水輪發(fā)電機(jī)電氣事故停機(jī)流程可靠啟動(dòng)研究

向 歡，劉智文，吳 輝，楊丹丹

（1.武凌電力有限公司三板溪水電廠，貴州 錦屏 556700；2.湖南省水電智慧化工程技術(shù)研究中心，湖南 長沙 410004）

0 引言

電氣事故停機(jī)流程是每個(gè)水電廠必備的保護(hù)措施，當(dāng)發(fā)生電氣事故時(shí)，由于會(huì)在極短時(shí)間內(nèi)造成對(duì)機(jī)組的巨大傷害，為防止事故擴(kuò)大，需要在水電廠設(shè)置電氣事故停機(jī)流程，將機(jī)組與系統(tǒng)迅速解列，保護(hù)機(jī)組設(shè)備的安全。常見的電氣事故停機(jī)信號(hào)包括發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作、發(fā)電機(jī)橫差保護(hù)動(dòng)作、主變重瓦斯保護(hù)動(dòng)作等。

三板溪電廠的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)是北京中水科水電科技開發(fā)有限公司的H9000 V4.0系統(tǒng)，下位機(jī)監(jiān)控主PLC用于機(jī)組的數(shù)據(jù)采集、順控流程控制等功能，PLC的順控流程控制包括正常情況下的機(jī)組啟停、機(jī)械事故或電氣事故的停機(jī)、緊急事故停機(jī)等，下位機(jī)水機(jī)保護(hù)PLC獨(dú)立于主PLC，采集水機(jī)保護(hù)動(dòng)作信號(hào)，通常為緊急事故停機(jī)保護(hù)信號(hào)，作為主PLC緊急事故停機(jī)的后備保護(hù)。下位機(jī)監(jiān)控主PLC和水機(jī)PLC均為國外知名品牌，主PLC加載程序后掃描周期為80～140 ms，水機(jī)PLC加載程序后掃描周期為10～25 ms，保護(hù)裝置是國內(nèi)知名品牌，保護(hù)動(dòng)作時(shí)間通常為20～60 ms，當(dāng)發(fā)電機(jī)保護(hù)或主變保護(hù)動(dòng)作后，均由保護(hù)裝置的出口繼電器送至監(jiān)控系統(tǒng)下位機(jī)PLC，用于啟動(dòng)電氣事故停機(jī)流程。

1 事件描述

2019年9月16日，三板溪水電站2號(hào)機(jī)組在開機(jī)調(diào)試過程中，實(shí)際進(jìn)行“并網(wǎng)狀態(tài)下發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作試驗(yàn)”（并網(wǎng)之前在2號(hào)發(fā)電機(jī)保護(hù)A柜用專用短接線短接機(jī)端電流互感器二次側(cè)A、B相端子，模擬發(fā)電機(jī)A/B相間故障），當(dāng)發(fā)電機(jī)保護(hù)A套差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作后，發(fā)電機(jī)保護(hù)A套跳發(fā)電機(jī)出口開關(guān)802，跳開滅磁開關(guān)，機(jī)組由發(fā)電轉(zhuǎn)空轉(zhuǎn)，監(jiān)控系統(tǒng)未啟動(dòng)電氣事故停機(jī)流程。此次發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作時(shí)間為68 ms。

2 原因分析

三板溪電廠機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)PLC配置的電氣事故停機(jī)包括A套發(fā)電機(jī)保護(hù)動(dòng)作停機(jī)，B套發(fā)電機(jī)保護(hù)動(dòng)作停機(jī)，A套主變保護(hù)動(dòng)作停機(jī)，B套主變保護(hù)動(dòng)作停機(jī)，水機(jī)保護(hù)中未配置電氣事故停機(jī)。當(dāng)監(jiān)控PLC程序中斷量“A套發(fā)電機(jī)保護(hù)動(dòng)作停機(jī)”X32_10動(dòng)作或B套發(fā)電機(jī)保護(hù)動(dòng)作停機(jī)X33_23動(dòng)作或A套主變保護(hù)動(dòng)作停機(jī)X35_21動(dòng)作或B套主變保護(hù)動(dòng)作停機(jī)X36_12動(dòng)作時(shí)，將觸發(fā)“電氣事故停機(jī)”XD_08動(dòng)作且自保持，隨后“電氣事故停機(jī)”DQSG_TJ動(dòng)作，進(jìn)而觸發(fā)事故停機(jī)流程，直至機(jī)組停機(jī)態(tài)動(dòng)作。

因監(jiān)控系統(tǒng)PLC的掃描周期為85 ms，而發(fā)電機(jī)保護(hù)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作信號(hào)只有68 ms，并且保護(hù)動(dòng)作信號(hào)經(jīng)保護(hù)裝置出口送至監(jiān)控系統(tǒng)，啟動(dòng)電氣事故停機(jī)流程，需要一定時(shí)間，有可能在差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作信號(hào)保持的短時(shí)間內(nèi)，監(jiān)控系統(tǒng)PLC未掃描到該信號(hào)，導(dǎo)致無法正常啟動(dòng)電氣事故停機(jī)流程。

11月20日，在2號(hào)機(jī)組停機(jī)狀態(tài)下，專業(yè)人員用繼電保護(hù)儀給保護(hù)裝置加電壓電流量，并對(duì)動(dòng)作時(shí)間進(jìn)行了分段測(cè)試，再次對(duì)2號(hào)機(jī)組模擬差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作試驗(yàn)，進(jìn)行電氣事故停機(jī)試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 2號(hào)機(jī)組模擬差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作試驗(yàn)結(jié)果

通過表1的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可以得出：

（1）當(dāng)發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作停機(jī)信號(hào)保持時(shí)間小于當(dāng)前運(yùn)行CPU的掃描周期時(shí)，就可能會(huì)出現(xiàn)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)因未能掃描到發(fā)電機(jī)保護(hù)動(dòng)作信號(hào)，而導(dǎo)致未能正常啟動(dòng)電氣事故停機(jī)流程，保持時(shí)間越短，啟動(dòng)電氣事故停機(jī)流程的概率越小。

（2）當(dāng)發(fā)電差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作停機(jī)信號(hào)保持時(shí)間大于當(dāng)前運(yùn)行CPU掃描周期時(shí)，啟動(dòng)電氣事故停機(jī)流程的概率越大，并且發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作停機(jī)信號(hào)至少為當(dāng)前運(yùn)行CPU 2倍完整掃描周期以上時(shí)，才能確保電氣事故停機(jī)流程能夠正常啟動(dòng)。

3 處理方案及試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 將保護(hù)動(dòng)作信號(hào)接入水機(jī)保護(hù)PLC（施耐德M580），擴(kuò)展后反送至主PLC

將發(fā)電機(jī)保護(hù)A套、發(fā)電機(jī)保護(hù)B套、主變保護(hù)A套、主變保護(hù)B套動(dòng)作停機(jī)出口接點(diǎn)送至水機(jī)保護(hù)PLC，水機(jī)保護(hù)PLC通過脈寬為500 ms的信號(hào)返送至機(jī)組LCU主PLC。

3.2 選擇性能優(yōu)異的PLC

因PLC的掃描周期主要是受限于掃描速度和程序的長短，因此可通過選用高速CPU的PLC，提高掃描速度，或優(yōu)化程序長度，選擇分支或跳步程序，減少主程序執(zhí)行時(shí)間。

為驗(yàn)證選用高速PLC的可行性，采用昆騰140CPU67160與子站環(huán)網(wǎng)運(yùn)行測(cè)試數(shù)據(jù)，與施耐德M580（BME -H58-4040）帶昆騰I/O運(yùn)行狀態(tài)下進(jìn)行對(duì)比分析。具體試驗(yàn)方法及步驟如下：

（1） 將繼電保護(hù)測(cè)試儀R.OUT開關(guān)量輸出端接入2號(hào)機(jī)A套發(fā)電機(jī)保護(hù)動(dòng)作停機(jī)信號(hào)端子。

圖1 水機(jī)PLC采集保護(hù)動(dòng)作停機(jī)信號(hào)

圖2 水機(jī)PLC與主PLC通信

圖3 主PLC的電氣事故停機(jī)流程

圖4 電氣事故停機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)報(bào)警

（2）將施耐德M580 CPU與現(xiàn)有昆騰I/0子站形成環(huán)網(wǎng)運(yùn)行，將2號(hào)機(jī)組LCU程序載入。

（3）打開繼電保護(hù)測(cè)試儀“時(shí)間測(cè)量”，設(shè)置“保持時(shí)間”，用于開出15～200 ms脈寬信號(hào)。

（4）觀察并記錄監(jiān)控系統(tǒng)LCU程序中電氣事故停機(jī)流程動(dòng)作情況、上位機(jī)中斷量報(bào)警信息。

（5）恢復(fù)施耐德昆騰140CPU67160與子站環(huán)網(wǎng)運(yùn)行，重復(fù)（3）、（4）試驗(yàn)步驟，測(cè)試數(shù)據(jù)與施耐德M580 CPU進(jìn)行對(duì)比分析。

施耐德M580 加載程序后程序掃描周期為10 ms，分別輸入15 ms、20 ms、23 ms、30 ms、40 ms五個(gè)脈寬信號(hào)，模擬2號(hào)機(jī)發(fā)電機(jī)A套保護(hù)動(dòng)作停機(jī)信號(hào)，各動(dòng)作10次，其中輸入20 ms脈寬信號(hào)時(shí)，M580 CPU出現(xiàn)4次動(dòng)作信號(hào)漏掃，導(dǎo)致電氣事故停機(jī)流程未啟動(dòng)。輸入25 ms、30 ms、40 ms脈寬信號(hào)時(shí)，電氣事故停機(jī)流程30次全部可靠啟動(dòng)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示：

表2 施耐德M580（BME H58 4040）試驗(yàn)結(jié)果

施耐德昆騰140CPU67160當(dāng)前掃描周期為85 ms。分別輸入15 ms、20 ms、25 ms、30 ms、70 ms、100 ms、155 ms、175 ms、200 ms 9個(gè)脈寬信號(hào)，各動(dòng)作10次，其中輸入15 ms、20 ms、25 ms、30 ms、70 ms脈寬信號(hào)時(shí)，電氣事故停機(jī)流程全部未啟動(dòng)。輸入100 ms、155 ms脈寬信號(hào)時(shí)，共出現(xiàn)12次未啟動(dòng)。輸入175 ms、200 ms脈寬信號(hào)時(shí)，共20次全部可靠啟動(dòng)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示：

根據(jù)兩組試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析可得，2號(hào)機(jī)發(fā)電機(jī)A套保護(hù)動(dòng)作停機(jī)信號(hào)脈寬至少為運(yùn)行CPU 2倍完整掃描周期以上時(shí)，方能在流程控制程序中可靠啟動(dòng)電氣事故停機(jī)流程。三板溪電廠機(jī)組實(shí)際運(yùn)行過程中電氣事故停機(jī)啟動(dòng)信號(hào)脈寬在60～100 ms之間。

施耐德昆騰140CPU67160當(dāng)前完整掃描周期為85 ms，動(dòng)作停機(jī)信號(hào)脈寬至少為170 ms才能可靠啟動(dòng)流程。施耐德M580 CPU當(dāng)前掃描周期為10 ms，動(dòng)作信號(hào)脈寬大于20 ms時(shí)，就能在流程控制程序中可靠啟動(dòng)停機(jī)流程。綜上所述，施耐德昆騰140CPU67160（三板溪電廠監(jiān)控LCU在運(yùn)CPU）不滿足電氣事故停機(jī)流程可靠啟動(dòng)技術(shù)要求，施耐德M580 CPU（BME H58 4040）滿足現(xiàn)場(chǎng)要求。由表2中的結(jié)果可以看出選擇高性能的PLC，能夠可靠啟動(dòng)電氣事故停機(jī)流程。

3.3 保護(hù)裝置停機(jī)出口信號(hào)展寬

將保護(hù)裝置停機(jī)繼電器節(jié)點(diǎn)設(shè)置為具有延時(shí)返回功能，延長“保護(hù)信號(hào)脈寬”，實(shí)際將保護(hù)裝置關(guān)導(dǎo)水葉/關(guān)主汽門出口均設(shè)置展寬至300 ms。確保停機(jī)出口信號(hào)脈寬大于監(jiān)控系統(tǒng)PLC的2倍掃描周期。

為驗(yàn)證停機(jī)出口信號(hào)展寬至2倍掃描周期后電氣事故停機(jī)流程可靠啟動(dòng)可行性，開展如下試驗(yàn)。修改保護(hù)裝置配置，將差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作信號(hào)延長至150 ms、180 ms、250 ms、300 ms進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示：

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析可得，將停機(jī)出口信號(hào)展寬至PLC程序2倍掃描周期后，電氣事故停機(jī)流程全部可靠啟動(dòng)。2倍掃描周期以下PLC出現(xiàn)程序漏掃。為保證停機(jī)流程可靠啟動(dòng)，實(shí)際運(yùn)行中將保護(hù)裝置關(guān)導(dǎo)水葉/關(guān)主汽門出口設(shè)置展寬至300 ms。

4 結(jié)論

水電廠發(fā)電機(jī)保護(hù)和主變保護(hù)動(dòng)作信號(hào)，均經(jīng)保護(hù)裝置停機(jī)出口送至監(jiān)控系統(tǒng)PLC，從而啟動(dòng)電氣事故停機(jī)流程。由于保護(hù)裝置出口繼電器均為瞬時(shí)返回接點(diǎn)，且故障切除時(shí)間一般為20～60 ms，而監(jiān)控系統(tǒng)PLC的掃描周期通常在1～100 ms，存在監(jiān)控系統(tǒng)PLC掃描不到動(dòng)作停機(jī)信號(hào)，導(dǎo)致無法啟動(dòng)電氣事故停機(jī)流程。本文根據(jù)電廠的實(shí)際情況，提出了3種解決方案，方案1為將保護(hù)動(dòng)作信號(hào)接入水機(jī)保護(hù)PLC（施耐德M580），擴(kuò)展后反送至主PLC。方案2為選擇性能優(yōu)異的PLC。方案3為保護(hù)裝置停機(jī)出口信號(hào)展寬。根據(jù)電廠實(shí)際和方案經(jīng)濟(jì)性，三板溪電廠同時(shí)采用方案1和方案3以解決此問題，經(jīng)試驗(yàn)及生產(chǎn)運(yùn)行驗(yàn)證，3種方案均能可靠啟動(dòng)電氣事故停機(jī)流程，保障機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。其中方案2適合在新建電廠或更新改造電廠中應(yīng)用，方案1和方案3適合于在運(yùn)電廠中應(yīng)用。