機(jī)組現(xiàn)地控制單元CPU切換不成功的原因及防范

楊建渺，何 秋，陳 勤，王 炯

(華東桐柏抽水蓄能發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江 天臺(tái) 317200)

桐柏抽水蓄能電站裝機(jī)容量為4×300 MW，在華東電網(wǎng)中承擔(dān)調(diào)峰填谷、調(diào)頻調(diào)相及緊急事故備用的任務(wù)。電站建成后，以二回500 kV出線(xiàn)接入華東電網(wǎng)，日發(fā)電量600萬(wàn)kWh，年發(fā)電量21.18億kWh。日抽水用電量797萬(wàn)kWh，年抽水用電量28.13億kWh。

隨著電網(wǎng)的不斷擴(kuò)大，電力需求的峰谷差日益增加。如何采用合理的調(diào)峰填谷方式來(lái)保證電網(wǎng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，避免電網(wǎng)遭受重大的損失，應(yīng)是抽水蓄能電站首先考慮的問(wèn)題。

1 電廠(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)及機(jī)組現(xiàn)地控制單元

桐柏抽水蓄能電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)(CSCS)采用VATECH SAT系統(tǒng)。該系統(tǒng)用于電站的控制、調(diào)節(jié)、設(shè)備運(yùn)行、信息采集和傳輸、監(jiān)視、報(bào)表生成等。現(xiàn)地控制層設(shè)有LCU1～LCU9共9套現(xiàn)地控制單元，分別對(duì)廠(chǎng)房機(jī)組、公用設(shè)備、500 kV系統(tǒng)設(shè)備、上/下庫(kù)設(shè)備以及通訊工作站實(shí)現(xiàn)現(xiàn)地控制。

機(jī)組現(xiàn)地控制單元(機(jī)組LCU)監(jiān)控范圍包括機(jī)組—主變單元的水泵/水輪機(jī)、發(fā)電/電動(dòng)機(jī)、主變及機(jī)組附屬輔助設(shè)備等。機(jī)組LCU具有人機(jī)接口，與站級(jí)脫機(jī)時(shí)能獨(dú)立運(yùn)行，能完成監(jiān)視、控制、調(diào)節(jié)和報(bào)警等功能，它由以下5個(gè)部分組成。

(1)發(fā)電機(jī)層LCU柜。由1個(gè)帶CPU的AK-1703組成，通過(guò)2個(gè)RS2工控交換機(jī)與CSCS上位機(jī)通信。

(2)中間層發(fā)電/電動(dòng)機(jī)I/O柜。由1個(gè)不帶CPU的AK1703和1個(gè)AM1703組成，通過(guò)Ax光纖總線(xiàn)與發(fā)電機(jī)層LCU柜的AK1703通信。

(3)水輪機(jī)層水泵/水輪機(jī)I/O柜。由1個(gè)不帶CPU的AK1703組成，通過(guò)Ax光纖總線(xiàn)與發(fā)電機(jī)層LCU柜的AK1703通信。

(4)機(jī)組附屬設(shè)備控制器。由3個(gè)AMC1703控制器(調(diào)速器油系統(tǒng)GOS調(diào)速器控制器、球閥系統(tǒng)MIV控制器、機(jī)組冷卻水控制器)組成，其3個(gè)控制柜通過(guò)101總線(xiàn)與發(fā)電機(jī)層LCU柜AK1703通信。

(5)調(diào)速器TM1703控制器、機(jī)組/主變單元電氣保護(hù)PLC控制器和機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)PLC控制器，直接與位于發(fā)電機(jī)層機(jī)組LCU柜中的2個(gè)交換機(jī)通信。

機(jī)組LCU與地下廠(chǎng)房公用設(shè)備現(xiàn)地控制單元LCU5協(xié)調(diào)配合，完成機(jī)組的工況變換。而機(jī)組附屬設(shè)備及保護(hù)系統(tǒng)的功能由本身PLC及控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，機(jī)組LCU與這些設(shè)備只是相關(guān)的命令和數(shù)據(jù)傳輸。

機(jī)組LCU硬件設(shè)備主要包括中央處理器CP-2000，處理兼通訊處理器CP-2002及相應(yīng)的數(shù)字輸入輸出模塊、模擬量輸入輸出模塊和輔助控制模塊。CP-2000為機(jī)組LCU的AK1703主CPU，由M-CPU和C0-CPU 2個(gè)獨(dú)立的處理器組成，主要負(fù)責(zé)對(duì)系統(tǒng)的配置進(jìn)行診斷。CP-2002為處理和通信處理器，主要負(fù)責(zé)機(jī)組邏輯程序的執(zhí)行及與相應(yīng)設(shè)備的通信。機(jī)組LCU配備有2塊獨(dú)立的CP-2002(簡(jiǎn)稱(chēng)C2，C4)，2塊板互為熱備用，任何一個(gè)出現(xiàn)故障后都會(huì)實(shí)現(xiàn)無(wú)擾動(dòng)切換，對(duì)系統(tǒng)不會(huì)產(chǎn)生任何影響。

2 機(jī)組現(xiàn)地控制單元CPU切換不成功事故案例

2010-01-23，1號(hào)機(jī)在發(fā)電開(kāi)機(jī)過(guò)程中LCU1內(nèi)部發(fā)生故障，LCU2～LCU9的“C4/C2 PRE0”通訊異常報(bào)警，且上位機(jī)及LCU1顯示均不正常，上位機(jī)發(fā)令無(wú)法執(zhí)行，經(jīng)網(wǎng)調(diào)同意換開(kāi)4號(hào)機(jī)，1號(hào)機(jī)由現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)停機(jī)。

2011-02-26，1號(hào)機(jī)拖動(dòng)2號(hào)機(jī)試驗(yàn)完成停機(jī)時(shí)，LCU1組件發(fā)生故障，CPU由C4切換至C2不成功。此時(shí)LCU1與相關(guān)輔助設(shè)備通訊中斷，1，2號(hào)機(jī)電氣連接未中斷，上位機(jī)發(fā)令后現(xiàn)場(chǎng)無(wú)響應(yīng)，1號(hào)機(jī)未及時(shí)轉(zhuǎn)停機(jī)，導(dǎo)致2號(hào)機(jī)事故停機(jī)，2號(hào)機(jī)啟動(dòng)低頻過(guò)流保護(hù)動(dòng)作，2號(hào)機(jī)勵(lì)磁滅磁電阻損壞。

3 機(jī)組現(xiàn)地控制單元CPU切換不成功原因分析

機(jī)組LCU處理兼通訊模塊C2，C4本身具備熱備用的功能，各自含有獨(dú)立的網(wǎng)卡模塊負(fù)責(zé)與監(jiān)控和相應(yīng)輔助設(shè)備通訊。正常情況下，當(dāng)其中一個(gè)模塊發(fā)生故障，會(huì)無(wú)擾動(dòng)地切換到另一個(gè)模塊。但從目前運(yùn)行情況來(lái)看，切換主要發(fā)生在開(kāi)停機(jī)過(guò)程中，切換成功的概率極低。分析發(fā)現(xiàn)，C2，C4切換時(shí)通過(guò)網(wǎng)卡交換的信息基本完全中斷，而通過(guò)DI，DO，AI，AO等外圍輸入輸出板及其他總線(xiàn)交換的信息基本正常。CPU切換不成功的原因主要有以下2方面。

(1)由于開(kāi)停機(jī)過(guò)程中信息量大，加之機(jī)組本身采集信號(hào)比較頻繁，而原來(lái)CPU上的網(wǎng)卡緩存較小，當(dāng)數(shù)據(jù)量過(guò)大時(shí)就會(huì)引起網(wǎng)卡工作負(fù)荷加大，甚至造成信息堵塞。此時(shí)系統(tǒng)自帶的診斷程序會(huì)發(fā)現(xiàn)堵塞的CPU工作不正常，自動(dòng)切換至備用CPU，然而由于信息量仍未減少，備用CPU同樣面臨信息擁堵的問(wèn)題，可能導(dǎo)致CPU切換不成功。

(2)由于通過(guò)104通訊協(xié)議本身的檢測(cè)機(jī)制來(lái)判斷通訊中斷需要較長(zhǎng)的時(shí)間，超過(guò)20 s，而這段時(shí)間內(nèi)LCU與外界的通訊已經(jīng)中斷，因此造成某些通訊量無(wú)法向外發(fā)送，也無(wú)法接收來(lái)自其他系統(tǒng)通訊的數(shù)據(jù)，從而導(dǎo)致開(kāi)停機(jī)失敗。

4 機(jī)組現(xiàn)地控制單元CPU切換不成功對(duì)機(jī)組的影響

機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)控制單元CPU切換不成功將會(huì)對(duì)機(jī)組運(yùn)行產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。由于上位機(jī)下發(fā)的相應(yīng)指令無(wú)法執(zhí)行，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際信號(hào)無(wú)法得到反饋，機(jī)組在遠(yuǎn)方就處于不可控狀態(tài)，只有通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)人員的手動(dòng)干預(yù)才能讓機(jī)組進(jìn)入安全狀態(tài)。這一點(diǎn)對(duì)于無(wú)人值班的電站來(lái)說(shuō)風(fēng)險(xiǎn)極大。

4.1 發(fā)電工況

(1)機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)控制單元CPU在機(jī)組并網(wǎng)前控制不成功，但機(jī)組還是正常并網(wǎng)。當(dāng)上位機(jī)一定時(shí)間內(nèi)沒(méi)有收到機(jī)組運(yùn)行相關(guān)信號(hào)后，運(yùn)行人員去現(xiàn)場(chǎng)檢查，發(fā)現(xiàn)上位機(jī)和實(shí)際信號(hào)指示不對(duì)應(yīng)，有功已達(dá)到默認(rèn)值，此時(shí)上位機(jī)發(fā)送停機(jī)指令已無(wú)法執(zhí)行，確認(rèn)處理兼通訊處理器CP-2002的CPU切換不成功。而此時(shí)機(jī)組的中央處理器CP-2000的CPU還正常運(yùn)行，只是網(wǎng)卡通訊故障，使相關(guān)信號(hào)不能正常傳輸。考慮到此后上位機(jī)不能準(zhǔn)確掌握機(jī)組運(yùn)行情況，往往選擇申請(qǐng)換機(jī)，現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)減負(fù)荷后按快速停機(jī)按鈕實(shí)現(xiàn)手動(dòng)停機(jī)，再由現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)停機(jī)過(guò)程。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)過(guò)程不可能像上位機(jī)那樣全面，重點(diǎn)監(jiān)測(cè)機(jī)組轉(zhuǎn)速、球閥、導(dǎo)葉關(guān)閉情況，交流高壓注油泵、電制動(dòng)及機(jī)械制動(dòng)投入情況等，在機(jī)組停機(jī)后再重啟LCU就會(huì)恢復(fù)正常。如果機(jī)組在發(fā)電工況穩(wěn)定運(yùn)行或發(fā)電停機(jī)前出現(xiàn)機(jī)組現(xiàn)地控制單元CPU切換不成功時(shí)，采用此類(lèi)處理方法。

(2)LCU在機(jī)組并網(wǎng)前死機(jī)，機(jī)組沒(méi)能正常并網(wǎng)。可能有啟動(dòng)流程條件不滿(mǎn)足或其他報(bào)警信號(hào)導(dǎo)致機(jī)組轉(zhuǎn)停機(jī)，此時(shí)上位機(jī)沒(méi)有任何信號(hào)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)機(jī)組現(xiàn)地控制單元CPU可能切換不成功后，機(jī)組已經(jīng)在走停機(jī)流程。當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)停機(jī)后，由于不清楚導(dǎo)致機(jī)組轉(zhuǎn)停機(jī)的原因，給故障分析和處理帶來(lái)困難，只能監(jiān)視停機(jī)過(guò)程是否正常。

4.2 抽水工況

抽水工況和發(fā)電工況基本一致。需要注意的是，抽水工況下需要考慮到機(jī)組有功由水頭協(xié)聯(lián)控制，現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)關(guān)閉導(dǎo)葉可能會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。為盡量避免機(jī)組直接甩負(fù)荷給機(jī)組和系統(tǒng)帶來(lái)沖擊，最好選擇按快速停機(jī)按鈕進(jìn)行停機(jī)，避免選擇按緊急停機(jī)按鈕進(jìn)行停機(jī)。停機(jī)過(guò)程的監(jiān)控過(guò)程和發(fā)電工況下的停機(jī)監(jiān)控過(guò)程一樣，在機(jī)組停機(jī)完成后需要檢查機(jī)組的機(jī)械和一次設(shè)備。

4.3 抽水調(diào)相工況

以1號(hào)機(jī)拖動(dòng)2號(hào)機(jī)時(shí)被拖動(dòng)機(jī)C2，C4切換不成功為例。

拖動(dòng)包括SFC(靜止變頻器)拖動(dòng)與背靠背拖動(dòng)。由于抽水調(diào)相并網(wǎng)時(shí)間比較長(zhǎng)，若不仔細(xì)查看，在短時(shí)間內(nèi)可能無(wú)法發(fā)現(xiàn)C2，C4發(fā)生切換。如果C2，C4切換不成功發(fā)生在機(jī)組并網(wǎng)階段，可能發(fā)生機(jī)組并網(wǎng)成功而拖動(dòng)機(jī)或SFC收不到被拖動(dòng)機(jī)LCU發(fā)來(lái)分拖動(dòng)機(jī)GCB或SFC輸出開(kāi)關(guān)的信號(hào)的情況。機(jī)組拖動(dòng)主回路如圖1所示。

從圖1可以看出，機(jī)組GCB開(kāi)關(guān)在合位置時(shí)通過(guò)硬布線(xiàn)送去分SFC或相關(guān)拖動(dòng)機(jī)開(kāi)關(guān)，避免了SFC與機(jī)組合環(huán)運(yùn)行的可能。此種情況下，只能現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)對(duì)被拖動(dòng)機(jī)進(jìn)行快速停機(jī)，監(jiān)視停機(jī)過(guò)程確保其正常。

另一種情況是機(jī)組并網(wǎng)沒(méi)有成功轉(zhuǎn)停機(jī)。此時(shí)C2，C4切換不成功，拖動(dòng)機(jī)或SFC收不到機(jī)組相關(guān)的停機(jī)命令，原本停機(jī)過(guò)程中應(yīng)分開(kāi)1號(hào)機(jī)拖動(dòng)閘刀的指令沒(méi)有執(zhí)行，1號(hào)機(jī)拖動(dòng)閘刀沒(méi)有分開(kāi)，直接導(dǎo)致2號(hào)機(jī)被拖動(dòng)閘刀也沒(méi)有分開(kāi)，此時(shí)1號(hào)機(jī)仍通過(guò)1號(hào)機(jī)GCB、1號(hào)機(jī)拖動(dòng)閘刀、啟動(dòng)母線(xiàn)、2號(hào)機(jī)被拖動(dòng)閘刀、2號(hào)機(jī)定子形成電氣回路（見(jiàn)圖1）。被拖動(dòng)機(jī)組轉(zhuǎn)停機(jī)后，滅磁開(kāi)關(guān)分開(kāi)，其常閉輔助接點(diǎn)將滅磁電阻串入轉(zhuǎn)子回路，從而使機(jī)組轉(zhuǎn)子感應(yīng)電全部加在滅磁電阻上。正常機(jī)組停機(jī)滅磁時(shí)，滅磁電阻不會(huì)承受一個(gè)連續(xù)作用的恒定電壓，但在恒定電壓負(fù)載條件下，滅磁電阻溫度越來(lái)越高，當(dāng)電阻元件溫度高到一定程度時(shí)，會(huì)擊穿元件并引起電弧，最終導(dǎo)致機(jī)組滅磁電阻燒壞。當(dāng)此類(lèi)情況發(fā)生時(shí)，上位機(jī)馬上停SFC或現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)將拖動(dòng)機(jī)緊急停機(jī)，盡快將被拖動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路與拖動(dòng)機(jī)或SFC斷開(kāi)，避免拖動(dòng)機(jī)拖過(guò)自身的發(fā)電流程超時(shí)或自身保護(hù)來(lái)停機(jī)，縮短閉環(huán)回路持續(xù)時(shí)間，降低設(shè)備的危險(xiǎn)程度。在機(jī)組轉(zhuǎn)停機(jī)后監(jiān)視機(jī)組，確保停機(jī)過(guò)程正常，對(duì)滅磁電阻進(jìn)行滅火，并對(duì)轉(zhuǎn)子回路絕緣等進(jìn)行檢查。

5 防范措施

5.1 從硬件和技術(shù)上優(yōu)化

圖1 2臺(tái)機(jī)背靠背拖動(dòng)主回路

(1)對(duì)于網(wǎng)卡堵塞的問(wèn)題，可更換性能更好的網(wǎng)卡。將2，4號(hào)機(jī)CPU網(wǎng)卡由原來(lái)的SM-2554更換為SM-2556(1，3號(hào)機(jī)的網(wǎng)卡已經(jīng)更換)，大幅增加了網(wǎng)卡的緩存容量。

(2)對(duì)于判斷通訊中斷時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題，可再增加一套檢測(cè)方式。在監(jiān)控系統(tǒng)環(huán)網(wǎng)中接入2套CP-4000作為在線(xiàn)監(jiān)測(cè)單元，發(fā)出檢測(cè)脈沖到4臺(tái)機(jī)組，同時(shí)修改機(jī)組的CPU切換邏輯，一直監(jiān)測(cè)新增的2套CP-4000發(fā)出的脈沖。一旦發(fā)現(xiàn)2套CP-4000發(fā)出的脈沖都收不到，立即進(jìn)行CPU切換，以縮短通訊中斷檢測(cè)時(shí)間，同時(shí)在15 s內(nèi)閉鎖再次切換，以防止因通訊未及時(shí)建立而造成多次重復(fù)切換。

5.2 從生產(chǎn)實(shí)踐中優(yōu)化

(1)在條件允許的情況下，進(jìn)行機(jī)組空載和帶負(fù)荷時(shí)交換機(jī)網(wǎng)線(xiàn)插拔試驗(yàn)，以排除因網(wǎng)線(xiàn)頭接觸不好或單個(gè)通訊回路發(fā)生故障引發(fā)的問(wèn)題。

(2)在分拖動(dòng)機(jī)開(kāi)關(guān)或SFC輸出開(kāi)關(guān)回路中增加被拖動(dòng)機(jī)滅磁開(kāi)關(guān)的輔助接點(diǎn)，防止被拖動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)停機(jī)而拖動(dòng)機(jī)不能轉(zhuǎn)停機(jī)時(shí)燒壞滅磁電阻。

6 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)桐柏抽水蓄能電站現(xiàn)地控制單元CPU切換不成功的原因進(jìn)行分析，并采取了相應(yīng)的改進(jìn)措施。改進(jìn)后的運(yùn)行情況表明，問(wèn)題基本得到解決。

1 梅祖彥.抽水蓄能發(fā)電技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

2 孫建忠，劉鳳春.電機(jī)與拖動(dòng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

3 張春生，姜忠見(jiàn).天荒坪抽水蓄能電站技術(shù)總結(jié)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2007.

4 劉吉來(lái)，黃瑞梅.高電壓技術(shù)[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2004.