高 熹，陳旭韜，錢 敏，陳 強

(江蘇國信溧陽抽水蓄能發(fā)電有限公司，江蘇溧陽213334)

0 引 言

溧陽抽水蓄能電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)為南瑞水利水電技術分公司開發(fā)提供，上位機采用NC2000系統(tǒng)，下位機采用SJ500型現(xiàn)地控制單元(LCU)，下位機包括6套機組LCU、1套抽水啟動LCU、1套開關站LCU、1套廠用電LCU、1套公用LCU、1套上水庫LCU、1套下水庫LCU。其中，每套機組LCU均采用羅克韋爾ControlLogix系列PLC作為主控制器，采用羅克韋爾CompactLogix系列PLC作為水力機械保護控制器。

機組LCU主要對水泵水輪機、發(fā)電電動機、發(fā)電機電壓配電裝置、主變壓器、球閥、尾水事故閘門及機組勵磁、調速器、繼電保護、機組狀態(tài)監(jiān)測等機組附屬設備和輔助設備進行監(jiān)控，并裝設獨立的水力機械保護PLC作為完全獨立的后備PLC，當發(fā)生主PLC失靈或水力機械事故等情況時動作觸發(fā)[1]。

1 機組LCU控制流程工作機制

1.1 主PLC控制流程的工作機制

主PLC控制流程的工作按步驟可分成輸入、處理、順序控制和輸出等部分。

主PLC通過AI、SOE、DI、TI等模塊和通信的方式，采集發(fā)變組及附屬設備的模擬量、溫度量、開關量和通信量。模擬量輸入包括機組有功功率及無功功率，附屬設備的油壓、油位、水壓、流量，主變、GCB、勵磁變的溫度和電流等；溫度量輸入主要為定子繞組、瓦溫、空冷器出風溫度等；開關量輸入主要接收機組及附屬設備的狀態(tài)如保護、勵磁、調速器、球閥、轉速裝置、制動器、調相壓水、技術供水泵等；通信包括與其他LCU、上位機、水機保護PLC、調速器、交采表、電度表、與時鐘同步等系統(tǒng)通信。

主PLC自動采集獲取以上數據后，由CPU負責數據處理和控制、調節(jié)。CPU將處理過的數據經網絡設備送至上位機，同時CPU也接受上位機或本體LCU觸摸屏下發(fā)的命令。CPU的順序控制在設計時應充分考慮與被控設備的控制回路或PLC進行配合，并可在機組調試階段進行調整和優(yōu)化。

主PLC通過DO模塊對其他被控設備的控制系統(tǒng)輸出命令，以實現(xiàn)GCB分合、同期并網、有功功率/轉速調節(jié)、無功功率/電壓調節(jié)、尾水事故閘門控制、球閥控制、工況轉換、事故停機等功能。

1.2 水力機械保護PLC控制流程的工作機制

水力機械保護PLC工作機制與主PLC相同，但輸入只采集開關量和來自主PLC的通信量。

開關量輸入包括中控室、水淹廠房及機組LCU上的停機按鈕，主PLC死機，機械過速，電氣一級過速，電氣二級過速，轉速位置接點，調速器系統(tǒng)故障，調速器壓力油罐事故低油位、低油壓，球閥壓力油罐事故低油位、低油壓，導葉發(fā)電空載及以下位置，導葉抽水空載及以下位置，導葉全關位置，機組調試鍵，機組把手檢修位置，GCB分閘、合閘，換向開關位置，電制動刀位置，SFC拖動選擇等。與主PLC的通信量仍然是以上開關量，作為備用。

水機PLC的開關量輸出主要與GCB、勵磁系統(tǒng)、調速器、球閥配合，動作于事故停機和緊急事故停機。

2 控制流程的硬件基礎

2.1 主PLC的硬件配置[2]

溧陽抽水蓄能電站機組主PLC采用2個冗余的ControlLogix 1756-L62 CPU，每個CPU單獨設置在1塊1756-A7背板上。CPU機架上另外配置1塊1756-PB72電源模塊供電，配置2塊1756-EN2T以太網通訊模塊分別接入雙網，配置1塊1756-RM2冗余模塊實現(xiàn)雙CPU冗余通訊，配置1塊1756-CN2構建ControlNet網絡。

主PLC采用的ControlNet網絡主要連接CPU所在的2個1756-A7(7槽)背板和8個1756-A13背板，1756-A13背板采用1756-CNB模塊構建ControlNet網絡。背板之間的物理連接由同軸電纜、1786-TPS分支器(三通)和1786-XT終端電阻組成。8個1756-A13背板上共配置10塊1756-IB16ISOE模塊采集SOE量，23塊1756-IB32模塊采集DI量，7塊1756-IF16模塊采集AI量，2塊1756-OF8模塊輸出AO量，33塊1756-IR16模塊采集TI量，5塊1756-OB32模塊輸出DO量，1塊1756-TIME模塊采集同步時鐘信號。

2.2 網絡配置及同步時鐘配置

機組LCU配置2塊赫斯曼RS20系列交換機，分別與地下廠房2臺赫斯曼MACH4002- 48G交換機相連。后者以雙星形結構與2臺赫斯曼MS4128上位機交換機相連，完成上下位機信息傳輸。

同步時鐘配置山東科匯T-GPS系列同步時鐘裝置，信號源為2路GPS，2路北斗，確保機組LCU的SOE量時間精度。

2.3 水力機械保護PLC的硬件配置

水力機械保護PLC采用CompactLogix 1769-L31CPU，電源模塊為1769-PB4，2塊開入模塊1769-IQ32處理DI量，1塊開出模塊1769-OB32處理DO量。水機PLC與主PLC通過SJ30通信管理裝置以串口相連。

3 主PLC控制流程設計

3.1 控制流程的類型

控制流程應考慮2類情況，一類是用于命令控制，即根據人機接口下達的指令進行順序控制，如工況轉換流程；一類是用于自動控制，即實時掃描判別機組各輸入量進行順序控制，如事故停機啟動流程。前者根據命令下發(fā)和條件判別，按順序開出控制其他系統(tǒng)或調用其他流程，后者在現(xiàn)場滿足預設的事故啟動源條件后，按順序開出控制其他系統(tǒng)。

3.2 控制流程的結構

控制流程從功能結構上主要由發(fā)令、條件判斷、開出、報警和跳轉至其他步(調用)組成，順序控制流程的每一步只能實現(xiàn)一種功能。

控制流程分為單步和自動2種模式。在正常工況下，采取自動模式，每步執(zhí)行成功后即可進入下一步。為了機組LCU調試和檢修方便，在做相關試驗時，可采取單步模式，允許流程單步操作，即必須人工確認后方可進入下一步?？刂屏鞒探o每一步都設置了唯一的步號，當流程按序執(zhí)行和跳轉時，都可直接使用這些步號。

控制流程中的條件判斷是控制流程邏輯實現(xiàn)的關鍵。在流程啟動之前，需判斷是否滿足流程啟動條件；在流程執(zhí)行中，需判斷是否滿足進入下一步條件和執(zhí)行是否超時。一旦不滿足條件或本步驟執(zhí)行超時，則報警或進入停機流程。停機流程包括正常停機流程、機械事故停機流程、電氣事故停機流程、緊急事故停機流程，在停機流程執(zhí)行中的條件判斷不滿足會調用更高一級的停機流程。

3.3 控制流程的邏輯設計

3.3.1 與被控設備的配合

機組的啟動和運行需要各附屬設備密切配合。被控設備的啟動需要由機組LCU判斷并開出指令，當被控設備完成動作后還應反饋給機組LCU。與常規(guī)水電機組控制流程不同的是，在與勵磁系統(tǒng)、調速器電氣柜、繼電保護配合時，還應向這些系統(tǒng)開出或復歸發(fā)電模式、發(fā)電調相模式、抽水調相模式、抽水模式等命令。

溧陽抽水蓄能電站設置了2套SFC裝置，在SFC拖動機組時也需流程開出選啟動1號SFC、啟動2號SFC、跳1號SFC、跳2號SFC送至抽水啟動LCU，抽水啟動收到這些命令后，搭建相應繼電器控制回路，完成對不同SFC的選擇。

3.3.2 機組的狀態(tài)設計[3]

抽水蓄能機組達到穩(wěn)定運行的工況，除了停機態(tài)之外，有發(fā)電狀態(tài)、抽水狀態(tài)、發(fā)電調相狀態(tài)、抽水調相狀態(tài)等4種。在這些工況轉換中，有些步驟相同，可以考慮合并，這樣既可優(yōu)化流程，又可避免附屬設備反復啟停。

經分析，相同的步驟如下：從停機態(tài)到輔助設備都開啟的狀態(tài)；從不同工況到機組旋轉但勵磁、調速器、導葉、SFC等已關且GCB已分。根據以上2種情況，可以設置停機熱備態(tài)、旋轉態(tài)2種暫態(tài)。

考慮調試和試驗的長時停留方便，在停機熱備態(tài)至發(fā)電態(tài)的過程中設置空轉態(tài)和空載態(tài)。空轉態(tài)為轉速達到95%以上但未建壓，空載為轉速達到95%以上已建壓但GCB未合。另外，考慮黑啟動對勵磁、調速器及同期裝置的控制要求，設置黑啟動態(tài)。機組在工況轉換過程的過度階段、不在以上狀態(tài)時，定義為不定態(tài)。

綜上所述，將機組的工況狀態(tài)分為穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)，穩(wěn)態(tài)包括停機態(tài)、發(fā)電態(tài)、空載態(tài)、空轉態(tài)、發(fā)電調相態(tài)、抽水調相態(tài)、抽水態(tài)、黑啟動態(tài)8種，暫態(tài)為停機熱備態(tài)、旋轉態(tài)、不定態(tài)3種。

3.3.3 子流程設計

機組控制中各穩(wěn)態(tài)及暫態(tài)之間的工況轉換，通過執(zhí)行子流程來完成。分為正常開停機工況和事故停機工況2大類。

正常開停機包括：停機→停機熱備、停機熱備→空轉、空轉→空載、空載→發(fā)電、發(fā)電→發(fā)電調相、發(fā)電調相→發(fā)電、發(fā)電→空載、空載→空轉、空轉→旋轉、發(fā)電調相→旋轉、停機熱備→抽水調相、抽水調相→抽水、抽水→抽水調相、抽水→旋轉、抽水調相→旋轉、不定態(tài)→旋轉、旋轉→停機熱備、停機熱備→停機、抽水→發(fā)電、停機熱備→黑啟動、黑啟動→發(fā)電等21個子流程，見圖1。

事故停機流程包括：機械事故停機、電氣事故停機、緊急事故停機3個子流程。事故時，機組從不同工況直接經過事故停機流程進入旋轉態(tài)，然后調用旋轉→停機熱備、停機熱備→停機，最終機組進入停機穩(wěn)態(tài)，見圖2。

圖2 事故停機工況轉換流程

3.3.4 主PLC事故啟動源邏輯

機械事故的啟動源經過業(yè)主、設計院和廠家的反復討論，最終確定為振擺跳機、調速器油系統(tǒng)故障、球閥油系統(tǒng)故障、事故停機按鈕、組合機組溫度過高、各導軸承油槽油溫高組合外循環(huán)油泵運行、冷卻水組合流量低、電動球閥組合冷卻水流量低、主軸密封溫度高、上止漏環(huán)溫度高、下止漏環(huán)溫度高、導葉剪斷銷故障。

電氣事故的啟動源包括機組保護停機、SFC跳閘停機、主變保護停機、相鄰機組停機、相鄰主變停機、主變非電量停機、相鄰主變非電量停機、雙套勵磁調節(jié)器嚴重故障、橋引線保護停機、消防跳閘停機。

圖3 事故停機閉鎖邏輯

緊急事故停機的啟動源包括水淹廠房停機、調速器控制系統(tǒng)嚴重故障、進水閥控制系統(tǒng)嚴重故障、中控室緊急停機按鈕、LCU緊急停機按鈕、機組電氣2級過速、機組電氣1級過速且調速器系統(tǒng)故障、事故停機過程中剪斷銷剪斷、調速器事故低油壓低油位、球閥壓力油罐事故低油壓低油位、機械過速保護裝置動作、尾水閘門下滑、球閥異常關閉。

4 水力機械保護PLC控制流程設計

水力機械保護PLC作為后備PLC，PLC中以梯形圖的形式完成事故停機邏輯。在其邏輯設計中，應考慮停機、LCU調試態(tài)、機組把手檢修位置(打在“切除”位置)時閉鎖事故停機，此外，在事故停機時，應自保持事故信號，直至按下復歸按鈕。邏輯見圖3。

停機邏輯主要實現(xiàn)水機事故停機和緊急事故停機，兩者在水機PLC停機邏輯里的主要區(qū)別在于緊急事故停機中，在停調速器、關閉緊急停機電磁閥的同時，緊急關閉球閥和動作調速器的事故配壓閥。

水力機械保護PLC的水機事故停機的啟動源包

括主PLC死機、事故停機按鈕。緊急事故停機的啟動源包括電氣一級過速且調速系統(tǒng)故障，水淹廠房按鈕、緊急事故停機按鈕、球閥油壓裝置事故低油壓或低油位、調速器油壓裝置事故低油壓或低油位，事故停機過程中剪斷銷剪斷，電氣二級過速，主PLC緊急事故停機。

5 結 語

本文在總結溧陽抽水蓄能電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的設計和調試投運經驗的基礎上，對機組LCU主PLC和水力機械保護PLC的工作機制、硬件基礎和軟件設計進行了梳理，機組實際運行表明，本套計算機監(jiān)控系統(tǒng)LCU設備有效提高了機組的自動化水平，保證了電站的可靠、安全和穩(wěn)定運行，也為其他同類電站的設計提供了參考。