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【摘要】本文主要介绍了火电厂电气监控系统ECS的发展历程以及ECS接入集散控制系统（DCS）的不同模式在应用中存在的各种弊端，简单的分析DCS了系统硬接线方式缺点，对ECS的发展提出新的展望。
【关键词】集散控制系统（DCS）；电气控制系统(ECS)；硬接线
1.引言
随着全球数字化信息技术的发展，火电厂在自动化技术也取得了飞速发展，在电力运营市场化的环境下，通过采用自动化更高的的技术和产品来实现生产过程自动化和管理现代化成为火电厂生存和发展的必经之路。目前国内新建的火力发电厂一般都配备了集散控制系统DCS、厂级监控信息系统SIS、厂级管理信息系统MIS和输煤、化水等辅助控制系统。火电厂电气监控系统ECS正是在这种背景下产生的，通过接入DCS，从而为实现火电厂机炉电一体化运行监控提供解决方案，本文从应用角度出发，分析了国内ECS的产生、发展和ECS接入DCS的不同模式在实际应用中存在的问题，展望了ECS实现全通信的最终目标。
2.ECS的产生
从20世纪80年代开始，我国单机容量300MW及以上的火电机组开始采用DCS，最初主要是控制汽机和锅炉，但电气控制仍采用硬手方式，使得机炉控制与电气控制极不协调。20世纪90年代后期，随着各种微机保护测控装置的运用，电气系统开始逐步接入到DCS中，接入到DCS的主要系统有：发变组系统、发电机励磁系统、高压常用电源系统。这种方式电气信息通过硬接线接入DCS，如图一。
接入信息主要包括遥信量输入输出和遥测量输入，接入方式为空节点和4-20mA直流信号。采用这种方式后，通过DCS的CRT实现了电气相关信息的显示、报警以及对相关电气设备的控制调节。这种方式的优点是：电气量的I/O模件柜布局集中布置，方便管理；硬接线方式信号传输中转环节少，对信号的反应快速可靠，连接电缆正确后，发生故障的几率低，维护量小。虽然一次性投资高，但目前大部分电厂、设计院仍认为硬接线是ECS接入DCS的最快速可靠的方式。因此，在通信方式逐步扩大推广应用的环境下，目前对可靠性、实时性要求很高的电气控制仍然保留了硬接线的方式。但硬接线在实际实施和运行过程中也存在一些问题，例如：
(1)DCS需要配置大量的变送器、IO卡，机柜和连接电缆，施工复杂，成本高。
(2)接入DCS的信息量有限，系统扩展性差。
(3)厂用电需配置单独的电度表，但又不能实现自动抄表。
(4)无法完成事故追忆、定值管理、操作票等复杂的电气维护和管理工作。
(5)客观上造成硬件资源的重复配置。
鉴于硬件接入方式的上述不足，采用通信方式替代硬接线方式是很有必要的。近年来，以工业以太网为代表的网络通讯技术在电力自动化领域得到广泛应用并日趋成熟稳定，为火电厂电气系统接入DCS系统提供了成熟的运行经验和技术保障。为了提高火电厂的自动化水平，一些电气设备厂家陆续推出基于网络通讯的电力监控系统，火电厂ECS接入DCS的方式也变为“硬接线+通信”的方式，目前，以通信方式部分取代硬接线已经得到了国内大部分电厂用户和设计院的认可。对于采用完全取消硬接线的全通信方式，不少电力设备厂家也在积极探索中。相比国内，在欧美等发达国家的大中机组，DCS的应用更加成熟，自动化程度更高，并且ABB、西门子等设备厂家能提供从继电保护、间隔测控单元的到DCS的完整解决方案，而国内DCS与继电保护一般由不同的厂家提供，系统互连有一定难度。
3.“硬接线+通信”的方式的ECS构成
“硬接线+通信”方式的ECS一般采用分布式分层体系结构，一般分为站控层、通信层和间隔层三层，系统网络结构如图二。
站控层一般采用C/S的分布结构，由服务器、工作站和通讯网关等组成，形成电气监控系统。目前虽然电气系统的大量信息通过通信接入DCS，但主要是用于监控功能，DCS并没有开发争对电气的高级应用软件。通过ECS相对独立的实现对电气系统的监控，不仅提供了DCS的后备控制手段，还能实现诸如保护定值管理、录波分析等复杂的电气维护操作，为电气系统的维护、运行提供专业的管理平台，这也是ECS的核心价值之一。
通信层一般以通信管理机为核心，对信息起到分组与上传下达的作用，通过以太网接入站控层的实时主干网，厂用电综保装置通过RS485或者现场总线接入通信管理机，对于第三方智能电器设备，一般通过通信管理机实现通信接口和规约转换，从而实现完整的电气系统联网，同时通信管理机可经过串行接口与DCS的分布式处理单元DPU相连，进行信息交换。目前ECS与DCS的通信可通过站控层的通信网关与通信层的通信管理机两种方式实现，通信网关一般采用100M以太网，通信量大，但需DCS开发专门的软件模块，受DCS的开放性限制大，通信管理机与DPU之间一般采用RS485接口、modbus通信协议，简单易行，因而得到了广泛应用。
间隔层包括分散安装的厂用电综保装置，如电动机保护装置、变压器保护装置、发电机保护装置等，完成对电气系统现场信息的采集、保护、控制和数据通讯的功能。
“硬接线+通信”的方式使得ECS第一次把网络化的应用引入到火电厂电气系统，也使DCS中电气信息的接入模式发生了根本改变，电压、电流、功率和各种保护动作信号等大量电气信息通过通信传入DCS，与控制相关的开关量输入输出还保留硬接线。这种方式为火电厂的电气运行和维护提供了新的平台，其与完全的硬接线方式相比具备下述优点：
(1)接入DCS的电气信息更加全面，系统扩展性高。
(2)DCS取消了大量的变送器、机柜和连接电缆，成本降低。
(3)通过电气系统后台可实现事故追忆、保护定值管理、录波分析等复杂的电气维护工作，极大的提高了电气系统的整体自动化水平。
近几年来，在新建的容量在300MW以上的火电机组，电气系统都实现了不同程度的联网，并通过通信接口向DCS传送相关电气信息，在提高电气自动化水平方面，给用户带来了确确实实的好处，但ECS在实施的过程中也存在一些问题：
1)对DCS厂家来说，取消了大量相关硬件，市场利益受到冲击，还需对通信接入投入精力，难免会不积极甚至抵触。
2)目前国内大多数的DCS的相关设备均是进口，而进口DCS设备的通信开放性势必会受到很大限制，对于DCS的通信信息、通信周期以及数据包长度等都会有限制。
3)与硬接线方式相比，信息中转环节多，在可靠性与实时性方面会差一些。
4)ECS节点多，分散性强，由于不同厂家的解决方案良莠不齐，网络通信中断，信息刷新慢的问题会偶尔出现，给系统的维护带来工作量，并影响客户的使用信心。
对于以上问题的解决，一方面需要ECS厂家根据用户需求提供稳定先进的产品技术和完善的服务，特别是提高网络通信的实时性和可靠性、提供丰富完善的电气管理功能。另一方面也需要DCS厂家做好ECS与DCS的互连规划设计，从软硬件配置上满足系统互连的开放性、实时性。
4.全通信ECS通信的展望
ECS系统从产生到现在的广泛应用，始终以提高电气自动化水平，实现ECS与DCS的无缝连接为目标，目前的通信信息基本上还是以监测为主，不控制，离用户真正期待的全通信还有一定的差距。目前一些国内ECS厂家和电厂一起在全通信方面进行了有益的探索，积累了一定经验。对于目前投入工程应用的全通信方式，系统网络结构如图三所示。
在这种方式下，通信管理机按照电厂的工艺配置需求，参与工艺联锁控制的通信管理机和相应的DPU一对一进行通信，由于每个工艺过程的综保装置数量较少，因而通信实时性较高，完全可以满足电厂工艺联锁控制的要求，对于不参与工艺联锁的电气信息，通过ECS站控层的通信网关接入DCS。
通过这种方式，电气系统的控制和联锁全部通过网络通信实现，实时性和硬接线虽然有一定的差距，但都能满足技术要求，在实现全通信的目标过程中，是一种大胆有益的尝试，但这种方式也存在下面一些困难：
1）在ECS、DCS中，控制都是通过网络实现的，但网络结构一般都不大于三层，并且互联的设备一般为一个厂家的产品和系统，在图三中，控制信息的传输网络为四层，DCS的开放性限制也影响了两个系统之间的连接的紧密型，可靠性和实时性也受到较大制约。
2）通信管理机因工艺的过程来配置，因数量较多而使投资成本增加。
在未来应用中，如果参与工艺联锁的综保装置能够根据DCS和ECS的不同要求，把控制信息和非控制信息分开，分别通过独立的接口接入DPU和ECS的通信管理机，这样接入DCS信息的可靠性和实时性会有很大提高，但通信负荷的增加、控制的切换等对综保装置提出了新的技术要求，同时DCS厂家在市场利益受冲击的情况下，接入不同通信接口和规约的装置，势必会有较大阻力。因此，在新模式的探索中，不仅需要DCS厂级与ECS厂家的全力配合，同时如何平衡市场利益的冲突，也是需要相关方面直面和解决的问题。
5.结语
随着我国电力系统的快速发展，ECS在大中型火电机组中得到了广泛应用，“硬接线+通信”方式在目前条件下更好的解决了ECS接入DCS实现机炉电一体化控制的要求，随着ECS的进一步完善和通信技术的不断发展，相信不久的将来完全取消硬接线的全通信方式将真正为用户所接受和广泛应用。
参考文献
[1]吴泽生,吴艳萍.数字化电气监控管理系统的探讨[J].电力自动化设备,2004,24(1)94-97.
[2]钱可弭.新型发电厂电气监控系统的架构与实现[J].广东电力，2005,18(3):21-25.
作者简介：
吴勇波（1981—），男，2004年毕业于武汉大学计算机科学与技术专业，助理工程师，阿城继电器股份有限公司哈尔滨研发中心设计员，主要从事变电站电力监控软件的研发工作。
孙楚平（1990—），男，现就读于华北电力大学2009级可再生能源学院风能与动力工程专业。
肖鹏翀（1985—），男，2008年毕业于哈尔滨理工大学自动化学院自动化专业，助理工程师，主要从事火电厂综保系统设计工作。
【关键词】集散控制系统（DCS）；电气控制系统(ECS)；硬接线
1.引言
随着全球数字化信息技术的发展，火电厂在自动化技术也取得了飞速发展，在电力运营市场化的环境下，通过采用自动化更高的的技术和产品来实现生产过程自动化和管理现代化成为火电厂生存和发展的必经之路。目前国内新建的火力发电厂一般都配备了集散控制系统DCS、厂级监控信息系统SIS、厂级管理信息系统MIS和输煤、化水等辅助控制系统。火电厂电气监控系统ECS正是在这种背景下产生的，通过接入DCS，从而为实现火电厂机炉电一体化运行监控提供解决方案，本文从应用角度出发，分析了国内ECS的产生、发展和ECS接入DCS的不同模式在实际应用中存在的问题，展望了ECS实现全通信的最终目标。
2.ECS的产生
从20世纪80年代开始，我国单机容量300MW及以上的火电机组开始采用DCS，最初主要是控制汽机和锅炉，但电气控制仍采用硬手方式，使得机炉控制与电气控制极不协调。20世纪90年代后期，随着各种微机保护测控装置的运用，电气系统开始逐步接入到DCS中，接入到DCS的主要系统有：发变组系统、发电机励磁系统、高压常用电源系统。这种方式电气信息通过硬接线接入DCS，如图一。
接入信息主要包括遥信量输入输出和遥测量输入，接入方式为空节点和4-20mA直流信号。采用这种方式后，通过DCS的CRT实现了电气相关信息的显示、报警以及对相关电气设备的控制调节。这种方式的优点是：电气量的I/O模件柜布局集中布置，方便管理；硬接线方式信号传输中转环节少，对信号的反应快速可靠，连接电缆正确后，发生故障的几率低，维护量小。虽然一次性投资高，但目前大部分电厂、设计院仍认为硬接线是ECS接入DCS的最快速可靠的方式。因此，在通信方式逐步扩大推广应用的环境下，目前对可靠性、实时性要求很高的电气控制仍然保留了硬接线的方式。但硬接线在实际实施和运行过程中也存在一些问题，例如：
(1)DCS需要配置大量的变送器、IO卡，机柜和连接电缆，施工复杂，成本高。
(2)接入DCS的信息量有限，系统扩展性差。
(3)厂用电需配置单独的电度表，但又不能实现自动抄表。
(4)无法完成事故追忆、定值管理、操作票等复杂的电气维护和管理工作。
(5)客观上造成硬件资源的重复配置。
鉴于硬件接入方式的上述不足，采用通信方式替代硬接线方式是很有必要的。近年来，以工业以太网为代表的网络通讯技术在电力自动化领域得到广泛应用并日趋成熟稳定，为火电厂电气系统接入DCS系统提供了成熟的运行经验和技术保障。为了提高火电厂的自动化水平，一些电气设备厂家陆续推出基于网络通讯的电力监控系统，火电厂ECS接入DCS的方式也变为“硬接线+通信”的方式，目前，以通信方式部分取代硬接线已经得到了国内大部分电厂用户和设计院的认可。对于采用完全取消硬接线的全通信方式，不少电力设备厂家也在积极探索中。相比国内，在欧美等发达国家的大中机组，DCS的应用更加成熟，自动化程度更高，并且ABB、西门子等设备厂家能提供从继电保护、间隔测控单元的到DCS的完整解决方案，而国内DCS与继电保护一般由不同的厂家提供，系统互连有一定难度。
3.“硬接线+通信”的方式的ECS构成
“硬接线+通信”方式的ECS一般采用分布式分层体系结构，一般分为站控层、通信层和间隔层三层，系统网络结构如图二。
站控层一般采用C/S的分布结构，由服务器、工作站和通讯网关等组成，形成电气监控系统。目前虽然电气系统的大量信息通过通信接入DCS，但主要是用于监控功能，DCS并没有开发争对电气的高级应用软件。通过ECS相对独立的实现对电气系统的监控，不仅提供了DCS的后备控制手段，还能实现诸如保护定值管理、录波分析等复杂的电气维护操作，为电气系统的维护、运行提供专业的管理平台，这也是ECS的核心价值之一。
通信层一般以通信管理机为核心，对信息起到分组与上传下达的作用，通过以太网接入站控层的实时主干网，厂用电综保装置通过RS485或者现场总线接入通信管理机，对于第三方智能电器设备，一般通过通信管理机实现通信接口和规约转换，从而实现完整的电气系统联网，同时通信管理机可经过串行接口与DCS的分布式处理单元DPU相连，进行信息交换。目前ECS与DCS的通信可通过站控层的通信网关与通信层的通信管理机两种方式实现，通信网关一般采用100M以太网，通信量大，但需DCS开发专门的软件模块，受DCS的开放性限制大，通信管理机与DPU之间一般采用RS485接口、modbus通信协议，简单易行，因而得到了广泛应用。
间隔层包括分散安装的厂用电综保装置，如电动机保护装置、变压器保护装置、发电机保护装置等，完成对电气系统现场信息的采集、保护、控制和数据通讯的功能。
“硬接线+通信”的方式使得ECS第一次把网络化的应用引入到火电厂电气系统，也使DCS中电气信息的接入模式发生了根本改变，电压、电流、功率和各种保护动作信号等大量电气信息通过通信传入DCS，与控制相关的开关量输入输出还保留硬接线。这种方式为火电厂的电气运行和维护提供了新的平台，其与完全的硬接线方式相比具备下述优点：
(1)接入DCS的电气信息更加全面，系统扩展性高。
(2)DCS取消了大量的变送器、机柜和连接电缆，成本降低。
(3)通过电气系统后台可实现事故追忆、保护定值管理、录波分析等复杂的电气维护工作，极大的提高了电气系统的整体自动化水平。
近几年来，在新建的容量在300MW以上的火电机组，电气系统都实现了不同程度的联网，并通过通信接口向DCS传送相关电气信息，在提高电气自动化水平方面，给用户带来了确确实实的好处，但ECS在实施的过程中也存在一些问题：
1)对DCS厂家来说，取消了大量相关硬件，市场利益受到冲击，还需对通信接入投入精力，难免会不积极甚至抵触。
2)目前国内大多数的DCS的相关设备均是进口，而进口DCS设备的通信开放性势必会受到很大限制，对于DCS的通信信息、通信周期以及数据包长度等都会有限制。
3)与硬接线方式相比，信息中转环节多，在可靠性与实时性方面会差一些。
4)ECS节点多，分散性强，由于不同厂家的解决方案良莠不齐，网络通信中断，信息刷新慢的问题会偶尔出现，给系统的维护带来工作量，并影响客户的使用信心。
对于以上问题的解决，一方面需要ECS厂家根据用户需求提供稳定先进的产品技术和完善的服务，特别是提高网络通信的实时性和可靠性、提供丰富完善的电气管理功能。另一方面也需要DCS厂家做好ECS与DCS的互连规划设计，从软硬件配置上满足系统互连的开放性、实时性。
4.全通信ECS通信的展望
ECS系统从产生到现在的广泛应用，始终以提高电气自动化水平，实现ECS与DCS的无缝连接为目标，目前的通信信息基本上还是以监测为主，不控制，离用户真正期待的全通信还有一定的差距。目前一些国内ECS厂家和电厂一起在全通信方面进行了有益的探索，积累了一定经验。对于目前投入工程应用的全通信方式，系统网络结构如图三所示。
在这种方式下，通信管理机按照电厂的工艺配置需求，参与工艺联锁控制的通信管理机和相应的DPU一对一进行通信，由于每个工艺过程的综保装置数量较少，因而通信实时性较高，完全可以满足电厂工艺联锁控制的要求，对于不参与工艺联锁的电气信息，通过ECS站控层的通信网关接入DCS。
通过这种方式，电气系统的控制和联锁全部通过网络通信实现，实时性和硬接线虽然有一定的差距，但都能满足技术要求，在实现全通信的目标过程中，是一种大胆有益的尝试，但这种方式也存在下面一些困难：
1）在ECS、DCS中，控制都是通过网络实现的，但网络结构一般都不大于三层，并且互联的设备一般为一个厂家的产品和系统，在图三中，控制信息的传输网络为四层，DCS的开放性限制也影响了两个系统之间的连接的紧密型，可靠性和实时性也受到较大制约。
2）通信管理机因工艺的过程来配置，因数量较多而使投资成本增加。
在未来应用中，如果参与工艺联锁的综保装置能够根据DCS和ECS的不同要求，把控制信息和非控制信息分开，分别通过独立的接口接入DPU和ECS的通信管理机，这样接入DCS信息的可靠性和实时性会有很大提高，但通信负荷的增加、控制的切换等对综保装置提出了新的技术要求，同时DCS厂家在市场利益受冲击的情况下，接入不同通信接口和规约的装置，势必会有较大阻力。因此，在新模式的探索中，不仅需要DCS厂级与ECS厂家的全力配合，同时如何平衡市场利益的冲突，也是需要相关方面直面和解决的问题。
5.结语
随着我国电力系统的快速发展，ECS在大中型火电机组中得到了广泛应用，“硬接线+通信”方式在目前条件下更好的解决了ECS接入DCS实现机炉电一体化控制的要求，随着ECS的进一步完善和通信技术的不断发展，相信不久的将来完全取消硬接线的全通信方式将真正为用户所接受和广泛应用。
参考文献
[1]吴泽生,吴艳萍.数字化电气监控管理系统的探讨[J].电力自动化设备,2004,24(1)94-97.
[2]钱可弭.新型发电厂电气监控系统的架构与实现[J].广东电力，2005,18(3):21-25.
作者简介：
吴勇波（1981—），男，2004年毕业于武汉大学计算机科学与技术专业，助理工程师，阿城继电器股份有限公司哈尔滨研发中心设计员，主要从事变电站电力监控软件的研发工作。
孙楚平（1990—），男，现就读于华北电力大学2009级可再生能源学院风能与动力工程专业。
肖鹏翀（1985—），男，2008年毕业于哈尔滨理工大学自动化学院自动化专业，助理工程师，主要从事火电厂综保系统设计工作。