大中型電站電氣現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)應(yīng)用研究與設(shè)計(jì)

四、電站EFCS的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

4.1 電站 EFCS設(shè)計(jì)中需注意的問(wèn)題

針對(duì)電站ECS的主要特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)電站EFCS時(shí)，應(yīng)注意以下問(wèn)題：

1) 選用的現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)應(yīng)具有較強(qiáng)的數(shù)字控制功能;

2) 選用的現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)應(yīng)具有較強(qiáng)的自診斷功能;

3) 選用的現(xiàn)場(chǎng)總線通信鏈路應(yīng)具有較高的數(shù)據(jù)傳輸速率，以滿足ECS控制實(shí)時(shí)性的需要;

4) 選用的現(xiàn)場(chǎng)總線智能前端設(shè)備應(yīng)具有強(qiáng)的抗電磁干擾能力和高的可靠性。

4.2 電站EFCS設(shè)計(jì)的主要功能和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

針對(duì)電站ECS的監(jiān)控范圍，所設(shè)計(jì)的電站EFCS應(yīng)具有以下功能：

1) 所有有關(guān)的電氣設(shè)備進(jìn)行控制、聯(lián)鎖，能對(duì)各有關(guān)電氣參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，并能在操作畫面上顯示各設(shè)備運(yùn)行的狀態(tài)和工況;

2) 具有發(fā)變組及各配電設(shè)備的事故、預(yù)告、保護(hù)動(dòng)作后的報(bào)警、顯示、歷史記錄和追憶等功能;

3) 發(fā)電機(jī)順控自動(dòng)升壓、自動(dòng)準(zhǔn)同期并網(wǎng);

4) 發(fā)電機(jī)主、備勵(lì)磁機(jī)之間的自動(dòng)切換操作;

5) 廠用電可根據(jù)負(fù)荷自動(dòng)切換

依據(jù)以上主要功能，設(shè)計(jì)的電站EFCS具有如下三層結(jié)構(gòu)，如圖1所示。最上層采用數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器與DCS控制層以太網(wǎng)連接，使電站EFCS成為DCS有機(jī)的組成部分，且該部分具有很高的靈活性。中間層采用冗余以太網(wǎng)將服務(wù)器、電氣工程師站、EFCS控制器連接起來(lái)，使該層具有較高的通信速率，以保證系統(tǒng)整體控制的實(shí)時(shí)性;低層采用現(xiàn)場(chǎng)總線與位于現(xiàn)場(chǎng)的智能電氣設(shè)備連接，劃分為6KV網(wǎng)段、380VPC網(wǎng)段和發(fā)變組保護(hù)及錄波設(shè)備網(wǎng)段。發(fā)變組測(cè)控裝置與中間層以太網(wǎng)直接連接，可為三個(gè)網(wǎng)段的控制提供數(shù)據(jù)信息。

4.3 電站EFCS設(shè)計(jì)實(shí)例

某300MW機(jī)組電站，設(shè)計(jì)基于PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)的EFCS，該EFCS子系統(tǒng)很容易與DCS實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接。在此僅以該EFCS通過(guò) PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器及現(xiàn)場(chǎng)智能電機(jī)的控制為例來(lái)說(shuō)明設(shè)計(jì)過(guò)程。PROFIBUS是近年來(lái)國(guó)際上最為流行的現(xiàn)場(chǎng)總線，也是目前數(shù)據(jù)傳輸率最快的一種現(xiàn)場(chǎng)總線(傳輸率可達(dá)12Mbit/s)，因此在很多領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛 的應(yīng)用。它由三個(gè)兼容部分組成，即PROFIBUS—DP、PROFIBUS—PA 和PROFIBUS—FMS。其中，在PROFIBUS—DP 數(shù)據(jù)傳輸速率、效率和低連接成本方面特別適用于電站電氣控制系統(tǒng)的通信。使用PROFIBUS—DP可取代24V(DC)或4～20mA信號(hào)傳輸。 PROFIBUS—DP用于現(xiàn)場(chǎng)的快速數(shù)據(jù)交換時(shí)，以中央自動(dòng)化設(shè)備(如PLC/PC或過(guò)程控制系統(tǒng))為主站，通過(guò)串行連接與分散的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備(如 I/O、驅(qū)動(dòng)器和閥門及測(cè)量變送器)組成通信網(wǎng)絡(luò)。

1)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該廠300MW機(jī)組采用北京國(guó)電智深公司的EDPF-NT DCS系統(tǒng)，原DCS主干網(wǎng)絡(luò)采用100M冗余以太網(wǎng)，用于連接各分散控制單元DPU和操作員站及工程師站，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為星型連接，中央節(jié)點(diǎn)采用高性能交換機(jī)，從而保證了各站點(diǎn)間數(shù)據(jù)交換的實(shí)時(shí)性。所設(shè)計(jì)的電氣EFCS通過(guò)與該DCS分散控制單元DPU內(nèi)的PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)備實(shí)現(xiàn)與上層DCS系統(tǒng)的無(wú)縫連接。整體系統(tǒng)具有三層網(wǎng)絡(luò)，上層為100M冗余以太網(wǎng);DPU冗余主控模件通過(guò)PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)備以及Controlnet與PROFIBUS-DP主站連接，構(gòu)成中層網(wǎng)絡(luò);低層網(wǎng)絡(luò)為PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線，用于連接PROFIBUS-DP主站和智能電機(jī)及變頻器等從設(shè)備，共使用了兩個(gè)獨(dú)立的PROFIBUS網(wǎng)段，其中一段通過(guò)控制智能電機(jī)，另外一段與變頻器進(jìn)行通訊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2)系統(tǒng)組態(tài)

為實(shí)現(xiàn)與DCS互連的PROFIBUS總線網(wǎng)絡(luò)與變頻器及智能電機(jī)的通訊及控制，需利用DCS工程師站來(lái)完成PROFIBUS的網(wǎng)絡(luò)組態(tài)工作。主要包括以下四個(gè)方面的組態(tài)設(shè)計(jì)：

① 現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)組態(tài)：主要從PROFIBUS總線網(wǎng)絡(luò)主站、從站的通訊速率、從站數(shù)量、冗余安全幾個(gè)方面考慮?？紤]到位于現(xiàn)場(chǎng)的變頻器與智能電機(jī)的通訊速率不同，為了防止變頻器受到干擾，將變頻器與智能電機(jī)布置在不同的網(wǎng)段;

② PROFIBUS 總線系統(tǒng)模件的連接：將變頻器和智能電機(jī)通過(guò)PROFIBUS與系統(tǒng)中的PROFIBUS主站模塊相連接。PROFIBUS總線網(wǎng)絡(luò)的組態(tài)信息存儲(chǔ)在該主站的NVRAM中，從而可以支持掉電重啟自恢復(fù)對(duì)各從站設(shè)備的配置。

③ 下載安裝PROFIBUS 總線系統(tǒng)從站GSD：為達(dá)到PROFIBUS簡(jiǎn)單的即插即用配置，每一個(gè)PROFIBUS從站都要有一個(gè)設(shè)備描述文件”稱為GSD文件，用來(lái)描述該 PROFIBUS-DP設(shè)備的特性，PROFIBUS設(shè)備的特性均在GSD中具體說(shuō)明。GSD文件包含了設(shè)備所有定義參數(shù)，包括：支持的波特率、支持的信息長(zhǎng)度、輸入/輸出數(shù)據(jù)數(shù)量、診斷數(shù)據(jù)的含義、可選模塊種類等。建立PROFIBUS-DP總線，必須下載安裝設(shè)備GSD文件。標(biāo)準(zhǔn)化的GSD數(shù)據(jù)將通信擴(kuò)大到操作員控制級(jí)。使用基于GSD的組態(tài)工具可將不同廠商生產(chǎn)的設(shè)備集成在同一總線系統(tǒng)中。既簡(jiǎn)單又是對(duì)用戶友好的。GSD文件可以分為三個(gè)部分：

◆ 一般規(guī)范 這部分包括生產(chǎn)廠商和設(shè)備的名稱，硬件和軟件的版本狀況，支持的波特率一可能的監(jiān)視時(shí)間問(wèn)隔以及總線插頭的信號(hào)分配;

◆ 與DP主站有關(guān)的規(guī)范這部分包括只運(yùn)用于DP主站的各項(xiàng)參數(shù)(如連接從站的最多臺(tái)數(shù)或上裝和下裝能力)。這一部分對(duì)從站沒(méi)有規(guī)定;

◆ 與DP從站有關(guān)的規(guī)范 這部分包括與從站有關(guān)的一切規(guī)范(如輸入/輸出通道的數(shù)量和類型、中斷測(cè)試的規(guī)范以及輸入/輸出數(shù)據(jù)一致性的信息)。

GSD文件是ASCII文件.可以用任何一種ASCII編輯囂編輯。GSD文件是由若干行組成，每行都用一個(gè)關(guān)鍵字開(kāi)頭，包括關(guān)鍵字及參數(shù)(無(wú)符號(hào)數(shù)或字符串)兩部分。GSD文件中的關(guān)鍵字可以是標(biāo)準(zhǔn)關(guān)鍵字(在PROFIBUS標(biāo)準(zhǔn)中定義)或自定義關(guān)鍵字。標(biāo)準(zhǔn)關(guān)鍵字可以被PROFIBUS的任何組態(tài)工具所識(shí)別，而自定義 關(guān)鍵字只能被特定的組態(tài)工具識(shí)別。

作為從站使用的變頻器及智能電機(jī)都有廠商提供的GSD文件，需要先安裝相應(yīng)的GSD文件后方可進(jìn)行系統(tǒng)軟組態(tài)。

④ PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)組態(tài)：將PROFIBUS主站及從站分別加入到現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)中;設(shè)置主站、從站的網(wǎng)絡(luò)地址，為各從站組態(tài)相應(yīng)的控制模塊，配置主要運(yùn)行參數(shù)。根據(jù)工藝流程需要和避免電磁干擾，通過(guò)總線接口卡件組成兩個(gè)獨(dú)立的PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)，將現(xiàn)場(chǎng)電氣設(shè)備連接到這兩段不同的 PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)中，并使用 PROFIBUS組態(tài)軟件完成兩個(gè)網(wǎng)段的組態(tài)。