李天毅，杨春霞，张 捷，邓子夜

（北京中水科水电科技开发有限公司，北京 100038）

伴随着水电行业的迅猛发展，水电已成为我国电能结构中重要的组成部分。保证水电站发电机组的安全稳定运行，不仅关系到发电机组自身的设备安全，更关系到电网的稳定运行。为防止水电站发电机组发生重大事故，水电站计算机监控系统为每一台机组配置有PLC紧急停机流程和水机后备保护回路，以保证发电机组在发生事故时能可靠停运至安全状态。水电站发生事故往往是突发的，运行人员如何在极短的时间内判定出发生事故的原因并妥善处理事故，尽快解除对人和设备的威胁，限制事故的扩大，是至关重要的一环。运行人员要判定事故原因，一般需要先查看报警光字牌、查阅事件记录、事故追忆记录，以及相关的监控系统画面，再进行综合分析判断。以上分析判断过程关注点较多，信息繁杂，并且事故发生后有大量的事件信息上送到监控系统，均会干扰运行人员的判断分析。本文提出利用跳闸矩阵来组织水电站发电机组紧急停机条件，能帮助运行人员从繁杂的信息中明确重要信息，简化分析过程。运行人员仅需查看跳闸矩阵信号动作情况，就能明晰机组紧急事故停机的原因，再通过查看监控系统画面和事件记录，进一步确认事故原因。

1 跳闸矩阵的定义

一般而言，所谓矩阵（Matrix）就是一个按照长方阵列排列的复数或实数集合，在括号内排列成m行n列（横的称行，纵的称列）的一个数表，并称它为m×n矩阵。

矩阵通常用大写字母A、B…来表示，例如一个m行n列的矩阵可以简记为：A=(aij)。如图1所示。

图1 矩阵表达式

矩阵是高等数学中的常见工具，也常见于统计分析等应用数学学科中，在电力继电保护系统中应用的跳闸矩阵（Trip Matrix）也是对矩阵的一种推广应用。文中所使用的跳闸矩阵概念是在继电保护跳闸矩阵的概念基础上进行了个性化的定义，即：将机组紧急停机触发条件定义为行，紧急停机流程定义为列，行与列之间逻辑关系采用跳闸矩阵控制字来整定。

以某水电站机组紧急停机流程为例进行说明，机组紧急停机流程分为：机械事故停机流程（86M）、电气事故停机流程（86E）、液压事故停机流程（86H）、解列机组至空载流程（94PE）和解列机组至空转流程（94PD）共5个紧急停机流程。按照跳闸矩阵的概念定义，以机组紧急停机触发条件为行，紧急停机流程为列，所形成的跳闸矩阵如下表1所示。

表1 跳闸矩阵形式

表1 定义了一个256×16矩阵，在纵向有256个紧急停机触发条件输入，横向有16个紧急停机流程的启动信号输出。行列交叉处的元素aij是跳闸矩阵控制字变量，用“1”或“0”表示，即：“1”表示当前紧急停机触发条件启动对应的紧急事故停机流程，“0”表示当前紧急停机触发条件不启动对应的紧急事故停机流程。将跳闸矩阵每一个紧急停机触发条件所对应的横向16个元素aij(j=1,2,3,…,16)按从左至右的顺序转换生成1个字，共可生成256个字，统称为跳闸矩阵控制字。由此可知，跳闸矩阵控制字与矩阵元素aij之间有一一对应的关系，通过修改跳闸矩阵控制字值能间接修改矩阵元素aij值，进而改变紧急停机条件与紧急停机流程之间的逻辑关系。

2 跳闸矩阵的实现

上文提到的某水电站监控系统将全面采用中水科技最新开发的iP9000 V6.0计算机监控系统，LCU现地控制单元采用施耐德M580系列PLC作为机组自动控制和信号监视的主控制器。紧急停机流程的跳闸矩阵将全功能地运行在PLC中，并将相关信息上送到监控系统，以供运行人员监视。在iP9000监控系统中显示的跳闸矩阵界面如图2所示。

图2 iP9000计算机监控系统中机组跳闸矩阵

2.1 跳闸矩阵功能实现

将发电机组的紧急停机流程触发条件跳闸矩阵（Trip Matrix）全部功能都放到现地LCU单元执行，可以有效提高启动紧急停机流程的实时性。只要紧急停机触发条件动作后，跳闸矩阵逻辑运算单元可在PLC的1个扫描周期内识别并处理完成，启动对应的紧急事故停机流程，从而保证发电机组在极短时间内可靠停运至安全状态。在PLC中运行的跳闸矩阵程序流程图如图3所示。

在图3中，紧急事故停机的触发条件可来自现场传感器经PLC输入模块输入，也可以是PLC内部的逻辑运算产生的紧急停机触发条件。无论紧急停机触发条件是何种来源，紧急停机触发条件都要先经过数据预处理函数处理后，再送入下一级的跳闸矩阵逻辑运算单元进行计算，得出启动紧急停机流程的逻辑值。为保证跳闸矩阵对紧急停机流程有绝对的控制权，在紧急停机流程的控制程序中，仅保留跳闸矩阵作为紧急停机流程启动控制的唯一条件。

图3 跳闸矩阵程序流程图

跳闸矩阵逻辑运算单元设置了256个紧急停机触发条件输入和16个紧急停机流程的启动信号输出。对每个输入都需要设定好对应的跳闸矩阵控制字、前置条件和前置条件有效标志位，经跳闸矩阵数据预处理函数进行预处理后，再把数据导入内部计算。跳闸矩阵控制字是紧急停机触发条件与紧急停机流程之间关系的逻辑整定值，为保证机组安全稳定运行，现在仅允许用直接赋值方式将跳闸矩阵控制字写入跳闸矩阵数据预处理函数。前置条件是紧急停机触发条件的内部闭锁条件，只有当前置条件满足时，紧急停机触发条件才有效。而前置条件有效标志位则可打破这一规则，当前置条件有效标志位等于“0”时，数据预处理函数将解除内部闭锁，紧急停机触发条件一直有效。

跳闸矩阵逻辑运算单元还具备控制字信息输出、跳闸信息输出和统计信息输出功能。这些数据在PLC中打包处理后，上送到监控系统供跳闸矩阵组态显示使用。

2.2 监控系统跳闸矩阵显示

iP9000 V6.0计算机监控系统是面向对象开发的智能一体化平台，支持设备的图-模-库一体化功能，要在监控系统中配置和显示跳闸矩阵，需用到iP9000配套的DETOOL、IPM和OIX软件。在iP9000监控系统中，配置显示跳闸矩阵的步骤如下：

2.2.1 添加数据库点

打开DETOOL数据库配置软件，添加PLC上送的跳闸矩阵数据点表。如图4所示。

图4 在DETOOL中添加跳闸矩阵数据点对象

2.2.2 添加跳闸矩阵对象、配置参数

打开DETOOL数据库配置软件，在机组节点下增加跳闸矩阵对象，并选用跳闸矩阵对象模板添加子对象，填写配置参数。如图5所示。

图5 在DETOOL中添加跳闸矩阵对象

2.2.3 增加图元、连接对象实例

打开IPM图形编辑软件，在画面上添加图元，连接到跳闸矩阵对象。

2.2.4 显示跳闸矩阵

打开OIX人机交互软件，打开画面后点击跳闸矩阵图元，即可见到如图2的界面。

3 结束语

文中使用跳闸矩阵控制和显示水电站紧急停机触发条件和紧急停机流程之间的逻辑关系，不仅可以把紧急停机触发条件可视化地显示出来，也能通过修改跳闸矩阵控制字来改变紧急停机流程启动逻辑。在此功能基础上，还能进一步的扩展功能，比如在LCU现地控制柜上配置压板，以压板的投入/退出来改变跳闸矩阵控制字，进而实现单个紧急停机触发条件的投入/退出功能。抑或是增加监控系统与PLC之间的跳闸矩阵控制字交互功能，运行人员采用设值方式（或勾选）来修改跳闸矩阵控制字，进而改变紧急停机流程的启动逻辑。以上两种方式均能增加跳闸矩阵控制功能的灵活性。