水電站機組LCU控制流程設(shè)計及實施

吳正良 吳衛(wèi)明 宋宏進

摘? 要：簡要地介紹了計算機監(jiān)控系統(tǒng)機組LCU配置和結(jié)構(gòu)，對機組LCU控制流程設(shè)計進行了比較詳細(xì)的說明。機組控制流程設(shè)計以安全、可靠、合理、操作方便為原則，除設(shè)計了開機、停機、緊急事故停機、一般事故停機等常規(guī)控制流程外，為了使機組試驗過程中達到不同的運行狀態(tài)，增設(shè)了冷備用空轉(zhuǎn)、空載開機、熱備用空轉(zhuǎn)、空載開機等多種試驗控制流程。試驗控制流程的設(shè)計簡化了操作步驟，減輕了值班人員的工作強度，對于防止誤操作的發(fā)生也起到一定作用。

關(guān)鍵詞：配置? 結(jié)構(gòu)? 控制流程? 設(shè)計

中圖分類號：TV736 ? ?文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2020）01（b）-0030-04

Abstract： This paper briefly introduces the configuration and structure of the computer supervisory control system unit LCU， and makes a detailed introduction to the control flow design of the unit LCU. The control flow design of the unit is based on the principles of safety， reliability， reasonableness and convenience of operation. In addition to the general control flow， such as start-up， shutdown， emergency shutdown and general accident shutdown， cold standby idling， no-load startup， hot standby idling and no-load idling are added in order to achieve different operation conditions during the unit test. A variety of test processes such as loading and starting. The design of the test control flow simplifies the operation steps， reduces the working intensity of the personnel on duty， and plays a certain role in preventing the occurrence of misoperation. The LCU configuration and structure of the unit are briefly introduced， and the design of the control flow of the unit is introduced in detail. The control flow of the unit is designed according to the principle of safety， reliability， rationality and convenience of operation. Besides the general control flow such as start-up and shutdown， a variety of test flow are added in order to make the unit run in different states during the test. The design of the test control flow simplifies the operation steps， reduces the working intensity of the personnel on duty， and plays a certain role in preventing the occurrence of misoperation.

Key Words： Configuration; Structure; Control flow; Design

某水電站安裝有9臺混流式水輪發(fā)電機組，總裝機容量為850MW（8×95MW+1×90MW），擔(dān)負(fù)華東電網(wǎng)調(diào)頻、調(diào)峰、事故備用的任務(wù)。水輪發(fā)電機組為懸吊式結(jié)構(gòu)，布置有推力軸承、上導(dǎo)軸承、水導(dǎo)軸承。機組技術(shù)供水采取本機蝸殼自流供水，引自上庫的壩前引水供水作為備用。水導(dǎo)軸承為水潤滑彈性塑料軸瓦，潤滑冷卻水采用主、備用雙路供水。電氣部分采用三機一變擴大單元接線。電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)改造后采用安德里茨NEPTUN系統(tǒng)，不但對硬件系統(tǒng)進行了全面的提升，而且根據(jù)該電站方設(shè)計編寫的機組控制流程對主、輔設(shè)備增設(shè)了多種遠方控制和試驗功能，方便了運行人員的操作。

1? 機組LCU配置

LCU具有控制、調(diào)節(jié)操作和監(jiān)視功能，配備人機觸摸屏，當(dāng)與上位機系統(tǒng)脫機時，仍具有必要的監(jiān)視和控制功能。主要由控制器、模擬量和開關(guān)量I/O模塊、同期裝置、轉(zhuǎn)速測量裝置、現(xiàn)地人機接口設(shè)備等構(gòu)成[1]。改造后主要配置如下。

（1）主控制器（主PLC）選用西門子AK1703 ACP智能自動控制裝置。該裝置采用多處理器體系結(jié)構(gòu)，除了冗余的中央CPU處理器外，每個I/O模板還帶有CPU芯片，從而提升系統(tǒng)的整體可靠性與可用性。

（2）急停PLC選用西門子TM1703mis。LCU設(shè)置單獨水機保護PLC，采用獨立于主PLC的交、直流工作電源，為機組提供水機冗余保護，安全性能提高[2]。急停PLC主要完成事故緊急停機（落快速閘門）、電氣事故啟動緊急停機和緊急停機按鈕啟動緊急停機等水機保護。

（3）人機接口設(shè)備。LCU人機接口單元選用研華PPC-174T 17"液晶觸摸屏。觸摸屏可實現(xiàn)現(xiàn)地實時監(jiān)視設(shè)備運行狀態(tài)、運行參數(shù)以及完成機組開停機、發(fā)電機出口開關(guān)和輔助設(shè)備等操作。

（4）同期裝置。裝設(shè)一套SID-2SA微機同期裝置外和一套SID-2SL-A型微機多功能同步表。

（5）測速裝置。配有一臺CIP21微機測速裝置。該裝置可輸出10路開關(guān)量和1路模擬量信號。測速裝置輸出兩路140%nH過速定值，各分別輸入主控制器和急停PLC，實現(xiàn)機組可靠地過速保護。

2? 機組LCU結(jié)構(gòu)

現(xiàn)地LCU以西門子AK1703 ACP控制器為核心和TM1703mis緊停PLC及相應(yīng)通信設(shè)備構(gòu)成。AK1703 ACP控制器雙CPU通過冗余配置的LCU交換機分別連接于電站以太網(wǎng)，緊停PLC通過其中一個LCU交換機連接于電站以太網(wǎng)。LCU同現(xiàn)場設(shè)備之間信息交換采用兩種方式。

方式一，利用LCU的輸入、輸出模塊以硬接線的方式同現(xiàn)場設(shè)備交換信息，如勵磁裝置、油壓裝置、油水氣系統(tǒng)電控閥、自動濾水器、電動排水閥、快速閘門控制等。

方式二，電氣保護動作信號通過串口通信方式傳輸，采用IEC60870-103協(xié)議;調(diào)速器除方式一的硬接線外，還通過串口通信方式交換信息，采用Modubs協(xié)議。在調(diào)速器功率模式投入情況下，上位機系統(tǒng)數(shù)字功率給定通過通信方式下發(fā)給調(diào)速器，而開度模式運行時，LCU則下發(fā)脈沖信號，來完成有功功率的調(diào)節(jié)。

3? 控制流程設(shè)計

機組控制流程實現(xiàn)以下控制目標(biāo)：（1）通過執(zhí)行機組工況轉(zhuǎn)換流程，控制機組相關(guān)設(shè)備按照生產(chǎn)工藝要求順序操作;（2）通過執(zhí)行各系統(tǒng)設(shè)備控制邏輯，一方面接收機組工況轉(zhuǎn)換流程發(fā)出的控制命令實現(xiàn)設(shè)備的順序控制，另一方面通過設(shè)備狀態(tài)判斷實現(xiàn)設(shè)備故障或緊急情況下的啟停、切換、報警和跳閘操作;（3）通過執(zhí)行各系統(tǒng)設(shè)備控制邏輯，實現(xiàn)各個設(shè)備之間的安全閉鎖和操作配合[3]。根據(jù)上述控制目標(biāo)，機組控制流程除設(shè)計編寫了一般控制流程外，另外設(shè)計編寫了多種試驗控制流程。一般控制流程有停機至發(fā)電、發(fā)電至調(diào)相、調(diào)相至發(fā)電、發(fā)電至停機、緊急事故停機（落快速閘門）、一般事故停機、發(fā)電機開關(guān)及閘刀控制、勵磁方式切換操作、調(diào)速器運行模式切換操作、輔助設(shè)備操作等流程。試驗控制流程有停機至空轉(zhuǎn)開機、停機至空載開機、空轉(zhuǎn)至空載、空載至空轉(zhuǎn)、空載至發(fā)電（并網(wǎng)）、發(fā)電至空轉(zhuǎn)（解列）、本機零升開機、對主變零升開機、同期假并車等流程。以下對部分控制流程做具體介紹。

3.1? 停機至發(fā)電開機流程

停機至發(fā)電開機控制流程是機組從熱備用啟動到并網(wǎng)發(fā)電的過程，具體如圖1所示。第1步：判斷開機條件，需滿足以下條件：快速閘門全開、無電氣事故、無水機事故、勵磁A、B套無故障、風(fēng)閘回路無風(fēng)壓、風(fēng)閘下落、接力器鎖錠拔出、緊急停機電磁閥復(fù)歸、發(fā)電機開關(guān)分閘、發(fā)電機開關(guān)內(nèi)側(cè)地刀分閘、發(fā)電機開關(guān)外側(cè)地刀分閘、1號壓變閘刀合閘、2號壓變閘刀合閘、消弧線圈閘刀合閘、滅磁開關(guān)合閘、發(fā)電機閘刀合閘。當(dāng)機組停機備用狀態(tài)開機條件不滿足時，發(fā)報警信號并亮光字，提醒運行人員開機條件不滿足，需進行檢查并排除故障。第2步：投總冷卻水，需推力、上導(dǎo)、水導(dǎo)冷卻器均有冷卻水。投總冷卻水的同時，投入水導(dǎo)備用水，因為水導(dǎo)軸承為水潤滑水冷卻軸承，投雙路供水目的為了縮短開機時間，當(dāng)機組轉(zhuǎn)速至90%n時，水導(dǎo)備用水退出。第3步：經(jīng)開機延時，啟動調(diào)速器開機。第4步：轉(zhuǎn)速到90%nH，建壓令送勵磁裝置，升壓至額定。第5步：同期并網(wǎng)，同期裝置退出分3種情況：發(fā)電機開關(guān)同期合閘后延時10s退出;發(fā)電機開關(guān)合不上延時6min自動退出;上位機發(fā)“撤同期令”退出。發(fā)電機開關(guān)合閘后自動增有功3MW，防止合閘后可能的短時逆向有功。

3.2 停機流程

按發(fā)電態(tài)→空載態(tài)→空轉(zhuǎn)態(tài)→停機態(tài)控制。第1步：減有功、無功;第2步：發(fā)電機開關(guān)跳開;第3步：發(fā)停機令到勵磁撤壓到空轉(zhuǎn)。第4步：發(fā)停機令到調(diào)速器導(dǎo)葉關(guān)閉的步序進行。

其中停機跳發(fā)電機開關(guān)判斷條件為：當(dāng)無功功率Q≤|5|Mvar和導(dǎo)葉空載同時滿足或者無功功率Q≤|5|Mvar和有功功率P≤5MW同時滿足，跳開發(fā)電機開關(guān)。增設(shè)有功功率P≤5MW的條件是為了防止導(dǎo)葉關(guān)至空載位置時導(dǎo)葉位置開關(guān)不能接通導(dǎo)致發(fā)電機開關(guān)跳不開的情況發(fā)生。

3.3 水機保護跳閘流程

（1）防水淹廠房保護。

在蝸殼層廊道左、右岸設(shè)置二套水位信號裝置作用于報警，每臺機另設(shè)置了二套防水淹廠房保護水位信號裝置。每套防水淹廠房保護水位信號裝置低水位接點同時動作通過硬接線作用于落快速閘門，高低水位接點同時動作通過LCU作用于機組緊急事故停機。

（2）電氣過速保護。

電氣測速裝置140%nH動作、電氣測速裝置無故障、導(dǎo)水葉打開、電氣過速保護出口軟壓板放上，以上4個條件滿足動作緊急事故停機，落下快速閘門，投入調(diào)速器緊急停機電磁閥。

（3）調(diào)速系統(tǒng)事故低油壓保護。

備用壓油泵啟動壓力開關(guān)動作、低油壓壓力開關(guān)動作、事故低油壓保護出口軟壓板放上，以上3個條件滿足動作緊急事故停機，跳發(fā)電機開關(guān)，落下快速閘門，投入調(diào)速器緊急停機電磁閥。

（4）調(diào)速系統(tǒng)事故低油位保護。

壓油槽低油位報警液位開關(guān)動作、壓油槽低油位跳閘液位開關(guān)動作、事故低油位保護出口軟壓板放上，以上3個條件滿足動作緊急事故停機，跳發(fā)電機開關(guān)，落下快速閘門，投入調(diào)速器緊急停機電磁閥。

（5）水機保護其他跳閘流程。

其他跳閘流程有機械過速、主配發(fā)卡115%nH過速、振擺過大、軸承溫度過高、水導(dǎo)潤滑水中斷、機組火警保護和急停按鈕動作。

3.4 發(fā)電機開關(guān)、閘刀控制流程

發(fā)電機開關(guān)除同期合閘、正常分閘外，另外設(shè)有檢修合、分閘控制流程;發(fā)電機閘刀控制也類似發(fā)電機開關(guān)設(shè)有檢修合、分閘控制流程。檢修合、分閘控制流程方便發(fā)電機開關(guān)、閘刀檢修后的模擬試驗操作。

3.5 其他設(shè)備控制流程

上位機分別設(shè)勵磁方式切換、PSS投退和調(diào)速器運行模式切換、孤網(wǎng)方式投退、蝸殼排水閥、尾水管排水閥、總冷卻水電控閥及水導(dǎo)備用水電控閥控制功能，分別對應(yīng)編寫了不同的控制流程?？焖匍l門的提門、落門在機旁設(shè)有硬接線控制按紐，另外在上位機設(shè)有提門、落門控制功能，并在中控室設(shè)緊急落快速閘門和緊急停機硬接線按鈕[5]。多個回路控制快速閘門下落，在機組異常和水淹廠房等緊急情況下使用。

3.6 試驗流程

（1）停機至空轉(zhuǎn)或停機至空載開機。

停機至空轉(zhuǎn)開機流程是機組冷（熱）備用開機至空轉(zhuǎn)狀態(tài);停機至空載開機流程是機組冷（熱）備用開機至空載狀態(tài)。4種開機方式控制流程的區(qū)別在于設(shè)計不同的開機條件。機組檢修后，根據(jù)檢修人員對機組狀態(tài)的要求，發(fā)出不同的操作命令，機組開機后進入空轉(zhuǎn)或空載狀態(tài)（見圖2）。

（2）空轉(zhuǎn)至空載、空載至空轉(zhuǎn)、空載至發(fā)電（并網(wǎng)）、發(fā)電至空轉(zhuǎn)（解列）。

空轉(zhuǎn)至空載、空載至空轉(zhuǎn)、空載至發(fā)電（并網(wǎng)）、發(fā)電至空轉(zhuǎn)（解列）控制流程設(shè)計使機組可以在不同的工況之間進行轉(zhuǎn)換，分別設(shè)有相對應(yīng)的操作命令，發(fā)出不同的操作命令，實現(xiàn)機組各工況轉(zhuǎn)換（見圖2）。

（3）空載同期假并車。

同期假并車流程，用于同期電壓回路核相后，發(fā)電機開關(guān)假并車試驗。主要條件是發(fā)電機閘刀分閘，見圖2。

（4）本機零升開機、對主變零升開機。

本機零升開機流程是機組從冷備用開機至10%額定電壓狀態(tài)。其中開機條件與正常開機條件部分相同外，另增加“勵磁方式手動”和“零升軟壓板放上（零升令送勵磁裝置，電壓給定值置最?。睏l件。開機后機組電壓升至10%額定狀態(tài)，再根據(jù)試驗要求遞增電壓。本機零升開機方式常用于發(fā)電機空載特性試驗、短路特性試驗、機組電容電流測試，機組A、B級大修后的首次升壓（見圖3）。

對主變零升開機流程是機組從熱備用開機至10%額定電壓狀態(tài)，主變電壓同步升壓到10%額定電壓。擴大單元電氣接線見圖4。開機條件與正常開機條件部分相同外，另增設(shè)勵磁方式手動、零升軟壓板放上、本單元其余二臺機發(fā)電機開關(guān)分、廠變高壓開關(guān)分閘或廠變低壓側(cè)分段開關(guān)分閘、配變低壓開關(guān)分閘、13.8kV單元母線電壓小于5%額定電壓、主變中性點閘刀合上、主變開關(guān)分閘、主變正母閘刀分閘、主變副母閘刀分閘條件。當(dāng)機組轉(zhuǎn)速升至90%額定轉(zhuǎn)速，發(fā)電機開關(guān)自動合上，在機組建壓至10%額定電壓的同時，主變電壓也升至10%額定電壓。根據(jù)試驗要求由上位機單步遞增機組電壓至額定，主變電壓隨之到額度電壓。主變零升開機方式常用于主變檢修后的首次升壓，機組同期回路核相等試驗。

4? 結(jié)語

某水電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)改造，不但對機組LCU硬件部分進行升級，而且對控制流程進行了優(yōu)化和增設(shè)，優(yōu)化后控制流程更加合理，也是對以往運行、操作過程中存在問題的改進。尤其是試驗控制流程設(shè)計，方便了運行操作，改變以往單步操作的項目，優(yōu)化為程序操作，減少了運行人員誤操作的幾率，它必將對安全生產(chǎn)起到一定的作用。

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