胡林海

（淮南田家庵發(fā)電廠，安徽淮南 232007）

0 引言

隨著時(shí)代不斷發(fā)展，人們對(duì)電力的需求與日俱增，促使我國現(xiàn)代火力發(fā)電機(jī)組構(gòu)造逐漸變得復(fù)雜，對(duì)于火力發(fā)電機(jī)組自身的控制、維修、保養(yǎng)以及優(yōu)化等要求也越來越高，以此來保證其穩(wěn)定運(yùn)行。在傳統(tǒng)的技術(shù)控制過程中，主要控制內(nèi)容是對(duì)工藝測點(diǎn)進(jìn)行合理的監(jiān)測，并對(duì)設(shè)備設(shè)施進(jìn)行分散管理與監(jiān)控，導(dǎo)致管理信息與監(jiān)控信息難以得到有效的統(tǒng)一，未能實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一信息化管理，因此，應(yīng)加強(qiáng)數(shù)字化電廠電氣控制技術(shù)的應(yīng)用，以保證操作機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行。

1 數(shù)字化電廠的概念

所謂的數(shù)字化電廠，就是運(yùn)用數(shù)字化的技術(shù)手段，對(duì)電廠物理以及其工作對(duì)象的整個(gè)生命周期進(jìn)行分析、量化、決策以及控制，以此強(qiáng)化電廠整體價(jià)值的方法以及理論。從這一方面進(jìn)行理解，數(shù)字電廠不是既定的某一個(gè)項(xiàng)目的類型，也不是基于計(jì)算機(jī)的某種系統(tǒng)或者軟件。從概念上進(jìn)行分析，可以將其理解為一種理論以及方法。從其研究對(duì)象上進(jìn)行分析，數(shù)字電廠的研究對(duì)象就是電廠之中的物理對(duì)象以及工作對(duì)象，其研究的方式就是基于研究對(duì)象的整個(gè)周期出發(fā)，研究內(nèi)容是對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行分析，量化、控制、決策的有效性方法。

數(shù)字化電廠的構(gòu)建，就是實(shí)現(xiàn)所有信號(hào)的完全數(shù)字化變現(xiàn)，所有的管理內(nèi)容也都以數(shù)字化的形式進(jìn)行。通過現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)，能夠準(zhǔn)確、安全、可靠、規(guī)范的實(shí)現(xiàn)數(shù)字化信息的有效交換，并實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)的資源共享，同時(shí)，在最大程度上保證資源共享的實(shí)時(shí)性以及動(dòng)態(tài)性。如此，能夠有機(jī)的應(yīng)用智能專家系統(tǒng)對(duì)各種數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析，進(jìn)而提出各種優(yōu)化建設(shè)的建議以及決策，為數(shù)字化電廠的科學(xué)構(gòu)建提供重要的指導(dǎo)。這一技術(shù)的應(yīng)用，能夠在最大程度上降低電廠的發(fā)電成本，增加上網(wǎng)的電量，降低設(shè)備故障的概率，保證電廠運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、安全性、節(jié)能性，促進(jìn)電廠的可持續(xù)發(fā)展。表1是某數(shù)字化電廠近3 a的電氣指標(biāo)情況。

根據(jù)現(xiàn)階段的數(shù)字電廠技術(shù)的發(fā)展情況進(jìn)行分析，可以將其客觀的劃分為4個(gè)層次。第一層，直接控制層。就是指在電廠生產(chǎn)的過程中的直接控制以及數(shù)據(jù)收集，其結(jié)構(gòu)上涵蓋了單元機(jī)組、SCADA（Supervisory Control and Data Acquisition，數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)），DEH（Digital Electric Hydraulic Control System，汽輪機(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng)或數(shù)字電調(diào)），水處理、輔機(jī)、除灰等等輔助性設(shè)備，是數(shù)字電廠的控制系統(tǒng)。這一層可以明確為生產(chǎn)所需基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的提供層，是其他分層運(yùn)行的基礎(chǔ)保證。第二層是管控一體化層，其主要是完成生產(chǎn)過程的整體監(jiān)督，整合管理層收集的信息，對(duì)基礎(chǔ)的性能以及控制系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行分析以及整體優(yōu)化。可以說，這一層是管理層與控制層之間溝通的有效橋梁。第三層，生產(chǎn)管理層。這一層是電廠數(shù)字化管理的基礎(chǔ)層次，其能夠從經(jīng)營決策層之中獲取相應(yīng)的經(jīng)營指標(biāo)以及數(shù)據(jù)信息，以此來生成科學(xué)的生產(chǎn)計(jì)劃，并落實(shí)計(jì)劃的實(shí)施。同時(shí)，其還能夠 層提供關(guān)鍵的控制導(dǎo)向信息?？梢哉f，這一層是數(shù)字化電廠的管理基礎(chǔ)。第四層，經(jīng)營決策層，其主要是落實(shí)商業(yè)化運(yùn)營、經(jīng)營管理、電子商務(wù)、物資交易等方面，其管理主線是綜合計(jì)劃、管理核心是成本管理以及全面預(yù)算。這一層，是數(shù)字化電廠系統(tǒng)的決策樞紐以及系統(tǒng)入口。此外，電氣控制系統(tǒng)是現(xiàn)代數(shù)字化電廠的重要構(gòu)成部分，其工作目標(biāo)主要是對(duì)電廠的電氣設(shè)備進(jìn)行科學(xué)的監(jiān)督以及控制，保證其運(yùn)行的安全性以及穩(wěn)定性。在數(shù)字化電廠之中，這一控制過程以及控制目標(biāo)主要依靠現(xiàn)代信息技術(shù)完成。與傳統(tǒng)的控制方式相比，其更加集中的體現(xiàn)了電氣控制的科學(xué)性以及可靠性，能夠在最大程度上保證電氣設(shè)備的正常運(yùn)行。

表1 電氣指標(biāo)情況調(diào)查

2 數(shù)字化電廠電氣控制的工作原理

隨著我國科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代化火力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)逐漸開始呈現(xiàn)出復(fù)雜化、系統(tǒng)化、多元化的發(fā)展趨勢，與此同時(shí)，也對(duì)機(jī)組的優(yōu)化、后期維護(hù)以及運(yùn)行等均提出了更高要求。傳統(tǒng)的控制方式隨著時(shí)間的推移，其弊端也在逐漸暴露，若不進(jìn)行及時(shí)改進(jìn)和優(yōu)化，便會(huì)對(duì)控制系統(tǒng)的應(yīng)用性能造成嚴(yán)重影響。而通過數(shù)字化電廠電氣控制技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用，不僅可有效解決上述問題，同時(shí)，還可實(shí)現(xiàn)一體化、信息化控制和管理，系統(tǒng)的應(yīng)用性能不斷提升，在此也為后續(xù)的檢修工作提供了便利條件。以下為該技術(shù)應(yīng)用的基本原理分析。

如圖1所示，在主變電站中，主要的設(shè)備包括架空線路（電纜）、電抗器、隔離開關(guān)、斷路器、變壓器等等，而主要的變電站二次設(shè)備具體包括母線保護(hù)、線路保護(hù)以及PMU（Power Management Unit，電源管理單元）安全設(shè)備故障顯示儀等。

圖1 電廠控制系統(tǒng)

2.1 過程層

過程層的主要作用，是可對(duì)開關(guān)、電壓、電流等相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行數(shù)字化處理。在此過程中，其信號(hào)一般可分為開關(guān)量、電壓和電流。其中，電壓和電流具體負(fù)責(zé)收集光變壓器單元通過合并將數(shù)字信息置于處理層，之后在將相關(guān)的開關(guān)信息傳輸?shù)教幚韺?。在整個(gè)這一環(huán)節(jié)中，與總線方式的工藝水平息息相關(guān)。在完成到設(shè)備水平裝置的傳發(fā)之后，在合并過程中，需涉及到運(yùn)用互感器所收集的二次側(cè)電量，與此同時(shí)，還需同步轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。電氣互感器和電子式電流互感器在經(jīng)過合并單元后，可完成相關(guān)電子信息的傳遞。

2.2 間隔層

電氣設(shè)備的間隔層包括電壓器保護(hù)、短引線保護(hù)、母線差動(dòng)保護(hù)、線路保護(hù)等等，同時(shí)，也包含安全穩(wěn)定裝置、電子計(jì)量裝置、PMU設(shè)備以及故障錄波等。開關(guān)、電流、電壓等可借助相關(guān)邏輯和計(jì)算實(shí)現(xiàn)發(fā)送。在經(jīng)過以太網(wǎng)設(shè)備裝置以及間隔層保護(hù)之后，可對(duì)間隔層進(jìn)行有效保護(hù)，跳閘令經(jīng)過智能終端可順利發(fā)出，進(jìn)而可對(duì)變電站設(shè)備進(jìn)行有效保護(hù)。經(jīng)過上述一系列流程之后，能夠最大限度的防止設(shè)備故障問題的發(fā)生，為設(shè)備的安全、平穩(wěn)運(yùn)行提供了良好保障，同時(shí)，也減少了后續(xù)維護(hù)的次數(shù)。

2.3 站控層

在站控層中，主要的設(shè)備包括五防機(jī)、工程師北京站以及操作員站等等。在此過程中，間隔設(shè)備能夠?qū)?shí)時(shí)的狀態(tài)信息，傳輸?shù)秸炯?jí)以太網(wǎng)中，站級(jí)設(shè)備在經(jīng)過監(jiān)控功能的間隔層設(shè)備和以太網(wǎng)，可實(shí)現(xiàn)與MIS（Management Information System，管理信息系統(tǒng)）、SIS系統(tǒng)、中央變電站監(jiān)控系統(tǒng)、集中控制系統(tǒng)的通信控制系統(tǒng)、調(diào)度系統(tǒng)等實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)控制。經(jīng)過縱向、橫向的MMS（Manufacturing Message Specification，制造業(yè)報(bào)文規(guī)范）網(wǎng)絡(luò)的站級(jí)設(shè)備，還可實(shí)現(xiàn)與通信站級(jí)設(shè)備、站控制裝置以及工藝設(shè)備之間的協(xié)調(diào)、穩(wěn)定運(yùn)行。最后，經(jīng)過各級(jí)IEC 61850調(diào)度通信站能夠有效實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控和監(jiān)督。

3 數(shù)字化電廠電氣控制技術(shù)的應(yīng)用

經(jīng)過上述分析，已經(jīng)對(duì)數(shù)字化電廠電氣控制系統(tǒng)的工作原理進(jìn)行了較為客觀的明確。可以發(fā)現(xiàn)，控制系統(tǒng)的運(yùn)行以及工作，對(duì)數(shù)字化電廠的運(yùn)行發(fā)展具有非常重要的實(shí)際影響。也就是說，要想保證數(shù)字化電廠的健康、穩(wěn)定運(yùn)行，落實(shí)可持續(xù)發(fā)展的重要發(fā)展戰(zhàn)略，就必須要落實(shí)科學(xué)、合理的電氣控制技術(shù)。對(duì)此，相關(guān)系統(tǒng)建設(shè)以及工作人員，應(yīng)該樹立現(xiàn)代化的發(fā)展觀念，以創(chuàng)新的角度，優(yōu)化電氣控制技術(shù)的應(yīng)用方式，以此保證數(shù)字化電廠的切實(shí)落實(shí)，推進(jìn)數(shù)字化電廠的可持續(xù)發(fā)展。

3.1 發(fā)變組控制

一般來說，發(fā)電站的變壓器設(shè)備主要由主變壓、輔助電源變壓、發(fā)電機(jī)、勵(lì)磁變壓等電氣設(shè)備，以及勵(lì)磁、變壓器保護(hù)、快切、同期等二次電保護(hù)系統(tǒng)構(gòu)成。因此，可以明確，電流的控制由主變、發(fā)電機(jī)、高廠變壓、勵(lì)磁變壓等實(shí)現(xiàn)。電壓量可以由變電站母線、廠用段變壓、發(fā)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)控制。開關(guān)量則主要由發(fā)變組的開關(guān)以及刀閘、廠變壓器的開關(guān)進(jìn)行控制?；谶@一特點(diǎn)，可以落實(shí)兩個(gè)方面的應(yīng)用控制方案：一方面，可以應(yīng)用光學(xué)電子變壓器進(jìn)行收集工作，并對(duì)該組合單元進(jìn)行傳送。變壓器的CT（Current Transformer，電流互感器）可以就可以應(yīng)用柔性光學(xué)電子變壓器技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)變組的控制。另一方面，可以應(yīng)用電磁，是其他非電氣量經(jīng)過變壓器的合并單元進(jìn)行傳輸以及收集。對(duì)于開關(guān)量則可以通過其他的智能終端進(jìn)行傳輸。

3.2 廠用電控制技術(shù)

現(xiàn)階段電廠的廠用體系，主要涵蓋廠用高壓段、廠用低壓段、低壓電機(jī)、高壓電機(jī)、廠用變壓器、變壓保護(hù)其、電機(jī)保護(hù)、線路保護(hù)、備自投、智能斷路器等電器設(shè)備以及二次控制系統(tǒng)構(gòu)成。廠用電控制方案，主要是基于現(xiàn)代profibs控制標(biāo)準(zhǔn)以及DCS（Distributed Control System，集散控制系統(tǒng)）控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上。也就是基于所有保護(hù)裝置之上，統(tǒng)一支持profibs標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約。通過這一系統(tǒng)，能夠通過互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)，將保護(hù)裝置的信息發(fā)送到DCS系統(tǒng)之中。一般來說，保護(hù)層的保護(hù)功能主要是通過就地保護(hù)裝置完成、電機(jī)之間的連鎖則由DCS完成。開關(guān)、刀閘等控制元件的操作可以使用硬接線進(jìn)行聯(lián)機(jī)，以此保證良好的控制效果。表2所示，是某電廠的廠用電高壓段及低壓段用電變化指數(shù)分析結(jié)果。從中可以發(fā)現(xiàn)，該電廠的高壓用電指數(shù)在c段以及d段發(fā)生了嚴(yán)重的異常變化。在這一基礎(chǔ)上，就那個(gè)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制處理。

表2 廠用電電壓變化指數(shù)

4 結(jié)束語

數(shù)字化電廠電氣控制技術(shù)的應(yīng)用，可以從根本上提升現(xiàn)代發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)定性與效率，充分發(fā)揮出操作機(jī)組運(yùn)行優(yōu)化與檢修的作用，因此，在當(dāng)前的時(shí)代背景下，應(yīng)將數(shù)字化理念與電廠發(fā)展進(jìn)行合理的融合，并對(duì)電廠的熱控設(shè)備的配置、選型等進(jìn)行綜合的考慮，利用現(xiàn)有的智能設(shè)備對(duì)運(yùn)行設(shè)備各項(xiàng)信息進(jìn)行統(tǒng)一化管理，如，運(yùn)行信息、診斷信息、故障信息以及維護(hù)信息等，將各系統(tǒng)充分與數(shù)字化理念相融合，從根本上提升電廠運(yùn)行、維修以及管理的工作效率。