溧陽抽水蓄能電站機組LCU控制流程設計及實現

高 熹，陳旭韜，錢 敏，陳 強

(江蘇國信溧陽抽水蓄能發電有限公司，江蘇溧陽213334)

0 引 言

溧陽抽水蓄能電站計算機監控系統為南瑞水利水電技術分公司開發提供，上位機采用NC2000系統，下位機采用SJ500型現地控制單元(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、發電電動機、發電機電壓配電裝置、主變壓器、球閥、尾水事故閘門及機組勵磁、調速器、繼電保護、機組狀態監測等機組附屬設備和輔助設備進行監控，并裝設獨立的水力機械保護PLC作為完全獨立的后備PLC，當發生主PLC失靈或水力機械事故等情況時動作觸發[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。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化。

主PLC通過DO模塊對其他被控設備的控制系統輸出命令，以實現GCB分合、同期并網、有功功率/轉速調節、無功功率/電壓調節、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、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。前者根據命令下發和條件判別，按順序開出控制其他系統或調用其他流程，后者在現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。

3.2 控制流程的結構

控制流程從功能結構上主要由發令、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。控制流程給每一步都設置了唯一的步號，當流程按序執行和跳轉時，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；在流程執行中，需判斷是否滿足進入下一步條件和執行是否超時。一旦不滿足條件或本步驟執行超時，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。與常規水電機組控制流程不同的是，在與勵磁系統、調速器電氣柜、繼電保護配合時，還應向這些系統開出或復歸發電模式、發電調相模式、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 機組的狀態設計[3]

抽水蓄能機組達到穩定運行的工況，除了停機態之外，有發電狀態、抽水狀態、發電調相狀態、抽水調相狀態等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：從停機態到輔助設備都開啟的狀態；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、旋轉態2種暫態。

考慮調試和試驗的長時停留方便，在停機熱備態至發電態的過程中設置空轉態和空載態。空轉態為轉速達到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。機組在工況轉換過程的過度階段、不在以上狀態時，定義為不定態。

綜上所述，將機組的工況狀態分為穩態和暫態，穩態包括停機態、發電態、空載態、空轉態、發電調相態、抽水調相態、抽水態、黑啟動態8種，暫態為停機熱備態、旋轉態、不定態3種。

3.3.3 子流程設計

機組控制中各穩態及暫態之間的工況轉換，通過執行子流程來完成。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→發電、發電→發電調相、發電調相→發電、發電→空載、空載→空轉、空轉→旋轉、發電調相→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→旋轉、旋轉→停機熱備、停機熱備→停機、抽水→發電、停機熱備→黑啟動、黑啟動→發電等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，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態，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、調速器油系統故障、球閥油系統故障、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、上止漏環溫度高、下止漏環溫度高、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、調速器控制系統嚴重故障、進水閥控制系統嚴重故障、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、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控系統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，本套計算機監控系統LCU設備有效提高了機組的自動化水平，保證了電站的可靠、安全和穩定運行，也為其他同類電站的設計提供了參考。