（1江苏省电力设计院有限公司 江苏省南京市 211102；2南京理工大学 江苏省南京市 211102）
摘要：介绍了IEC61850标准在火力发电厂的应用模式，并调研了火电厂电气监控系统中支持IEC61850标准的设备应用情况，详细设计了基于IEC61850标准的火电厂电气监控管理系统ECMS方案（模式二），并进行了经济技术比较，得出了模式二是现阶段在智能开关和电子式互感器不具备大面积推广应用的情况下的一个较好的解决方案，指出了IEC61850数字化电气监控系统将是未来火电厂发展的方向。
关键词：IEC61850；火电厂；电气监控系统；ECMS
0引言
目前，得益于国家电网公司的大力支持和推进，IEC61850标准在智能化变电站中已经有较为广泛的应用。但受火电厂电气设备种类多、设备的智能化程度参次不齐等条件约束，当前IEC61850标准在火电厂电气设备监控和保护系统方面的研究和应用仍处于起步阶段。
火力发电厂升压站的电气设备与变电站基本类似，因此，火力发电厂升压站内的电气一次设备，以及控制和保护系统等电气二次设备可以直接采用智能变电站中的相同或类似的应用方案。国内已有火力发电厂工程在升压站控制系统的间隔层和站控层设备之间采用IEC61850通信技术。但在火力发电厂发变组控制/保护系统、励磁系统、同期系统、厂用快切装置等机组电气控制系统以及厂用电控制系统方面，采用IEC61850通信技术仍然需要系统的设备调研和方案研究[1]。
1 IEC61850在火力发电厂的应用模式
IEC61850标准是一种基于通用网络通信平台的变电站自动化系统唯一国际标准，具有面向对象建模、抽象通信服务接口、面向实时的服务、配置语言、整个电力系统统一建模等诸多特点。采用IEC61850标准进行信息传递，可以实现设备间的互操作性和无缝集成，提高通信的可靠性，提高信息测量和计量精度[2]。
基于IEC61850标准的火力发电厂数字化电气系统是由智能化一次设备（电子式互感器、智能化开关等）和网络化二次设备分层（过程层、间隔层、站控层）构建，建立在IEC61850标准基础上，能够实现智能电气设备间信息共享和互操作的现代化电气系统[3]。
参照智能变电站的网络结构形式，IEC61850通信标准在火力发电厂电气监控系统的应用模式有以下三种：
模式一：基于站控层IEC61850的火电厂电气监控系统。该系统只是在间隔层与站控层采用了IEC61850标准的MMS（Manufacture MessageSpecification）通信。这种模式实现了二次设备之间的互操作。
模式二：基于传统互感器及过程层信息交换的发电厂电气监控系统。区别于模式一，模式二不仅在站控层信息交换采用了IEC61850，而且增加了过程层网络进行过程层信息交换，可实现SV（Sample Value）和GOOSE（GenericObject Oriented Substation Event）通信[4]。该模式需配置过程层设备合并单元、智能终端，将设备的信息及操作数字化，与之相关的间隔层保护及自动化装置通过光纤以太网与对应间隔的合并单元、智能终端相连接。
模式三：基于站控层及过程层全信息交换的火电厂电气监控系统。该模式采用电子式互感器代替了传统互感器。由于电子式互感器的性能优势，这种模式在高压及超高压变电站采用较为广泛。
模式一应用较成熟，但智能化程度较低。模式二在智能开关和电子式互感器不具备应用或大面积推广应用的情况下是一个较好的解决方案，随着智能开关和电子互感器技术进一步的发展成熟，逐步过渡到模式三，实施完整的火力发电厂电气监控系统方案。
2 IEC61850在火电厂NCS、ECMS的应用情况
一般火力发电厂电气系统的监控由两大监控系统实现：网络计算机监控系统NCS及电气监控管理系统ECMS。NCS主要负责监控火电厂升压站部分的电气设备，可参照智能变电站，采用基于IEC61850通信标准的NCS，实现三层两网的网络结构形式（模式二），这在实际工程中也已经有了应用。
发电厂电气监控管理系统ECMS的主要功能为实现机组的监控管理，包括高低压厂用电系统、发电机变压器等电气系统的监控、管理和维护。该部分电气设备种类众多，包括励磁系统、同期、快切装置、发变组保护、中压综保、低压测控装置及马达控制器等。在将这些设备通过通信方式纳入ECMS进行统一监控管理时，需要为这些不同厂家生产、具有各种不同通信接口的设备设置大量通信规约转换软件和硬件，增加了现场成本，在通信信息量较大时，实时性和可靠性也无法保证。采用基于统一的、开放性的通信规约IEC61850可以很好的解决这一问题，可以实现不同厂家二次系统之间互联互通和有效集成，从而全面实现机组电气系统的网络化和信息化[5]。
在发电厂380V低压厂用电系统中，测控装置、马达控制器等智能设备是布置在各低压开关柜抽屉内，设备比较分散，且数量众多，组网造价过高，在技术、经济上不合理，因此低压系统采用目前已成熟应用的Modbus、ProfiBus-DP等现场总线形式，将低压智能设备接入ECMS间隔层通信管理机，经过通信规约转换，以MMS接入到ECMS的站控层网络。
3 基于IEC61850的ECMS方案设计
针对我院设计的某2×1000MW级燃煤发电机组工程，本文设计了基于IEC61850标准的火电厂电气监控管理系统ECMS方案。考虑到目前发电厂智能开关和电子式互感器技术尚未成熟，且并未大量推广，故本文设计的ECMS方案采用模式二，并将其与常规方案进行经济技术比较。
基于IEC61850标准的火电厂电气监控管理系统ECMS的网络结构图见图1，为简便起见，只表示出了#1机组的ECMS网络结构，#2机组相同。
图1 基于IEC61850标准的火电厂电气监控管理系统ECMS
该ECMS方案采用开放的分层、分布式网络结构，设置两层网络、三层设备，包括站控层、间隔层和过程层。站控层设备间采用双冗余的光纤以太网，采用全交换星型网状拓扑。间隔层负责各间隔就地监控，间隔层设备主要由6kV综保、380V测控装置、发变组保护、励磁、快切装置、直流、UPS及网络接口设备等组成。6kV综保通过以太网口与交换机通讯，支持IEC61850通讯标准，同时支持站控层MMS通讯。380V配电室的通讯管理机负责与380V开关柜上的马达保护器、测控装置等设备通讯，将其转换为IEC61850规约，使其与ECMS系统监控后台通讯。
间隔层发变组保护、励磁、同期、快切、故障录波等装置均采用支持IEC61850标准的产品，通过光纤直接接入站控层交换机，实现与ECMS的MMS通信。同时，又将发变组保护、故障录波装置通过光纤接入过程层交换机，实现与过程层设备的信息交互。过程层设备包括就地合并单元，如发电机PT、CT、励磁变CT、主变及高厂变CT合并单元，合并单元通过过程层网络实现就地SV采集与上传。
该ECMS方案较常规方案相比，主要是在间隔层增加了交换机和过程层增加了就地合并单元柜，但同时间隔层的通讯管理机数量将有所减少。基于IEC61850的火电厂ECMS新增设备及投资详见表1，新增投资额为78万元，另外由于采用了支持IEC61850标准的6kV综保，其费用较常规综保将增加34万元。因此，在设备费用方面，较常规方案增加112万元。在电缆费用方面，新方案采用光纤代替了传统的控制电缆，常规方案的发变组保护、故障录波部分的控制电缆共计3199米，控制电缆按15元/米计，电缆材料费用总计节省4.8万元。因此，总投资费用共增加112-4.8=107.2万元。而本工程厂用电监控系统总投资费用为474万元，新方案较常规方案投资费用增加了22.6%，成本有所增加。但是，新方案不仅在站控层信息交换采用IEC61850标准，且机组控制和保护系统中增加了过程层网络信息交换，全面实现了站控层、间隔层和过程层的IEC61850通信，解决了不同厂家产品之间的互换及互操作性，信息化程度高。
4 小结
基于IEC61850标准的火电厂电气监控系统采用了数字化的电气一次设备、合并单元及智能终端，以及支持IEC61850标准的网络化电气二次设备，实现了基于IEC61850通讯规约的火电厂ECMS，提高了火电厂智能化、网络化和信息化水平，使得不同厂家产品之间的互换及互操作成为了可能，同时大大简化了现场二次接线。虽然目前IEC61850标准在火电厂的应用还处于研究和起步阶段，在经济上成本也有所增加，但从长远看，随着火电厂IEC61850数字化产品的不断更新和完善，以及电子式互感器的规模化应用，火电厂IEC61850数字化电气监控系统将是未来火电厂发展的方向。我们可以借鉴智能变电站的成熟经验和理念，分步实施，逐步完善，积极推进火电厂IEC61850的数字化建设。
参考文献：
[1]周四维，李忠炳，张晋宾．数字化电厂的概念及实施[J]．上海电力学院学报，2014，30(3)：208-212．
[2]李孟超，王允平，李献伟，等．智能变电站及技术特点分析[J]．电力系统保护与控制，2010(9)：59-62．
[3]卢艳林，付胜明，张丽华，等．IEC61850通信技术在火电厂中的应用探讨[J]．中国电力，2014：47(9)：126-131．
[4]徐成斌，孙一民．数字化变电站过程层GOOSE通信方案[J]．电力系统自动化，2007，31(19)：31-33．
[5]郝运香．数字化电气监控管理系统的研究[J]．山东工业技术，2015：107．
作者简介：
潘晓烨(1985—)，男，江苏海门人，硕士，工程师，从事火力发电厂电气二次设计工作。
论文作者:潘晓烨1,吴沛航2,高波1
论文发表刊物:《电力设备》2017年第29期
论文发表时间:2018/3/12
标签：火电厂论文; 电气论文; 设备论文; 标准论文; 火力发电厂论文; 模式论文; 监控系统论文; 《电力设备》2017年第29期论文;