郭湘瑜 何田華 雷戰(zhàn) 江濤

摘要：為了研究金沙水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理性、邏輯嚴(yán)謹(jǐn)性、設(shè)備穩(wěn)定性、安全可靠性，以及要滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用等需求，采用了設(shè)備健康分析、歷史數(shù)據(jù)分析等方法，由點(diǎn)及面逐一排查設(shè)計(jì)及設(shè)備等各類(lèi)缺陷;采用現(xiàn)場(chǎng)模擬試驗(yàn)，結(jié)合實(shí)際論證分析了可編程邏輯控制器（PLC）及各控制回路控制邏輯。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：該監(jiān)控系統(tǒng)存在無(wú)微機(jī)五防保護(hù)功能、PLC控制邏輯及水機(jī)保護(hù)回路控制邏輯需優(yōu)化、現(xiàn)地控制單元LCU端子短接片使用不合理等問(wèn)題，存在重大安全隱患，迫切需要進(jìn)行針對(duì)性改造。研究成果表明，對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)完成改造后，設(shè)計(jì)不足之處將得以完善，安裝使用的不匹配設(shè)備附件得以更換，可消除顯性及隱性多重安全隱患，從而顯著提高監(jiān)控系統(tǒng)的多方面性能。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng); PLC; 水機(jī)保護(hù); 軟壓板; 金沙水電站

中圖法分類(lèi)號(hào)：TV736 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.03.020

文章編號(hào)：1006 - 0081（2022）03 - 0091 - 03

0 引 言

計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展推動(dòng)了水電站自動(dòng)化技術(shù)水平的不斷提高。如今的水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控自動(dòng)化系統(tǒng)成為了一個(gè)集計(jì)算機(jī)、控制、通信、網(wǎng)絡(luò)、電力電子設(shè)備為一體的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，不僅可以完成對(duì)單個(gè)水電站的自動(dòng)控制，還進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了梯級(jí)、流域、甚至跨流域水電站群的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和安全監(jiān)控[1]。

金沙水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“監(jiān)控系統(tǒng)”）采用的是南京南瑞的NC2000系統(tǒng)，為分層分布式雙星型冗余結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)分為廠站控制層和現(xiàn)地控制層LCU兩級(jí)[2]，主要包括系統(tǒng)功能（實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、網(wǎng)絡(luò)通信及冗余、歷史數(shù)據(jù)庫(kù)和生產(chǎn)管理、系統(tǒng)管理、組態(tài)工具、其他通信軟件、自診斷及自恢復(fù)）、監(jiān)視功能（數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、人機(jī)界面）和控制功能（控制和調(diào)節(jié)、自動(dòng)發(fā)電控制、自動(dòng)電壓控制）等。 在金沙水電站設(shè)備投運(yùn)使用過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)還存在設(shè)計(jì)及設(shè)備缺陷，存在重大安全隱患。本文依據(jù)對(duì)新建電站“高自動(dòng)化、高可靠性、高性能和高效益”要求[3-4]，對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了一系列技術(shù)改造及優(yōu)化[5]。

1 存在的不足及安全隱患

新投運(yùn)電站的監(jiān)控系統(tǒng)，尚未經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，在設(shè)計(jì)、安裝等方面不可避免存在一些不足，現(xiàn)就投運(yùn)時(shí)存在的不足分析如下。

（1） 電站未配置微機(jī)五防閉鎖裝置功能，不能從功能上實(shí)現(xiàn)微機(jī)五防閉鎖，提高安全防護(hù)等級(jí)。

（2） 停機(jī)過(guò)程中，上位機(jī)報(bào)“電氣制動(dòng)故障”“電氣制動(dòng)失敗，流程退出”，電氣制動(dòng)流程始終無(wú)法正常運(yùn)行，檢查電氣制動(dòng)設(shè)備均正常，分析判斷為監(jiān)控系統(tǒng)與勵(lì)磁系統(tǒng)配合時(shí)間差設(shè)置不足，導(dǎo)致電氣制動(dòng)還未完成，監(jiān)控系統(tǒng)已報(bào)故障的現(xiàn)象。

（3） 2020年12月12 日19：18，上位機(jī)報(bào)1號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)速大于115%（水機(jī)回路擴(kuò)）動(dòng)作、1號(hào)機(jī)組機(jī)械過(guò)速保護(hù)（水機(jī)保護(hù)擴(kuò)）動(dòng)作。頂蓋水位過(guò)高已淹沒(méi)水導(dǎo)油槽，機(jī)組主軸密封浮動(dòng)環(huán)在工作密封投入命令下發(fā)后并未在正確工作位置，因機(jī)組空轉(zhuǎn)時(shí)所需流量小，未出現(xiàn)大量漏水現(xiàn)象;當(dāng)機(jī)組并網(wǎng)逐步帶負(fù)荷時(shí)，機(jī)組發(fā)電流量增加，漏水量陡增，3臺(tái)頂蓋排水泵啟動(dòng)都未能抑制頂蓋水位上漲，水位持續(xù)上漲淹沒(méi)水導(dǎo)油槽上蓋板，水從水導(dǎo)油槽上蓋板和大軸之間間隙進(jìn)入水導(dǎo)油槽，導(dǎo)致水導(dǎo)油槽進(jìn)水，水導(dǎo)油槽液位過(guò)高引發(fā)報(bào)警動(dòng)作，當(dāng)水位持續(xù)上漲達(dá)到機(jī)械過(guò)速電氣接點(diǎn)時(shí)接點(diǎn)短路，動(dòng)作于事故停機(jī)。由于頂蓋液位過(guò)高未設(shè)計(jì)事故停機(jī)啟動(dòng)源，導(dǎo)致事故擴(kuò)大，危及設(shè)備安全。

（4） 2020年12月16日04：28，上位機(jī)報(bào)1號(hào)機(jī)組火災(zāi)報(bào)警（感溫或感煙）動(dòng)作，1號(hào)機(jī)組電氣事故停機(jī)。現(xiàn)場(chǎng)檢查確認(rèn)，風(fēng)洞內(nèi)感溫探頭2，4號(hào)動(dòng)作，在滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)機(jī)組空冷器熱風(fēng)溫度達(dá)到60.8 ℃（未超過(guò)定值75 ℃），而火災(zāi)報(bào)警感溫探頭報(bào)警值60 ℃（固定值不可調(diào)），當(dāng)環(huán)境溫度大于60 ℃時(shí)，火災(zāi)報(bào)警啟動(dòng)導(dǎo)致電氣事故停機(jī)。對(duì)事故停機(jī)邏輯逐一檢查發(fā)現(xiàn)，上導(dǎo)/下導(dǎo)/推力/水導(dǎo)軸瓦溫度過(guò)高保護(hù)均為單點(diǎn)開(kāi)出，任意溫度誤動(dòng)均可導(dǎo)致停機(jī)。在實(shí)際運(yùn)行中，當(dāng)設(shè)備溫度升高時(shí)，整體會(huì)呈上升趨勢(shì)，因PT100測(cè)溫元件存在故障及誤動(dòng)的可能性，采用單點(diǎn)開(kāi)出極易由于元器件故障而導(dǎo)致事故停機(jī)，存在安全隱患。

（5） 2021年4月6日，1號(hào)主變中性點(diǎn)刀閘遠(yuǎn)程控制下會(huì)自動(dòng)分閘，檢查為安裝配線人員對(duì)1號(hào)機(jī)組現(xiàn)地控制單元LCU1+PC2柜XDO使用的端子短接條（圖1）不適用于非連續(xù)端子短接，易導(dǎo)通間隔端子，導(dǎo)致多個(gè)端子異常導(dǎo)通，誤開(kāi)出造成設(shè)備誤動(dòng)，存在重大安全隱患。

2 改造思路

針對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)投運(yùn)以來(lái)的不足之處，結(jié)合發(fā)生的一系列不安全事件，分析發(fā)現(xiàn)本次改造既要滿足監(jiān)控系統(tǒng)的安全可靠性，還要盡可能考慮不增加成本，提出以下改造思路。

（1） 電站暫不增加微機(jī)五防閉鎖裝置，由監(jiān)控系統(tǒng)中增加五防閉鎖控制邏輯及軟保護(hù)等功能，提高安全防護(hù)等級(jí)。

（2） 調(diào)整監(jiān)控系統(tǒng)與勵(lì)磁系統(tǒng)流程配合時(shí)間差，消除因時(shí)間差引起的誤報(bào)及流程退出。

（3） 增加重要輔助設(shè)備的監(jiān)控報(bào)警等級(jí)及事故停機(jī)啟動(dòng)源，及時(shí)做好應(yīng)急防護(hù)措施，防止事故擴(kuò)大。

（4） 在使用過(guò)程中，自動(dòng)化元器件會(huì)不可避免因設(shè)備老化、故障等造成可能性誤動(dòng)，采用單點(diǎn)開(kāi)出動(dòng)作存在較大風(fēng)險(xiǎn)。為了避免由于設(shè)備原因造成誤動(dòng)，重要保護(hù)均應(yīng)采用多點(diǎn)判斷邏輯，滿足可靠性要求。

（5） 對(duì)安裝使用不規(guī)范的設(shè)備附件，應(yīng)根據(jù)設(shè)備使用功能匹配類(lèi)型，更換為對(duì)應(yīng)型號(hào)。

3 改造措施

為了解決監(jiān)控系統(tǒng)的不足，消除重大安全隱患，根據(jù)改造思路提出了以下改造措施。

（1） 上位機(jī)監(jiān)視界面增加事故停機(jī)啟動(dòng)源軟壓板投退界面（圖2）;上位機(jī)進(jìn)行每項(xiàng)操作前需輸入對(duì)應(yīng)的指令;PLC程序中增加斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、接地刀閘等設(shè)備五防閉鎖控制邏輯，事故啟動(dòng)源軟壓板閉鎖條件等。

（2） 根據(jù)勵(lì)磁系統(tǒng)所需動(dòng)作及反饋時(shí)間，在停機(jī)流程中對(duì)“勵(lì)磁變開(kāi)關(guān)分位及電制動(dòng)就緒”增加延時(shí)120 s，“無(wú)電氣制動(dòng)失敗”增加延時(shí)120 s，“電氣制動(dòng)退出命令”增加延時(shí)20 s，“電氣制動(dòng)退出”增加延時(shí)20 s。

（3） 將頂蓋液位一級(jí)報(bào)警增加二級(jí)報(bào)警：頂蓋液位高（1 447 mm）、頂蓋液位過(guò)高（1 597 mm）;增加事故停機(jī)啟動(dòng)源并多條件閉鎖開(kāi)出：頂蓋液位高（1 447 mm）、頂蓋液位過(guò)高（1 597 mm）、模擬量頂蓋液位過(guò)高且軟壓板投入，延時(shí)1 s，動(dòng)作于機(jī)械事故停機(jī)。

（4） 將火災(zāi)報(bào)警單點(diǎn)開(kāi)出事故停機(jī)源更改為兩點(diǎn)，并多條件閉鎖開(kāi)出：火災(zāi)報(bào)警“感溫及感煙”區(qū)域內(nèi)任意感溫1級(jí)（不小于60 ℃）、2級(jí)（不小于68 ℃）同時(shí)動(dòng)、感煙動(dòng)作（不大于瞬時(shí)8.5 mA）且水機(jī)保護(hù)壓板投入，延時(shí)1 s，動(dòng)作于電氣事故停機(jī)。

（5） 將上導(dǎo)/下導(dǎo)/水導(dǎo)軸瓦單點(diǎn)溫度過(guò)高開(kāi)出事故停機(jī)源更改為兩點(diǎn)開(kāi)出：各對(duì)應(yīng)導(dǎo)軸承軸瓦1溫度過(guò)高及軸瓦2溫度過(guò)高（水機(jī)保護(hù)重動(dòng)繼電器接點(diǎn)串接）及水機(jī)保護(hù)壓板投入，動(dòng)作于水機(jī)保護(hù)機(jī)械事故停機(jī)報(bào)警;軸瓦溫度過(guò)高，重動(dòng)繼電器接點(diǎn)分別進(jìn)監(jiān)控PLC 的事件順序記錄（SOE），動(dòng)作于機(jī)械事故停機(jī)并報(bào)警，有效防止元器件誤動(dòng)單點(diǎn)開(kāi)出導(dǎo)致事故停機(jī)。上導(dǎo)/下導(dǎo)軸承停機(jī)溫度75 ℃，水導(dǎo)軸承停機(jī)溫度70 ℃。

（6） 將推力軸瓦單點(diǎn)溫度過(guò)高開(kāi)出事故停機(jī)源變更為兩點(diǎn)開(kāi)出：軸瓦1溫度過(guò)高及軸瓦2溫度過(guò)高（水機(jī)保護(hù)重動(dòng)繼電器接點(diǎn)串接）及水機(jī)保護(hù)壓板投入，或推力軸瓦3溫度過(guò)高及軸瓦4溫度過(guò)高（水機(jī)保護(hù)重動(dòng)繼電器接點(diǎn)串接）及水機(jī)保護(hù)壓板投入，動(dòng)作于水機(jī)保護(hù)機(jī)械事故停機(jī)報(bào)警;各瓦溫度過(guò)高，重動(dòng)繼電器接點(diǎn)分別進(jìn)監(jiān)控PLC的SOE;任意2點(diǎn)溫度過(guò)高，經(jīng)監(jiān)控PLC流程延時(shí)動(dòng)作于機(jī)械事故停機(jī)并報(bào)警。推力停機(jī)溫度65 ℃。

（7） 將定子鐵心、線圈單點(diǎn)溫度過(guò)高開(kāi)出事故停機(jī)源變更為任意3點(diǎn)開(kāi)出，監(jiān)控RTD模擬量溫度過(guò)高（140 ℃）且品質(zhì)好且軟壓板投入延時(shí)5 s 動(dòng)作于機(jī)械事故停機(jī)。

（8） 將監(jiān)控系統(tǒng)開(kāi)出端子公共端連續(xù)短接條更換為端子非連續(xù)短接的跨接塊（圖3），防止端子短接條異常壓接導(dǎo)致設(shè)備誤動(dòng)。

4 效果分析

監(jiān)控系統(tǒng)完成改造后，安全穩(wěn)定性大幅度提升，消除了各類(lèi)不安全事件，對(duì)投入使用以來(lái)取得的效果分析如下。

（1） 監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了單獨(dú)一套五防功能：防止誤分合斷路器、防止帶負(fù)荷分合隔離開(kāi)關(guān)、防止帶電合接地開(kāi)關(guān)、防止帶接地開(kāi)關(guān)合閘、防止誤操作，避免了誤差操作對(duì)設(shè)備及人身安全帶來(lái)傷害;還可根據(jù)設(shè)備情況及使用需求選擇投退保護(hù)壓板，防止誤動(dòng)。

（2） 電氣制動(dòng)修改更新流程后，電氣制動(dòng)無(wú)報(bào)錯(cuò)，可完整執(zhí)行流程直至停機(jī)態(tài)。

（3） 對(duì)“頂蓋液位過(guò)高”報(bào)警升級(jí)后，可提前預(yù)警做好防護(hù)措施，有效防止頂蓋溢水情況發(fā)生，及時(shí)停機(jī)，防止事故擴(kuò)大。

（4） 將單點(diǎn)即可開(kāi)出的事故停機(jī)啟動(dòng)源增加為兩點(diǎn)及以上后，有效防止了單點(diǎn)溫度異常開(kāi)出導(dǎo)致事故停機(jī)，減少了由于設(shè)備誤動(dòng)導(dǎo)致的非計(jì)劃停運(yùn)。

（5） 將監(jiān)控系統(tǒng)開(kāi)出端子公共端連續(xù)短接條更換為端子非連續(xù)短接的跨接塊后，消除了設(shè)備誤開(kāi)出現(xiàn)象，防止了因誤開(kāi)出帶來(lái)的設(shè)備及人身傷害。

5 結(jié) 語(yǔ)

計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)是水電站的核心控制系統(tǒng)，金沙水電站監(jiān)控系統(tǒng)投運(yùn)以來(lái)，出現(xiàn)了諸多缺陷，且許多指標(biāo)已不滿足現(xiàn)在電力系統(tǒng)的要求，改造刻不容緩。在監(jiān)控系統(tǒng)改造期間，不僅要考慮技術(shù)上的難點(diǎn)、重點(diǎn)、創(chuàng)新點(diǎn)，還要全盤(pán)考慮4臺(tái)機(jī)組改造的順序、工期、安全、效率等問(wèn)題，同時(shí)保證運(yùn)行機(jī)組及各系統(tǒng)的正常工作。技術(shù)改造完成并投運(yùn)后，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，未出現(xiàn)因監(jiān)控系統(tǒng)產(chǎn)生的不安全事件，或因監(jiān)控系統(tǒng)故障引起的設(shè)備非計(jì)劃停運(yùn)，無(wú)監(jiān)控系統(tǒng)誤開(kāi)出等故障，消除了重大隱患，有效保障了電站的安全生產(chǎn)，并提升了電站的經(jīng)濟(jì)效益水平。

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（編輯：唐湘茜）

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