水電站調(diào)速器控制系統(tǒng)典型故障分析及處理措施

馮 喆，李 博，鄭德芳

（四川省攀枝花市二灘水力發(fā)電廠(chǎng)，四川 攀枝花 617100）

0 前言

調(diào)速器控制系統(tǒng)采用PCC作為控制器，與一般的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)一樣，CPU是整個(gè)PCC系統(tǒng)的核心，它按PCC中系統(tǒng)程序賦予的功能，指揮PCC有條不紊的進(jìn)行工作[1]。CPU模塊故障異常會(huì)嚴(yán)重影響調(diào)速器控制系統(tǒng)的安全可靠性，進(jìn)而影響機(jī)組甚至電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

某水電站調(diào)速器控制系統(tǒng)選用SAFR-2000H型微機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，并選用貝加萊公司2005系列PCC控制器。自投產(chǎn)以來(lái)，調(diào)速器控制系統(tǒng)導(dǎo)葉、槳葉調(diào)節(jié)穩(wěn)定正常，但是機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)控制器的IP161（CPU）模塊多次發(fā)生死機(jī)，雖然在對(duì)其重啟后大概率可以恢復(fù)正常，但是已嚴(yán)重影響機(jī)組的穩(wěn)定、可靠運(yùn)行，增加了機(jī)組的安全隱患。針對(duì)此典型、疑難故障，組織了一系列分析與排查，并開(kāi)展了相應(yīng)整治與優(yōu)化。

1 故障原因分析

1.1 故障現(xiàn)象

機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，調(diào)速器A套IP161模塊Error燈點(diǎn)亮，監(jiān)控系統(tǒng)收到“A套PCC 運(yùn)行消失”信號(hào)，調(diào)速器自動(dòng)切換至B套控制器運(yùn)行；除此以外，某機(jī)組調(diào)速器也曾出現(xiàn)過(guò)B套IP161模塊功率采樣值頻繁跳變的情況，但本套控制器并無(wú)故障報(bào)警信號(hào)。

1.2 故障分析

1.2.1 干擾分析

（1）電源回路干擾

控制器的正常供電電源電壓為24 V DC（電源模塊提供），雖然未直接取用上級(jí)交流電，但若電源模塊性能不穩(wěn)定，則24 V DC電源中也會(huì)存在交流分量，進(jìn)而對(duì)控制器造成干擾。

對(duì)調(diào)速器控制柜電源模塊輸出進(jìn)行了測(cè)量和檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)交流分量及電壓波動(dòng)現(xiàn)象，且24 V DC電源回路電壓穩(wěn)定。

（2）感應(yīng)電干擾

控制柜內(nèi)的變壓器，電感性負(fù)載（如電磁閥），不規(guī)范的布線(xiàn)也將容易對(duì)PLC（PCC）造成一定程度的干擾；與PLC（PCC）控制系統(tǒng)連接的各類(lèi)信號(hào)傳輸線(xiàn)，除了傳輸有效的各類(lèi)信息之外，可能會(huì)有外部干擾信號(hào)侵入進(jìn)而影響PLC（PCC）的穩(wěn)定工作。

調(diào)速器控制柜交直流布線(xiàn)存在一定交叉的情況但干擾并不明顯，系統(tǒng)部分電磁閥未加裝續(xù)流二極管，會(huì)存在一定的電磁干擾，控制系統(tǒng)各類(lèi)信號(hào)傳輸線(xiàn)上并未檢測(cè)到交流分量等干擾量。

（3）接地系統(tǒng)不規(guī)范的干擾

接地是提高電子設(shè)備電磁兼容性(EMC)的有效手段之一。良好的接地是保證PLC（PCC）安全可靠運(yùn)行的重要條件，為了排除一直附加在電源及輸入端、輸出端的干擾，應(yīng)給PLC（PCC）接專(zhuān)用地線(xiàn)，若達(dá)不到這種要求，也可采用公共接地方式[2]。

調(diào)速器控制柜內(nèi)的PCC模塊的底板并未接地，進(jìn)而導(dǎo)致IP161模塊也未接入地網(wǎng)，其抗干擾性存在一定影響。

1.2.2 工作環(huán)境影響評(píng)估

根據(jù)IP161模塊的工作環(huán)境要求：溫度范圍0~60℃、濕度范圍5%~95%，檢查確認(rèn)調(diào)速器電調(diào)柜內(nèi)散熱通風(fēng)正常，柜內(nèi)的溫度、濕度以及灰塵度經(jīng)檢測(cè)均在正常范圍內(nèi)。

1.2.3 通信網(wǎng)絡(luò)接線(xiàn)方式錯(cuò)誤

調(diào)速器控制系統(tǒng)通信故障常會(huì)產(chǎn)生較大的隱蔽、偶然性的故障[3]，給現(xiàn)場(chǎng)故障排查帶來(lái)極大不便。電站調(diào)速器控制系統(tǒng)與監(jiān)控系統(tǒng)間采用的是RS485方式進(jìn)行通信，但是調(diào)速器控制系統(tǒng)AB套之間采用都是分叉網(wǎng)絡(luò)配置，而485布線(xiàn)規(guī)范是必須要手牽手的布線(xiàn)，一旦沒(méi)有借助485集線(xiàn)器和485中繼器直接布設(shè)成星型連接和分叉連接，很容易造成信號(hào)反射導(dǎo)致總線(xiàn)不穩(wěn)定，進(jìn)而反向影響PCC模塊的穩(wěn)定性導(dǎo)致死機(jī)。

調(diào)速器控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)使用兩個(gè)無(wú)源RS232轉(zhuǎn)RS485 模塊，但是在接線(xiàn)過(guò)程中是將兩個(gè)RS232 轉(zhuǎn) RS485 模塊的1、2引腳出線(xiàn)分別在盤(pán)柜端子排上并接，造成了RS485的分叉網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。

圖1 RS485通信分叉網(wǎng)絡(luò)圖

1.2.4 IP161模塊負(fù)載過(guò)大

本水電站的調(diào)速器控制系統(tǒng)PCC 2005 系統(tǒng)配置較其他同類(lèi)配置更為復(fù)雜（12槽底板，更多IO點(diǎn)位），且IP161模塊與上位機(jī)和觸摸屏的通信數(shù)據(jù)量更多。同時(shí)IP161模塊是一款智能IO處理模塊，當(dāng)程序較復(fù)雜，對(duì)CPU負(fù)載和處理能力要求較高的情況下，IP161模塊的性能會(huì)進(jìn)一步受影響（部分電站選用CP340或CP360模塊作為主CPU），因此判斷為IP161模塊的負(fù)載過(guò)大而導(dǎo)致其偶發(fā)死機(jī)。現(xiàn)場(chǎng)檢查調(diào)速器控制系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)IP161模塊的利用率為49%，需考慮降低IP161模塊的利用率以確保其性能穩(wěn)定。

1.2.5 程序運(yùn)算錯(cuò)誤

IP161模塊故障死機(jī)后提取其故障日志，發(fā)現(xiàn)8020、6402和6403三個(gè)故障代碼，這些代碼均指向應(yīng)用程序中staz_sys任務(wù)段。若程序編制有邏輯錯(cuò)誤，致使程序進(jìn)入死循環(huán)而退不出來(lái)，或使用了非法語(yǔ)句也會(huì)造成停機(jī)[4]。技術(shù)人員對(duì)staz_sys 任務(wù)段進(jìn)行檢查并測(cè)試未發(fā)現(xiàn)異常和錯(cuò)誤，并且此任務(wù)段屬于通用程序，在其他很多電站均有應(yīng)用，均未出現(xiàn)類(lèi)似的報(bào)警，因此排除了staz_sys任務(wù)段導(dǎo)致IP161模塊死機(jī)的可能性。

1.2.6 硬件故障

貝加萊公司生產(chǎn)的PCC 2005系列PCC屬于模塊化結(jié)構(gòu)，用戶(hù)可自由地選擇各種模塊并安裝在底板上而組成一套所需的控制系統(tǒng)。運(yùn)行時(shí)間較久的PCC，由于硬件原因?qū)е翪PU死機(jī)的概率會(huì)增加。但由于本水電站投產(chǎn)后即存在此問(wèn)題，且前期已對(duì)死機(jī)的PCC相關(guān)模塊進(jìn)行了更換，故障依舊未得到有效解決，同時(shí)此系列模塊在水電行業(yè)應(yīng)用較為廣泛，因此排除了硬件固有故障導(dǎo)致PCC死機(jī)的可能性。

2 處理優(yōu)化

（1）電磁閥增裝續(xù)流二極管

調(diào)速器控制系統(tǒng)配置為FC-20000主配（導(dǎo)葉）和FC-5000主配（槳葉），由于兼顧導(dǎo)葉、槳葉手自動(dòng)控制方式，調(diào)速器控制系統(tǒng)共配置有12個(gè)電磁閥。對(duì)所有電磁閥進(jìn)行排查（部分缺失），并確認(rèn)所有電磁閥均正確加裝續(xù)流二極管，如圖2所示。通過(guò)加裝續(xù)流二極管有效降低了由于電磁閥失電時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)電感而影響IP161 模塊正常工作的概率。

（2）PCC底板接地處理

更換調(diào)速器控制系統(tǒng)PCC安裝導(dǎo)軌：將原絕緣導(dǎo)軌更換成金屬導(dǎo)軌，使PCC控制器可靠接入保護(hù)地網(wǎng)，有效提高了IP161模塊的抗干擾性。

（3）修正通信網(wǎng)絡(luò)接線(xiàn)方式

RS485總線(xiàn)修正為手牽手網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)： A套和B套PCC的兩個(gè)RS232轉(zhuǎn)RS485模塊的兩個(gè)1、2 引腳直接并接，由A套R(shí)S232轉(zhuǎn)RS485模塊送出至監(jiān)控系統(tǒng)，同時(shí)在B套R(shí)S232 轉(zhuǎn)RS485 模塊上加入了120 Ω終端電阻，以減少干擾，如圖3所示。

圖3 RS485通信手牽手網(wǎng)絡(luò)圖

（4）降低IP161模塊內(nèi)存利用率

調(diào)速器控制系統(tǒng)PCC與監(jiān)控系統(tǒng)以及觸摸屏的通信量較多，占用IP161的資源較大，所以將調(diào)速器與監(jiān)控系統(tǒng)Modbus RTU通信程序段的循環(huán)周期由100 ms修改為200 ms。在同等運(yùn)行工況下，可降低IP161模塊的內(nèi)存利用率約5%，如表1所示。

表1 IP161模塊內(nèi)存利用率數(shù)據(jù)對(duì)比表

經(jīng)過(guò)以上各項(xiàng)優(yōu)化處理措施，某水電站調(diào)速器控制系統(tǒng)運(yùn)行正常，其中IP161模塊運(yùn)行穩(wěn)定且未再出現(xiàn)死機(jī)的情況，達(dá)到了預(yù)期的效果。

3 結(jié)論

機(jī)組調(diào)速器控制系統(tǒng)故障隱蔽、且處理措施一般都需停機(jī)，因此不同程度影響機(jī)組甚至電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。某水電站調(diào)速器控制系統(tǒng)使用的PCC 2005系列在行業(yè)內(nèi)應(yīng)用也較為廣泛，此CPU死機(jī)問(wèn)題是較為典型的隱蔽缺陷，通過(guò)從軟件和硬件進(jìn)行的全面分析處理，消除了調(diào)速器控制系統(tǒng)的運(yùn)行隱患，取得了良好的效果，對(duì)行業(yè)內(nèi)其他電站分析和處理類(lèi)似重大隱蔽缺陷可起到一定的參考作用。