CN203799242U - 基于现场总线技术的6kV高压电气设备控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于现场总线技术的6kV高压电气设备控制系统，包括监控层、网络传输层和现场设备层；所述现场设备层包括现场总线柜和与之相连的6kV高压电气设备；所述现场设备层与所述网络传输层之间通过PROFIBUSDP进行通信，所述网络传输层与所述监控层之间通过TCP/IP进行通信。本实用新型通过优化的布线、可靠的通讯介质选取、特定的通讯规约、合理的逻辑判断等措施实现对现场6kV高压电气设备进行远方监视及控制。

Description

基于现场总线技术的6kV高压电气设备控制系统

技术领域

本实用新型涉及高压电气设备控制领域，具体涉及一种基于现场总线技术的6kV高压电气设备控制系统。

背景技术

现代化电厂主要发电设备存在技术先进、控制原理复杂、设备运行中需控制的关键参数较多等现象，特别是对某些复杂及重要的设备，对其关键参数需要进行高精度的监控。由于发电企业人员精练，加上设备运行条件的限制，造成机组运行过程中设备运行参数、设备异常状况等不能及时得到有效掌握，如6kV高压电气设备在运行中有众多反映设备健康状况的信息。出于安全角度考虑，在设备运行中技术人员对设备运行参数的在线收集存在较大的安全风险以及存在设备误动的可能，因此高压电气设备运行参数的收集通常在设备停役后进行，但设备停役后，表征电气设备在线运行状况的参数亦同时消失，所以对设备的健康分析造成了很大的困难。

随着控制、计算机、通信、网络等技术的发展，对自动化系统结构产生了深远的影响，逐步形成以网络集成自动化系统为基础的企业信息系统。现场总线技术就是顺应这一形势发展起来的，成为当今自动化领域技术发展的热点。现场总线是一种连接智能现场设备和自动化系统的全数字化、双向传输、多分支结构的串行通信网络。现场总线的关键标志是能够支持双向、多节点、总线式的全数字通信。它一方面将现场的测量、控制设备互连为通信网络，实现不同网段和现场通信设备之间的信息共享，另一方面又将现场运行的各种信息传到远离现场的控制室，进一步与上层管理控制网络连接和信息共享，建立了生产过程现场级测控设备与控制管理层之间的联系。总线技术虽在电厂热力系统控制、低压电气设备控制等方面已有一定的运用，但在火力发电厂高压电气设备的监视与控制尚未有成功运用的案例。

实用新型内容

发明目的：为了满足电力生产6kV高压电气设备的监视及控制的需要，进而实现对火电厂6kV电气设备数字化、智能化监控以及现场设备工作状态的在线预警，帮助维护人员快速定位设备出现的故障，提高了火电厂机组运行的安全性，本实用新型提供了一套先进的基于现场总线技术的6kV高压电气设备控制系统。

技术方案：为了达到上述发明目的，本实用新型采用的技术方案为：

一种基于现场总线技术的6kV高压电气设备控制系统，包括监控层、网络传输层和现场设备层；所述现场设备层包括现场总线柜和与之相连的6kV高压电气设备；所述现场设备层与所述网络传输层之间通过PROFIBUS DP进行通信，所述网络传输层与所述监控层之间通过TCP/IP进行通信。

所述监控层包括第一监控主机、第二监控主机、操作站和单向隔离器；所述第二监控主机依次通过MIS/SIS网络、单向隔离器与第一监控主机和操作站分别连接。现场的6kV高压电气设备的信息，通过OPC协议上传至监控层，满足所生产管理人员实时监控的需要。

所述网络传输层包括DCS控制柜以及设在所述DCS控制柜内的控制器、PROFIBUSDP主站卡和光电转换器；控制器与PROFIBUS DP主站卡通过机柜专用底板连接，PROFIBUS DP主站卡与光电转换器通过专用PROFIBUS DP总线电缆连接。利用DCS专用的通讯调度协议保证了现场的6kV高压电气设备内部信息读取的实时性。

所述现场设备层包括现场总线柜和与之相连的6kV高压电气设备，所述6kV高压电气设备包括高压电气设备控制装置、6kV高压电气开关、6kV负载；现场总线柜的专用PROFIBUS DP总线电缆接至每个高压电气设备控制装置总线接口，高压电气设备控制装置布置在对应的6kV高压电气开关上部，6kV高压电气开关与就地安装的6kV负载通过三相高压电缆对应连接。所述6kV高压电气设备经现场总线柜与网络传输层进行通信，通过向网络传输层导入并解析6kV高压电气设备的GSD文件，提取设备控制及显示字段，实现从6kV高压电气设备读取或写入周期性的数据，以达到对设备的监视及控制。

所述PROFIBUS总线的通讯介质为光纤。通过使用光纤作为现场PROFIBUS DP总线的通讯介质，大大提高了系统的通讯速率及抗干扰性。

所述现场设备层的6kV高压电气设备控制装置(又称6KV高压综合保护测控装置)具有冗余的PROFIBUS DP总线接口，安装在6kV高压开关室的设备开关柜中，用于与DCS控制柜的PROFIBUS DP主站通讯。

高压综合保护测控装置为PROFIBUS DP从站，安装于DCS控制柜的PROFIBUS DP为主站（PROFIBUS DP主站包括一对PROFIBUS DP主站卡），主站与从站之间通讯的数据分为周期性数据和非周期性数据，周期性数据主要指设备的过程物理量，如高压电气设备的实时电流、电压等，非周期性性数据主要是指表征设备特性数据，如设备型号、工作状态、保护定值、设备内部设定的参数等。主站能够采用定期轮询方式向从站读取或写入周期性数据，主站还可以采用按需访问方式读取或写入非周期性数据。通过周期性及非周期数据的读取及写入，从而实现对6kV高压电气设备的监控与设备诊断。

为了提高设备运行的可靠性，6kV高压电气设备控制系统采用了冗余的总线通讯方式，6kV高压电气设备控制装置配置了冗余的PROFIBUS DP接口；在控制系统运行的过程中，如果冗余通讯网络中任一发生故障，则相关通讯自动切换至备用的网络。

在控制系统组态时，利用具备PROFIBUS DP通讯协议的6kV高压电气设备控制装置提供的设备GSD文件，在控制器逻辑中定义输入及输出控制字，使控制器与就地总线设备控制装置建立信息联系，这样可使不同厂商所生产的不同总线设备可互换使用的同时，运行操作人员不会有由于设备的变更而带来的使用差异。

有益效果：

1.将6kV高压电气设备控制采用PROFIBUS DP接口的现场总线技术，是火力发电企业的技术创新，采用现场总线技术，单对信号线双向传输用于监控设备的多个数字及模拟量信号，信号传输精度高、速度快，克服了常规模拟量传输带来的误差，消除了传统模拟及开关量信号传输需配置多路接线、设备接线回路复杂、模拟信号传输误差大易受干扰等缺点，且工艺参数显示的正确性、可靠性大大增加。

2.通过冗余PROFIBUS DP总线接口将6kV高压电气设备通过总线串联，简化了电气设备控制网络，节约了设备的安装、调试费用，节约了电气控制电缆的用量。

3.可实现对现场高压电气设备运行情况进行远程监控，在线对现场高压电气设备内部参数进行读取、如在线设定电动机保护参数定值、更改设备配置等功能，快速及时掌握高压电气设备运行数据，为设备的健康分析提供了极大的便利，对设备进行日常维护和故障诊断提供帮助，从而大大提高设备运行故障的可预见性、便利性及安全可靠性。

4.能够远方实时对高压综合保护测控装置进行参数整定、工作状态设置，保证高压电气设备处于最佳的工作状态。总线对高压综合保护测控装置上传的数据包进行实时解析，并能按照分散控制系统的信号周期要求及时下发控制信息包，实现对6kV高压电机、高压电气开关等进行控制。

5.可实时采集6kV高压电气设备运行状态信息，提供了报警及在线诊断参数等信息，为设备的故障分析提供了帮助，能够实时采集到的高压电气设备报警、通讯回路的故障等信息，帮助生产维护人员实时监视设备的工作状态及故障定位。

6.可实时监视总线控制网络的工作状况，及时发现网络中存在的故障。

7.生产管理人员可安全的进行设备远程诊断、维护，寻查故障并快速排除，既带来了安全性，也为故障处理带来了很大的便利。

8.由于采用了总线技术，节约了DCS控制柜的数量，降低了火力发电厂控制系统投资成本及今后的维护成本。

附图说明

图1为火力电厂现场设备布置图。

图2为6kV高压电气设备控制系统拓扑图。

图3为系统设备总线连接示意图。

图4为设备网络组态图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型的技术方案进行详细说明。

实施例：火力电厂6kV用电负载的设计分为A、B两段，因此6kV高压电气设备控制系统现场设备层对应设计了两个冗余的PROFIBUS DP总线接口网段，即6kV4A网段和6kV4B网段，共负责控制9个高压电气设备：6kV4A网段负责控制一个高压给水泵、一个循环水泵、一个燃机启动电机、两个电源开关（照明检修变、厂变A）；6kV4B网段负责控制一个高压给水泵、一个循环水泵、两个电源开关（厂变B、化水变）；两个控制网段还预留了备用控制回路。考虑到设备运行安全性要求，网段中设备的布置情况如图1所示。

现场设备层包括一个专用的现场总线柜，供6kV4A段和6kV4B段两个总线网段合用，在现场总线柜内安装了光电转换器，光电转换器一端通过PROFIBUS DP总线与安装于DCS控制柜的PROFIBUS DP主站卡通讯，另一端通过专用总线电缆与安装在现场的6kV高压电气设备内的高压电气设备控制装置总线接口相连，PROFIBUS DP总线采用的通讯介质为光纤。通过此种方式，PROFIBUS DP主站卡与6kV高压电气设备建立了通讯。

网络传输层包括DCS控制柜，DCS控制柜内布置了一对PROFIBUS DP主站卡和控制器；控制器与PROFIBUS DP主站卡通过机柜专用底板连接，PROFIBUS DP主站卡依次通过专用PROFIBUS DP总线电缆、光电转换器、光纤等设备与现场总线柜建立通讯链路，从而实现6kV高压电气设备的在线监控。

监控层监包括第一监控主机、第二监控主机、操作站和单向隔离器；所述第二监控主机依次通过MIS/SIS网络、单向隔离器与第一监控主机和操作站分别连接。单向隔离器的设置可保证第二监控主机安全读取现场高压设备的有关信息。

整个系统的安装、调试及系统运行过程如下：

一、安装

主要工作有6kV高压电气开关、6kV负载的就位，高压电气设备控制装置、现场总线柜、PROFIBUS DP主站卡的安装，总线网络电缆的连接，操作站、设备管理机(即第一及第二监控主机)的安装等，系统设备总线连接示意见图3。

6kV高压电气开关、高压电气设备控制装置等安装在6kV高压开关室，上述设备根据总线网段的划分按两列布置，其中高压电气设备控制装置布置在对应的高压电气开关上部，来自现场总线柜的总线电缆接至每个高压电气设备控制装置总线接口，并采用首尾连接的方式按列将其串联。

6kV负载安装在就地，其通过三相高压电缆与对应6kV高压电气开关相连。

PROFIBUS DP主站卡布置在DCS控制柜内，DCS控制柜采用网线与远方的操作站、设备管理机等连接。

第一监控主机、第二监控主机、操作站布置在工程师站或集中控制室，用于完成对高压电气设备的监控及管理。

安装过程的注意点主要有：

1)总线电缆的布置及防干扰措施：现场总线电缆的安装质量对系统能否正常工作有非常大的影响，总线电缆安装方式不规范，影响总线通讯。主要不正确方式有：总线电缆隔离不好，造成强电窜入弱电通讯回路；总线电缆屏蔽的接地未处理好；未避开强电电缆造成干扰等。

2)Profibus DP总线接口的连接：在现场总线柜内使用的总线插头实际上是一个串行接口，采用9针D型连接器，连接器上各插脚功能见下表规定。

插针号	信号	功能
				1	Shield	屏蔽/保护地	O
2	M24	24V输出电压地	O
				3	RxD/TxD-P	接收数据/传输数据正极(B-line)	M
4	CNTR-P	中继器方向控制信号	O
				5	DGND	数据地(对地5V)	M
6	VP	终端电阻P的供电电压(+5V)	M
				7	P24	+24V输出电压	O
8	RxD/TxD-N	接收数据/传输数据负极（A-line)	M
				9	CNTR-N	中继器方向控制信号	O

3)设备终端电阻要合理布置在网段的最远端。

4)总线设备的地址的设定要注意有些设备需按十六进行编码。

5)控制总线电缆的长度不要超过规定长度。

二、调试及逻辑组态

1)从现场的调试情况来看，总线通讯方面的故障绝大部分为施工不规范造成的。如在实际施工过程中发现很多由于施工问题导致的总线电缆线芯变形，屏蔽破损，导致网络通讯故障，且此类故障排查困难，只能逐个设备排查，找出问题电缆；还有在调试时经常发现两个冗余总线交叉接线错误，导致全网络通讯故障。因此，调试的第一是进行电缆的物理检查。

2)总线网络设备上电前，应进行总线电缆物理参数的测试，如长度、极性等。

3)通讯速率的合理配置，要根据总线电缆的长度设定速率，在满足控制周期的要求下，速率可适当降低。

4)注意设备配置时要确保导入与供货设备一致的GSD软件版本

5)对可能存在干扰的环境下，应采用PROFIBUS DP专用软件对通讯波形进行测试，总线上正常的波形为规则的矩形波，并且波形相对水平基准上下对称，波形幅值满足一定的要求。

6)逻辑组态：在上位机中对总线网段进行组态定义，组态的内容包括确定高压电气设备的KKS码、导入设备的GSD文件、规定设备在网段中的连接顺序、设定设备的总线地址等工作，网络组态后的逻辑图如图4所示。

7)信号测试：

●传输模式：PROFIBUS-DP/V1传输

●数据传输速率（波特率）500Kbit/s

●地址为是21--25。

●GSD文件名：WDZ-5232_V1.02.gsd（冗余端口）

●周期数据点表

Profibus DP设备周期数据包括上行（输入）数据和下行（输出）数据（对控制器而言），上行和下行变量通过选择不同的模件组成，需根据实际工程组态时确定。

基本模件下行报文数据格式，如：

位	含义
		0.0	分闸
0.1	合闸
		0.2	预留
0.3	预留
		0.4	控制权限辅助位
0.5	本地=0/远程=1
		0.6	信号复归
0.7	预留
		1.0～1.5	预留
1.6	A切换到主（A网需要处于数据交换状态下才能切换成功）
		1.7	B切换到主（B网需要处于数据交换状态下才能切换成功）

上行变量模件主要包括：

■开关量、模拟量、电能量及统计信息。其中模拟量、电能量及统计信息上送的字节序可选配。

■开关量模件包括开入信号、开出信号、事故总、告警总、自检总、保护动作/告警信号及扩展2个字节内部信号；

■模拟量主要有Ia、Ib、Ic、Iav、Imax、Uab、Ubc、Uca、Ua、Ub、Uc、P、Q和Fact；

■电能量主要有PE和QE；

■统计信息主要有开关A合闸次数、开关A分闸次数、保护跳闸次数等。

三、系统运行

监控层通过Profibus DP总线获取了6kV高压电气设备信息，设备的信息显示主要方式有：

1)直接读取高压电气设备控制装置的设备状态字，可供控制系统工程技术人员直接使用，如控制参数修改、关键设备状态提取、控制字下发等。

2)生成设备参数简化后设备监控画面，让不熟悉控制系统的设备维护人员能够很方便的了解设备情况，如设备的工作状态、设备内部的维护提示、设备的运行参数、工作时间、型号规格等。

3)生成设备故障报警等。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本实用新型，但其不得解释为对本实用新型自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本实用新型的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。

Claims (6)

1.一种基于现场总线技术的6kV高压电气设备控制系统，其特征在于：包括现场设备层、网络传输层和监控层；所述现场设备层包括现场总线柜和与之相连的6kV高压电气设备；所述现场设备层与所述网络传输层之间通过PROFIBUS DP进行通信，所述网络传输层与所述监控层之间通过TCP/IP进行通信。

2.根据权利要求1所述的基于现场总线技术的6kV高压电气设备控制系统，其特征在于：所述监控层包括第一监控主机、第二监控主机、操作站和单向隔离器；所述第二监控主机依次通过MIS/SIS网络、单向隔离器与第一监控主机和操作站分别连接。

3.根据权利要求1所述的基于现场总线技术的6kV高压电气设备控制系统，其特征在于：所述网络传输层包括DCS控制柜以及设在所述DCS控制柜内的控制器、PROFIBUS DP主站卡和光电转换器；控制器与PROFIBUS DP主站卡通过机柜专用底板连接，PROFIBUS DP主站卡与光电转换器通过专用PROFIBUS DP总线电缆连接。

4.根据权利要求1所述的基于现场总线技术的6kV高压电气设备控制系统，其特征在于：所述现场设备层包括现场总线柜、高压电气设备控制装置、6kV高压电气开关、6kV负载；现场总线柜的专用PROFIBUS DP总线电缆接至每个高压电气设备控制装置总线接口，高压电气设备控制装置布置在对应的6kV高压电气开关上部，6kV高压电气开关与就地安装的6kV负载通过三相高压电缆对应连接。

5.根据权利要求1所述的基于现场总线技术的6kV高压电气设备控制系统，其特征在于：所述网络传输层与现场设备层之间的PROFIBUS DP总线的通讯介质为光纤。

6.根据权利要求1所述的基于现场总线技术的6kV高压电气设备控制系统，其特征在于：所述现场设备层采用了冗余的PROFIBUS DP总线接口。