譚丕成，吳東磊

（1.五凌電力近尾洲水電廠，湖南 衡陽421127；2.河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院，江蘇 南京211100）

0 引言

隨著我國水利事業(yè)的發(fā)展，建立了越來越多的水電廠，越來越多的大型機(jī)組投入運行，水電廠自動化運行就愈顯得關(guān)鍵。自動運行技術(shù)是水電廠安全經(jīng)濟(jì)運行必不可少的技術(shù)手段。計算機(jī)監(jiān)控技術(shù)在水電站自動化控制中的可靠性越來越高，從集中式現(xiàn)場自動控制向遠(yuǎn)程自動化的飛躍，實現(xiàn)了系統(tǒng)的控制。遠(yuǎn)程監(jiān)控實現(xiàn)了水電廠監(jiān)控與運維的獨立，這一方面提高了水電廠自動化、智能化水平，大大降低了維護(hù)人員的工作量，另一方面也在很大程度上降低了水電站的運行成本，使水電站的工作效率和綜合效益得到了大幅度提升[11]。遠(yuǎn)程計算機(jī)集中控制作為計算機(jī)現(xiàn)場監(jiān)控的延伸，已不再是一個技術(shù)問題。水電站實施“遠(yuǎn)程集控、少人維護(hù)”是促進(jìn)管理創(chuàng)新、提高安全生產(chǎn)管理水平的必然要求[7]。由于集控中心跨流域、多機(jī)型機(jī)組的全部接入，集控運行的風(fēng)險也在加大[9]。隨著水電廠自動化的不斷推進(jìn)，計算機(jī)監(jiān)控技術(shù)的不斷發(fā)展，電廠也面臨著許多安全隱患，許多問題也日益突出，亟待解決。

目前遠(yuǎn)程集控模式廣泛應(yīng)用于水電廠，在帶來方便、快捷、高效的同時也存在一定安全隱患。國內(nèi)外許多學(xué)者都對此展開了豐富的研究，并取得了許多成果。

文獻(xiàn)[5]主要闡述流域水電站遠(yuǎn)程集控中心的主要功能，探討流域水電站遠(yuǎn)程集控運行的主要策略，分析流域水電站遠(yuǎn)程集控運行技術(shù)的重點，通過運用計算機(jī)監(jiān)控技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，有效提高水電站監(jiān)控的整體質(zhì)量，提高水電站智能化調(diào)度的安全性，實現(xiàn)水電站的最大經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。文獻(xiàn)[6]根據(jù)某水電開發(fā)有限責(zé)任公司推進(jìn)烏江流域梯級水電站群“遠(yuǎn)程集控、少人維護(hù)”生產(chǎn)管控模式建設(shè)實施情況，介紹了實施措施，并對實施情況進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)[7]以某河建管局為例，立足現(xiàn)狀與存在問題，探討了遠(yuǎn)程自動控制的必要性、可行性，提出了水利電力調(diào)度與遠(yuǎn)程集控系統(tǒng)規(guī)劃思路、設(shè)計原則與解決方案。文獻(xiàn)[8]主要是介紹計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)、軟件技術(shù)方面的內(nèi)容以及計算機(jī)監(jiān)控技術(shù)在水電廠的發(fā)展形式和在水電廠應(yīng)用的情況。文獻(xiàn)[9]以某公司（紅水河）集控中心與其各受控廠站實際運行情況，詳細(xì)描述該集控中心在遠(yuǎn)程集控運行中存在的風(fēng)險及針對風(fēng)險制定、實施的應(yīng)對措施，使電網(wǎng)和受控廠站得以安全高效運行。文獻(xiàn)[10]主要從機(jī)構(gòu)設(shè)置及人員分工、設(shè)備調(diào)度、發(fā)電調(diào)度、異常及事故調(diào)度和水庫調(diào)度5 個方面進(jìn)行闡述，全面系統(tǒng)的介紹了水電遠(yuǎn)程集控模式下生產(chǎn)調(diào)度管理工作。文獻(xiàn)[11]詳細(xì)介紹了鳳灘水電廠遠(yuǎn)程集控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)采集、操作控制權(quán)限、AGC/AVC 運行主備方式的實現(xiàn)及“虛擬廠站”調(diào)試試驗安全隔離措施等內(nèi)容。文獻(xiàn)[12]主要闡述了某水電廠在遠(yuǎn)程集控模式下，水電廠發(fā)生事故時，集控中心、電廠調(diào)度主管、運維人員三方的配合及事故處理的程序和主要注意事項。文獻(xiàn)[13]在廣泛調(diào)研目前國內(nèi)水電智能化發(fā)展現(xiàn)狀，并結(jié)合某公司集控中心和各水電廠實際的基礎(chǔ)上，就流域梯級集控及水電廠智能化建設(shè)規(guī)劃提出了一些建議。文獻(xiàn)[14]綜合比較當(dāng)前國內(nèi)流域梯級電站遠(yuǎn)程集控中心建設(shè)的經(jīng)驗，對流域梯級電站遠(yuǎn)程集控中心進(jìn)行幾點思考，并提出建議措施，希望對建立流域梯級電站遠(yuǎn)程集控中心運行模式，促進(jìn)我國流域梯級電站的監(jiān)控管理作出有益貢獻(xiàn)。

本文主要針對某電站進(jìn)行的安全隱患排查作出具體的分析、研究，對電廠可能出現(xiàn)的故障和損壞作出經(jīng)濟(jì)評估，重點對電廠監(jiān)控自動化控制的完善進(jìn)行深入思考，并給出幾點可行性方案和建議。

1 概況

五凌電力近尾洲水電廠位于湘江中游的衡陽、常寧、祁東三縣交界處，該水電廠為湘江干流十一個梯級開發(fā)方案中的第七級，安裝有3 臺奧地利ELIN公司燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)，單機(jī)容量20 MW，2000 年12 月投產(chǎn)發(fā)電。機(jī)組采用ELIN 公司成套自動控制設(shè)備，2010 年，經(jīng)過改造采用了國產(chǎn)計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，更換了計算機(jī)主機(jī)和機(jī)組LCU 模塊及相應(yīng)軟件，考慮成本問題，對原廠家的LCU 輸入、輸出回路未做改動，自動控制系統(tǒng)基本控制功能未做變動。2012 年，為進(jìn)一步提升管理水平和經(jīng)營效益，實現(xiàn)了遠(yuǎn)程集控，機(jī)組的啟停及加減負(fù)荷操作、運行狀態(tài)監(jiān)控主要由遠(yuǎn)方值班人員完成，現(xiàn)場平時只保留了1 名運行人員。

圖1 電站概貌

2 故障分析

2019 年5 月，電廠在例行隱患排查、試驗分析時發(fā)現(xiàn)，模擬機(jī)組LCU CPU 電源故障，會導(dǎo)致機(jī)組所有輔機(jī)停運、水機(jī)保護(hù)不能正常動作等重要隱患。在隨后的排查分析中發(fā)現(xiàn)，機(jī)組LCU 采用單CPU設(shè)計，調(diào)速器油泵、軸承油泵、軸流風(fēng)機(jī)等機(jī)組重要輔機(jī)啟動回路由LCU 輸出繼電器常開接點實現(xiàn)，水機(jī)保護(hù)動作后通過LCU 監(jiān)控程序啟動事故停機(jī)流程。由于LCU 采用UPS 電源比較可靠，且CPU 一直穩(wěn)定運行，導(dǎo)致該隱患長時間沒有被發(fā)現(xiàn)。

圖2 機(jī)組控制與監(jiān)視

遠(yuǎn)程集控模式下，電廠中控室一般沒有設(shè)置監(jiān)控值班人員，僅保留1～2 個ON-CAll 人員，負(fù)責(zé)辦理工作票、組織操作和事故隔離、白天設(shè)備巡視及定期檢查報警信息等工作，晚上中控室基本無人值班。而在目前的技術(shù)條件下，還不能將具有硬接線的緊急停機(jī)按鈕布置到遠(yuǎn)方中控室，即使遇到緊急情況，也只能由遠(yuǎn)方值班人員，通過計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)遠(yuǎn)程啟動緊急事故停機(jī)流程?？梢韵胂?，在上述隱患未及時處理的情況下，一旦機(jī)組在夜間運行過程中突然發(fā)生LCU CPU 故障，由遠(yuǎn)程集控通過計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)來啟動停機(jī)流程，將由于機(jī)組LCU 不能正常運行，導(dǎo)致機(jī)組輔機(jī)長時間停運，可能發(fā)生軸承系統(tǒng)斷油燒損；機(jī)組調(diào)速器系統(tǒng)無油壓靠重錘關(guān)導(dǎo)葉；依靠逆功率保護(hù)動作跳發(fā)電機(jī)出口開關(guān)，機(jī)組長時間低速運行各部位溫度異常升高等情況，后果不堪設(shè)想。

圖3 水電站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)

僅以該廠1 臺機(jī)組軸承系統(tǒng)需緊急修復(fù)為例，在不考慮鏡板損壞的情況下，緊急制做16 塊正、反推力瓦約需140 萬元，水導(dǎo)、發(fā)導(dǎo)瓦約需40 萬元，共180 萬元；完成更換處理約需30 d，按0.3 元/kW·h計算，汛期發(fā)電收入損失約432 萬元；更換軸承油約需30 萬元；檢修人工費約需20 萬元，估算下來約需842 萬元，可以說損失慘重。如果還造成其他設(shè)備的損壞，損失更大。

根據(jù)《水力發(fā)電廠計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》，單機(jī)容量100 MW 的水輪發(fā)電機(jī)組現(xiàn)場控制單元LCU 應(yīng)雙重化冗余配置[1]，依據(jù)《水電廠計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)基本技術(shù)條件》等規(guī)范，僅對計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)硬件、軟件和固件設(shè)計安全提出基本要求：有自檢能力，檢出故障時能自動報警；系統(tǒng)中任何地方單個元件的故障不應(yīng)造成生產(chǎn)設(shè)備誤動[2-3]。很明顯，該電廠計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計滿足規(guī)范要求，但LCU CPU 故障后，導(dǎo)致全部輔機(jī)停運不滿足技術(shù)條件要求。然而，僅解決輔機(jī)不停運的問題并不能完全保障機(jī)組安全穩(wěn)定運行。據(jù)分析，如果機(jī)組現(xiàn)地控制單元LCU CPU 故障期間，緊急通知人員到現(xiàn)場處理，需要一定時間，這個期間可能出現(xiàn)新的故障或人員誤操作，擴(kuò)大影響；若同時出現(xiàn)水機(jī)保護(hù)故障，還是由于不能迅速安全可靠的停機(jī)，可能導(dǎo)致水輪發(fā)電機(jī)組等主設(shè)備損壞。

3 改進(jìn)措施

（1）通過引用輔機(jī)動力回路接觸器的動作接點，引入控制回路并接在機(jī)組LCU 啟動回路接點上，做為自保持回路，然后在啟動回路串入LCU 停輔機(jī)繼電器的常閉接點，可以解決LCU CPU 故障后不影響輔機(jī)正常運行的問題。

（2）應(yīng)用看門狗技術(shù)，加強(qiáng)LCU 自身故障的自檢，一旦出現(xiàn)不能正常運行的嚴(yán)重故障時，應(yīng)能立即接通硬接線回路，跳開發(fā)電機(jī)出口開關(guān)和滅磁開關(guān)，啟動調(diào)速器緊急停機(jī)回路停機(jī)。

（3）增設(shè)1 套獨立于機(jī)組LCU 的水機(jī)保護(hù)，盡可能采集不同路由的油流、油壓、溫度、油位等信號，實現(xiàn)水機(jī)保護(hù)雙重化，提高水機(jī)保護(hù)動作的可靠性。

（4）對機(jī)組LCU 進(jìn)行冗余配置，即采用主輔CPU 冗余運行、故障時無擾動自動切換，可以避免單套CPU 故障，導(dǎo)致整個機(jī)組LCU 無法正常運行的情況發(fā)生，也使緊急情況下遠(yuǎn)程集控人員快速停機(jī)的可靠性大幅提高。

由于目前計算機(jī)及監(jiān)控系統(tǒng)、自動化元件制造技術(shù)的進(jìn)步及價格下調(diào)，實現(xiàn)上述措施已完全成為可能。以該廠為例，改造全廠計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)約需200 多萬元，每臺機(jī)增設(shè)1 套水機(jī)保護(hù)接點信號約需30 萬元。對比一次事故帶來的損失，完全可以接受。

4 結(jié)論

綜上所述，由于技術(shù)和管理的進(jìn)步，產(chǎn)生了原來規(guī)范規(guī)程和設(shè)計過程中所沒有考慮到的一些問題，尤其是早期投產(chǎn)的小型水輪發(fā)電機(jī)組從節(jié)省成本的角度出發(fā)，采用功能配置較低的控制系統(tǒng)，安全隱患較明顯；結(jié)合實際情況和原有規(guī)范規(guī)程編寫的背景，從保護(hù)水輪發(fā)電機(jī)組主設(shè)備不受損害、提高遠(yuǎn)程集控的可靠性角度出發(fā)，加強(qiáng)分析和風(fēng)險辨識，及時發(fā)現(xiàn)隱患并積極應(yīng)用監(jiān)控及自動化新技術(shù)、新裝備，可行也顯得非常必要。