康志远，赵 彪，刘 宇，张 涛

（五凌电力有限公司近尾洲水电厂，湖南 衡阳 410004）

近尾洲水电厂机组为灯泡贯流式机组，设计水头6.8 m，最大水头10 m，最小水头3 m，设计流量361 m3/s，单机最大出力21.06 MW，额定转速75 r/min，最大飞逸转速225 r/min，机组安装高程48.8 m。电厂共装机3台，总容量63.18 MW，设计年发电量2.589亿kW·h，是一座具有发电、航运、灌溉等综合效益的水电厂。本文基于近尾洲水电厂设备的实际生产安全，探索独立于机组LCU控制系统之外一种后备保护方案，建立独立的水机后备保护控制系统[1]，已应用于3台机组，并取得较好的效果，从而实现了对机组主器件的保护，消除了重大设备隐患，保障了机组安全运行。

1 概述

近尾洲水电厂原机组设计未在LCU程序外设置独立水机保护装置，且机组控制系统采用单套CPU，存在严重的安全隐患[2]。因此电厂针对此重大设备隐患进行技术攻关，增加独立的水机保护控制系统。系统基于西门子S7-200系列PLC独立设计，保护点包括机组主设备和辅助设备压力、温度、油流等变量，并与机组运行状态相关联，为保护动作提供精准判断。后备保护设计上完全独立于监控系统LCU，当停机跳闸信号触发后，能独立响应并启动紧急停机流程，进一步提高了机组运行的可靠性和安全性。

2 系统硬件设计

本文硬件设计由5大模块构成：电源模块、主控制器CPU模块、信号输入模块、信号输出模块、报警模块，其中核心模块为主控制器CPU，采用西门S7-200 PLC。该系列PLC功能强、速度快、扩展灵活，结构简单、内置丰富的集成功能，具有较高的数据采集及运算能力。系统硬件模块示意图如图1所示[3]。

图1 系统硬件模块示意图

2.1 电源模块

由于CPU226需要稳定的直流供电，因此电源取自厂站直流系统，220 V直流电经过电源模块整流后输出24 V，然后用独立的空气开关进行控制。电源模块采用菲尼克斯电源系列，型号为QUINTPS/24 V DC，该电源电压输入范围85 V～300 V，内部配置熔断器和压敏电阻，能防止电涌电流冲击，保护电源组件；额定输出为24 V±1%额定值，输出端具有过电压保护，保护电压小于35 V DC，能耐抗交流4 kV绝缘测试，因此绝缘性能高、抗干扰性好、输出稳定。除此之外，电源模块自身具有断电报警功能，只要将自带接点开关接入监控系统，一旦电源失电，上位机会立刻报水机保护电源装置故障，运行人员第一时间会收到报警信息并进行故障处理。电源模块示意如图2所示。

图2 电源模块示意图

2.2 主控制器模块

主控制器模块型号为CPU226，属于西门子小型可编程控制器，可以单机运行，具有齐全的编程和组态软件，可靠性高、功耗小、运行速度快。模块包括中央处理单元和24点输入接口、16点输出接口，可用点数较多，满足设计要求。CPU主要负责对外部输入信号实时监测，若某个信号点动作，CPU在扫描周期内进行检测处理，并作用于输出模块，开出紧急停机信号，并将动作信号发送到上位机，通过上位机进行报警显示。

2.3 信号输入模块

信号输入模块由停机跳闸点和转速>1%Ne蠕动信号组成，它负责采集动作信号，读取传感器中开关量变化，将信号发送至控制器中，通过控制器CPU进行判断处理。本系统停机跳闸点包括轴承高位油箱油位低跳闸点，压油槽压力低跳闸点，油流低跳闸点，温控屏发导、推力、冷风、热风温度高等。将跳闸点与转速>1%Ne串联，当机组在运行状态时，跳闸点动作则开出跳闸信号，作用于机组解列停机；当机组停机时，转速为零，逻辑条件不符合，保护装置处于热备用状态。信号输入I/O地址分配如表1所示。

表1 信号输入地址分配

2.4 信号输出模块

信号输出模块由跳闸信号组成，包括调速器停机令、励磁开关跳闸、快速关闭阀动作、出口开关分闸。同时给监控系统开出停机信号。跳闸点动作后对应指示灯保持常亮状态，通过指示灯可以对开出信号进行故障判断。系统设计相应复位开关，用于模块重启和调试需求。信号输出I/O地址分配如表2所示。

表2 输出信号地址分配

2.5 报警模块

报警模块包括装置失电告警和信号开出告警。水机保护电源中自带失电保护开关，开关接点接入监控系统，当电源失电后，电源装置会触发故障。若跳闸信号开出，可通过PLC指示灯进行显示，并通过触摸屏和上位机对报警信号进行实时读取，专业人员能第一时间对报警进行处理。

3 系统软件设计

系统软件设计主要由CPU226信号检测、信号处理和信号开出组成。CPU226具有24个输入端口，16个输出端口，256个定时器和计数器，2个RS-485通信接口。编程软件采用STEP 7 MicroWIN SP9 V4.0，具有在线调试功能[4，5]。本文跳闸点检测主要包括机组油位、油流异常信号和温度异常信号，针对不同信号输入，PLC在程序逻辑做出相应的判断。当油位、油流跳闸信号输入时，程序加入了0.5 ms的防抖设计，防止现地硬接点松动导致机组非停；当温度信号异常时，若温度值大于跳闸值且小于150 ℃，信号保持5 s后才能作用于停机信号，若温度值大于跳闸值且快速上升并超过150 ℃，则无法开出停机信号，这样有利于避免现地接点断线造成的机组非停，从而对机组解列停机实现精准控制，有效地增强了设备稳定性。主程序流程如图3所示。

图3 主程序流程图

4 试验结果

利用机组检修机会安装水机保护装置，试验中模拟LCU控制系统死机或者断电情况，对现地跳闸信号进行模拟动作，水机后备保护系统运行正常，所有跳闸点均能响应，并开出对应的停机信号，达到了设备改造预期效果。以正推轴承测温点为例，试验结果如图4和图5所示。

图4 轴承油温保护点动作示意图

图5 水机保护装置动作指示

5 结论

本文针对设备重大隐患需求，研制了一款基于S7-200 PLC的水机后备保护装置，实现了对机组的保护控制。试验结果表明，该装置在机组LCU死机后，能独立开出于机组停机信号，保护机组发电主设备及辅助设备，防止事态扩大，保障了电力安全生产。本文设计的水机保护装置功能完整、动作可靠、适用性强，对机组稳定运行具有重要的意义。