技术︱浅谈ECMS系统在百万机组的应用分析
神华福能发电有限责任公司、神华福建能源有限责任公司项目管理部的研究人员郭建仙、杨帆，在2015年第9期《电气技术》杂志上撰文指出，厂用电系统的数字化监控是火力发电厂实现自动化的一个重要环节。
本文分析介绍了目前国内火电厂厂用电气监控管理系统的各种模式、架构组成、功能应用以及存在问题。结合神华福能发电有限责任公司（神福鸿电2×1000MW）工程首次提出采用IEC61850标准规约和DP规约的两层和三层混合结构模式电厂电气监控管理系统（ECMS），详细阐明了ECMS系统的特点和系统架构，并讨论其在应用中存在的风险、防范措施，以及遇见的问题和解决方法。
随着百万火电机组运行自动化水平要求的不断提高，锅炉、汽机以及电气实现智能化、自动化、一体化运行将是未来发电厂系统发展的趋势[1]。目前多数电厂都设计有锅炉、汽机及辅助厂房自动化控制的分布式集散控制系统DCS，以机组工艺化系统流程控制为主流方式，在新建及改造电厂得到大量应用；而机组厂用电系统的运行监控自动化应用设计较少，发电厂厂用电系统的测量、保护动作、事故追忆等信息只能通过硬接线进入DCS系统。
因此，提高发电厂厂用电电气系统的自动化及其信息管理水平，直接关系到整个发电厂运行监控的自动化及安全经济性水平，发电厂厂用电系统运行监控融入整个电厂的运行监控自动化系统已成为目前发电厂迫切需要[2]。
火电厂采用电气监控管理系统（ECMS），部分或全部取消了传统的变送器、表计、电度表等设备，减少了DCS的I/O卡件、信号电缆与敷设电缆用的桥架，同时也减少了设计、安装和维护的工作量，节省了投资，提高了整个发电厂厂用电系统的自动化水平和可靠性[3]，本文结合神福鸿电数字化电厂设计方案，对ECMS系统在实际工程的运用以及在实际运用中遇见的问题进行了分析、总结。
1 厂用电气监控管理系统几种模式介绍
1.1电气量信号硬接线方式接入DCS
硬接线模式实现方式是由DCS系统设置的单独电气控制器（DPU），经I/O板实现对电气部分数据采集和远方控制功能，电气回路与I/O之间采用电缆连接。该方式电气量的IO模件柜集中控制，信号传输中转环节少，对现场信号的反应快速、可靠。但DCS需要配置大量的变送器、IO卡件、机柜和连接电缆，成本高，自动化水平较低。
图1 传统的硬接线模式
1.2 电气监测系统（ECS）控制模式
电气监测系统（ECS）受当时系统各通信设备的可靠性、网络的传输速率、系统性能稳定性的影响，ECS仅仅作为DCS系统的一个数据采集子系统，DCS系统通过IO和硬接线采集电气回路的电流、功率、开关位置、保护动作信息和相关的SOE，并实现对电动机启停/开关分合的控制[4]。该模式系统结构简单，不设置操作员站，只适用于监测，未实现控制功能，DCS节省了部分AI、DI卡件及电缆，可以说ECS是厂用电监控系统纳入DCS初级阶段，未实现协同控制和一体化。
图2 ECS控制模式
1.3电气监控系统(FECS)模式
电气监控系统(FECS)模式是指通过现场总线实现电气部分的信息采集和控制、按照电厂工艺环节构成控制网络的电气自动化控制系统[4]。要求ECS的I/O信息直接通过DCS控制器DPU层接入DCS，取代DCS I/O采集的电气量信息并参与DCS系统的计算、控制、连锁和保护。
利用厂用电综合保护测控单元远方遥控的功能，通过DCS与FECS系统的连接，对参与热工控制的重要电动机的启停控制采用DCS的I/O模件经电缆硬接线实现控制。
而对于厂用电源部分和非关键的电动机回路的控制采用FECS现场总线通信方式，实现了节省DCSI/O模件、电缆和变送器，通过FECS与DCS协同控制，提高电厂自动化水平的目的。
图3 FECS控制模式
1.4 基于IEC61850标准数字化电厂电气监控管理系统（ECMS）
基于IEC61850标准数字化电厂电气监控管理系统（ECMS）特点是遵循IEC 61850标准，一次设备智能化，二次设备网络化 [5]。
中国电力工程顾问集团公司推荐ECMS采用如下方案：发电机—变压器组、高低压厂用电源等电器设备的控制、监视和管理在ECMS实现，电动机的监测管理信息进入ECMS。电动机的控制仍由DCS实现，DCS对电源部分可以监视但不控制。
在集控室设置ECMS操作员站，设置独立的监控系统，间隔层设备按照不同的机组及公用部分分别组成虚拟局域网（VLAN），机组间信息互相独立，DCS不设ECS控制器及其I/O卡件，节省了DCS的投资成本。
图4 ECMS控制模式
2 神福鸿电ECMS系统通信架构和现场总线组网形式
2.1 神福鸿电ECMS系统通信架构
神福鸿电ECMS系统采用四方继保CSPA-2000发电厂分布式电气自动化系统，系统采用两层和三层混合结构通讯模式，属于在国内百万机组首次使用的新型混合通讯模式的ECMS系统。
系统采用IEC61850标准规约和DP规约，实现数据传输、状态监视、电源设备控制、事故分析及其他高级应用功能。现场组网方式为6kV间隔层设备通过以太网和光缆采用IEC61850规约实现站控层与间隔层的数据传输；400V间隔层设备通过现场总线技术采用DP规约将数据上送通信控制层的通讯管理机，由通讯管理机将数据由DP规约转化为IEC61850规约，通过以太网和光缆实现与站控层服务器的数据传输。
系统自上而下分站控层、通讯控制层和间隔层，通信控制层和间隔层设备可分散分布配置，易于设备维护和系统扩展。
图5 神福鸿电ECMS控制模式
站控层是整个系统的控制管理中心，完成对整个系统的数据收集、处理、显示、监视功能，经过授权对电气设备进行控制。
通信控制层是系统构成的枢纽，处于承上启下的层次，由通信和控制两类功能组成，完成站控层和间隔层之间的实时信息交换，实现与厂用电电源相关的部分逻辑控制功能。
间隔层由各种保护测控装置和智能设备组成，完成就地电气设备的保护、测量、控制功能，通过现场总线、工业以太网等通讯方式与通信控制层通信。
2.2 神福鸿电ECMS系统的特点
拥有基于IEC61850通信后的三层式数据网络结构在发电厂电气系统中实现海量数据收集存储，实现集中控制管理技术，对厂用电系统管理、厂用事故分析、厂用电损耗分析的高效、快速、准确性分析起重要作用。
ECMS系统在软件上可通过自主开发和扩展实现实时数据采集与处理、操作控制、报警处理、事件顺序记录和事故追忆功能、在线计算及制表、系统自诊断和自恢复、运行管理等高级功能,极大地丰富和优化了发电厂自动化控制水平。
ECMS系统采用双网冗余并列运行，实现快速双网切换，保证了数据的可靠性与完整性和系统可靠稳定运行。高压厂用电采用双100M以太网，与采用其他通讯方式对比，提高了信息及波形上送、指令下发的速度[6]。
厂用电源开关负荷全部由ECMS实现其操作、控制、监视，“变千百根电缆为一根”，节约大量电缆，降低成本。省去I/O端子柜和控制柜后，缩小了DCS系统的规模，使控制室占地面积大大减少并使系统简化，带来了系统设计、安装、调试和维护费用的降低及工作量的大大减少。
3 神福鸿电厂用电的ECMS系统的应用分析
3.1 鸿电为确保ECMS系统可靠运行采取的措施
ECMS系统拥有许多优势，如节约投资成本、实现智能化、自动化、一体化运行、提高信息管理水平等。但是自动化会带来稳定性和可靠性的问题，鸿电为确保ECMS系统可靠运行，避免重大事故的发生，采取了一系列的措施。
由于ECMS系统的独立性，ECMS系统在运行中发生异常后，运行人员无法在DCS系统中直接进行操作处理，增加异常处理的难度，异常处理的及时性也受到限制。
为了解决这一问题，鸿电ECMS系统监控设备通过ModbusRTU通讯协议将各开关分闸、合闸位置反馈、电压测点、电流测点、事故总信号、报警总信号以及各设备A/B网通讯信号等传送至DCS进行监视（DCS电气画面与ECMS画面一致，DCS只监不控），并且在DCS操作员站实现一键切屏的方式，提高发现异常及处理异常的及时性。
站控层服务器操作员站部分是ECMS系统的核心，关系到系统能否正常运行。但存在ECMS系统数据库文件替换错误；通讯管理机配置文件及参数下装错误导致ECMS系统与间隔层设备通讯中断，失去监视等风险。
间隔层主要由综合保护测控装置、现场总线及外围智能设备组成。当综保装置断电时会造成ECMS系统与间隔层设备通讯中断；综保装置配置文件及参数下装错误导致ECMS系统与间隔层设备通讯中断；综保装置交流采样板故障、CPU故障以及装置电源板故障时将导致远方无法操作异常。
为此神福鸿电采取以下技术措施避免发生异常：1）神福鸿电要求设备数据更新后及时做好数据备份，并对备份数据做好标记，记录数据更新内容；2）对更新的ECMS系统数据库文件或修改通讯管理机配置文件和调试过程中的备份文件采取多磁盘备份；3）系统数据库更新时，双服务器不允许同时进行更新工作；4）就地开关柜设计直流分屏，保证现场综保装置电源双回路直流供电，提高可靠性。5）综保装置具备自检功能，将现场设备自检信号实时传送至后台监视，在综保装置异常时能及时发现和处理。
3.2 ECMS系统在运用中发现的问题及解决方法
作为一种新型混合通讯模式的ECMS系统，在运用的过程中出现了一些没有预料到的问题。在对系统架构进行充分分析的基础上，鸿电逐一解决了这些问题。
（1）神福鸿电ECMS系统监控设备通讯信号在投运初期发现每间隔20分钟左右设备通讯会发生中断，失去监控。
经过分析，主要原因有以下两个：
1）神福鸿电ECMS系统采用主/备服务器冗余模式，主服务器和备服务器在运行过程中分别有不同的进程许可配置，厂用电带电过程中由于主服务器进程未与IEC61850通讯进程进行关联配置，导致ECMS系统数据库数据周期性变为死数据，ECMS系统配置的死数据判断间隔为1200秒。
2）IEC61850通讯程序在处理6kV及400V综保装置上送遥信数据时，需要判断遥信数据品质，在数据品质无效时程序对此遥信点不做入数据库处理，导致ECMS系统画面上部分设备通讯中断，失去监控；
针对这两个原因，调整了主服务器和备服务器与IEC61850通讯进程许可配置，保证了主服务器运行时关联IEC61850通讯进程，而备用服务器处于热备用状态。
修改通讯控制层主控单元CSC-861F扫描400V综合保护测控装置CSC-831的数据品质上送方式的参数，将遥信数据品质上送方式由变化上送更改为装置上电后上送，重新起动主/备服务器的61850通讯模块，然后将综保装置及主控单元CSC861F断电后重新上电。同时应用IEC61850报文截取分析软件截取装置的多段报文，分析装置在连续5个总召周期内所有遥信入数据库的情况。
经过处理后，ECMS系统监控后台信号每间隔20分钟左右设备通讯中断现象未再发生，数据库遥信数据及ECMS系统画面上遥信光字牌和开关位置信号刷新正常。
（2）神福鸿电#3机组400V锅炉PC B段工作电源进线开关、备用电源进线开关在母线受电前开关传动过程中均出现通讯中断异常。
经各方面排查后发现原因在于DP总线通讯特质：为了减少线路信号反射和干扰，DP总线在线路末端加一个220Ω的终端电阻，这个电阻一般设计接在该段母线最后一个开关综合保护测控装置上。
然而#3机组400V锅炉PC B段母线最后一个开关为抽屉式，必须将该开关推至工作位置，该电阻才能起作用，若由于负载停电等原因将该抽屉式开关拉至隔离位置，该电阻就不能起作用，母线上所有开关综合保护测控装置会发生通讯异常。
因此，为解决这一问题，将终端电阻接至该段母线上最后一个400V 框架式开关的综合保护测控装置上。
4 结论
采用基于IEC61850标准的两层和三层混合结构通讯模式的新型混合通讯ECMS系统，能够提高发电厂厂用电电气系统的自动化及其信息管理水平，节约大量电缆，降低电厂投资成本，省去I/O端子柜和控制柜后，缩小了DCS系统的规模，使控制室占地面积大大减少并使系统简化，带来了系统设计、安装、调试和维护费用的降低及工作量的大大减少。
作为一种新型混合通讯模式的ECMS系统，使用过程中出现了监控设备通讯信号每间隔20分钟中断，失去监控和400V工作电源进线开关在母线受电前开关传动过程中出现通讯中断的问题。通过修改通讯进程的参数和配置，调整DP总线终端电阻的接入位置，鸿电很好处理了出现的问题。
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