基于PLC的大型水電機組后備保護系統設計

張昌勝，肖冉娉，黎先兆，高啟迪，蔣小輝

（1.三峽大學科技學院 機械電氣學部，湖北 宜昌 443002；2.泰國國家發展管理學院 國際商務管理系，泰國 曼谷 10700）

0 引 言

大型水電機組結構復雜，其運行穩定性對電力系統安全供電至關重要。當機組出現故障時，快速使機組解列是保護電網安全的一種重要措施。在進行機組保護時，通常分為主保護和后備保護兩種。傳統后背保護通常由繼電器-接觸器構成保護系統，結構復雜，故障率高，維護困難。現代大型水電機組后備保護均基于PLC組成，系統簡單，保護實現程序化，在水電廠應用廣泛。

1 水電機組分類及結構

水電機組包括水輪機部分和發電機部分。水輪機從結構形式上分為反擊式和沖擊式兩種。前者充分利用自然優勢獲得水的動能和水壓能，可以分為混流、軸流、斜流和貫流4類；后者與前者有較小的差別，僅僅利用水流獲得動能，利用水流獲能方式不同主要有斜擊、水斗等[1]。水輪機的主要部件包括水輪機的主軸、轉輪及尾水機構。轉輪承受水壓并將水能轉換為機械能，主軸將轉輪獲得的機械能轉遞至發電機轉子，尾水機構將做功后的水引流至下流并回收剩余水能。發電機部分包括定子、轉子及端蓋等。轉子產生磁場并在主軸的驅動下帶動定子做切割磁感線相對運動，定子中產生電動勢對負載供電，端蓋將定子、轉子等部件密封在金屬殼體內。

2 水電機組后備保護

2.1 過速保護

水電機組啟動靈活，常用于電力系統中的調峰調頻。當電機組出現甩負荷或故障切除時，往往造成發電機的轉子轉速過高，導致電網頻率變化和過電壓現場，嚴重時可造成系統大面積解列。因為當轉速高于一定值時，機組應快速切除，以保護系統安全運行。過速保護系統一般由電氣控制系統和機械液壓系統組成。如果發電機轉速過高，保護系統將控制液壓設備的啟動，關閉導葉，并停止轉子的轉動，確保水電站安全運行。

2.2 低油壓保護

油壓裝置的作用是推動導葉活動，實現水電機組調頻調峰。油壓過低會導致機組失速、潤滑油膜破壞、軸瓦及軸承損壞，引發重大機械事故。一般來說，低油壓保護應具備以下功能：當潤滑油的油壓低于正常值時，發出報警信號，自動采取相應措施恢復油壓；當繼續低于低限時，立即斷開機組出口斷路器，防止事故進一步擴大。

2.3 過流保護

過流保護的目的是將輸出電流控制在固定范圍內，并在輸出電流短路或過載時保護整個系統或負載。然而，目前常用的過電流保護電路基本存在著不可靠、過電流關斷功耗等問題，限制了過電流保護電路的應用范圍。過流保護裝置應具備選擇性、可靠性、快速性和靈敏性。

2.4 溫高保護

水輪機在運行過程中由于定子發熱、三部軸承軸瓦摩擦發熱等，往往造成軸承軸瓦溫度過高變形，致使主軸與軸瓦間隙不均勻，主軸擺度過大造成機械不穩定。此外，定子發熱過大易導致定子間隙絕緣破壞及其機械強度下降。水輪機導軸承軸瓦溫度要求一般在60～70 ℃，65～70 ℃報警，70 ℃跳閘。它的潤滑油溫度不得高于50 ℃。

3 后備保護系統設計

基于PLC的大型水電機組后備保護系統包含上位機層和下位機層[2]，如圖1所示。上位機層選用工控機，集成監控和保護畫面。下位機層選用PLC，底層選用智能型傳感器。傳感器采集機組壓力、溫度、速度、出口電壓及電流傳輸至PLC。下位機可根據當前采集值做出相應的保護動作，同時將采集值輸送至上位機保存，供歷史曲線分析、查詢。

圖1 系統硬件拓撲圖

下位機系統控制器采用西門子S7-1215系列PLC，集成8通道模擬量輸入模塊AI、32通道數字量輸入模塊DI、16通道數字量輸出模塊DO及觸摸屏[3]，如圖2所示。模擬量輸入模塊AI采集采集機組壓力、溫度、速度、出口電壓及電流信號，數字量輸入模塊DI采集開關量速度過限、溫度過限和壓力過限信號。

圖2 PLC系統硬件組成

4 后備保護系統程序設計

PLC同時采集傳感器傳輸的壓力、溫度、速度、出口電壓及電流模擬量值及速度過限、溫度過限、壓力過限開關量值，二者在程序中采用并聯方式[4]。壓力過低時，PLC開出壓力裝置加壓，延時一定時間，再次判斷壓力是否過限。如果依然壓力過低，則開出停機指令。溫度過高及速度過限流程與壓力過低相近。PLC后備保護流程，如圖3所示。

圖3 PLC后備保護流程圖

5 結 論

本文基于上、下位機模式設計大型水電機組的后備保護系統硬件構成及保護程序。工控機作為上位機，存儲機組壓力、溫度、速度、出口電壓及電流等數據，供歷史曲線查詢及分析。以PLC系統作為下位機，通過傳感器采集壓力、溫度、速度、電壓、電流數字量及模擬量值，依據內部低油壓、溫度過高、過速等保護流程做出相應的保護動作，以保證機組安全、穩定運行。