摘要：本文系统地介绍火力发电厂电气二次系统的现状及发展趋势，供工程设计和技术改造参考使用。
1 引言
火力发电厂是技术高度密集型企业，在这里，大量的高新技术得以应用，高新技术为现代发电技术提供了强大的技术支持。火力发电厂电气控制系统在短短的五十年中经历了从简单分散控制系统到微机控制的全过程。为此，电规总院开展了2000年示范电厂设计模式的研究，责成六大院进行了2000年示范电厂的设计研究工作，为降低工程造价，提高电厂的管理水平及自动化水平打下了坚实的基础。本文结合内蒙西部电网的发展情况，分析现阶段我国火力发电厂电气控制系统的现状，针对2000年示范电厂的设计模式，研究我国火力发电厂电气控制系统的发展趋势。
2 控制、信号和测量系统
2．1 单元控制室和主控制室
火力发电厂的控制方式按控制地点可分为主控制室和单元控制室两类，后者还包括含网络控制的单元控制室以及设置独立单元控制室和网络控制室两种类型。一般而言，单机容量为1OOMW以下的发电厂，宜采用主控制室，而单机容量为200MW及以上的机组，宜采用单元控制室。内蒙西部电网已建电厂中，丰镇电厂6x200MW机组，达拉特电厂4x330MW机组均采用了每台机设置一单元控制室，并单独设置网络控制室的方案。而在建中的呼和浩特电厂2x200MW机组及内蒙古国华准格尔发电厂二期扩建2x330MW机组均采用了两台机设置一单元控制室，不设网络控制室，将网络控制纳入单元控制室的方案。
采用单机一控和两机一控从电气专业来说各有优缺点。采用单机一控具有安装、运行、操作、监视、测量、调试和保护单元性强，故障处理无干扰，控制室宽敞，运行条件好的优点，同时存在两台机公用设备两地控制，两地运行，维护管理分散，联系不方便且运行人员多的缺点。采用两机一控具有操作、监视、测量、调试和保护单元性强，两台机公用设备可相对集中布置，不存在两地控制问题，使接线简单，操作方便，同时控制室布置较紧凑，全厂值班人员少，运行维护管理集中等优点，缺点在于当一台机组安装、调试、维护和故障处理时，对另一台机组有干扰。通过对单机一控和两机一控方案的比较，两机一控方案明显优于单机一控方案，而在条件允许的情况下，取消网络控制室，将网络部分的控制纳入单元控制室，则对减小控制室面积，减少运行值班人员，降低工程造价有着很大的现实意义。
2．2 控制方式
发电厂的控制方式有强电一对一控制，弱电选线控制及微机监控三种方式。控制回路直接关系到断路器的跳合闸，对可靠性要求较高。目前，大部分断路器的操动机构只有强电参数，如用弱电控制需要通过强弱电转换环节来实现，接线复杂，可靠性很低，因此，火力发电厂中为保证操作的可靠性，不采用弱电控制。强电控制具有接线简单清晰，运行方便，调试方便，安全可靠等优点，因此，大中型火力发电厂中均采用强电控制方式。随着时代的发展，科学技术的进步，微机综合自动化技术也已成熟，并在变电所中广泛应用，同时取得了丰富的工程经验和运行经验。发电厂采用微机监控方式，将电气控制进入DCS系统，可极大的提高机组的自动化水平，为实现炉机电单元统一值班创造良好的条件。同时，也符合2000年示范电厂电气自动化设计的原则和目标。火力发电厂电气系统采用微机监控是时代的要求，也是科学技术发展的必然结果。
内蒙西部电网中，丰镇电厂6x200MW机组，达拉特电厂4x300MW机组均采用了强电一对一控制方式，而在建中的呼和浩特电厂2x200MW机组及内蒙古国华准格尔发电厂二期扩建2x330MW机组则分别采用了强电一对一控制和微机监控方式，而后者则是完全按照2000年示范电厂的标准进行设计的。
2．3 信号和测量系统
发电厂的中央信号系统是全厂信号的核心，现行工程设计中，有传统的采用冲击继电器及光字牌组成的能重复动作，可手动、自动复归的中央信号系统，也有采用微机闪光报警器组成的中央信号系统。由冲击继电器组成中央信号装置，在过去的工程设计中广为应用，但随着科学技术的进步，其存在的缺点也逐渐暴露出来，如报警信号单一，不能记忆瞬时信号，可靠性差，光字牌灯泡寿命短，功耗大，发热严重，回路复杂，维护工作量大，在大中型火力发电厂中与热控专业选型不同，外型不美观等，现行工程设计中，已逐渐将其淘汰。而微机型闪光报警器具有信号瞬时保持，光字牌闪光，信号回路设计不须考虑重复动作问题，信号数量从原理上讲可不受限制，接线简单，技术含量高，外型美观，功能齐全的特点，在现行工程设计中广为采用。
当火力发电厂电气部分采用微机监控后，则可将中央信号进入DCS系统，由计算机完成中央信号的任务，既减少了中央信号系统相应的设备，也使系统简洁明了，功能进一步加强，技术性能上处于先进地位，是最完善，性能最好的方案。
内蒙西部电网已建电厂中，丰镇电厂6x200MW机组均采用了冲击继电器构成中央信号系统，达拉特电厂4x330MW机组均采用了微机型闪光报警器。在建中的呼和浩特电厂2x200MW机组也采用微机型闪光报警器，而在建中的内蒙古国华准格尔发电厂二期扩建 2x330MW机组由于采用了微机监控方式，按 2000年示范电厂设计，将中央信号系统取消，进入DCS系统，是最先进的方法。
常规火力发电厂中，对于电气测量而言，按规程规定设置常规的测量表计，采用槽型表或方型表，安装于控制屏台上，而电度表则采用常规电度表。比较先进的电厂中则选用数显仪表，装设智能型电度表，设置电费计量系统。
内蒙西部电网中，丰镇电厂6x200MW机组均采用常规测量表计，达拉特电厂4×330MW机组采用常规测量表计，但电度表改用脉冲型。在建中的呼和浩特电厂则选用数显仪表和智能型电度表。而按2000年示范电厂设计的内蒙古国华准格尔发电厂二期扩建 2x330MW机组由于采用了微机监控方式，取消了常规的测量仪表，将测量进入DCS系统，既节省了控制屏及相关电缆，也便于运行维护。
3 2000年示范电厂自动化设计原则和目标
鉴于我国火力发电厂本身存在的问题及与国际先进水平之间的差距，1997年8月，电力规划设计总院提出了《关于加快两个根本性转变，改革设计思路和方法，建设2000年燃煤示范电厂的建议》，《建议》分析了当前设计的燃煤电厂与国际先进水平的七条差距，造成差距的五个原因，提出了十项改进目标，八条具体设想以及五项实施建议。对于电气控制系统而言，存在的主要问题是：
（1）单元机组中锅炉、汽机和发电机＼变压器组，厂用电等的控制水平不协调，多数电厂没有实现单元机组统一值班，辅助车间和辅助系统自动化水平不高，值班人员偏多。
（2）单元机组控制室大，控制系统结构没有跟上世界最新技术发展，电缆及其工程量愈来愈大。
（3）机组自动化功能水平与国际先进水平尚有差距。
（4）单元机组控制中心进一步智能化，自动化、控制室小型化，发变组和厂用电的顺序控制进入分散控制系统（DCS），使电气控制与锅炉、汽机等热工控制的方式和水平相协调，为实现炉机电单元统一值班创造良好的条件。炉、机、电实现全CRT监控，取消后备监控设备（包括传统控制盘），网络控制计算机化，同样实现全 CRT监控，纳入第一单元控制室，取消网络控制室，两台单元机组的控制室面积由目前规定的350—400m2缩小到150m2以下。
（5）单元机组监控系统全面按功能分散和物理分散的原则进行设计，电子设备间分散布置，设置小集控室，取消电缆夹层，既节省大量昂贵的控制电缆和计算机电缆，初步估计可以节省30％～40％电缆。由于电缆敷设工程量减少，有利于压缩工期，同时有利于防火和电厂安全运行。
（6）提高全厂综合自动化水平，实现全厂监控和管理信息系统网络化。水泵房，水处理，输煤和除灰（渣）等辅助车间和辅助系统，以及远动和网络控制应统一设计原则，统一监控设备选型，统一设计标准，并提高自动化水平，实现全CRT监控，不设后备，提高这些系统运行安全性和经济性，减少值班人员。
2000年示范电厂关于电气控制系统的设计原则和目标，是今后工程设计的方向和原则，新建工程应按此标准执行，大中型火力发电厂的改造也应遵循这一思路进行。
4 厂用电动机控制
火力发电厂中，除主厂房内的汽机、锅炉电动机外，还有大量的辅助系统，比较集中的系统包括输煤系统，除灰系统，化学水系统，水工系统等。
对于汽机、锅炉电动机，以往工程设计中均采用强电一对一控制方式。内蒙西部电网中丰镇电厂6x200MW机组及达拉特电厂1、2号 2x330MW机组均采用强电集中控制方式。从达拉特电厂1、2号机组设计、安装、调试、运行情况看，对于汽机、锅炉电动机当采用强电控制时，电动机的连锁采用继电器组成逻辑回路，其联锁回路繁杂，可靠性较低，在达拉特电厂3、4号2x330MW机组工程中，将引、送风机、一次风机等锅炉电动机进入热工DCS系统，使接线简化，收到了好的效果（但离汽机、锅炉电动机全部进入DCS系统尚有一定的距离。在建中的呼和浩特电厂2x200MW机组则将汽机、锅炉电动机全部进入热工DCS系统，而在建中的内蒙古国华准格尔发电厂扩建2x330MW机组则将电气系统，包括发变组、高、低压厂用工作、公用、备用电源、汽机、锅炉电动机全部进入热工DCS系统，是最完善，最现代化的设计方案，也是今后大、中型火力发电厂设计应走的道路。
输煤系统控制方式可分为就地手动控制，集中控制和程序控制三种方式，内蒙西部电网已建大、中型火力发电厂中均采用了集中控制方式，而在小机组中也有采用就地控制的方式。实践证明，采用人工就地操作和监控，不仅岗位人员多，劳动强度大，职业病发病率高，而且由于各岗位联系不紧凑，致使设备很难达到合理运行和安全运行。对于大、中型火力发电厂输煤系统，当采用集中控制时，由继电器构成逻辑联锁回路，二次控制联锁回路繁杂，控制元件众多，且耗费大量的控制电缆，其自动化水平较低。随着科学技术的进步，实现输煤系统自动化已是火力发电厂现代化文明生产的迫切需要。近年来，随着微处理机技术的高速发展，输煤程序控制也得到了极大的发展，其技术也已成熟，并且在国内大中型火力发电厂中推广应用，并积累了丰富的经验，同时也符合2000年示范电厂的设计思路。鉴于此，内蒙西部电网在建工程中，呼和浩特电厂2x200MW机组及内蒙古国华准格尔发电厂二期扩建2x330MW机组输煤系统均采用了程序控制。
同样，除灰系统和化学水系统也应尽可能的采用程序控制，以提高全厂的自动化水平。
今后工程设计中，应按照2000年示范电厂的设计原则和目标，致力于提高综合自动化水平。对于辅助系统的控制而言，应实现全厂监控和信息系统网络化，同时应统一设计原则，统一监控设备，并尽力使选型统一。
5 元件继电保护
随着时代的发展，科学技术水平的不断提高，元件继电保护装置的发展经历了从电磁型、整流型、晶体管型、集成电路型到微机型的发展历程。内蒙西部电网已建电厂中，50MW以下机组均采用了电磁型继电保护装置，50MW机组采用了整流型继电保护装置，IOOMW机组均采用了晶体管型继电保护装置，已建200MW机组均采用了晶体管型继电保护装置，330MW机组采用了集成电路型继电保护装置，基本上可满足安全运行的要求。随着科学技术的进步，微机继电保护装置的发展也进入新时期，微机型变压器保护装置在变电所中已经大面积推广应用，微机型线路保护装置已完全代替了其它类型的保护装置。而近几年投产的大中型火力发电机组也有步骤的选用了微机型元件保护装置。鉴于此，在建中的呼和浩特电厂2x200MW机组及内蒙古国华准格尔发电厂二期扩建2x330MW机组均选用了微机型元件继电保护装置。
电磁型保护继电器原理接线简单，维护方便，容易掌握，有丰富的运行经验，在80年代设计的中小容量机组中广泛应用，但有些保护装置由于在原理判据，灵敏系数等方面不满足大容量机组保护的要求，因此在大中型火力发电机组中电磁型产品应用较少。整流型和晶体管型保护装置在灵敏系数，快速性，选择性等方面都很优越，并具有体积小，功率消耗小，防震性能好的优点，是80年代中期到90年代初期大中型火力发电机组的主要保护装置。而集成电路型保护装置做为向微机型保护装置过渡的产品，没有来得及大面积推广应用即被性能更优越的微机型保护装置所取代。微处理机技术的迅猛发展，几乎渗透到元件保护的每一个脚落，从微机型电动机、电容器、线路、变压器综合保护装置到大中型火力发电厂、变电所元件继电保护装置，其优良的性能，先进的技术，方便快捷的数据处理手段，为专业技术人员所青睐，其大面积推广应用，并最终取代其它各类继电保护装置也是情理之中的事情。
今后工程设计中，对于新建大中型火力发电厂应采用微机型继电保护装置，而对于改建中的中、小容量机组则应根据工程的具体情况，建设方的意见及投资情况，综合分析比较后，采用合适的保护装置，但选用电磁型、整流型、晶体管型继电保护装置时，要考虑生产厂家是否生产及备品备件的供应情况。
6 直流操作电源系统
火力发电厂中，为了供给控制、信号、保护、自动装置、事故照明、直流油泵和不停电电源装置用电，要求设置可靠的直流电源。
由蓄电池组成的直流系统包括三类，即固定型防酸隔爆式蓄电池、阀控式铅酸蓄电池和碱性隔镍电池。普通铅酸蓄电池在现行工程设计中大量选用，积累了丰富的生产制造、安装维护、运行管理经验，但在实际应用中也存在许多缺陷，如：电池体积偏大，占据较大的蓄电池室，运行中有酸雾逸出污染环境，需设置调酸室和调酸加液设备，运行维护复杂繁琐。碱性隔镍蓄电池包括中倍率和高倍率二种类型。碱性隔镍蓄电池具有安装维护简单，运行可靠等优点，但也存在由于制造工艺水平提高较慢，爬碱、渗漏等问题没有得到有效解决，且需要定期补液，同时，其价格大大高于普通铅酸蓄电池，因此，国内大中型火力发电厂中很少采用，只是在远离主厂房需要直流电源的附属车间或辅助系统，选用10～20AH的高倍率碱性电池。
阀控式铅酸蓄电池在近几年来得到了迅猛发展。由于其在使用过程中可以保持阀控式密封，不需加酸、加水维护，无酸雾逸出，不污染环境，不腐蚀设备，电池可立放、卧放或积木式安装，不需考虑防酸问题，当容量较小时，甚至可以直接装屏布置于控制室。由于阀控式蓄电池优良的性能，虽然其起步较晚，但在大、中型火力发电厂及变电所中均有使用，而邮电通信工程中则全部选用阀控式铅酸蓄电池。阀控式铅酸蓄电池是替代固定型铅酸蓄电池和隔镍电池的理想产品。
内蒙西部电网中，丰镇电厂、达拉特电厂均采用了主厂房直流系统，选用固定式铅酸蓄电池，而附属车间选用隔镍电池的方案。而在建中的呼和浩特电厂则选用了阀控式铅酸蓄电池。
对于铅酸蓄电池，现行工程设计中选用的蓄电池充电设备一般有三种方式，即硅整流充电装置，微机型充电装置和高频开关电源，前二者的区别仅在于控制器是选用普通型还是选用微机型，都属于相控电源，而后者则属于开关电源。硅整流充电装置和微机型充电装置在现行工程设计中伴随固定型铅酸蓄电池广为应用，而高频开关电源的发展则与阀控式蓄电池同步。高频开关电源是现代科学技术发展的产物，其与传统相控电源比较，具有很大的优越性，表现为：
（1）可靠性高，因采用整流模块并联供电， N+1备份模式，其中一个模块损坏，其余模快仍能正常工作，而相控电源是主从备份模式。
（2）重量轻，体积小，维护方便。
（3）效率高，功率因数高，开关电源功率转换效率为65％一95％，而相控电源只有20— 30％。
（4）稳压精度高，输出纹波系数小，有利于控制及保护设备的可靠运行，也可提高蓄电池寿命。
鉴于高频开关电源的优良性能，呼和浩特电厂2X200MW机组选用了高频开关电源做为充电装置。
7 自动装置
为保证电力系统可靠，经济运行，减轻运行人员的劳动强度，发电厂装设各种自动装置，如备用电源自动投入装置，自动重合闸装置，自动准同期装置，发电机自动调整励磁装置等。
现行工程设计中，自动重合闸装置及发电机自动调整励磁装置均采用微机型，而对于自动准同期装置，以往工程设计中，一般均采用 ZZQ-3A、ZZQ-3B、ZZQ—5型集成电路型装置，可满足大、中型火力发电厂安全运行的要求，近年来也开始有微机型自动准同期装置问世，微机型自动准同期装置是技术发展的必然趋势，今后工程设计中应有目的，有步骤的加以使用。
发电厂备用电源自动投入装置有电磁型、集成电路型和微机型三种类型，以往工程设计中均有采用。
随着机组容量的增大，对厂用电切换时间，切换过程中设备受到冲击，锅炉系统工况的稳定等问题越来越受到关注。内蒙西部电网中，丰镇电厂6x200MW机组及达拉特电厂1、2号 2x330MW机组，由于采用少油开关，不具备采用快速切换的条件，均采用传统的慢速切换方式，即厂用母线上的一个电源被切除后才投入另—个电源。这种切换方式，厂用电源切换时间较长，厂用电源切换过程中对锅炉运行工况的稳定运行和对厂用电动机冲击较大，难以满足大机组厂用电源安全，可靠切换的要求，为此，丰镇电厂及达拉特电厂1、2号机在调试及运行中，都进行了—定程度的改进，但效果不很理想。针对厂用电源切换中存在的问题，在达拉特电厂3、4号2x330MW机组工程设计中， 6kV开关选用真空断路器，同时，厂用电源切换选用了快速切换装置，较好地解决了慢速切换带来的问题。鉴于厂用电源快速切换装置在达拉特电厂3、4号机组的成功应用，达拉特电厂随即对1、2号机组厂用电源切换系统进行了改造，更换6kV真空断路器，装设厂用电源快速切换装置，成功地解决了以往工程中厂用电源切换存在的问题，满足了大、中型火力发电厂安全稳定运行的要求，今后工程设计和改造中要努力创造条件，推广应用厂用电源快速切换装置。
综上所述，本文针对大、中型火力发电厂电气二次系统的现状及存在问题，结合2000年示范电厂的设计模式，进行了详细的讨论，提出了新建及改建大、中型火力发电厂电气二次系统的设计思路，供工程设计、改造中参考使用。
