有所应用 5 w o r l d f i p 现场总线 9 0 9 1 年f i p 现场总线成为法国国家安全标准 9 6 年成为欧洲标准 e n5 0 1 7 0v 3 下一步目标是靠近i e c 标准 现在技术上已做好充分准备 w o r l d f i p 国 际组织在北京设有办事处 即w o r l d f i p 中国信息中心 负责中国的技术支持 w o r l d f i p 现场总线采用单一总线结构来适应不同应用领域的需求 不同应用领域采 用不露的总线速率 过程控制采用3 1 2 5 k b p s 制造业为埘b p s 驱动控制为羔 2 5 m b p s 采用总线仲裁器和优先级来管理总线上 包括各支线 的各控制站的通信 可进行1 对l l 对多点 组 l 对全体等多重通信方式 在应用系统中 可采 用双总线结构 其中一条总线为备用线 增加了系统运行的安全性 w o r l d f i p 现场总线适用范围广泛 在过程自动化 制造业自动化 电力及楼 字自动化方面都有很好的应用 6 p n e t 现场总线 p n e t 现场总线筹建于己于1 9 8 3 年 1 9 8 4 年推出采用多重主站现场总线鲍第 一批产晶 1 9 8 6 年通信协议中加入了多重网络结构和多重接鞠功巍 1 9 8 7 年推出 p n e t 的多重接口产品 1 9 8 7 年p n e t 标准成为开放式的完整标准 成为丹麦的 国家标准 1 9 9 6 年成为欧洲总线标准的一部分 e n5 0 1 7 0v 1 1 9 9 7 年组建国 际p n e t 用户组织 现有企业会员近百家 总部设在丹麦的s i e k e b o r g 并在德国 英毽 葡萄矛和加拿大等地设有地区性组织分部 p n e t 现场总线在欧洲及托美地 区褥到广泛应用 其中包括磊演化工 能源 交通 轻工 建材 环保王程和制 造业等应用领域 1 4 本论文的研究虽的和主要内容 随着机组向大容量 高参数发展 发电厂的电气自动化程度却越来越重要 但电气的监控由于传统的原因 自动化水平仍较低 随着电力市场的发展 要 求运行人员必须具有对电气系统参数集中监控的手段 特别是对发电厂电气系统 的运行管理 并与电气防误操作相结合 提高电气控制的安全性和可靠性 因 此 提离电厂的电气自动化控制水平的要求日益增加 本论文的研究目的是针对 9 发电厂电气监控系统殷j e 测控举j c 的研究 目前发电厂中 电气系统国动化利用先进的c a n 总线 以太网技术以及微机技 术 研究设计了发电厂的电气监控系统组网及其测控单元 本课题研究的方向是先进合理的发电厂电气监控 e c s 方案 本论文的内容 具体安摊如下 绪论首先论述了选题的背景意义 发展历程 现状和发展趋势 介 绍了现场总线技术的发展及标准 第二章分析了发电厂厂用电系统现状 第三章 主要分拼了发电厂电气监控系统的组态模式 设计了监控系统的具体构建 第豳 章主要介绍了测控单元的硬件和软件设计以及监控系统的通讯策略 包括c a n 总 线所采用的通信协议 1 0 3 规约以及c a n 总线的通信方式 第五章整篇论文的结 论 1 0 发i 毡j 酞气艇挎系统及葵测控肇元的研究 第二章发电厂厂用电系统现状分析 改革开放以后 发电厂厂用电系统确实在改进和进步 正在从以前 可靠的 接线 简单的设备 这一传统概念 过渡到 可靠的设备 简单的接线 这一新 概念上来 恧大量先进电气设备的弓 进 也对这种薪概念的实施提供了基本保 障 从而大大减轻运行人员的劳动强度 为所有工艺系统都进入计算机控制奠定 良好基础h 2 1 厂用电系统及负荷分类 厂用电系统即厂用电气受荷的供电系统 按电源种类可分为交流厂用负荷及 直流厂用负荷 绝大部分的厂用负荷使用交流电源 只有那些必须用直流电源或 在全厂各种交流电消失后仍需继续运行的负荷 由另设的直流电源供电 如各种 保护 控制 通信系统及直流电机等 u p s 按其实际使用的电压亦为交流负荷 厂用负荷按其供电电压分为高压厂用负荷和低压厂用负荷 我国的火力发电厂 中 高压厂用电压有i o k v 6 k v 3 k v 三种 其中6 k v 最常见 低压厂用电包括交 流厂用电和直流厂用电 但一般将低压交流厂雳电系统称为低压厂用电系统 直 流厂用电系统单独划为 直流系统 高低压厂用负荷的界线定予2 0 0 k w 即 当负荷容量大于或等于2 0 0 k w 时 接6 k v 系统 当小于2 0 0 k w 时 接于3 8 0 v 2 2 0 v 系统 大型机组中 要求将直流的动力和控制系统分开供电 往往采用2 2 0 v 和 l l o v 两种电压 前者为动力系统电源 后者为控制系统电源 厂用负荷按其在生产过程中的重要性可划分为 王 芝类负荷 对电厂生产极其重要 既便是在瞬闻断电焉由手动恢复供电前 的短时停电中也可能危及人身及设备安全 使生产停顿或发电量大幅度下降 如 送 引风机及给水泵等 这类负荷要求将其接于供电可靠性较高的母线上 且一 旦工作电源故障后 应有备用电源自动投入 在设备配置方面 往往采用专门配 置备用设备的方式 如凝结水泵 循环水泵等 个别不配置备用设备 但要求双 电源供电 设自动切换装置 保证设备运行安全 如发电机励磁用的硅整流盘通 风机 量交压器的强油循环泵电源等 2 l l 类负荷 允许短时黼停电 但如停瞧对阆过长 有可能损坏设备或正 常生产 如钢球磨煤机 碎煤机等 i l 类负荷与i 类负荷的供电方式基本相同 所不同的仅是备用电源不用自动投入 丽用手动投入即可 1 1 发i uj i u 气雌拄系统殷j e 测控单允的研究 3 i i i 类负荷 一般与生产工艺过程无壹接关系 即便较长时间停电 也不会 直接影响到正嵩运行 如油处理设施及中央修配厂等负荷 这类负荷允许只有一 个电源 在有条件情况下也设有备用电源 但没有备用设备 4 类负蘅 随着机组容量加大及自动化水平的不断提离 有些负荷对电 源可靠性的要求也越来越高 如机组计算机控制系统要求电源的停电时间小于 5 m s 否则将造成数据丢失或失控 这类负荷是不停电负荷 般的电源自动切 换系统己不能满足要求 所以专门采用不停电电源 1 i p s 或逆变机组供电 5 v 类负荷 直流负荷 自始至终一直壶直流系统供电 6 类负荷 在机组启停中起极为重要的作用 而在正常运行工作情况时 只相当予王类乃至l l 类负赞 如发电机的盘举电动机 交流漏滑油泵等 若在箨 机时失去电源 将造成发电机大轴弯曲和轴瓦烧损事故 这类负荷称为 事故保 安受荷 大机组电厂中 般采用柴油发电枫作为保安电源供电 当电力系统停 电或全厂事故停电停机时 柴油发电机快速起动向i h 类负荷供电 2 2 高压厂用电系统 2 0 0 m w 及以上机组的高压厂用电系统相对独立 具有以下特点 1 小容量机组的高压厂用母线一般按炉分段 当单机容量为2 0 0 m w 以上时 实际已是按机组分段了 2 i o o m w 和1 2 5 m w 及以上的枧组 其离压厂用电源都是从发电视出口母线处 通过厂用变压器引接的 厂用电系统的备用电源另设 机组启动时先豳备用电源 向厂用电系统供电 待运行系统正常后 煲 j 手动切换至工作电源 3 有些大机组的高压厂用变压器也采用了有载调压变压器 这样可以很好 地保证厂用电的质量 尤其是对于存在进相运行可能的发电机组 更是如此 另 外 有些电厂采用了有载调压变压器后 在发电机的出口再加装断路器 在机组 启动时 可先断开此断路器 厂用变压器由电力系统反送电 待发电机投入后 便自动由发电机供给电源 这种方式可不再另设启动电源 大中型电厂的高压厂用的启动 备用电源 由于基本都是发电机 主变压器 单元制接线 因此一般从厂内最低 级的升高电压母线引接 1i o k v 或2 2 0 k v 当 大型发电厂内只有一级超高压母线时 如5 0 0 k v 般从附近其有足够容量的较 低级电压系统用专用线路引入所需电源 1 2 发 乜j 电气瞻豁系统及j e 测拄单 e 的研究 摹辊容量在2 0 0 6 0 0 m w 时每两台丽型枫组设一台高压起动 备用电源 但国内 目前单机容量6 0 0 m w 机组为安全起见 在有关实际技术舰程中要求 在发电机出口 部装设断路器或负褥开关时 应考虑一台高压启动 备焉变压器检修时 不影 响任一台机组的启停 因此 目前国内设计的6 0 0 1 v b v 机组每一启动 备用电源都 有两台较小容量的癌动 备用变压器缀成 国产6 0 0 m w 机组的厂熊变压器设置 也 采用了较小的两台同容量分裂变压器并列运行方式 这可以降低厂用电系统的短 路水平以及每个低压绕组出弱断路器的额定电流 提高厂用电源的运行可靠性 由于高压厂用启动 备用电源的设置相衔接 因此 高压厂用段分成四段 而高 压公用段仍只有两段 4 高压厂用电系统的中性点接地 最常见的有不接地 经高阻接地 经消 弧线圈接地 经中电阻接地四种方式 国内有关厂用电实际规定 当单相接地故 障电流大于5 a 时 应装设单相接地保护 单相接地电流为i o a 及以上时应动作于 回路断路器跳闻 单相接地电流小予i o a 时保护装置可动作于跳闸 也可动作于 信号 2 0 0 1 v f f 及以下机组的高压厂用电系统中 电容电流一般不会大于5 一l o a 所 以传统上一直采用不接地系统 这种接地方式较简单 接线也方便 3 0 0 m w 及以 上容量的机组高压厂用电中 也多采用这类接线 但由于大机组中的单相接地电 流肯定会增大 所以有必要采取限制单相接地电流的措施 主要有采用分裂变压 器和共相封闭母线向厂用配电装置供电等 为了降低高压厂用电中性点不接地系统中可能出现的异常过电压 近年来国 内一些大机组电厂的6 3 k v 厂用电系统中性点上采用了离电阻接地方式 也可经 消弧线圈接地方式 目前国内设计中推荐采用电阻与消弧线圈并联的接地方式 国内大机组的高压厂用电系统中 较多的还是采用常规的中性点不接地方式或高 电阻接地方式 单相接地保护的配置视接地电流大小而定 2 3 低压厂用电系统 低压厂用电电压一般为3 8 0 2 2 0 v 所接电动机容量为2 0 0 k w 及以下 比高压 厂用负荷多了 保安负荷 和 不问断供电负荷 2 3 1 大机组低压厂用电接线方式 大机组低压厂用电接线方式已由 中央盘一车间盘 接线发展成为 动力中 心一电动机控制中心 方式 简称为 p c m c c 接线 p o w e rc e n t r a l 刊0 t o r c o n t r o lc e n t r a l 发电厂电气监控系统殷葵测控学 已的埘f 究 在中央盘一车间盘接线中 正常运行时由低压工作变压器供电 备用电源只 有在工作变压器停运时才投入运行 当低压母线发生故障或需检修停运对 首先 需将电源都停下来 将母线分段隔离开关打开 再舍上不停电部分的电源 互为 备用的负荷分别接于两个不同的半段上 以适应这种母线接线方式 车间盘是单 母线但不分段 其电源自中央盘上引接 车间盘上接有i 类负荷时 采用双电源 进线 但双电源 般都从同一中央盘引接 因为车闻盘供电的可靠性相对较低 所以将i 类负荷和4 0 k w 以上的i i 类负荷都接于中央盘 这种接线原则即 用低价 的设备 以复杂的接线来保证供电的可靠性 p c m c c 接线如篷2 一王所示 其特 点如下 弋一 一 忪 一 夕 夕j i w 5 i w 4 图2 1p c m c c 接线示意图 1 第一级供电 p c 段 所用设备采用抽屉式开关柜 各回路间有封闭隔板 运行中可以迅速更换开断元件等重要设备 而孛央段一般采用普通配电柜 回路 间无隔板 运行中检修某一回路很困难 不能在运行中更换开断元件等重要设 备 2 第二级供电 m c c 段 所用设备亦采用抽屉式开关和断路器 车间盘使用配 电籍不能使用断路器 特点丽上 3 p c m c c 的负荷接法按负荷的容量分类 7 5 k w 及以上接p c 7 5 k w 以下接 m c c 中央盘一车闻盘接线负荷按重要性接线 i 类 l l 类 4 0 k w 以上负荷接中 央盘 其余接车间盘 1 4 发t 也 l b 气艇挖蓉统及j 溅挖麟正的研究 4 虽然p c m c c 用摹电源供电 但大枫组中的重要辅机都设备用设备 设备 与备用设备接于两个不同的半段上 丽m c c 嚣半段的电源由分别来自不同的变压 器 完全可以起到互为备用作用 p c m c c 的第一级供电设备容量 动 热稳态电 流是中央盘一车间盘接线的2 倍以上 5 p c m c c 接线中的变压器都互为备用状态 正常运行时只带5 0 6 0 的负 荷 只有在一台交压器停运时 另一台变压器才满载运行 所以电源可靠性比中 央盘一车间盘接线要高 但造价也要比中央盘一车间盘接线高 因此爵前3 0 0 m w 及以上机组的低压厂用系统采用瓦一粥c 接线 2 3 2 低压厂用电系统的中性点接地方式 长期以来 国内电厂均采用直接接地方式 自8 0 年代引进国外的设计技术 后 出现了中性点不接地或经高电阻接地的运行方式 采用了中性点不接地方式 后 使用低羼厂用变压器系统极不方便 如所有采用2 2 0 v 的设备和分散的附属建 筑照明都需另设单独的3 8 0 2 2 0 v 中性点接她的隔离变压器 中性点不接地系统 供电网络优越性主要有 1 馈电电缆发生单相接地时 允许继续运行一段时间 2 单相接地故障时不要求回路熔断器动作 3 系统单相接地电流很小 在由小容量变压器供电的系统中可以相对减少 在发生人身触电事故时造成的烧伤及生命危险 4 由于单相接地时圆路保护的熔断器不用动作 可以相对减少因两相运行 烧毁电动机的故障率 由于上述等原因 d l 5 0 0 0 火力发电厂设计技术规程 中强调了在 主厂房 内的低压厂用电系统宣采用高电阻接地方式 也可采用中性点直接接地方式 所以必须考虑两种接地方式的问题 2 3 3 交流保安电源的选择和配置 藿内有关规程规定 2 0 0 k w 及以上机组应配置交流事故僳安电源 保安负荷 按启动时间可分为瞬时窟动负荷和延时鏖动受荷两种 按负荷性质可分为旋转负 荷和静止负荷两种 机组主要保安负荷有 项轴油泵 盘车装置 交流润滑油 泵 氢密封油泵 回转式空气预热器盘车装置及润滑油泵 交流不停电电源 机 炉的自动化热工电动阀门 蓄电池浮充电装置 各辅机交流润滑油泵 事故照 蹰 电梯 消防水泵 高烟筒标志照明 柴油发电机房的自用电 主蒸汽高压旁 1 5 发电j l b 气 临捧系统殷j e 测挖单厄的研究 路阀门油泵 火焰监视器冷却风机 汽动给水泵盘车 汽动给水泵润滑油泵 主 油箱排烟风枫 再热器安全门油泵 加热电源等2 l 项 保安电源必须具备 独立性强 可靠性离 电能质量满足要求 容量足够 大 快速带负荷性能好 维护工作蓬小 经济效益好七项条件 保安电源的设置 有以下三种形式 1 从外部引接电源 这种方式具有设计施工简单 运行维护方便 电源容 量足够大的优点 但是要求该电源必须与电厂所接的电力系统有相对的独立性与 可靠性 以免在上述电力系统故障停电酎其本身也失去电压 丽真正符合这种要 求的电源 在电力系统是很少存在的 正因为外接电源的独立性较低 所以目前 在大电厂设计中极少采震 2 采用直一交流逆变机组 嘲一台交流电动 发电机和一台直流电动 发电 机组藕合组成 正常时交流电机呈电动机运行并带动呈发电机运行的直流电机向 蓄电池浮充电 事故时直流电机呈电动机运行 带动呈发电机状态的交流电机向 不闻断供电受荷供电 由予逆变帆维本身和蓄电渣容量有限 输出功率仅在7 5 k w 左右 只能满足2 0 0 m w 机组保安电源要求 且逆变机组总在运行状态 元件磨损 率很高 维护工作量很大 所以机组采用这种方式很少 3 快速自启动柴油发电机组 这是近十年来2 0 0 k w 3 0 0 k w 6