DCS監控 - 核電廠電氣系統納入DCS監控方案
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摘要:紹了電力行業將電氣系統納入DCS監控的發展歷史和現狀,歸納了電氣納入DCS監控的優點;結合嶺澳二期工程項目的特點,提出了電氣納入DCS的原則、主要內容,及一套初步的實施方案.
分散控制系統(DCS)以微機處理器為基礎,融合了計算機技術、通信技術和圖形顯示等現代技術,整個系統由各個獨立子系統組成,各個子系統之間利用通信網絡進行數據交換,共享系統資源,使控制系統成為一個完整的整體,實現“分散控制,集中監控”,提了系統的可靠性、安全性、經濟性和靈活性,具有較的性能價格比,在國內外電廠和其他的工業自動控制領域獲得了廣泛的應用.
國內20世紀90年代以后設計的300MW及以上的機組,熱工控制協調基本采用了DCS,之前建設的電廠也紛紛開始了DCS改造.相比之下,電氣控制納入DCS要落后許多.在熱工控制自動化水平很的情況下,傳統的電氣控制方式已不能與熱工DCS控制方式相協調,直接影響到了電廠自動化控制水平的全面提.因此,提電氣自動化控制水平的需求日益增加.
1電氣納入DCS的現狀
起初只是電氣進入DCS的數據采集系統DAS,即重要的電氣模擬量、開關量及電度脈沖量在DCS中進行狀態監視、越限報警、事故順序記錄及報表打印等.以后逐步將廠用電動機的控制納入了DCS的順序控制系統SCS,發電機以及廠用電的控制也相繼納入了DCS.但在相當長一段時間里,即使將發電機和廠用電的控制全部按進入DCS設計,許多電廠還仍然保留了較大的電氣控制屏.造成這種現象的主要原因是由于受到電氣傳統控制方式的束縛和傳統運行、檢修專業劃分的影響,電廠運行人員對全部CRT監視、計算機鍵盤及鼠標操作還有疑慮,對DCS的可靠性不放心.隨著電廠DCS系統可靠性的提,運行經驗的積累,這種冗余設置的弊端日益突現.由于控制室的面積不能減少,電氣控制系統投資的額外增加,特別是增加的運行維護工作量都使得電廠的經濟效益受到了一定的影響.
在2002年新版的《火力發電廠、變電所二次接線設計技術規程》中,增加了關于發電廠電氣系統的計算機監控及變電所和發電廠網絡部分的計算機監控.針對單元控制室的布置,規程規定:“對DCS控制方式,操作員站及輔助屏的設置應與熱控專業相協調”;對于電氣系統的計算機監控部分,要求:“當單元機組的電氣系統采用DCS控制時,在單元控制室內,電氣、熱控的自動化水平宜協調一致”.這份新規程的實施,預示著電氣進入DCS控制已不再是探索,而是進入了全面的推進階段.所以近幾年新建電廠都紛紛取消了常規的手動控制方式,開始全面采用計算機控制.
2電氣納入DCS監控的優點
將電氣系統納入DCS監控與以往的電氣設備在輔助控制屏上用控制開關實行一對一強電硬手操作及監測采用常規儀表方案相比,具有以下主要優點:
(1)減少控制室面積.電氣納入DCS監控,原有的硬操控制開關、顯示儀表、報警光字牌可大大減少,輔助屏可以減小或者取消,減少控制室占地面積,使整個控制室布置更加協調美觀.
(2)減少運行、檢修人員工作量.由于DCS系統的硬件設備均為標準化模塊,檢修、更換非常方便,同時,原有的控制開關及常規儀表備品備件的數量和種類可以減少,降低了檢修人員的工作量;DCS系統都采用標準的圖形化界面,軟件系統操作簡單、易學易用;各種必要的電氣量參數都可以在CRT上得到,免去了現場抄表的不便;利用同樣的操作站可以同時完成機電爐等各系統的操作,操作界面統一.
(3)系統運行更加安全、可靠.采用計算機控制后,運行人員的操作主要通過鍵盤和鼠標實現,計算機系統預設的自診斷和連鎖保護功能,可以指導運行人員按照正確的順序執行操作,提供豐富的附加信息幫助運行人員做出正確的判斷;特別是數字化運行規程的使用,可以減少人因錯誤的發生.
(4)可實現信息的實時交換.通過網絡與其他系統進行通信,實現信息實時交換和共享.目前尚獨立于DCS控制之外的電氣專有裝置,比如發變組保護、自動準同期裝置、發電機自動調整勵磁裝置都已經實現了數字化,在這些數字化裝置和DCS之間建立通信,可以很方便的進行大量數據信息的即時交換.
(5)結合更多的智能型終端設備,可以節約控制電纜.傳統的控制方式下,1個電氣量如果被多個用戶使用,就需要同時送到多個用戶處,而且1個信號就需要1對信號線.現在數字設備之間的數據交換可以采用數據總線或者光纜連接,特別是配合遠程I/O的使用,可以在大幅增加數據量的同時減少電纜的敷設數量,既節省了投資也方便了施工.
3嶺澳二期項目電氣納入DCS初步方案
3.1電氣納入DCS監控的主要原則
根據初步設計階段的設計成果以及能夠獲得的資料和信息,對于主要電氣系統和設備與DCS的關系按照以下幾條原則考慮.
(1)嶺澳一期位于主控室內的電氣部分的人機接口信息(包括報警、顯示和手操指令等)都進入DCS監控系統,利用屏幕和鍵盤代替常規控制盤;對于其他保護、控制邏輯等功能是利用DCS的軟硬件實現,還是由電氣的專用裝置實現要根據實際情況分別確認,如果是一般的沒有特殊要求的邏輯控制功能應該盡量利用DCS的軟硬件實現,達到簡化電氣設計的目的.
(2)部分重要的電氣操作除了利用DCS監控系統進行操作外,還要同時考慮設置硬接線操作(包括發電機出口斷路器、磁場開關、應急柴油發電機的手動啟動等手操按鈕和部分重要的報警光字牌、常規儀表).
(3)6kV廠用電切換功能繼續遵循嶺澳一期的設計,只采用慢速切換功能,它對切換裝置的快速性、準確性要求不,適合通過DCS來實現.因此,中壓廠用電系統的降壓變供電、輔變供電和應急柴油發電機供電的相互切換,將由DCS的控制器實現.
(4)有部分系統是屬于機組公用或全廠公用的,如何進入DCS系統,要參照其他工藝系統的做法統一考慮.一般是設置專門的公用系統控制站,負責數據的I/O和控制運算等,與一般控制站不同的是,公用控制站必須與2臺單元機組的DCS監控系統建立聯系,以保證每臺機組都可以透明地看到公用系統的信息,同時每臺機組都可以對公用系統施加必須的控制.一個重要的原則是保證每臺機組的DCS工作站都可以對公用系統進行監視和控制,同時必須確保任何時候只能在一個地方發出有效指令.
(5)電氣專用裝置和DCS監控系統的數據交換可以采用硬接線或是其他通信協議,對于微機型的電氣專用裝置,如果數據交換量比較大,或者利用硬接線方式無法獲得全部有用的信息,則應該優先考慮通信方式.具體采用的通訊協議要統一考慮,盡量采用開放的,標準的,能夠獲得市場上多數工業廠商支持的協議.
(6)對于應急柴油發電機的卸、帶載程序,由于這部分功能與反應堆保護關系密切,也屬于專設安全設施的一部分,從安全分級上考慮需要使用核安全級的控制裝置實現其功能;從功能上考慮屬于典型的邏輯控制,適合采用PLC或其他的數字控制手段實現,因此將這部分功能并入反應堆保護系統,利用核安全級的DCS控制系統實現.
(7)發電機的自動準同步功能由電氣采購專用的準同步裝置來實現其邏輯控制部分,但準同期裝置的啟動和狀態監測在DCS監控系統內實現;根據新的《火電廠二次接線設計技術規程》規定:發電機變壓器組由DCS順控時,宜不設手動準同步,因此不考慮設置常規的手動準同步設備.
(8)原嶺澳一期的公用控制室內有500kV開關站的一套監控工作站,可以對壓開關站的設備進行操作和監視.如果二期取消公用控制室,繼續要求設置一套監控工作站會存在布置上的困難;另外從經濟合理的角度考慮,也應該盡量避免不必要的冗余設置,嶺澳二期的控制室內不再保留500kV開關站的專用監控站是可行的.在開關站的網控室內有2套工作站,二期機組運行維修人員的計劃性的操作可以在那里進行;另外對于整個開關站設備的日常監視可以委托嶺澳一期的運行人員實施.在DCS監控系統內保留與機組壓并網有關的2個500kV斷路器的控制及其相關設備的狀態信息,目的是保證在進行壓并網和解列的時候,僅利用DCS監控系統就可以進行.
(9)與通訊系統相關的廣播、告警、尋呼、電話和控制臺等部分因為功能獨立,并且有自己的監控系統或是獨立的控制臺,不考慮與DCS系統相連.
(10)根據國家的消防安全規范,火災探測系統在控制室必須設置專用的中央報警控制屏,因此在功能上與DCS保持獨立,只送系統故障和火警總信號至DCS.
3.2電氣納入DCS監控的具體內容
按照電氣系統的功能組成,可以納入DCS監控的電氣系統包括以下幾個部分:
(1)發電機變壓器組;(2)發電機勵磁系統;(3)廠用低壓電源;(4)單元低壓變壓器;(5)單元程控電動機;(6)應急柴油發電機;(7)直流和不間斷電源系統.
部分電氣系統功能,如發電機的勵磁調節,自動準同期,發變組保護,故障錄波,廠用配電系統的保護,由于其專用性很強,對可靠性和響應速度要求較,目前用DCS實現其功能仍有較大困難或者在技術上尚不成熟,因此,這部分電氣功能還不能完全利用DCS實現全部邏輯,需要另外采購電氣專用裝置實現底層的控制邏輯,但這些裝置的層邏輯,即與人機接口有關的部分依然通過DCS的監控系統實現.
參照嶺澳一期電氣系統的實際設計情況,結合前面確定的各項原則,電氣納入DCS監控的具體內容如下:
3.2.1電能產生和傳輸系統
這部分包括的電氣設備有:發電機、發電機出口斷路器、分相封閉母線、主變壓器以及開關站壓斷路器.在電站的功率運行狀態下,發電機產生的電能通過主變壓器的升壓送到500kV開關站,再通過開關站的3條線路輸出到電網中去.由DCS系統實現下述功能:
(1)能產生和傳輸系統單線圖(包括發電機、發電機出口斷路器、主變、分相封閉母線、壓電網開關);
(2)電機勵磁系統單線圖,
(3)發電機、發電機出口斷路器、主變、分相封閉母線等設備的參數檢測(包括電壓、電流、功率、電度、溫度、壓力、油位等);
(4)電氣參數的趨勢圖;
(5)各種統計數據和圖形,比如發電機和降壓變的電能數據;
(6)主變有載調壓開關的位置指示和操作(如果是無載調壓,只需要指示功能);
(7)發電機出口斷路器、壓電網開關和發電機勵磁開關的操作;
(8)發電機AVR裝置的調節和狀態指示,例如自動和手動運行模式的切換、電壓給定值的調節以及PSS的投切;
(9)發電機自動準同期裝置的控制監視,例如同期模式選擇、同期指令的觸發,以及同期過程中為運行人員提供同期狀態的監視畫面;
(10)發變組保護裝置的后臺監視.
3.2.2廠用電源系統
廠用電源系統包括降壓變、輔助變、正常廠用電系統、應急廠用電系統、UPS電源系統、直流電源系統、應急柴油發電機等.
廠用電源系統的任務是為所有的電氣設備提供合格可用的電源.這個系統分布在核島、常規島以及BOP的各個廠房內,可以劃分為正常廠用電系統或應急廠用電系統.
在電站起停、連續運行、應急條件和大修等情況下,廠用電源系統通過連接在發電機出口斷路器和主變之間的降壓變獲得外界電源.在主外電網和發電機同時不可用的情況下,廠用電源系統改由輔助變壓器從后備外電網獲取電源.
主電源和輔助外電源之間的切換通過每列一套的廠用電源切換裝置來實現,可以通過廠用電源系統的保護裝置、低電壓監視裝置或者手動方式來啟動廠用電源切換裝置.以下這些功能是要求DCS系統實現的:
(1)整個廠用電源系統的單線圖;
(2)降壓變、輔助變、干式廠用變、開關柜母線、應急柴油發電機等配電設備的參數;
(3)中壓、低壓以及直流系統的進出饋線開關的操作或監視;
(4)應急柴油發電機的控制和定期實驗操作(需要在控制室執行的部分操作);
(5)廠用電源切換裝置的手動啟動.
3.2.3邏輯控制功能
以下是一些與電氣設備本身關聯不大,但需要由DCS實現的邏輯控制功能:
(1)發電機啟動和停機的順序控制.在順控的執行過程里,操作步驟是預先編制在系統中的,每一操作步驟的完成及下一步的啟動都是自動的,操作人員只需要按鍵確認,大大降低了誤操作的可能性及運行人員的工作強度;
(2)輔助廠用電源之間的切換.在采用慢速切換的前提下,采用DCS實現故障情況下的自動切換和正常運行中的手動切換;
(3)應急柴油發電機的順序帶載.在發現安全段母線失電信號后,應急柴油發電機自動啟動,并按照預設的程序分步帶上所有必須的安全負荷.
3.3需要關注的問題
3.3.1智能型配電柜的采用
將電氣系統的監控納入DCS后,一個重大的變化就是I/O數據量的加大.增加的數據大部分來自于中低壓配電設備.以嶺澳一期的數據為例,初步估計各個類型的配電盤共有100多個,一個配電盤上的出線數量平均為20~30.不同的負載類型在接入DCS時所需要的I/O數量是不同的,少可能要1對信號,多的要10幾對信號.總體上估計,數量是很大的.如果所有的數據都采用硬接線的直接I/O方式連入DCS系統,電纜需要量的增加,DCS系統I/O容量的增加都直接影響到系統的購制成本.
智能型配電柜的基本特征是在每個配電盤內都配備數字化的通信單元負責數據的采集和處理,針對饋線類型的不同,根據需要配備數字化的保護控制模塊.比如電動機控制單元,一般是配備智能型電動機保護模塊,這個模塊可以實現電動機的起停控制、保護功能、檢測功能和與上位機的通信等.在1個或多個配電柜的上端配置1臺前端通信機,負責配電柜與外界的一切通信聯系.這樣,除了直接驅動負載的動力出線外,不會有控制和監測方面的電纜直接送到配電盤里去,一切信息的交換都通過前端機以數字的方式進行.
在采用DCS進行全廠監控的電站里,智能型配電柜可以和DCS系統達到的組合,DCS系統內部數字的監控指令無須通過I/O模塊轉化為電壓控制信號,監視信息也不再需要從I/O模塊里一個個讀取.利用網絡方式將DCS和智能型配電柜的前端機相連,就可以達到對整個配電系統的全面監控,前面提到的2個弊端都可以得到解決.
智能型配電柜作為新近發展起來的技術,在工業領域的應用業績還不是很多,在具體選擇的過程中要考慮經濟、技術多方面的因素.特別是核電站還有一些核安全級的配電柜,受到安全鑒定等方面的限制,目前仍不適宜普遍采用智能型配電柜.
3.3.2關于數據采集的探討
在采用DCS監控后,常規監控方式下所需要的模擬量、報警量、開關量都會納入DCS.但是否僅簡單復制常規監控方式的數據量就可以滿足?
采用DCS帶來的好處不僅僅是有了數字化的主控室,這不過是表層,更重要的是在實現了數據的共享和長期存儲之后,可以利用這些數據開發端的應用程序.比如目前國內火電行業日益興起的SIS應用就是例子.SIS中包括的內容非常廣泛,比如設備管理、負荷分配、參數優化等.
現在核電站的運行維修管理中,越來越重視預防性維修等設備壽命管理方面的課題.為了達到預防性維修的目的,一個重要的前提是建立每個重要設備的歷史數據庫,只有數據庫中的數據充實了,才有可能在設備運行期內根據它的歷史狀態判斷目前的工作狀況.DCS的采用實際上是為建立這個數據庫創造了技術條件.從設備投運的天,與設備運行有關的資料就可以進入歷史數據庫,留給以后開發和利用.
比如針對一臺重要的馬達或水泵,要掌握它的歷史運行狀況,可能就需要知道這樣一些數據,自投運以來累計運行了多少小時,自上次維修至今運行了多少小時,1年一共啟動了多少次等.如果數據庫中沒有這些數據,對這臺設備的預防性維修就變得很困難.所以在考慮送入DCS的數據的時候,不能僅僅是關心日常運行的需要,也要盡可能照顧到其他方面應用的需要.
3.3.3倒送電過渡及就地防誤操作
在首臺機組的調試過程里,廠用電源的倒送是一個重要的階段里程碑.在廠用電源的控制納入DCS之后,相應的許多連鎖功能也必須通過DCS的控制站實現.但在實際的施工進度中,DCS系統很難與廠用電倒送同步投運.由于主控室內的電氣控制屏也已經取消,所以在很長一段時間里廠用電源的倒閘操作必須依靠就地操作.為了確保安全,除嚴格執行工作票等行政制度之外,還應采取完善的就地電氣防誤操作閉鎖措施.
DCS投入使用之后,一般利用DCS防誤操作閉鎖功能來保證安全生產,但電氣開關設備除了接受遠方控制指令外,一般還留有供檢修調試用的就地操作回路.在進行系統的設計時必須同步考慮這些就地操作回路的防誤操作閉鎖.
4結束語
電氣交流納入DCS在核電廠還是很新的嘗試,在火電項目中也是近幾年才開始發展,因此在實施的過程當中仍然需要十分慎重,在設計階段進行充分論證,保證設計質量.
上一條：三菱HC-KFS13 MR-J2S 三菱觸摸屏PLC