李益明

摘 要：水電站緊急停機(jī)保護(hù)通常也稱作水機(jī)保護(hù)回路，是水電站安全運(yùn)行的一道保護(hù)屏障。探討了利用PLC來完成水機(jī)保護(hù)自動(dòng)化功能，從設(shè)計(jì)方案、設(shè)計(jì)原則等方面進(jìn)行描述，表明基于PLC的水機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：水機(jī)保護(hù)；可編程控制器PLC；水電站

1 引言

目前，水輪發(fā)電機(jī)組水力機(jī)械保護(hù)傾向選用獨(dú)立于機(jī)組 LCU電源、回路、CPU的PLC控制系統(tǒng)，這樣可保證出口單位緊急動(dòng)作，并根據(jù)故障類別將信息傳輸?shù)絾卧狶CU啟動(dòng)相應(yīng)的停機(jī)程序，設(shè)計(jì)的靈活性讓系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性大大提高。此系統(tǒng)的應(yīng)用，相對(duì)于傳統(tǒng)的電路而言，可把水電廠行業(yè)安全推廣了一個(gè)較高的水平，對(duì)水資源保護(hù)的科學(xué)性和可靠性大大提高。但以前對(duì)于機(jī)組的水機(jī)保護(hù)的重視不夠，相關(guān)的研究較少。而這種類型的機(jī)組在一些地區(qū)應(yīng)用較多，有必要進(jìn)行研究。本文對(duì)于發(fā)電機(jī)保護(hù)水機(jī)的應(yīng)用進(jìn)行了討論。

2 基于PLC的水機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的優(yōu)越性

基于PLC的水機(jī)保護(hù)系統(tǒng)比傳統(tǒng)的斷電器形態(tài)下的水機(jī)保護(hù)系統(tǒng)具有許多優(yōu)點(diǎn)，一是保護(hù)制水機(jī)采用了一套獨(dú)立的工業(yè)級(jí)PLC，集成的DI、DO、AI、RTD模塊，信號(hào)處理不受限制，可靠性高，具體良好的整合性；二是通過PLC編程，可以實(shí)現(xiàn)各種保護(hù)控制邏輯，形成各種報(bào)警、關(guān)機(jī)邏輯，調(diào)試、運(yùn)行和維護(hù)的工作量大大減少，功能擴(kuò)展靈活方便；三是可直接存取單元的模擬量和RTD的量，并且可方便地實(shí)現(xiàn)模擬量、RTD量的各種組合判斷方案，判斷功能包括斷線、梯度變化測(cè)量等；四是水機(jī)保護(hù)動(dòng)作過程中可以自動(dòng)記錄，并能確定時(shí)間，方便事故分析。

2.1 保護(hù)范圍

PLC編程更靈活，保障范圍可以涵蓋所有關(guān)鍵部件。根據(jù)故障的嚴(yán)重程度分為MARK0一類機(jī)械事故，MARK2二類機(jī)械事故。之間的差異在于MARK0和MARK2是主要的行動(dòng)的后果：MARK2一般代表的機(jī)械事故，導(dǎo)葉關(guān)閉，停機(jī)即可；MARK0表示嚴(yán)重的機(jī)械事故，除了關(guān)閉導(dǎo)葉外，還需要緊急關(guān)閉進(jìn)水口閘門。在PLC中使用MARK來定義的各類安全事故，不僅可以方便設(shè)計(jì)不同的緊急行動(dòng)、保護(hù)的過程中，還可以幫助運(yùn)營(yíng)商快速確定故障的性質(zhì)和采取相應(yīng)的措施。

⑴MARK0。保護(hù)范圍：MARK0轉(zhuǎn)速大于115%Ne（額定轉(zhuǎn)速，下同）且調(diào)速器故障、緊急停機(jī)時(shí)剪斷銷故障、機(jī)械過速保護(hù)裝置動(dòng)作、轉(zhuǎn)速大于150%Ne、事故低油壓、進(jìn)水口閘門下滑至事故位等。上述幾種故障的發(fā)生，表明渦輪導(dǎo)向葉片可能會(huì)失控，或者干脆關(guān)閉導(dǎo)葉，并無法控制事故，因此還需要關(guān)閉入口閘門實(shí)施機(jī)組停機(jī)。

⑵MARK2。MARK2機(jī)械分為水輪機(jī)機(jī)械事故和發(fā)電機(jī)機(jī)械事故。如：轉(zhuǎn)速大于115%Ne、冷卻水中斷、溫度保護(hù)等以及變壓器電氣保護(hù)裝置的電源故障或閉鎖。

2.2 防誤動(dòng)措施及動(dòng)作后果

PLC采取一些必要的措施，以防止誤操作。如調(diào)速液壓系統(tǒng)油位過低采用開關(guān)模擬量相結(jié)合的模式，可以有效地避免單一的信號(hào)不能被信任造成誤關(guān)機(jī)。

MARK0和MARK2行動(dòng)，快速關(guān)斷過程中，由PLC自動(dòng)停機(jī)?？焖訇P(guān)機(jī)過程中使用SFC（順序功能塊）編程，快速停止緊急停機(jī)電磁閥，快速關(guān)閉導(dǎo)葉的直接行動(dòng)，可確保安全快速關(guān)機(jī)。 MARK0快速關(guān)機(jī)的過程中，緊急關(guān)閉入口閘門。為了確保該單位事故可以可靠地快速停止和減少損害的單位，快速關(guān)機(jī)過程中提出了以下措施：一是水機(jī)事故沒有立即切除電路。要迅速關(guān)閉導(dǎo)葉，導(dǎo)葉回到怠速位置，避免造成過速從而提高機(jī)械部位的損傷；二是先行動(dòng)緊急停機(jī)電磁閥關(guān)閉導(dǎo)葉，故障動(dòng)作分配閥，進(jìn)水口快速門作為最后一道保險(xiǎn)故；三是優(yōu)先采用變頻，延時(shí)5s未能滅磁跳開直流滅磁開關(guān)，利用滅磁電阻消能。

3 基于PLC的水機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

保護(hù)水機(jī)系統(tǒng)的PLC相對(duì)于水機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的傳統(tǒng)的繼電器形式的基礎(chǔ)上，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要結(jié)合自身的特點(diǎn)，以下是設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)：一是基于PLC系統(tǒng)的水機(jī)保護(hù)應(yīng)采用一套獨(dú)立的PLC完成，由于信號(hào)采集量不大，PLC可用于小型產(chǎn)品。二是基于PLC的水機(jī)保護(hù)系統(tǒng)，可獨(dú)立設(shè)置屏幕，可以還可以設(shè)置屏幕監(jiān)控系統(tǒng)的控制面板。在任何情況下，面板、電源電路設(shè)計(jì)，采用開放的回路電纜設(shè)備，不與計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的回路并接。三是基于PLC的水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的信號(hào)源保護(hù)系統(tǒng)對(duì)單位分開，有些信號(hào)確實(shí)不能分開需要安裝中間繼電器進(jìn)行擴(kuò)展。四是為了避免相互干擾，PLC保護(hù)系統(tǒng)和水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)之間的不進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。IO通過的DI/DO的方式交換。五是在條件允許的情況下，也可是一個(gè)PLC汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)配置的小觸摸屏，易于設(shè)置參數(shù)和查看運(yùn)行，故障狀態(tài)。六是簡(jiǎn)化PLC水機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集量。由于PLC的水機(jī)保護(hù)系統(tǒng)主要用于發(fā)電機(jī)保護(hù)，不僅關(guān)系到信號(hào)的采集和水機(jī)的保護(hù)與正常運(yùn)行，控制信號(hào)和指令不進(jìn)入PLC水機(jī)的保護(hù)系統(tǒng)中去。七是PLC監(jiān)控系統(tǒng)及保護(hù)系統(tǒng)水機(jī)和主計(jì)算機(jī)的保護(hù)動(dòng)作命令發(fā)出平行的，相互獨(dú)立的。同時(shí)動(dòng)作到機(jī)組事故配壓閥、調(diào)速器急停閥等自動(dòng)化設(shè)備上。

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施與調(diào)試

目前，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)多個(gè)水電站基于PLC 的水機(jī)保護(hù)系統(tǒng)，投入運(yùn)行，其可靠性、靈活性、運(yùn)行維護(hù)方便性均得到現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行維護(hù)人員的肯定。

雖然根據(jù)基于PLC的水保護(hù)電路的設(shè)計(jì)原則，但在實(shí)施和調(diào)試過程中，會(huì)遇到一些問題，下面是經(jīng)常會(huì)遇到的情況的總結(jié)。一是確認(rèn)信號(hào)源分離的問題。很多設(shè)備信號(hào)源是唯一的，兩套系統(tǒng)不能分開使用；二是PLC水機(jī)保護(hù)系統(tǒng)與電站主計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換問題。PLC監(jiān)控系統(tǒng)的保護(hù)系統(tǒng)只上傳數(shù)據(jù)，不接收計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)。三是水機(jī)保護(hù)過程中的流程與監(jiān)控系統(tǒng)流程配合問題?？刹捎肞LC水機(jī)保護(hù)系統(tǒng)與電站主計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)相同的停機(jī)流程，同時(shí)作用到對(duì)象設(shè)備上。目前，在多個(gè)水電站水機(jī)保護(hù)系統(tǒng)中投入運(yùn)行，其可靠性、靈活性較好，便捷的操作對(duì)于系統(tǒng)的維護(hù)和操作非常有利。

5 結(jié)語

本文對(duì)PLC程序和傳統(tǒng)的水機(jī)的保護(hù)電路進(jìn)行了分析，主要對(duì)保護(hù)范圍、注意事項(xiàng)進(jìn)行了總結(jié)分析，為水機(jī)保護(hù)的事故處理和維修提供了一定的參考。

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