安康水电站机组水机后备保护的设计及实现

2023-01-04卢小芳赵勇飞宋金斗鲁培全

水电站机电技术 2022年12期

卢小芳，赵勇飞，宋金斗，鲁培全

（1.北京中水科水电科技开发有限公司，北京 100038；2.安康水力发电厂，陕西安康 511853）

计算机技术和电子电路技术的发展和普及，使得人们对水电站机组现地LCU的功能需求也在不断增加。在机组发生事故时，不仅要求现地LCU主PLC能够将机组快速停下来，且在现地LCU主PLC故障时，仍要能够确保机组顺利停下来，因而水机后备保护作为机组事故时主PLC保护的后备配置，逐渐成为各水电站的标配。

安康水电站位于汉江干流上游，地处陕西省安康市城西18 km，是一座以发电为主，兼有航运、防洪、养殖、旅游等综合效益的大型水电枢纽工程。电站安装有4台单机容量200 MW时的机组，总装机容量850 MW。电站于2019年进行监控系统改造，在监控系统改造设计时均在每台机组现地LCU盘柜上配置了机组水机后备保护设备。

1 现阶段水机后备保护设计方式

现阶段水电站水机后备保护主要通过2种方式实现：常规水机保护回路方式和基于独立PLC的水机保护方式。

1.1 常规水机保护回路方式

机组常规水机保护回路方式通常由若干按钮、中间继电器、压板通过搭接所组成的继电器逻辑回路。通常由信号扩展回路、水力机械保护回路、水力机械保护出口回路构成，其中信号扩展回路为机组水机事故信号或事故相关信号动作输入回路；水力机械保护回路为水机事故动作后触发的相关回路，由它再去启动水力机械保护出口回路，它连接着输入输出回路，是水力机械保护回路的核心部分；水力机械保护出口回路为水力机械事故动作后的输出回路，去执行相关设备的操作。

常规水机保护回路设备组成简单，经济性较好，维护方便，通过继电器接点的动作状态可以直观地反映事故回路的动作情况，但是由于是继电器扩展回路，对于事故信号的滤波、事故信号的延时功能实现起来比较困难，另外扩展性也比较差，如果需要再增加事故信号输入接点或改动闭锁逻辑或改动事故输出回路，设计之初没有留有足够备用点的话，就需要大动干戈、重新设计、重新布线，实现起来比较困难，再者水机后备保护回路作为独立回路，事故动作后，只能在现场通过观察继电器来确定事故源，无法将事故源信号及事故输出情况反馈给上位机或形成事件记录，给事故的及时发现及后期分析也造成不便。

1.2 基于独立PLC的水机保护方式

基于独立PLC的水机保护方式是在机组LCU 主PLC之外，单独设置一套PLC，以该套PLC为核心，配置相应的信号输入输出单元以及继电器，通过对PLC编程实现水机保护逻辑。

由于是采用PLC进行信号采集，对事故信号的滤波、延时等功能就可以通过编程实现，极大地提高事故信号的可靠性，防止因信号误动引起非必要的事故停机；采用PLC后，对事故源的配置也比较灵活，如需增加，只要接入模块备用点或增加模块就可以实现；由于水机保护逻辑是通过对PLC编程实现的，水机逻辑就可以根据电厂实际进行定制，即使有不合适的地方，也可以随时进行修改；PLC有丰富的通信接口，可以通过网络、串口、总线等方式将数据实时传送给上位机或触摸屏，方便电厂运行人员实时监控。

独立PLC的水机保护方式虽然有很多优点，但是其构成不仅有继电器、按钮、压板，还必须有PLC及对其供电的独立电源装置，因而相对常规水机保护回路方式来说成本要增加很多，经济性略差。但是随着近年来电子元器件价格的下降，该种方式在电厂的使用也越来越普及。

2 安康水机后备保护硬件配置

安康水电站机组水机后备保护在设计时经过行业考察与比较，选用了灵活性、稳定性较强的独立PLC方式实现，没有再另设常规继电器硬接线回路。

2.1 电源配置

水机后备保护所承担的作用是在机组LCU 失灵或故障的情况下能够对机组形成最后一道保护，该特性就要求水机后备保护PLC电源必须独立设置，与机组LCU电源互不干扰，不重叠使用。为确保水机后备保护设备电源的安全性，常常要两路或多路电源互为冗余供电。

安康水机后备保护PLC在其安装盘柜配置2套240 W电源装置，专用于水机后备PLC设备及回路供电。其中一套电源装置采用AC 220 V交流供电，另一套电源装置采用DC 220 V直流电源供电，AC 220 V交流电源由全厂交流盘单独一路引入，DC 220 V直流电源由机旁直流电源盘单独一路引入，专供水机后备PLC使用，与机组LCU其他设备所使用交直流电源不交叉。水机后备PLC设备及回路供电方式见图1所示。

图1 水机后备PLC设备及回路供电系统图

2.2 PLC模块配置

安康水机后备保护配置了一套独立于机组LCU的PLC设备。有2块DC 24 V供电电源模块、1块CPU模块、1块以太网模块、2块32点开入量模块、1块32点开出量模块。

2块DC 24 V供电电源模块互为热备用，保证PLC机架上各模块正常工作。CPU模块选择与机组LCU PLC同系列的相对低端的型号，编程平台相同，使用习惯相同，方便程序编制及后期维护。通过CPU上以太网口和以太网卡上的网口与机组LCU的A、B网交换机连接，将水机后备PLC接入监控系统网络，方便与上位机和机组LCU主PLC之间进行信息传输。开入量模块进行事故信号采集，可以在模块上设置滤波时间，确保事故信号采集的稳定性，开出模块通过驱动继电器对现场设备进行操作，可以根据事故流程需求对每个输出点进行定义。

3 安康水机后备保护事故源

安康机组水机后备保护事故源主要有轴瓦温度保护、调速器失电及压油罐事故低油压保护、过速保护、事故停机按钮、水淹厂房等，分别触发机械事故停机流程和紧急事故停机流程。事故信号的采集都是将现地源头自动化元器件上的不同独立接点形成回路，分别送至主PLC和事故后备保护PLC。

3.1 轴瓦温度保护

对于轴瓦温度保护，机组LCU主PLC一般配置有RTD测温模块，通过RTD测温模块采集各轴瓦温度，然后经过PLC编程，判断出温度过高事故点，触发事故停机流程。对于水机后备保护PLC，投入多的电厂会配置少量RTD模块，引入各轴瓦部分温度量测点，进行编程判断，上位机也可以直接把温度测量数据取过去进行监测；考虑经济性的电厂会设置一个测温屏或在机旁盘柜上安装一些温控仪，再将温控仪的输出接点引入PLC，如果有温度过高越限动作，可以通过温控仪上的温度显示和报警指示进行观测。

安康水机后备保护设置了6块温控仪，分别采集上导、水导、推力各2块瓦温度，再将温控仪的高、过高接点引至水机后备保护PLC开入量模块，水机后备保护PLC在收到任一温度过高点动作后，触发机械事故停机流程。

3.2 调速器失电保护

现在调速器系统一般都具有失电关机功能，在调速器控制柜失电后，会自动关闭导叶，防止机组失控。此时需要监控系统进行联动，防止导叶已经关闭，而机组其他系统还在工作。

安康水机后备保护通过监视调速器交流电源、直流电源状态信号，如果交流、直流电源均故障，且机组不在停机态，则触发机械事故。

表1 机组水机后备PLC事故启动源清单

4 安康水机后备保护程序设计

4.1 事故流程设计

水机后备保护主要是在机组主PLC失效后起到最后一道屏障作用，因而其PLC的流程相对机组主PLC的流程一般相对简单，通常能够将机组从电网解列、主要设备停机就足够了。

安康水机后备保护PLC的事故源根据事故轻重程度分为机械事故源和紧急事故源，对应启动机械事故停机流程和紧急事故停机流程。机械事故停机流程启动后，给调速器系统发紧急停机令，动作调速器紧急停机电磁阀，快速关导叶，将机组负荷降下来，当导叶关至空载开度后跳发电机出口断路器，待发电机出口断路器处于断开状态，且导叶开度至全关，转速降至20%额定转速后投入机械制动，将机组关停。一级过速且调速器主配拒动时，要通过动作事故配压阀来关导叶。紧急事故流程启动后，要在动作调速器紧急停机阀关导叶的同时落机组进水口快速门，切断机组原动力，后续动作流程与机械事故停机流程相同。

图2 水机后备保护PLC事故停机流程

4.2 与主PLC信息交互

4.2.1 电源设备状态的交叉监视

以往设计现地LCU时，如果没有配置水机后备保护回路或者选择常规继电器方式，则往往只能将LCU电源的状态监视接点引入主PLC，当电源全部丢失，LCU控制柜失电后，由于PLC全部失电，信号无法采集，上位机只能监控到当前LCU离线，而无法及时收到当前LCU失电报警。而选择使用独立PLC水机后备保护方式后，由于其PLC与机组LCU PLC相互独立，使机组LCU的电源与水机后备PLC的电源状态相互交叉监视变成可能。

安康水机后备保护PLC设计时，将水机后备保护PLC的交、直流电源装置工作状态监视接点引至主PLC开入量，在现地触摸屏和上位机画面设置该电源装置的监视画面和报警光字，通过主PLC对水机后备保护PLC的电源供电状态进行实时监视。

4.2.2 PLC工作状态的交叉监视

PLC作为现地LCU控制柜的核心部分，其CPU正常情况下能够长期保持稳定运行状态，但不排除特定原因会导致停运、故障等情况。虽然主PLC现在常常都是双机冗余配置，有足够的安全性，但也不能保证不会有双机都发生故障的情况。而事故后备保护PLC做为事故保护的最后保障，监控系统也得实时知道其CPU的运行状态。

安康水机后备保护PLC设计时，将主PLC的CPU模块运行状态实时送至水机后备保护PLC，将水机后备保护PLC的CPU模块运行状态实时送至主PLC,让双方交叉监视，确保机组LCU PLC任何一块CPU发生故障或停运，都能及时有告警信号，提高机组的安全运行水平。

4.2.3 事故流程的联动

由于事故信号都是由现地自动化元器件分别独立送至机组LCU主PLC和事故后备保护PLC，一般当有事故发生时，主PLC和事故后备保护PLC在收到事故信号后，都会启动事故停机流程。但是如果现地自动化元器件的某一个接点发生故障，则就有一方收不到事故信号，无法启动事故停机流程。由于一般主PLC和事故后备保护PLC的输出回路都是相互独立设置的，比如跳发电机出口断路器都是作用于两个不同的跳闸线圈，如果有一套PLC事故流程无法启动，而恰恰启动那套PLC的输出回路元器件又发生故障，则有可能导致机组无法事故停机，从而使事故扩大化。

为避免上述问题发生，安康水机后备保护PLC在事故停机流程启动同时输出一个开出量信号给主PLC，主PLC在收到信号后同时触发事故停机流程；如果主PLC有事故流程启动，则也将事故流程启动信号开出至水机后备保护PLC，水机后备保护PLC收到该信号后也同时启动事故停机流程。通过主PLC和事故后备保护PLC的事故联动，提高机组事故情况下的安全保障。

4.2.4 水机事故后备PLC信号的现地监视

通常机组LCU控制柜上只配置一块触摸屏，一般我们都将其与主PLC进行连接，显示主PLC的信息及各种流程画面，这就造成在机旁无法直接监视事故后备保护PLC的信息，无论是检修还是平常运行都非常不方便。

安康水机后备保护PLC通过配置以太网模块并接入监控A、B主网，使其与主PLC处在同一网络中，由于两套PLC是同一系列，通过PLC编程软件配置以太网通信参数，很方便地就将事故后备保护PLC的数据信号送至主PLC，主PLC再将后备保护PLC的信息送至触摸屏显示，实现了在现地触摸屏对事故后备保护PLC的信号及工作状态的监视