基于工业以太网和现场总线的火电厂电气自动化系统

      电厂电气自动化系统，简称ECS，是电厂自动化领域近年来兴起的一个新的热点。与DCS侧重于热工系统的监控相对应，ECS侧重于电气系统的监控;与NCS侧重于电厂接入电网部分的电气监控相对比，ECS侧重于发电厂内部，实现厂用电中低压电气系统的保护、测量、计量、控制、分析等综合功能。本文介绍了一种基于工业以太网和现场总线的电厂电气自动化系统。
      传统的电厂电气监控的实现方式是由DCS系统经I/O板实现对电气部分的数据采集和远方控制。电气部分特殊控制功能如继电保护、故障录波等都由独立的装置来实现，与DCS系统无关。图1为传统电厂电气监控方案，在这个方案中，DCS的I/O板只能处理标准信号，模拟量需要经过变送器转换成标准的4~20mA电流。DCS可以实现对电气中的关键少量的信号的监视和控制，但需要大量的电缆和变送器，实施的成本比较高。
                 
二、电厂电气自动化系统方案
       随着微机在继电保护和自动装置中的广泛应用，电气综合保护测控装置可以实现基于交流采样的保护、测量、录波、控制和通信，这些新型的微机保护测控装置可以非常方便地采用现场总线、工业以太网等技术组成网络，电厂电气监控也发展为以交流采样、数字通信为主要特点的综合自动化系统。
2.1 现场总线简介
      现场总线(Field Bus)是工厂底层设备之间的通信网络，是计算机数字通信技术在自动化领域的应用，为底层设备信息及生产过程信息集成提供了通信平台。工厂底层应用现场总线技术实现了全厂信息纵向集成的透明通信，即从管理层到自动化底层的数据存取。现场总线的介质访问控制方式可满足工业控制网络的要求，即通信的实时性和确定性，但是现场总线的通信速率相对比较低，不适合大量的数据传输。
2.2 工业以太网简介
       以太网和TCP/IP协议在IT行业得到了广泛应用，随着IEC61158统一现场总线标准的失败，使得工业控制领域的专家将目标转向在IT行业获得成功的以太网技术，以太网具有兼容性好、成本低廉、通信速率高等优点，但是也有实时性差、不确定性等问题。以太网适合应用于大数据量，实时性要求不是特别高的场合。
2.3 电厂电气监控的特点
       电厂电气监控系统的范围包括厂用电系统、网控系统、机组系统等，其申网控系统可采用目前非常成熟的变电站自动化系统的技术，电厂电气监控系统具有以下特点:
     ·系统的设备数量和种类多，信息量大，物理位置分散。要接入的装置类型包括6kV综保、380V综保、发变组保护测控、录波、励磁、同期、厂用电快切、UPS、柴油发电机组、安全稳定装置、直流系统等，装置数量经常是几百台甚至上千台，每台装置都有几百个信息点，装置分布在电子设备司及各个厂房。
    · 与其他系统的接口复杂，需要与ECS系统接口的其他系统包括机组的DCS系统、电厂SIS系统、MIS系统等，而与DCS的接口方式既有硬接线方式，又有通信方式，通信接口方式既有系统级的接口又有主控单元和DPU级的接口。
    · ECS是DCS系统的一个子系统。
2.4 基于工业以太网和现场总线的电厂电气自动化系统的网络结构
            
   根据电厂电气监控的要求以及工业以太网、现场总线的特点，电厂电气自动化系统采用以下网络结构，站控层采用工业以太网，司隔层采用现场总线组网，如图2所示。整个系统采用分层分布式结构，分为站控层、通信控制层和间隔层，下层的功能不依赖于上层设备及通信网络。站控层由主站系统构成，是整个ECS系统的控制管理中心，完成对整个ECS系统的数据收集、处理、显示、监视、控制功能。通信控制层不仅完成间隔层装置和主站系统数据的转换，可实现与DCS的DPU的数据交换，而且可以实现与电气相关的部分逻辑控制功能，通信控制层主要由通信和控制两个功能组成。间隔层也叫设备层或者装置层，主要由各种保护测控装置和智能设备组成，可以通过现场总线、以太网、串口等方式和上一层主控单元进行数据通信。

   整个系统的网络由两种网络组成，站控层网络和间隔层网络。
   站控层网络包括两个部分功能，一是站控层设备和通信控制层设备或间隔层装置之间的通信，一是站控层各个节点之间的通信。主站系统中有两个相互冗余的作为数据处理核心的通信服务器，通信服务器负责通过以太网络、站级通信规约与通信控制层的主控单元或者直接与装置进行数据交换，同时通过实时数据库与站控层其他主站接口交换数据。站控层网络采用高速以太网络，通信介质采用五类双绞线，当距离远时采用光纤。
    间隔层网络指通信控制层与间隔层装置之间的通信网络，主要采用LON现场总线为基本测控网络，传输通道物理介质采用屏蔽双绞线。LON现场总线网络己经过了充分的实验验证和现场考验，是较理想的自动化系统的测控网络。间隔层也可根据用户需求和现场实际情况采用工业以太网、CAN现场总线、RS-485等作为通信网络。
    系统吸收了DCS系统和变电站自动化系统的优点，具有以下特点:
    ·采用分层分布式系统结构，站控层和间隔层分别用工业以太网和现场总线组网;
    ·采用双机双网的冗余设计，各种关键的主机和网络均采用热备冗余方式;
    ·保护测控一体化设计;
    ·开放的通信系统，支持与各种综保、智能装置、DCS系统、SIS系统的通信接口;
    ·可根据用户的需要按照DCS的生产工艺流程组网，也可按照电气分段组网。
2.5 电厂电气自动化系统与DCS的接口
    采用电气自动化系统后，ECS系统内部的信息交换以网络通信方式为主，但是ECS与DCS的信息交换还主要采用硬接线方式，主要原因是通信方式还没有被广大用户和设计院接受，全通信方式在有些对新技术比较容易接受的电厂中也有采用，甚至是大容量和高电压等级的机组。目前ECS与DCS的接口方式主要有以下几种:
    ·DAS(Data Acquirment System)模式，即ECS作为DCS的一个数据采集子系统。
    ·保留关键硬接线的方式，采用现场总线、按照电厂工艺流程构成控制网络的电气自动化控制系统，通过现场总线实现电气部分的信息采集和控制;参与热工控制的重要电动机的起停控制以硬接线实现控制。
    ·完全采用通信方式。
三、结语
    ECS系统充分利用了工业以太网和现场总线的优点，将各自独立运行的保护测控装置、自动装置以及其他智能设备等通过现场总线或以太网联结起来构成自动化系统，同时实现了采用通信方式与DCS系统交换信息，减少了DCS的测点投资和硬接线方式下的电缆投资，同时提高了整个发电厂的自动控制水平和运行管理水平。与DCS的通信方式的信息交换也必将随着软硬件技术的成熟和运行经验的丰富成为主流的方式。