杨美一
中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司 陕西西安 710065
摘要：从火力发电工艺流程角度分析，生产线中主要包含的设备有汽轮机、发电机组、锅炉三大部分，火电产供质效取决于三部分的运行平衡，但外界负荷变化迅速、特殊情况随时发生，要维持整个动态反应过程稳定难度很大。热工自动化技术应对这一情况产生，可将其视为汽轮机、发电机组、锅炉的实施控制系统，为构建机炉电一体化奠定了技术基础。本文结合大唐安阳发电有限公司300MW机组展开研究，探索DCS和FECS“一体化”自动系统设计，以供参考借鉴。
关键词：火力发电；热工自动化；一体化；DCS；FECS
一、火力发电厂中热工自动化技术“一体化”改进概述
我国火力发电厂热工自动化技术主要为“分散控制系统”（DCS：Distributed Control System），该技术的核心是将“集中管理”与“分散控制”相结合，在应用过程中表现出友好的人机互动效应，结合软件、硬件技术协调升级，可提供非常丰富的控制功能，俨然成为我国火力发电机组自动化控制的代表技术[1]。然而，从DCS在火力发电厂使用情况来看，其本身仍存在许多难以克服的缺陷，其中较为明显缺陷的就是性价比较差，不能够使在现场仪表方面上位机系统的信息要求得到充分的满足[2]——DCS监控模块需要与电气控制系统连接才能发挥作用，但这种连接手段采用的是模拟信号，即所谓的“硬接线”手段，模拟信号直接进入DCS中进行组态，较容易发生信息失真、噪声过大、信息量少等问题。电气监控系统（Factroy Electric Control System，FEC）是一种集成度更高的系统，它可以利用工业以太网或现场总线技术，将DCS之外的设备融合起来，如自动化装置、测控装置、电磁继电器等，形成一个更庞大的自动化技术架构，管理者只需要操作后台软件，就能够对火力发电厂的整个生产系统实现远程控制，如此以来，原本需要消耗在检测、维护、故障分析等方面的人力资源，就能够节约下来，且相比人工干预模式进一步提高了火电厂的安全性、稳定性及可靠性。
将DCS和FEC进行一体化改造，就形成了FECS（厂用电气自动化控制系统：Factory Electrical-automation Control System）[3]。从系统实现角度说并不复杂，将原本排除在DCS之外的电气部分（保护、监控、决策等模块）重新整合，依据火力发电厂需求及条件融入DCS/FCS系统之中，最大程度促进锅炉、电机组、汽轮机等一体化控制，最终展现在管理人员面前的FECS系统更为轻巧、精确、高效，只需要在后台搭建B/S网络架构就能满足全场控制需要，且在新加入模块过程中也较为方便，横向对比优势可归纳为两个方面：其一，FECS系统取代主流的DCS系统后，信号属性从模拟变为数字，除了精准性更高之外，也扩大了信号种类、减少了线缆投资。其二，FECS相对DCS而言具有更高的集成性，管理过程中只需要通过后台软件界面，相关指令发出之后电气系统会自动协调、排除故障、运行管理。
二、火力发电厂中热工自动化技术“一体化”设计研究
大唐安阳火力发电厂热电联产机组（2×300MW）于2008年投产、2013年扩建，实现DCS向FECS的转型，其中电气自动化装置的工况为：（1）高压厂用变压器通过发电机出口支接，容量规格40MW。（2）电气主接线方面，一台发电机组采用“发电机-变压器”连入220kV母线，另一个发电机组采用“发电机-变压器-线路组”介入火电厂外部220kV母线。（3）启备变保护为220kV母线（厂内引接），容量规格40MW。
（一）“一体化”设计需求
1、发电机组自动启停控制需求
通过一体化设计，一方面当发电机组正常启动状态下，保持额定转速则DCS投入同期装置，超出额定转速后投入AVR，同时满足发电机与电网同期条件，这一过程中由DCS实现对AVR的控制。另一方面，当发电机组正常停机状态下，DCS用来控制发电机组负荷（有序降低），而出现不正常状态（跳跃式降低并达到某一临界值），DCS要迅速切换启/备变压系统。当发电机组整体负荷降到“0”的状态，发电机实现灭磁，此时主开关跳开、主汽门关闭。
2、火力发电厂电源系统控制需求
第一，发电机组系统能够同时从程序控制、人工控制两个方面启动，保障发电机组从0开始升速，有序达到并网状态下的初始负荷水平。
第二，FECS能够实现启动、停止的正常操作，在厂用电系统进入正常运转之后，可以通过软手操做、程序控制进行干预。
第三，整个系统可以实时监控、记录发电机组系统的运转情况，后台监控过程中，实现异常现象、事故现象等有效区分，即将各种信号及数据状态细分化。
3、软硬件设计需求
（1）硬件设计需求
基于FECS取代DCS系统的最大改动项目就是硬件，这源于电气自动化功能嵌入热工自动化技术体系后，需要对固有的信号I/O传输模式进行重设。整体上，电气硬件整合到大唐安阳火力发电厂固有DCS系统之后，可按照功能需求设置两个模块，其一为信息采集功能模块（DAS），其二为系统顺序控制模块（SCS）。但就硬件自身的性能而言，监控硬件并没有太大的变化，原因是热工量与电气量横向对比状态下，电气量实现信号转换、传输不需要特殊环境支持，只是信号属性发生了变化，但这种变化就足以满足电气化控制的需要。
（2）软件设计需求
第一，数据采集系统（DAS）方面，它需要具备连续采集数据的能力，并将电气系统关联的检测信号、设备状态等呈现在后台人机操作界面，同时发出警报，具体需求如下表1所示。
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4、监控系统设计需求
根据大唐安阳火力发电厂公布的300MW机组扩建规划（第八期扩建），后台监控系统采用了CRT、键盘进行控制，结合热工自动化技术特点，人机对话界面要尽量减少机械操作手段，如操作器、仪表盘等。要满足这一需求，在设计过程中要将模拟信号量悉数引入到DCS系统中，适当保留电器开关，并取消掉全部电气控制屏；同时，从市场上引入更为精准、可靠的同期装置，以此取代传统的手动同期开关；报警显示屏与热工报警合二为一，尽量在统一空间内规避重复性设备。
（二）“一体化”设计方案
大唐安阳火力发电厂中热工自动化“一体化”技术需要考虑两台发电机组公用系统问题，从物理空间来说，DCS原有配置可以满足同时停机、同时启动的要求，但这一过程中会影响厂内公用及备用电源系统，因此在扩建设计过程中，要对原有DCS系统进行分离，只允许在同一时间、同一个DCS系统对公用设备发挥控制功能。从电气自动化系统整合角度说，可划分为前置层、间隔层、站控层三个部分。其中，前置层的主要功能是用来整合通讯模块，如网络、交换机、以太网等，间隔层主要用以数据采集及处理，主要包括智能仪表、终端、监控装置等。站控层即“后台”，是独立与火力发电生产系统的控制单元，内部主要设备如打印机、服务器、网站、广播系统等。
具体设计方案可从两个维度展开，第一个是在尽量保持原有热工自动化技术框架基础上，主要针对数据信息采集系统（DAS）进行改造，凸显FECS系统的优势，这一方案主要是为了满足电气控制的需要，因此可以将FECS看作是原有DCS的一个扩展模块（信息采集子模块）。该模块的运用，将增加电气数据的比例，并提高I/O通讯质量——这一设计意味着DCS与FECS同时具备通讯能力，但分工存在差异。一方面，DCS通过I/O接口接受的信息源自于电流、功率、开关等操作，仍然属于模拟信号。另一方面，FECS则通过对电气部分的实时监测获取相关信息，虽然是DCS的辅助部分，却两者之间并没有相同性。
不难看出，这种具有“保守色彩”的设计方案虽然在结构上较为复杂，但在实现上却相对简单，原因是整个新系统并没有对旧的DCS进行改造，仅仅是加入了一个新的FECS主站。但是，缺陷也同样突出，两套系统并存的状态下，会增加后台管理人员的工作量，且在同一个火力发电生产系统中无法实现协调，且这种“大系统套小系统”的做法并不属于“一体化”；据此，需要对这一设计方案进行优化。
改进设计方案的宗旨非常明确，即打造DCS和FECS一体化控制系统，首要任务就是解决模拟信号、数字信号不统一的问题。将FECS的I/O信息获取源头进行调整，直接连入DCS的控制器（DPU）；保留DCS主站的目的则是用来实现系统操作，并不参与控制部分，但要保留关键硬接线，以此形成双重安全保障。
（三）热工自动化技术“一体化”方案实现
结合以上热工自动化技术“一体化”设计方案，具体功能实现可通过两种组合模式展开。
第一，采用“发电机组、火电厂用电系统、辅助机电组监视”的组合形式实现，具体流程如下图1所示。
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三、结束语
综上所述，随着我国电力事业发展、科技水平提升，原有的热工控制系统亟待向更高端的自动化水平赶超，在设计改良的基础上，可选择在成熟的DCS框架下进一步升级，但这是治标不治本的方法。据此，本文提出的DCS与FECS一体化设计方案，形成两套自动化控制系统，能够有效提高火力发电厂数字化、信息化、网络化及智能化水平，从操作角度说大大简化了流程、节约了人力资本，为保障供电稳定及安全奠定了坚实基础。
参考文献
[1]张磊.火力发电厂中热工自动化技术的研究[J].山东工业技术,2016(20):166.
[2]陈风霖.火力发电厂中的热工自动化技术研究[J].中国高新技术企业,2016(06):21-22.
[3]牛克龙. 600MW火力发电机组FECS与DCS一体化设计方案[D].华北电力大学,2013.