事故PLC在监控系统下位机中的应用

付少忠

摘要：监控系统下位机及其水机保护组成的现地控制单元LCU，是水力发电厂的关键控制设备，直接关系到水电厂机组的安全稳定运行。本文从原监控系统及常规水机保护存在的问题，新系统的设计原则与改造思路，改造的实施过程，改造效果等方面，介绍了蜀河电厂如何结合监控系统下位机改造，成功实施监控系统功能性能优化及事故PLC在监控系统下位机中的应用。

关键词：监控系统下位机；水机保护；事故PLC；性能优化

Absrtact:LocalcontrolunitLCU,composedofthelowerunitofthemonitoringsystemanditswatermachineprotection,isthekeycontrolequipmentofthehydroelectricpowerplantandisdirectlyrelatedtothesafeandstableoperationofthehydropowerplantunit.Thispaperintroduceshowtheshaohepowerplantcombinestheimprovementofthelowermachineofthemonitoringsystemwiththeproblemsexistingintheprotectionoftheoriginalmonitoringsystemandconventionalwaterdispensers,thedesignprinciplesandideasofthenewsystem,theimplementationprocessoftherenovation,andtheeffectsoftherenovation.TheperformanceoptimizationofthemonitoringsystemandtheapplicationofaccidentPLCinthelowermachineofthemonitoringsystemweresuccessfullyimplemented.

Keywords:MonitoringsystemlowermachinewatermachineprotectionaccidentPLCperformanceoptimization

1引言

蜀河水电厂位于陕西省旬阳县境内的汉江上游干流上，坝址在旬阳县蜀河镇上游约1km处，距旬阳县城51km，距上游已建的安康水电站约120km，距下游已建的丹江口水电站约200km，是汉江上游梯级开发规划的第六个梯级水电站。电站厂房内布置有6台灯泡式贯流机组,单机容量为45MW,是目前西北地区最大的贯流式水电站，2010年10月全部机组投产。

2监控系统的问题与现状

蜀河电厂监控系统目前使用国电南京自动化股份有限公司SD8000系列产品，于2009年12月投产，现地控制单元LCU采用PAC7I主PLC，PAC3I子站，水机保护由中间继电器组成的硬回路完成，组网模式为主PLC双环网、子站单环网，具体见图1。

系统运行至今，LCU设备老化严重，设备在现场运行时间已超过电子设备的寿命要求，由于PLC采用进口设备，原型号设备已经停产，部分备品备件已经停止生产，且供货周期很长，不利于设备的正常维修工作，水机保护继电器控制回路反应速率较PLC相比较慢，存在自动化元件信号跃变导致误动水机保护，且继电器本身寿命较短,不利于水机保护功能的正常实现，由于硬回路组成复杂，接线繁多，导致日常检修困难故障后原因确定时间较长，水机保护动作后无法自动复位，需现场复归保护动作，无法满足今后远方集中控制等要求，对我厂安全运行造成重大隐患，因此对各机组的LCU进行改造刻不容缓。

图1原系统网络图

3新系统的改造原则

按照"无人值班"（少人值守）的原则进行机组LCU的改造。系统的可靠性是业务持续开展的基本保障，因此改造应充分考虑系统建设的安全、稳定、可靠，确保系统建设及实施过程中的安全、可靠运行及无缝接入，使技术系统发挥最大价值。系统高度可靠、冗余，其本身的局部故障不应影响现场设备的正常运行，系统的MTBF、MTTR及各项可用性指标均应达到《水电厂计算机监控系统基本技术条件》（DL/T578）的规定。系统改造与建设的先进性将直接影响管理与业务的开展，系统配置和设备选型符合发展迅速的特点，充分利用先进技术，采用市场领先、成熟、可靠的技术构建系统，使之在较长的时间内能满足业务变化与增长的需要，并保证项目居于国内外同业领先的地位。

系统必须具有高的开放性和良好的扩展性，真正做到随需而变，快速搭建和实现新的应用或系统，使得已建成的系统能快速满足业务变化的需要。系统应为全分布、全开放系统，既便于功能和硬件的扩充，又能充分保护应用资源，且能自诊断。现地控制单元（LCU）应以可编程控制器（PLC）、智能控制模件为基础构成。水机保护使用PLC实现控制功能，提高响应速率，真正实现模块化、集成化。

为最大化节省投资，保护已有资产，缩短改造施工期，减少改造工程对其他系统的影响，现地控制单元LCU屏柜上的已有外部电缆接线不改造，改造LCU的柜内端子排设计应尽量与原LCU保持一致以便利用已有电缆。改造分步实施，计划于汛后枯水期结合机组大修完成，应充分考虑分布实施的施工及调试方案，以确保电站新、旧系统设备过渡期的正常运行。

4新系统的功能

根据监控系统的问题与现状以及新系统的设计原则与改造思路，达到预期效果，经过反复论证，决定改造方案如下：现地控制单元采用QuantumUnityPLC，四网卡、双环网，使系统兼容性变高，水机保护采用QuantumUnityPLC，四网卡、双环网的事故PLC，常规继电器数量减少，改造后扫描周期短，响应速率高。设置检修按钮，退出水机保护不用拔继电器，检修方便，具有事故记忆功能，回路简单，方便维修使用，组网模式采用双环网，网络连接可靠性提高，真正实现模块化、集成化。完成改造后，系统具有以下功能：

1．数据采集和处理

①模拟量采集和处理

定时采集。按扫查周期定期采集数据，存入数据库。

将采集到的模拟量数据进行滤波、数据合理性检查、工程单位变换、模拟数据变化（死区检查）等，根据规定报警并上送站控级设备。

越限检查。对采集到的非电量（如温度、转速、压力等）进行越限检查，及时将越限情况和数据上送站控级设备。机组温度越限保护应采用多点比较和判别法，当相邻测点的温度均越高限值时，报警或启动机组LCU的事故停机程序，并可设置延时。

梯度越限检查。对非电量（如温度、转速、压力等）两次采集的数值进行检查，当其变化梯度超过允许值时报警，并可设置延时。机组温度梯度越限保护与机组温度越限保护相同，采用多点比较和判别法。

②开关量的采集和处理

自发性状态变位采集，状态检查，更新数据库，并将报警量即时上送站控级设备。

事件顺序记录与处理。有中断能力的开关量变位时，立即转入事故流程进行处理，并按其变位发生时间的先后形成事件顺序记录。

状态开关量。当事故类开关量变位时，应采取相应的保护措施（如：机组解列、停机、减出力等）；当故障类开关量变位时，应采取报警处理。

③综合量的采集与处理

通过交流采样装置采集电流、电压，并计算出有功/无功功率、频率、功率因数、零序电压等参数；

④根据现场需求上送数据

2．人机接口

彩色液晶触摸屏作为现地级主要的人机接口设备用于监视、操作和控制平台，应能显示相关设备的运行状态和参数、电气模拟接线图、各种事故和故障报警信息、事件表、趋势分析图和各类棒图等。对于操作中的错误或不合法指令，LCU拒绝执行，对于合法的指令，显示控制过程及最终结果。

3．通信

①与站控级的通信。将采集到的数据或事件信息上送站控级设备，接收站控级发来的控制和调节命令，并将执行结果返回给站控级。

②接收时间同步信号。

③与被控对象的自动装置通信。

④设置与便携式计算机通信的接口，用于LCU的调试。

⑤PLC之间采用双环网组网模式，详见图2：

图2新系统网络图

4．自诊断功能

LCU能在线和离线对硬件及软件进行自诊断，及时诊断出故障部位模件及故障性质。当诊断出故障时，应能自动闭锁控制输出，并在LCU上显示和报警，同时将故障信息上送站控级设备；对于冗余模件，应能自动切换到备用模件。

机组LCU的功能除满足一般功能要求外，还满足以下要求：

①机组开机程序控制：包括分步开机至并网发电、一个命令连续开机至并网发电的顺控方式；

②机组停机程序控制：包括分步停机、一个命令连续停机的顺控方式；

③机组LCU屏上有实现分步、连续开/停机的操作和监视设备；

④开停机过程中，当发生过程阻滞时，将机组自动转入安全工况或停机；

⑤机组事故停机或紧急停机控制：当机组LCU检测到事故信号或接到事故停机或紧急停机命令后，启动机组LCU的事故停机或紧急停机程序；

⑥机组辅助设备的控制；

⑦发电机出口断路器、隔离开关及接地开关的分/合操作；

⑧灭磁开关的分/合操作；

⑨接受操作员站有功/无功的单机或联合调节；

⑩机组有功/频率调节；

11机组无功/电压调节；

12机组的自动准同期并网操作。

5．电量采集

对于发电机的三相电流、三相电压、有功功率、无功功率、频率、功率因数等电量的采集通过机组LCU屏内的交流采样装置实现。

机组LCU屏内设有功功率变送器和无功功率变送器，输出4-20mA模拟量，供机组LCU的PLC采集，用于有功/无功功率的调节。

6．机组LCU与励磁系统、调速器的接口

励磁系统、调速器是机组LCU控制的重要设备，直接关系到机组甚至电力系统运行的安全，对于控制、报警和重要的运行信号采用I/O方式连接，有功功率和无功功率设置采用数字、脉冲或模拟调节方式，其中数字设置通过现场总线或串口通信方式实现，模拟量设置通过4~20mA的电流信号实现、脉冲设置通过开关量方式（包含通讯）实现，正常情况下通过通信方式传送设置值控制令，设有通信检测及命令返校的功能；当通信故障时，自动切换至模拟量或脉冲方式。对于运行人员关心的其它数据通过通信方式传送。通信方式可支持现场总线通信。

7．与机组辅助设备控制系统的接口

机组辅助设备控制系统有油辅控控制系统、振摆监测装置、蝶阀控制装置，这些控制系统采用独立的PLC控制，对于与机组开停机控制逻辑有关的量通过I/O连接，其它量采用现场总线方式与机组LCU进行通信。

8．与时间同步系统的接口

时间同步装置具备多种对时方式和多种接口，包括：脉冲对时（1PPS/1PPM，空接点）、软对时（串口报文）、编码对时（IRIG-B及DCF77）和网络（NTP）对时等。

5事故PLC的实施与功能

水机保护回路不单独组屏，但所有电源、输入、输出回路等均独立于机组LCU的回路。水机保护采用QuantumUnityPLC，四网卡、双环网的事故PLC，将原系统硬回路撤除，水机保护有关元器件信号分两路分别接入主PLC和事故PLC，具体运算由PLC完成，运算结果送到开出继电器，完成保护的动作与复归。布置LCU屏上装设带保护罩的事故停机按钮，紧急停机按钮，主机检修按钮和水机检修按钮各一个，满足系统事故和检修状态时的操作。

如此改造完成后系统功能如下

①采用PLC构成机组水力机械事故停机和紧急停机的装置，能在机组LCU故障情况下，自动完成机组停机的全过程。

②当机组发生水力机械事故（或按下事故停机按钮）时，一方面将此事故信号送入机组LCU，启动机组LCU的事故停机程序进行事故停机；另一方面启动水机保护屏的事故停机程序进行事故停机，直接作用于跳发电机出口断路器、停机令至励磁系统跳灭磁开关、停机令至电调柜关闭导水叶。

③当机组发生水力机械紧急事故（或按下紧急停机按钮）时，一方面将此紧急事故信号送入机组LCU，启动机组LCU的紧急停机程序进行紧急停机；另一方面启动水机保护屏的紧急停机程序进行紧急停机，直接作用于跳发电机出口断路器、停机令至励磁系统跳灭磁开关、停机令至电调柜关闭导水叶。

④水机保护屏的温度越限保护当相邻测量点的温度均越高限值时，采用启动事故停机流程执行水机保护程序。

⑤当机组处于检修状态时，按下主机检修按钮和水机检修按钮，闭锁主机PLC和水机PLC的开出，防止机组检修状态下出现保护误动的情况。

6结论

经过2018年5月二号机组监控系统性能优化及事故PLC的成功加装实施，提高了设备安全可靠性。新系统PLC保证了厂内PLC使用的统一性，方便维修及备品采购。水机保护回路继电器数量减少，改造后LCU扫描周期短，响应速率高，具有事故记忆功能，回路简单，方便维修使用，双环网网络连接可靠性提高，真正实现了模块化、集成化，为我厂其他机组及系统内其他单位监控系统下位机性能优化及事故PLC的应用提供了借鉴和参考。

参考文献：

1.国能安全[2015]36号《国家能源局关于印发电力监控系统安全防护总体方案等安全防护方案和评估规范的通知》

2.DL/T578水电厂计算机监控系统基本技术条件