安康水電站機組水機后備保護的設計及實現

盧小芳，趙勇飛，宋金斗，魯培全

（1.北京中水科水電科技開發有限公司，北京 100038；2.安康水力發電廠，陜西 安康 511853）

計算機技術和電子電路技術的發展和普及，使得人們對水電站機組現地LCU的功能需求也在不斷增加。 在機組發生事故時，不僅要求現地LCU主PLC能夠將機組快速停下來，且在現地LCU主PLC故障時，仍要能夠確保機組順利停下來，因而水機后備保護作為機組事故時主PLC保護的后備配置，逐漸成為各水電站的標配。

安康水電站位于漢江干流上游，地處陜西省安康市城西18 km，是一座以發電為主，兼有航運、防洪、養殖、旅游等綜合效益的大型水電樞紐工程。電站安裝有4臺單機容量200 MW時的機組，總裝機容量850 MW。電站于2019年進行監控系統改造，在監控系統改造設計時均在每臺機組現地LCU盤柜上配置了機組水機后備保護設備。

1 現階段水機后備保護設計方式

現階段水電站水機后備保護主要通過2種方式實現：常規水機保護回路方式和基于獨立PLC的水機保護方式。

1.1 常規水機保護回路方式

機組常規水機保護回路方式通常由若干按鈕、中間繼電器、壓板通過搭接所組成的繼電器邏輯回路。通常由信號擴展回路、水力機械保護回路、水力機械保護出口回路構成，其中信號擴展回路為機組水機事故信號或事故相關信號動作輸入回路；水力機械保護回路為水機事故動作后觸發的相關回路，由它再去啟動水力機械保護出口回路，它連接著輸入輸出回路，是水力機械保護回路的核心部分；水力機械保護出口回路為水力機械事故動作后的輸出回路，去執行相關設備的操作。

常規水機保護回路設備組成簡單，經濟性較好，維護方便，通過繼電器接點的動作狀態可以直觀地反映事故回路的動作情況，但是由于是繼電器擴展回路，對于事故信號的濾波、事故信號的延時功能實現起來比較困難，另外擴展性也比較差，如果需要再增加事故信號輸入接點或改動閉鎖邏輯或改動事故輸出回路，設計之初沒有留有足夠備用點的話，就需要大動干戈、重新設計、重新布線，實現起來比較困難，再者水機后備保護回路作為獨立回路，事故動作后，只能在現場通過觀察繼電器來確定事故源，無法將事故源信號及事故輸出情況反饋給上位機或形成事件記錄，給事故的及時發現及后期分析也造成不便。

1.2 基于獨立PLC的水機保護方式

基于獨立PLC的水機保護方式是在機組LCU 主PLC之外，單獨設置一套PLC，以該套PLC為核心，配置相應的信號輸入輸出單元以及繼電器，通過對PLC編程實現水機保護邏輯。

由于是采用PLC進行信號采集，對事故信號的濾波、延時等功能就可以通過編程實現，極大地提高事故信號的可靠性，防止因信號誤動引起非必要的事故停機；采用PLC后，對事故源的配置也比較靈活，如需增加，只要接入模塊備用點或增加模塊就可以實現；由于水機保護邏輯是通過對PLC編程實現的，水機邏輯就可以根據電廠實際進行定制，即使有不合適的地方，也可以隨時進行修改；PLC有豐富的通信接口，可以通過網絡、串口、總線等方式將數據實時傳送給上位機或觸摸屏，方便電廠運行人員實時監控。

獨立PLC的水機保護方式雖然有很多優點，但是其構成不僅有繼電器、按鈕、壓板，還必須有PLC及對其供電的獨立電源裝置，因而相對常規水機保護回路方式來說成本要增加很多，經濟性略差。但是隨著近年來電子元器件價格的下降，該種方式在電廠的使用也越來越普及。

2 安康水機后備保護硬件配置

安康水電站機組水機后備保護在設計時經過行業考察與比較，選用了靈活性、穩定性較強的獨立PLC方式實現，沒有再另設常規繼電器硬接線回路。

2.1 電源配置

水機后備保護所承擔的作用是在機組LCU 失靈或故障的情況下能夠對機組形成最后一道保護，該特性就要求水機后備保護PLC電源必須獨立設置，與機組LCU電源互不干擾，不重疊使用。為確保水機后備保護設備電源的安全性，常常要兩路或多路電源互為冗余供電。

安康水機后備保護PLC在其安裝盤柜配置2套240 W電源裝置，專用于水機后備PLC設備及回路供電。其中一套電源裝置采用AC 220 V交流供電，另一套電源裝置采用DC 220 V直流電源供電，AC 220 V交流電源由全廠交流盤單獨一路引入，DC 220 V直流電源由機旁直流電源盤單獨一路引入，專供水機后備PLC使用，與機組LCU其他設備所使用交直流電源不交叉。水機后備PLC設備及回路供電方式見圖1所示。

圖1 水機后備PLC設備及回路供電系統圖

2.2 PLC模塊配置

安康水機后備保護配置了一套獨立于機組LCU的PLC設備。有2塊DC 24 V供電電源模塊、1塊CPU模塊、1塊以太網模塊、2塊32點開入量模塊、1塊32點開出量模塊。

2塊DC 24 V供電電源模塊互為熱備用，保證PLC機架上各模塊正常工作。CPU模塊選擇與機組LCU PLC同系列的相對低端的型號，編程平臺相同，使用習慣相同，方便程序編制及后期維護。通過CPU上以太網口和以太網卡上的網口與機組LCU的A、B網交換機連接，將水機后備PLC接入監控系統網絡，方便與上位機和機組LCU主PLC之間進行信息傳輸。開入量模塊進行事故信號采集，可以在模塊上設置濾波時間，確保事故信號采集的穩定性，開出模塊通過驅動繼電器對現場設備進行操作，可以根據事故流程需求對每個輸出點進行定義。

3 安康水機后備保護事故源

安康機組水機后備保護事故源主要有軸瓦溫度保護、調速器失電及壓油罐事故低油壓保護、過速保護、事故停機按鈕、水淹廠房等，分別觸發機械事故停機流程和緊急事故停機流程。事故信號的采集都是將現地源頭自動化元器件上的不同獨立接點形成回路，分別送至主PLC和事故后備保護PLC。

3.1 軸瓦溫度保護

對于軸瓦溫度保護，機組LCU主PLC一般配置有RTD測溫模塊，通過RTD測溫模塊采集各軸瓦溫度，然后經過PLC編程，判斷出溫度過高事故點，觸發事故停機流程。對于水機后備保護PLC，投入多的電廠會配置少量RTD模塊， 引入各軸瓦部分溫度量測點，進行編程判斷，上位機也可以直接把溫度測量數據取過去進行監測；考慮經濟性的電廠會設置一個測溫屏或在機旁盤柜上安裝一些溫控儀，再將溫控儀的輸出接點引入PLC，如果有溫度過高越限動作，可以通過溫控儀上的溫度顯示和報警指示進行觀測。

安康水機后備保護設置了6塊溫控儀，分別采集上導、水導、推力各2塊瓦溫度，再將溫控儀的高、過高接點引至水機后備保護PLC開入量模塊，水機后備保護PLC在收到任一溫度過高點動作后，觸發機械事故停機流程。

3.2 調速器失電保護

現在調速器系統一般都具有失電關機功能，在調速器控制柜失電后，會自動關閉導葉，防止機組失控。此時需要監控系統進行聯動，防止導葉已經關閉，而機組其他系統還在工作。

安康水機后備保護通過監視調速器交流電源、直流電源狀態信號，如果交流、直流電源均故障，且機組不在停機態，則觸發機械事故。

表1 機組水機后備PLC事故啟動源清單

4 安康水機后備保護程序設計

4.1 事故流程設計

水機后備保護主要是在機組主PLC失效后起到最后一道屏障作用，因而其PLC的流程相對機組主PLC的流程一般相對簡單，通常能夠將機組從電網解列、主要設備停機就足夠了。

安康水機后備保護PLC的事故源根據事故輕重程度分為機械事故源和緊急事故源，對應啟動機械事故停機流程和緊急事故停機流程。機械事故停機流程啟動后，給調速器系統發緊急停機令，動作調速器緊急停機電磁閥，快速關導葉，將機組負荷降下來，當導葉關至空載開度后跳發電機出口斷路器，待發電機出口斷路器處于斷開狀態，且導葉開度至全關，轉速降至20%額定轉速后投入機械制動，將機組關停。一級過速且調速器主配拒動時，要通過動作事故配壓閥來關導葉。緊急事故流程啟動后，要在動作調速器緊急停機閥關導葉的同時落機組進水口快速門，切斷機組原動力，后續動作流程與機械事故停機流程相同。

圖2 水機后備保護PLC事故停機流程

4.2 與主PLC信息交互

4.2.1 電源設備狀態的交叉監視

以往設計現地LCU時，如果沒有配置水機后備保護回路或者選擇常規繼電器方式，則往往只能將LCU電源的狀態監視接點引入主PLC，當電源全部丟失，LCU控制柜失電后，由于PLC全部失電，信號無法采集，上位機只能監控到當前LCU離線，而無法及時收到當前LCU失電報警。而選擇使用獨立PLC水機后備保護方式后，由于其PLC與機組LCU PLC相互獨立，使機組LCU的電源與水機后備PLC的電源狀態相互交叉監視變成可能。

安康水機后備保護PLC設計時，將水機后備保護PLC的交、直流電源裝置工作狀態監視接點引至主PLC開入量，在現地觸摸屏和上位機畫面設置該電源裝置的監視畫面和報警光字，通過主PLC對水機后備保護PLC的電源供電狀態進行實時監視。

4.2.2 PLC工作狀態的交叉監視

PLC作為現地LCU控制柜的核心部分，其CPU正常情況下能夠長期保持穩定運行狀態，但不排除特定原因會導致停運、故障等情況。雖然主PLC現在常常都是雙機冗余配置，有足夠的安全性，但也不能保證不會有雙機都發生故障的情況。而事故后備保護PLC做為事故保護的最后保障，監控系統也得實時知道其CPU的運行狀態。

安康水機后備保護PLC設計時，將主PLC的CPU模塊運行狀態實時送至水機后備保護PLC，將水機后備保護PLC的CPU模塊運行狀態實時送至主PLC,讓雙方交叉監視，確保機組LCU PLC任何一塊CPU發生故障或停運，都能及時有告警信號，提高機組的安全運行水平。

4.2.3 事故流程的聯動

由于事故信號都是由現地自動化元器件分別獨立送至機組LCU主PLC和事故后備保護PLC，一般當有事故發生時，主PLC和事故后備保護PLC在收到事故信號后，都會啟動事故停機流程。但是如果現地自動化元器件的某一個接點發生故障，則就有一方收不到事故信號，無法啟動事故停機流程。由于一般主PLC和事故后備保護PLC的輸出回路都是相互獨立設置的，比如跳發電機出口斷路器都是作用于兩個不同的跳閘線圈，如果有一套PLC事故流程無法啟動，而恰恰啟動那套PLC的輸出回路元器件又發生故障，則有可能導致機組無法事故停機，從而使事故擴大化。

為避免上述問題發生，安康水機后備保護PLC在事故停機流程啟動同時輸出一個開出量信號給主PLC，主PLC在收到信號后同時觸發事故停機流程；如果主PLC有事故流程啟動，則也將事故流程啟動信號開出至水機后備保護PLC，水機后備保護PLC收到該信號后也同時啟動事故停機流程。通過主PLC和事故后備保護PLC的事故聯動，提高機組事故情況下的安全保障。

4.2.4 水機事故后備PLC信號的現地監視

通常機組LCU控制柜上只配置一塊觸摸屏，一般我們都將其與主PLC進行連接，顯示主PLC的信息及各種流程畫面，這就造成在機旁無法直接監視事故后備保護PLC的信息，無論是檢修還是平常運行都非常不方便。

安康水機后備保護PLC通過配置以太網模塊并接入監控A、B主網，使其與主PLC處在同一網絡中，由于兩套PLC是同一系列，通過PLC編程軟件配置以太網通信參數，很方便地就將事故后備保護PLC的數據信號送至主PLC，主PLC再將后備保護PLC的信息送至觸摸屏顯示，實現了在現地觸摸屏對事故后備保護PLC的信號及工作狀態的監視

4.3 與上位機信息交互

水機后備保護PLC作為機組事故的后備保護，雖然配置比較簡單，但是運行值班員還是希望能夠在中控室實時監測到它的信號及設備狀態。當將其接入監控主網后，就可以很方便地實現這個功能。

安康水機后備保護PLC通過以太網方式，將水機后備保護PLC采集的輸入、輸出信號狀態，CPU及各I/O模塊的運行狀態，事故流程執行過程中各個參數均送給上位機，并在上位機配置實時數據庫及歷史數據庫，記錄相關數據，編制事故流程畫面及事故后備PLC運行狀態監視畫面，對現地設備進行實時遠程狀態監測。

5 結語

安康電站機組水機后備保護通過PLC配置，使事故流程的設計、編制實現起來更加便捷；數據信息上傳至上位機及現地觸摸屏，方便了電廠的日常運行監視和維護；完善的數據記錄對事故追憶及事故原因分析提供了依據，極大地提高了機組安全運行的可靠性。系統自現場投運后，已成為確保機組安全運行的重要保障。