ECS

1. Pengenalan singkat

Sistem otomasi kelistrikan pembangkit listrik, yaitu EFCS atau ECS, merupakan salah satu topik hangat baru dalam bidang otomasi pembangkit listrik dalam beberapa tahun terakhir. DCS berfokus pada pemantauan sistem termal, sedangkan EFCS berfokus pada pemantauan sistem kelistrikan pembangkit; dibandingkan dengan sistem pemantauan jaringan pembangkit listrik (NCS) yang menitikberatkan pada pemantauan kelistrikan pembangkit yang terhubung ke jaringan listrik, EFCS justru berfokus pada sistem internal pembangkit dan mewujudkan fungsi-fungsi komprehensif berupa proteksi, pengukuran, kontrol, serta analisis terhadap sistem kelistrikan tegangan menengah dan rendah pada sistem daya stasiun.

Sistem EFCS menggabungkan berbagai perangkat proteksi relai, perangkat pengukuran dan kontrol, serta perangkat otomatis dalam sistem tegangan menengah 6 kV/10 kV dan sistem tegangan rendah 400 V, yang dioperasikan secara independen oleh EFCS melalui fieldbus atau Ethernet. Di satu sisi, sistem ini mewujudkan pertukaran informasi melalui mode komunikasi dengan sistem DCS, sehingga secara signifikan mengurangi investasi pada titik pengukuran dan investasi kabel dalam mode hardwired pada DCS; di sisi lain, melalui jaringan dan perangkat lunak latar belakang, terwujudlah kontrol terkoordinasi, analisis gangguan, dan manajemen operasi sistem kelistrikan, serta meningkatkan tingkat kontrol otomatis dan tingkat manajemen operasi seluruh pembangkit listrik.

2. Jalur perkembangan EFCS

Sistem atau produk otomasi kelistrikan pada pembangkit listrik dapat dibagi menjadi beberapa bagian utama sebagai berikut:

① Proteksi kelompok trafo generator: meliputi proteksi generator dan proteksi trafo (termasuk trafo utama, trafo gardu tinggi, dan trafo cadangan tinggi). Pada unit berkapasitas besar dan menengah, biasanya digunakan proteksi kelompok trafo generator atau proteksi kelompok jalur trafo generator.

② Sistem pengaturan eksitasi (AVR): meliputi perangkat pengatur eksitasi, unit daya, transformator ujung mesin, dan lain-lain.

③ Sistem NCS pada gardu penguat di pembangkit listrik: meliputi proteksi saluran tegangan tinggi, proteksi busbar, proteksi saluran tegangan rendah dan perangkat kontrol, sistem pemantauan latar belakang, “lima pencegahan”, RTU, dan lain-lain.

④ EFCS: perangkat proteksi dan kontrol, perangkat otomatis keselamatan, sistem komunikasi jaringan dan aplikasi pemantauan latar belakang, yang mencakup sistem tegangan menengah bantu 6 kV/10 kV serta sistem tegangan rendah 400 V.

⑤ Peralatan dan sistem kelistrikan lainnya: sistem kontrol seperti catu daya DC, UPS, dll.

Perangkat proteksi unit transformator generator dan perangkat pengaturan eksitasi merupakan salah satu peralatan otomasi yang paling penting pada rangkaian generator. Karena sifatnya yang sangat profesional dan krusial, kedua perangkat ini secara tradisional dirancang dan dioperasikan sebagai subsistem yang berdiri sendiri. Saat ini, perangkat lunak dan perangkat keras tertanam banyak digunakan untuk mengembangkan dan mewujudkannya, serta sistem tersebut dilengkapi dengan antarmuka komunikasi. Fungsi utama gardu penaik tegangan adalah menyalurkan listrik dari generator ke jaringan tenaga setelah tegangan dinaikkan. Oleh karena itu, fungsi utama sistem kontrol jaringan (NCS) adalah mewujudkan otomatisasi pengendalian operasi pada gardu penaik tegangan, yang sangat mirip dengan sistem otomasi terpadu pada gardu induk biasa dalam jaringan tenaga. Seiring dengan pesatnya perkembangan teknologi sistem otomasi terpadu pada gardu induk dalam beberapa tahun terakhir, sistem kontrol jaringan turut memperoleh manfaat darinya dan pada dasarnya berkembang secara sinkron dengannya.

Sistem otomasi kelistrikan bantu pembangkit listrik (EFCS) merupakan suatu sistem otomasi terintegrasi yang baru, seiring dengan perkembangan teknologi komunikasi jaringan dan teknologi perangkat lunak dalam beberapa tahun terakhir. Sebagaimana kita ketahui, sistem kelistrikan sekunder pada pembangkit listrik mencakup sejumlah besar peralatan kontrol. Karakteristik menonjol dari peralatan-peralatan tersebut adalah persyaratan keandalan yang sangat tinggi, konfigurasi fungsi yang bersifat profesional, serta penempatan instalasi yang tersebar. Selama ini, peralatan kontrol kelistrikan pabrik beroperasi secara mandiri; hal ini menyebabkan kesulitan dalam koordinasi kontrol, pertukaran informasi, dan tidak adanya suatu sistem yang bersifat praktis. Sejak awal dekade 1990-an, produk otomasi kelistrikan pabrik telah mengalami suatu proses historis yang penting. Dalam proses tersebut, sebagian besar peralatan telah ditingkatkan dari tipe sirkuit terpadu menjadi tipe mikrokomputer, atau bahkan langsung dari tipe transistor dan tipe elektromagnetik ke tipe mikrokomputer, sehingga terwujud suatu lompatan dalam otomasi kelistrikan pabrik. Namun kemudian, sejak tahun 1998, muncul perbedaan pendapat yang cukup signifikan di kalangan industri terkait tujuan pengembangan selanjutnya. Salah satu pandangan menyatakan bahwa sistem kelistrikan sebaiknya tetap diintegrasikan dengan sistem DCS melalui metode pengkabelan keras konvensional, dan peralatan sekunder kelistrikan tetap berada dalam keadaan terpisah. Bahkan ada yang berpendapat bahwa fungsi DCS dapat diperluas sehingga secara langsung mampu menyalurkan fungsi-fungsi peralatan sekunder kelistrikan; sementara itu, pandangan lainnya menekankan agar peralatan sekunder kelistrikan dihubungkan melalui fieldbus dan jaringan. Di satu sisi, sistem DCS hendaknya dihubungkan melalui sarana komunikasi guna menghemat total investasi, termasuk investasi pada sistem DCS itu sendiri; di sisi lain, perlu dibentuk suatu sistem aplikasi latar belakang kelistrikan untuk meningkatkan tingkat operasi dan manajemen sistem kelistrikan.

Ketika teknologi DCS tradisional diterapkan pada sistem otomasi kelistrikan pabrik, terdapat hambatan-hambatan berikut:

① Dalam sistem otomasi kelistrikan, arus dan tegangan pada sistem kelistrikan telah mewujudkan pengambilan sampel AC secara langsung dengan presisi tinggi, kecepatan tinggi, dan digitalisasi; Namun, DCS harus dihubungkan ke DCS setelah tegangan dan arus dikonversi melalui transmitter, yang menimbulkan kabel sekunder yang kompleks, biaya tinggi, dan kinerja anti-gangguan yang buruk;

② Proses transien listrik berlangsung dengan cepat; proteksi relai dan perpindahan cepat sumber daya bantu biasanya memerlukan waktu pemrosesan pada tingkat milidetik, sedangkan waktu respons DCS umumnya berada pada tingkat detik.

③ DCS berfokus pada pengisian “titik”. Untuk setiap “titik” informasi, seperti suhu, tekanan, atau arus, di satu sisi diperlukan inti kabel khusus; jika terdapat puluhan ribu titik, maka diperlukan puluhan ribu kawat inti, yang tidak hanya menyerap banyak kabel kontrol, tetapi juga membuang-buang ruang dan waktu konstruksi; di sisi lain, dalam peralatan DCS, kartu-kartu peralatan diisi berdasarkan “titik”. Dalam sistem otomasi listrik, satu kabel komunikasi dapat mentransmisikan ratusan “titik”.

④ Karena keterbatasan DCS pada titik pengukuran listrik, banyak fungsi aplikasi sistem kelistrikan tidak dapat direalisasikan, seperti diagnosis gangguan, analisis gangguan, analisis ekonomi, manajemen nilai tetap, dan lain-lain. Oleh karena itu, tingkat manajemen operasional sistem kelistrikan tidak dapat ditingkatkan.

Dalam beberapa tahun terakhir, penerapan yang berhasil dari teknologi komunikasi jaringan yang diwakili oleh fieldbus dan industrial Ethernet dalam sistem otomatisasi terintegrasi gardu induk, serta semakin tampaknya kelemahan dari mode pengkabelan keras DCS, telah membuat tuntutan untuk secara menyeluruh meningkatkan tingkat otomatisasi sistem kelistrikan bantu kian menguat. Sejak tahun 2000, sejumlah produsen peralatan otomasi tenaga listrik baik dalam maupun luar negeri, serta departemen perencanaan, desain, penggunaan, dan pengujian tenaga listrik, telah secara aktif melakukan penelitian dan pengembangan, mengusulkan berbagai skema EFCS, serta melaksanakan uji coba di beberapa pembangkit listrik, sehingga mengumpulkan pengalaman yang bernilai. Ciri-ciri umum dari skema-skema tersebut adalah: peralatan otomasi kelistrikan bantu dihubungkan ke jaringan melalui field bus; komunikasi dan sebagian pengkabelan keras digunakan untuk menghubungkan sistem kelistrikan dengan DCS guna mengurangi jumlah kabel; serta dibentuknya sistem latar belakang kelistrikan, disertai perencanaan dan pengembangan bertahap berbagai perangkat lunak aplikasi.

3. Komposisi sistem EFCS

Dari segi struktur, sistem EFCS dapat dibagi menjadi tiga lapisan.

Lapisan pertama: lapisan pemisah. Lapisan ini terutama ditujukan untuk perangkat cerdas guna menyelesaikan berbagai fungsi profesional, antara lain: perangkat proteksi, pengukuran, dan kontrol seri untuk sistem tenaga bantu tegangan menengah 6 kV/10 kV; pengontrol cerdas serta perangkat pengukuran dan kontrol seri untuk sistem tenaga bantu tegangan rendah 400 V; perangkat sakelar cepat tenaga bantu; perangkat sakelar otomatis daya siaga tegangan rendah; perangkat kontrol sinkronisasi quasi-otomatis; perangkat seleksi jalur pentanahan arus kecil; perangkat seleksi jalur pentanahan DC, dan sebagainya. Perangkat cerdas tersebut umumnya dikembangkan dengan teknologi perangkat keras dan perangkat lunak tertanam, yang mencakup CPU, A/D, RAM, EEPROM, serta antarmuka komunikasi eksternal FIELDBUS atau Ethernet.

Lapisan kedua: lapisan manajemen komunikasi. Lapisan ini mencakup jaringan komunikasi dan perangkat manajemen komunikasi, yang terutama menyelesaikan komunikasi dengan perangkat cerdas di atas, sistem DCS, sistem pemantauan latar belakang kelistrikan, perangkat cerdas lainnya di pembangkit listrik (seperti proteksi generator, perangkat pengaturan eksitasi, dan sebagainya), serta sistem lain di pembangkit listrik (seperti sistem pemantauan tingkat instalasi SIS). Mode komunikasi yang digunakan meliputi Ethernet industri dan fieldbus, seperti Profibus dan CAN. Perangkat manajemen komunikasi mewujudkan interkoneksi antara berbagai standar antarmuka fieldbus serta konversi antara berbagai protokol komunikasi.

Lapisan ketiga: lapisan kontrol stasiun. Lapisan ini terutama mencakup perangkat keras komputer dari sistem pemantauan latar belakang serta berbagai perangkat lunak aplikasi profesional. Perangkat kerasnya meliputi server, workstation, dan sebagainya; sedangkan perangkat lunak aplikasinya mencakup berbagai aplikasi dasar serta perangkat lunak fungsi aplikasi tingkat tinggi seperti SCADA (pengumpulan data dan pemantauan), pembacaan meter daya bantu, analisis rekaman gelombang, diagnosis gangguan motor, dan lain-lain. Selain itu, terdapat pula perangkat lunak antarmuka komunikasi antara sistem latar belakang dengan sistem manajemen lainnya (seperti sistem MIS) di pembangkit listrik.

4. Produsen utama

Dalam EFCS dan keseluruhan sistem otomasi kelistrikan pembangkit listrik, produsen asing memiliki banyak produk yang telah matang, seperti regulator eksitasi UNITROL-F buatan ABB, relay manajemen terintegrasi motor 369 buatan GE, pengontrol motor cerdas seri SUF50 buatan Siemens, dan sebagainya. Keunggulan dari produk-produk tersebut antara lain teknologi yang baik, kualitas yang stabil, serta antarmuka komunikasi yang umumnya sesuai dengan standar internasional. Namun, terdapat beberapa kendala pada produk asing, seperti harga yang tinggi, sejumlah fungsi yang belum sepenuhnya sesuai dengan aplikasi aktual di Tiongkok, sulit untuk dimodifikasi, serta masalah bahasa pada antarmuka tampilan.

Produsen asing memiliki kelemahan yang jelas dalam hal sistem jaringan komunikasi dan pengembangan perangkat lunak aplikasi latar belakang. Karena setiap proyek memerlukan akses ke peralatan yang berbeda, antarmuka komunikasi pada masing-masing peralatan pun berbeda, dan banyak di antaranya merupakan antarmuka non-standar; oleh karena itu, dalam pelaksanaan sistem masih diperlukan banyak penyesuaian teknis dan kustomisasi, yang menjadi hambatan yang tidak dapat diatasi oleh produsen asing.

Saat ini, pemasok EFCS sebagian besar berasal dari produsen dalam negeri. Karena perkembangan EFCS tidak sejalan dengan perkembangan sistem otomasi terintegrasi gardu induk, serta terdapat perbedaan yang signifikan dalam fungsi dan kinerja sistem, produsen otomasi tenaga tradisional dalam negeri seperti Nari dan Sifang—yang memiliki keunggulan besar di bidang jaringan listrik—belum mendominasi bidang ini. Sebaliknya, beberapa perusahaan yang telah lama berfokus pada bidang daya bantu dan mampu menangkap peluang pasar secara tepat waktu justru mencatat kemajuan pesat di bidang ini serta mempertahankan keunggulan teknologinya.

Tiga pemegang pangsa pasar teratas dari produsen domestik EFCS adalah: Femrice, Hefei Heneng, dan Guodian Nanzi. Femrice menguasai sekitar 40%. Jika komponen utama sistem EFCS dibagi lagi secara lebih rinci, tiga produsen teratas untuk subsistem utama atau peralatan penting dalam sistem tersebut adalah sebagai berikut:

① Sistem pemantauan latar belakang EFCS: Femrice, HFHN, SAC. Di antara ketiganya, inteligensi Femrice menyumbang sekitar 40%.

② Perangkat proteksi dan kontrol komprehensif 6 kV untuk pasokan daya: Femrice, HFHN, dan SAC. Di antaranya, porsi inteligensi dari Femrice mencapai sekitar 40%.

③ Pengontrol motor cerdas 400 V: Suzhou Intelligent, Siemens, Schneider, di antaranya Suzhou Intelligent menyumbang sekitar 30%.

④ Perangkat sakelar cepat daya pembangkit: Femrice, SAC, Zhenjiang East China. Di antara mereka, solusi cerdas Femrice menyumbang lebih dari 70%.

⑤ Pengontrol kuasi-sinkron generator: Shenzhen Intelligent, Nanrui Automatic Control, Jiangsu Guorui. Di antara ketiganya, Shenzhen Intelligent menyumbang sekitar 30%.

Situasi pasar dari sistem otomasi kelistrikan lainnya di pembangkit listrik secara garis besar adalah sebagai berikut:

① Sistem proteksi kelompok transformator generator: Guodian Nanzi, nanruijibao, Xuji Electric. Pangsa pasar China Power South-nya sekitar 40%.

② Sistem pengaturan eksitasi: ABB, Narui Electric Control, dan Institut Guangke. ABB menyumbang sekitar 40%.

③ Sistem pemantauan jaringan (NCS): Teknologi Nanrui, Sifang, Nanrui Jibao. Di antaranya, teknologi Nari menyumbang sekitar 30%.

5. prospek pengembangan masa depan

EFCS sejalan dengan tren perkembangan teknologi. Sistem ini memanfaatkan sepenuhnya teknologi fieldbus dan komunikasi jaringan untuk mewujudkan peningkatan teknis yang menyeluruh pada sistem pembangkit listrik, yang memiliki makna praktis yang penting bagi pengembangan sistem kelistrikan bantu, bahkan juga memiliki nilai referensi yang signifikan bagi pengembangan sistem DCS itu sendiri. Namun, untuk mencapai tujuan akhir dari desain tersebut, sistem ini juga harus mencapai terobosan yang substansial dalam dua aspek berikut:

① Mewujudkan kontrol komunikasi penuh atas sistem kelistrikan stasiun.

Karena adanya perbedaan antara kecepatan komunikasi dan keandalan sistem, sistem EFCS tidak dapat memenuhi mode “kontrol penuh melalui komunikasi” pada sistem kelistrikan yang dioperasikan melalui EFCS dari DCS, sehingga sebagian jalur sambungan keras tetap dipertahankan antara sistem EFCS dan sistem DCS. Untuk mewujudkan mode kontrol penuh tersebut, masalah rantai pada proses termal harus diselesaikan terlebih dahulu.

② Saat ini, sebagian besar sistem back-end kelistrikan baru berada pada tahap awal dan hanya mampu melaksanakan fungsi pemantauan operasi dasar, sehingga masih jauh dari tujuan untuk mewujudkan logika kontrol, meningkatkan tingkat kontrol kelistrikan, serta meningkatkan tingkat manajemen operasi sistem.