CN109038833A - 一种基于全通讯网络的电气监控管理系统 - Google Patents

一种基于全通讯网络的电气监控管理系统 Download PDF

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Abstract

一种基于全通讯网络的电气监控管理系统，设置相对DCS系统独立的ECMS系统，ECMS系统和DCS系统经通讯服务器进行双向通讯；ECMS系统进行厂用高、低压电系统电气设备的控制、监视和管理；DCS系统对高压电动机采用硬接线控制方式，低压电动机采用现场总线控制方式；ECMS系统进行高压电动机的监视和管理，高压电动机的控制由DCS系统完成；低压电动机的控制、监视和管理由DCS系统完成，ECMS从DCS获取监控信息进行通信；由ECMS系统进行发电机‑变压器组的监视和管理，发电机‑变压器组的控制由DCS系统完成。本发明有效实现了全厂电气设备的控制、监视和管理，降低了投资，增强了系统可靠性。

Description

一种基于全通讯网络的电气监控管理系统
技术领域
本发明属于发电厂电气监控管理领域，涉及一种基于全通讯网络的电气监控管理系统。
背景技术
电气监控管理系统(electrical control and management system即ECMS，以下简称ECMS)是应用计算机、网络及现场总线或以太网通讯技术实现发电厂电气系统的运行、保护、控制、故障信息管理及故障诊断、电气性能优化等功能的综合自动化在线监控管理系统。
近年来，随着电力行业的技术进步以及DCS在电厂中应用的日趋成熟，电厂对电气控制水平的要求不断提高。控制方式已从单纯的DCS监控逐步向具备故障分析、信息管理、设备管理、自动抄表、仿真培训等高等级运行管理功能的方向发展。发电厂电气部分的保护测量控制装置有很多，它们监测着大量的测量、状态、故障报警、装置运行状态的信息。由于DCS造价较高、测点数量有限，大量的电气保护、测量信息并不能得到充分利用，造成电气系统信息不完整，只能满足机组基本运行的需要，缺乏运行管理、维护等高级功能。
采用ECMS系统代替DCS系统实现火电厂的电气系统监控，能够弥补DCS系统存在的上述固有技术缺陷。ECMS系统是现场总线技术在发电厂电气控制中的实践应用，采用现场总线全通信方式的ECMS系统电气信息量采集完整丰富，为实现电厂电气系统高度自动化运行及管理水平提供了硬件基础。现场总线采用数字通信的方式传递信息，取代传统电缆硬接线控制方式，大大节约了控制电缆、施工工作量以及后期运行检修和维护工作量。
目前，厂用高压开关柜内的综合保护测控装置和低压开关柜内的智能测控装置与马达保护器已能满足保护、测控和高速通信一体化的要求。ECMS系统通过工业现场总线或以太网将厂用电气系统组成局域网，构建成专用的电气监控管理系统，实现了数字化的电气信息量监控管理，其电气系统信息完整，在满足机组基本运行的基础上可实现运行管理、维护等高级功能，同时能够为DCS提供高速实时的数字化通信接口。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种基于全通讯网络的电气监控管理系统，通过结合ECMS系统与DCS系统有效实现全厂电气设备的控制、监视和管理。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：设置相对DCS系统独立的ECMS系统，ECMS系统和DCS系统经通讯服务器进行双向通讯；
通过ECMS系统进行厂用高、低压电系统电气设备的控制、监视和管理；
DCS系统对高压电动机采用硬接线控制方式，低压电动机采用现场总线控制方式；
通过ECMS系统进行高压电动机的监视和管理，高压电动机的控制由DCS系统完成；低压电动机的控制、监视和管理由DCS系统完成，ECMS从DCS获取监控信息进行通信；由ECMS系统进行发电机-变压器组的监视和管理，发电机-变压器组的控制由DCS系统完成。
所述的ECMS系统采用分层分布式结构，具体包括由上位机构成的站控层、由通信管理机和交换机构成的通信管理层，以及由各个被控终端构成的间隔层；所述的站控层与通信管理层之间设置有站控层网络，所述的通信管理层与间隔层之间设置有间隔层网络。
间隔层内的被控终端包括厂用电系统的间隔层智能设备和发电机-变压器组的间隔层智能设备；所述的厂用电系统的间隔层智能设备包括高压开关柜内综合保护测控装置、高压开关柜内多功能表和无线测温装置、低压开关柜内智能测控装置；所述的发电机-变压器组的间隔层智能设备包括发变组保护装置、AVR、同期装置、故障录波、厂用电快切装置、柴油发电机组、发变组在线监测装置、直流系统以及UPS系统。
所述的站控层网络采用双冗余的100M光纤工业以太网。
所述的ECMS系统采用具有103网口的工业以太网进行高压电动机的监视和管理，采用具有103网口的工业以太网进行高压电气系统的控制、监视和管理；ECMS系统通过高速现场总线Profibus DP V1通讯协议进行低压电气系统的控制、监视和管理。
所述的ECMS系统采用Modbus通信协议进行发电机-变压器组的监视和管理。
间隔层网络按照分布式开放系统进行配置，所述的ECMS系统按照机组分别组网，公用部分的信息组网后经VLAN区分后分别接入每台机组各自的网络，机组之间的信息相互隔离。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：ECMS系统运用现代网络通信技术和计算机技术，将具有信息采集、继电保护、电气控制等功能的现场电气智能设备通过通信网络进行连接，用通信方式实现对全厂电气系统的监控，取消了厂用电源的硬接线，节省控制电缆、减少基建工程量、降低建设投资。本发明通过ECMS系统代替DCS系统来实现对厂用电源系统的监控，厂用电源系统不再采用昂贵的DCS软、硬件，降低了DCS系统的设备投资。由于ECMS系统是专门针对电厂电气系统特点开发的控制系统，针对性强，能够实现运行管理、维护等高级功能，便于电气专业人员进行运行、检修、维护。本发明的ECMS系统通过采取多种措施，全面增强了系统软、硬件的可靠性，尤其在操作系统软件安全稳定性、电气防误操作等方面高于由DCS进行监控的常规控制方式。
附图说明
图1站控层组网方式及设备配置框图；
图2厂用高压电系统组网方式及设备配置框图；
图3厂用低压电系统组网方式及设备配置框图；
图4发电机-变压器组ECMS监视子系统框图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。
一、本发明ECMS系统结构的控制和监测范围如下表所示：
二、本发明站控层组网方式及设备配置
参见图1，站控层组网方式及设备配置如下：
2.1组网方式：采用双冗余的100M光纤工业以太网。
2.2设备配置：每台机组配备一台操作员站、一台系统服务器及工程师站、一台通信服务器、一台打印机、一套后台软件，以及以太网交换机。
其它网络设备如网关、集线器、路由器等根据需要进行配置。
系统服务器是计算机监控系统的核心，主要完成数据采集、数据检测和控制、报警和事件登录、历史数据记录和在线计算等系统主要数据处理进程。
以太网交换机是以太网中连接网络分段的网络设备。
通信服务器是指与DCS、SIS等其它电厂计算机系统通信的接口设备，采用冗余配置。
2.3设备布置：
ECMS站控层设备对环境要求较高，后台服务器柜要求布置在电子设备间内，操作员站布置在集控室操作台上，工程师站布置在专设的电气计算机室内或热控工程师站室。
三、本发明间隔层及其通信管理层组网方式及设备配置
3.1厂用高压电系统组网方式及设备配置
a.参见图2，综合保护测控装置组网方式如下：
选择具有103网口的综合保护测控装置，通过103网口直接经交换机连接至站控层，省去了采用现场总线方式时综合保护测控装置与交换机之间经通信管理机的接口转换过程。
高压开关柜各个回路根据回路性质分别配置不同的综合保护测控装置，每个高压开关柜内的综合保护测控装置通过冗余103网口分别与两台相互冗余的交换机连接通信，两台交换机对上分别通过光口连接一个100M以太网，组成100M双以太网通道，将信息上传给ECMS工程师站及操作员站。
根据厂用高压电源的控制、监视和管理在ECMS系统中实现的原则，确定厂用高压电源回路信息量表如下：
本发明高压厂用电源系统的控制功能实现方式如下：
通过ECMS系统对厂用高压电系统实现按启动/停止阶段和正常运行阶段的要求进行软手操作，并可实现由工作→备用或反之由备用→工作电源的软手操作切换(其切换应保证准确、可靠、无扰动)，及厂用电源的故障自动切换功能，以便保证机组安全运行或开/停机。也可通过ECMS投入厂用电源快切装置并选择切换方式，由快切装置实现厂用高压电源的正常切换，完成后由ECMS复归。事故切换由快切装置自动完成。
根据高压电动机的监测管理信息进入ECMS，控制由机组DCS实现的原则，确定高压电动机信息量表如下：
b.参见图2，4，多功能表组网方式如下：
考虑多功能表采用Modbus通信口居多，确定各高压开关柜内的多功能表通过冗余Modbus通信口分别与两台相互冗余的通信管理机连接通信。一台通信管理机对上连接一个交换机，通过交换机光口连接一个100M以太网，两台通信管理机和两个交换机组成100M双以太网通道，将信息上传给ECMS工程师站及操作员站，由ECMS工程师站实现电量报表生成等功能。确定高压开关柜内的多功能表信息量表如下：
c.参见图2，4，无线测温系统组网方式
无线测温系统配有集中接收显示装置，接收显示装置包括通信管理装置和显示器。高压开关柜内各无线测温装置的测温信息通过Modbus通讯口接入无线测温系统通信管理装置，无线测温系统通信管理装置通过Modbus冗余通讯口接入ECMS系统。无线测温系统通信管理装置分别与ECMS系统两台相互冗余的通信管理机连接通信，无线测温系统与多功能表共用信息上传通道，即共用ECMS系统通信管理机和交换机，将信息上传给ECMS工程师站及操作员站。确定无线测温系统中单个测温点的信息量表如下：
d.参见图2，4，其通信管理层设备选型和布置如下：
交换机一个103网口接1台综合保护测控装置，根据交换机网口数量确定ECMS厂用高压电子系统交换机数量。以某设备厂22电口2光口交换机为例，每台机厂用高压子系统需采用冗余配置交换机共三套，即6台交换机。
如图4所示，多功能表和无线测温接入发电机－变压器组ECMS监视子系统，其用于多功能表和无线测温的通信管理机按照一个Modbus通信口通道最多可接8台多功能表设计，每个通信管理机应留有不少于9个Modbus通道用于接多功能表；每个通信管理机应留有1个Modbus通道用于接无线测温系统通信管理装置。每个通信管理机考虑2个备用Modbus通道，用于多功能表和无线测温的通信管理机Modbus通道按照12个考虑。用于多功能表和无线测温的通信管理机需采用冗余配置，即2台通信管理机互为备用。
综上所述，每台机厂用高压电系统设置6套相互冗余的交换机和2套相互冗余的通信管理机。交换机单独组屏，组成厂用高压电ECMS监控子系统，布置在厂用高压配电室，与厂用高压开关柜并排布置。用于多功能表和无线测温的通信管理机布置详见3.3。
3.2厂用低压电系统
a.参见图3，智能测控装置组网方式如下：
Profibus DP V1在工业自动化控制领域运用成熟，厂用低压电智能测控装置的设备制造商均具有Profibus DP V1通信接口。因此，低压PC段进线开关、低压PC段联络开关、低压PC段馈线开关、低压PC段PT回路开关柜内的各智能测控装置通过冗余Profibus DP V1通信口分别与两台相互冗余的通信管理机连接通信。一台通信管理机对上连接一个交换机，通过交换机光口连接一个100M以太网，两台通信管理机和两个交换机组成100M双以太网通道，将信息上传给ECMS工程师站及操作员站。根据厂用低压电源的控制、监视和管理在ECMS实现的原则，确定厂用低压电源回路信息量表如下：
本发明ECMS系统厂用低压电源系统的控制功能实现方式如下：对低压PC段进线开关、低压PC段联络开关、低压PC段馈线开关的投入和切除实现软手操控制及联锁。
b.参见图3，马达控制器组网方式如下：低压电动机的控制和监视均由机组DCS实现，DCS系统对低压电动机采用的是现场总线控制方式，低压电动机马达控制器不接入ECMS系统，ECMS可通过站控层与DCS通信获得低压电动机的监测信息。
c.参见图3，其通信管理层设备选型和布置如下：
厂用低压子系统通信管理机和交换机选型与厂用高压子系统保持一致，采用12个Modbus通道的通信管理机，采用22电口2光口交换机。厂用低压ECMS监控子系统按照与厂用低压电气接线基本对应、就地相对集中的原则，根据每个间隔层现场总线网段的通信节点数量，合理配置间隔层通信管理机数量。充分利用Profibus DP V1现场总线的传输能力，使每个间隔层现场总线网段的通信节点数量最大不超过30点。即每个现场总线网段配置两台通信管理机，每个通信管理屏柜内配置两台交换机。
以某工程厂用低压ECMS监控子系统为例，其通信管理层设备具体配置如下：
按照上表，同一低压配电室的通信管理机和交换机单独组屏，组成厂用低压电ECMS监控XXX子系统，布置于相应低压配电室内，与厂用低压开关柜并排布置。
图3中的“XXX”为低压电气系统名称，如“汽机PC”、“锅炉PC和保安PC”等。
3.3发电机-变压器组电气系统
由于发电机-变压器组的间隔层智能设备通信接口普遍采用Modbus通信口，本发明在确定发电机-变压器组的各间隔层智能设备通过冗余Modbus通信口分别与两台相互冗余的通信管理机连接通信。一台通信管理机对上连接一个交换机，通过交换机光口连接一个100M以太网，两台通信管理机和两个交换机组成100M双以太网通道，将信息上传给ECMS工程师站及操作员站。发电机-变压器组各间隔层智能设备的信息量表在此处不再一一列出，实际运行中电厂方可根据需要进行选择设定。如图4所示，用于多功能表和无线测温的通信管理机和发电机-变压器组通信管理机共用两台交换机组成100M双以太网通道；用于多功能表和无线测温的通信管理机、发电机-变压器组通信管理机及两台交换机单独组屏，组成发电机-变压器组ECMS监视子系统，布置在电子设备间。
四、本发明和DCS系统的通信接口
在ECMS站控层设置专用通信服务器与DCS管理层网络通信。根据DCS系统的设计要求，确定DCS与ECMS之间的通讯协议为OPC Classic DA协议，DCS侧为OPC DA Client，ECMS侧为OPC DA Server。DCS单元机组提供两台工作站作为OPC DA Client，与ECMS通讯服务器使用两根网线物理连接；DCS公用系统(辅控)提供两台工作站作为OPC DA Client，与ECMS通讯服务器使用两根网线物理连接。要求ECMS通讯服务器使用3个OPC DA Server分别向3个OPC DA Client提供#1机组，#2机组，公用系统(辅控)的通讯点，ECMS通讯服务器需提供6个通讯网口。
五、本发明ECMS系统的对时功能
本发明ECMS系统接收时间同步系统的对时信号，实现ECMS系统与全厂时钟的一致性。ECMS系统接受时间同步系统的标准授时信号(B码对时信号)，对计算机监测系统、继电保护装置等各有关智能设备的时钟进行校正。输出根据本系统现场层的设备确定。整个系统对时精度误差≤1ms。

Claims (7)

1.一种基于全通讯网络的电气监控管理系统，其特征在于：设置相对DCS系统独立的ECMS系统，ECMS系统和DCS系统经通讯服务器进行双向通讯；
通过ECMS系统进行厂用高、低压电系统电气设备的控制、监视和管理；
DCS系统对高压电动机采用硬接线控制方式，低压电动机采用现场总线控制方式；
通过ECMS系统进行高压电动机的监视和管理，高压电动机的控制由DCS系统完成；低压电动机的控制、监视和管理由DCS系统完成，ECMS从DCS获取监控信息进行通信；由ECMS系统进行发电机-变压器组的监视和管理，发电机-变压器组的控制由DCS系统完成。
2.根据权利要求1所述基于全通讯网络的电气监控管理系统，其特征在于：所述的ECMS系统采用分层分布式结构，具体包括由上位机构成的站控层、由通信管理机和交换机构成的通信管理层，以及由各个被控终端构成的间隔层；所述的站控层与通信管理层之间设置有站控层网络，所述的通信管理层与间隔层之间设置有间隔层网络。
3.根据权利要求2所述基于全通讯网络的电气监控管理系统，其特征在于：间隔层内的被控终端包括厂用电系统的间隔层智能设备和发电机-变压器组的间隔层智能设备；
所述的厂用电系统的间隔层智能设备包括高压开关柜内综合保护测控装置、高压开关柜内多功能表和无线测温装置、低压开关柜内智能测控装置；
所述的发电机-变压器组的间隔层智能设备包括发变组保护装置、AVR、同期装置、故障录波、厂用电快切装置、柴油发电机组、发变组在线监测装置、直流系统以及UPS系统。
4.根据权利要求2所述基于全通讯网络的电气监控管理系统，其特征在于：所述的站控层网络采用双冗余的100M光纤工业以太网。
5.根据权利要求1或4所述基于全通讯网络的电气监控管理系统，其特征在于：所述的ECMS系统采用具有103网口的工业以太网进行高压电动机的监视和管理，采用具有103网口的工业以太网进行高压电气系统的控制、监视和管理；ECMS系统通过高速现场总线Profibus DP V1通讯协议进行低压电气系统的控制、监视和管理。
6.根据权利要求1或4所述基于全通讯网络的电气监控管理系统，其特征在于：所述的ECMS系统采用Modbus通信协议进行发电机-变压器组的监视和管理。
7.根据权利要求1所述基于全通讯网络的电气监控管理系统，其特征在于：所述的间隔层网络按照分布式开放系统进行配置，所述的ECMS系统按照机组分别组网，公用部分的信息组网后经VLAN区分后分别接入每台机组各自的网络，机组之间的信息相互隔离。
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