电厂自动化系统

7.3.1 概述

对各类发电厂的安全生产和经济运行实现自动控制是现代电力系统的必然要求。电厂自动化系统是一个集计算机、控制、通信、网络及电力电子为一体的综合系统，不仅可以完成对单个电厂，还可以进一步实现对梯级流域、甚至跨流域的电厂群的经济运行和安全监控。电厂自动化系统随电厂类型的不同而有所区别，火电厂的自动化系统主要有计算机监视和数据系统、机炉协调主控系统、锅炉自动控制系统、汽机自动控制系统、电气控制系统，以及辅助设备自动控制系统等。水电厂的自动化系统则需要控制水轮机、调速器及发电机励磁自动控制，以及辅助设备自动控制等。大型火电厂的监视和控制系统经过了对动力机械自动模拟控制、功能设备分散方式的数字控制、分层分散方式的数字控制三个阶段，其特征是各发电机组所用的计算机系统彼此孤立。今天已发展到采用分层开放式工业自动化系统构成火电厂综合自动化系统。水电厂自动化的控制对象分散，包括水轮发电机组、开关站、公用设备、闸门及船闸等。按控制对象为单元设置多套相应的装置，构成水电厂现场控制单元，完成控制对象的数据采集和处理、机组等主要设备的控制和调节，以及装置的数据通信等。水电厂采用分布式处理，一般与电厂分层控制相结合，形成水电厂分层、分布式控制系统。

7.3.2 电厂自动化系统的构成

电厂自动化从生产到管理一般分为三个层次：下层的控制操作层，面向运行操作者；中间的生产管理层，面向生产和技术管理者；上层的经营管理层，面向行政和经营管理者。目前，我国许多电厂均建立了面向运行操作者的集散控制系统（DCS）和面向经营管理层的管理信息系统（MIS），而在DCS和MIS间还有必要建立一套面向电厂生产管理层的厂级监控信息系统（SIS），形成“管控一体化”的厂级综合自动化系统。这是当前电厂自动化发展的重点。

在安全保障、稳定发电、降低人员劳动强度等基本上已经满足的情况下，进一步改进电厂自动化水平，提高生产效率是电厂的重要任务，而优良的系统集成是电厂企业实现这一目标的必由之路。电厂计算机集成过程系统（CIPS）模型的体系结构可从总体上描述电厂自动化集成体系的基本内容、层次，以及相互关系。

计算机集成过程系统（CIPS），是指针对流程工业的特点，综合应用计算机技术、现代化管理技术、信息技术、控制技术、自动化技术和系统工程技术来改造传统意义上的流程工业，实现生产环节集成，人员、技术、经营管理三要素的综合控制和管理，以及物料流和信息流有机集成，并优化运行的复杂大系统。从目前我国发电厂信息技术体系的现状出发，根据电厂生产管理、过程控制与总体优化、信息集成的需求，发电厂CIPS应该由管理信息系统（MIS），厂级实时监控信息系统（SIS），过程自动化系统（包括集散控制系统DCS、数据采集系统DAS、可编程控制器PLC以及远动终端RTU等）和计算机网络／数据库支撑系统等四个子系统组成。

电厂CIPS体系结构可由一个三维模型（如图7.3.1）表示。

图7.3.1 电厂CIPS的体系结构

一个火电厂的CIPS集成框架如图7.3.2所示。

电厂CIPS在计算机通信网络和分布式数据库的支持下，实现信息与功能的集成、管理与决策的综合，最终形成一个能适应生产环境不确定性和市场需求多变性的全局最优的高质量、高柔性、高效益的智能电力生产系统。

图7.3.2 火电厂CIPS的集成框架

7.3.3 电厂自动化系统的功能

电厂SIS（厂级实时监控信息系统）的主要功能如下。

1.全厂各生产系统实时信息显示

该功能以画面、曲线、棒状图等形式显示机组及其辅助设备的运行状态、参数、系统图，为厂级生产管理人员提供实时信息。同时记录生产过程的主要数据，生成各职能部门需要的全厂各类生产、经济指标统计报表。

2.性能计算和经济性分析

该功能用于计算单元机组各主辅设备的效率等性能参数。主要有锅炉、汽轮机、凝汽器、给水加热器、锅炉给水泵及给水泵汽轮机、空气预热器、过热器、再热器、泵与风机等性能计算。它以获得最佳发电成本为目标，将机组和辅助设备的当前各性能参数与理想值进行计算比较，将偏差以百分数形式显示于屏幕，以使运行人员矫正偏差。

3.在线性能监测与分析

该功能的主要目的是通过收集和分析有用、实时的运行数据，实现对电厂运行条件的优化，以改善电厂的性能参数和经济性。系统能计算实际系统性能参数与性能参数的应达值之差，指出造成参数偏差的原因。还要计算这些偏差将造成的设备异常或损耗，并发出警报，且能提供长期记录。系统根据性能参数的偏差值，在监视屏上显示运行人员可控参数，使运行人员通过调整设备减小偏差。

4.预测与预防性维护

在生产过程中对设备的多种性能指标进行实时检测和评估，再根据预先确定的数学模型进行分析、计算和预测，实现机组寿命管理、设备状态监视和故障诊断。

5.全厂负荷优化调度

在出现电力市场交易中心后，传统的计划经济模式改为通过电厂或机组的电量竞价模式分配负荷，调度中心把实时负荷指令直接下达到电厂的监控系统。此时，利用SIS可改变电网总调对电厂负荷的控制方式，总调不再直接控制机组，而改为对全厂监控系统发出负荷指令。后者根据总调来的预测负荷曲线，结合机组负荷响应性能，实现各机组的负荷最优分配，以获取全厂最大的经济效益，并可根据需要分别制定出实时优化、短期优化和中期优化，有利于电厂的经济运行，也有利于厂网分开、竞价上网的商业化运行方式的实现。