引言
现代火力发电机组，特别是大容量、高参数机组，其复杂程度越来越高，对这样的机组的操作、控制和检修的要求也越来越高。传统的DCS 由于其信息只限于过程测点，造成大量设备管理信息和维修信息的缺失，因此很难对机组的优化操作、优化检修起到有效的指导作用。
基于数字化电厂技术的仪控系统，凭借其强大的现场总线支持功能和日益丰富的智能现场仪表和设备，将传统DCS 信息采集、诊断监控范围大大扩展，从而可以有效的获取现场设备的设备管理和设备维修信息，通过高速通信网络，这些信息可以送到SIS 等上层软件，对机组的优化操作和优化维修进行进一步的指导。
本文将重点介绍全球第一个真正意义上的大型数字化电厂----- 德国尼德豪森电厂，并结合尼德豪森电厂的应用，对数字化电厂技术做初步探讨。
一、尼德豪森电厂简介
位于德国西部的尼德豪森电厂隶属于德国RWE电力公司，该电厂K号机组采用了热电联产方式，总出力达到1012MW，该机组为超超临界机组，主汽温度为580℃，主汽压力27 MPa。由于采用了过程优化技术，整个机组的效率达到了45%。
西门子公司为该机组提供了基于数字化电厂技术的仪控系统，系统供货范围涵盖传统意义上的 DCS、DEH、变送器、智能高中压配电系统、智能低压配电系统、电磁阀、阀门定位器、电动执行机构、MIS、SIS及主控室设计。
仪控系统中DCS系统大量采用了 PROFIBUS 现场总线技术，通过现场总线，将智能仪表、执行机构、高低压智能保护装置及电磁阀等接入主 DCS，同时现场设备的管理信息、设备维修信息等通过现场总线进入DCS和上层SIS/MIS软件，从而实现了机组的优化操作及优化维修管理，使整台机组仅配备一名操作员。
尼德豪森电 K号机组于2002年12月投入商业运行，是目前全球范围全面采用数字化电厂技术的单机容量最大的机组。
二、系统配置
K号机组DCS配置系统配置如图1所示。系统共分三个层次，即：操作管理层、过程控制层和现场设备层。操作管理层集成了SIS、MIS和ERP功能，能实时监控整个机组的运行状况和设备的状态，能实现数据归档管理、设备状态检修管理、报表管理等。过程控制层包括多对冗余的控制单元DPU、工业通讯网络等，DPU实现对机组的控制和协调，并提供与管理层和现场智能设备层的接口。现场设备层包括远程智能I/O、带PROFIBUS总线接口的智能设备，如：执行机构、变送器、智能马达控制器等。操作管理层与过程控制层通过高速工业以太网相连，过程控制层与现场设备层通过PROFIBUS现场总线相连，通讯速率可达12M(见图2)。
图1系统配置图
图2 过程控制层与现场设备层连接图
2.1系统配置特点
DCS系统包括2700个模拟量输入、模拟量输出点3个、流量计输入点63个、开关量输入3798个、开关量输出67个，这些信号中采用常规信号的，通过ET200远程I/O进行采集并通过PROFIBUS-DP与DPU相连;采用HART协议的仪表通过HART协议与远程I/O ET200通讯。除此而外，整个系统包括721台智能马达保护装置(SIMOCODE)、670个电磁阀、957个阀门定位器、698台电动执行机构，这些智能设备均通过PROFIBUS-DP与DPU相连。
图3 现场智能设备和仪表与DPU相连
DCS与现场设备的连接方式根据距离和环境有两种，即光纤电缆连接和屏蔽双绞线连接。对本身具有两个 PROFIBUS 端口的智能设备(如SIPOS 电动执行机构)，DCS可直接通过冗余PROFIBUS 与智能设备相连;对于本身只有一个PROFIBUS端口的智能设备，DCS冗余PROFIBUS现场总线先连接到该智能设备就地安装机柜内(如开关柜)的Y 型转换器，再由Y型转换器(已转换成一条PROFIBUS现场总线)在就地柜内与智能设备相连。这样就能保证从DCS电子间到就地智能设备安装柜为双重化冗余PROFIBUS现场总线连接。
2.2 使用数字化电厂技术带来的好处
尼德豪森电K号机组使用数字化电厂技术带来的好处可以归纳如下：
在技术层面上，由于在DCS系统中采用现场总线PROFIBUS，PROFIBUS的屏蔽双绞线和光纤大大提高了系统信号的抗干扰能力，提高了系统整体可靠性;同时现场总线的使用，也使得从热工过程到系统的信号转换环节减少，系统整体精度提高;另外现场总线预制电缆的使用，大大减少了传统手工作业的镙钉端子数量，从而提高了系统的整体安全性。
在运行层面上，由于采用PROFIBUS现场总线系统，系统的监控范围从传统的系统端子排扩展到全厂，真正实现了全厂监控;同时由于可方便采集设备的管理、诊断及维修信息，使系统具有完善有效的设备诊断功能，真正实现现场设备的远程编程和维护，真正实现了全厂数据的集中管理，使设备的状态检修成为可能，提供更多的设备信息使操作和维护得到优化。
在投资层面上，由于采用PROFIBUS现场总线，大幅减少了控制柜的数量，大幅减少了电缆数量和电缆桥架的数量，从而大幅减少了施工和工程的费用。同时缩短了工程调试周期并减少了维护量，因此减少了项目的综合投资。
三、小结
使用数字化电厂技术后，由于大量设备管理信息(如设备KKS编号、设备版本号等)及设备诊断维修信息(如设备故障状态、设备累计运行时间、设备累计启停次数等)通过现场总线进入DCS并进一步到上层SIS等软件，因此DCS处理信息量将比传统过程测点大大增加(10倍以上)，因此对DCS提出了新的要求。基于现场总线的控制系统，因其在系统设计方面重点考虑了对现场总线的支持(如集成接口等)和更多信息的处理(如1000M网络、大容量冗余服务器技术等)，能够满足数字化电厂技术上的要求。
数字化电厂，其核心是现场总线技术。PROFIBUS以其开放性、宽广的应用适应性(适合智能仪表和智能电气设备)和广泛的智能设备和仪表支持，获得了快速的发展，在全球已有超过1000万个节点。而其新一代产品，基于工业以太网的PROFINET更可将工业以太网延伸到现场设备级。
数字化电厂很重要的组成部分为上层SIS等应用软件，SIS系统只有对通过现场总线送上的各种设备管理和诊断维修信息进行有效处理，才能对电厂的操作运行、管理和维修起到指导和促进作用。
