基于PLC的水機(jī)保護(hù)功能在水電站應(yīng)用

黃 朝，張 鵬，段振國

（1.中國水利電力對外公司，北京 100120；2.成都勘測設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610072；3.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038）

1 引言

水電站的監(jiān)視和控制通常有以下幾種基本形式[1]：以常規(guī)控制裝置為主；簡單的計(jì)算機(jī)監(jiān)控與常規(guī)控制裝置雙重設(shè)置方式；以計(jì)算機(jī)監(jiān)控為主、常規(guī)設(shè)備為輔方式；全計(jì)算機(jī)監(jiān)控方式。隨著計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，國內(nèi)新建的水電站已不再采用常規(guī)控制；水電站設(shè)計(jì)規(guī)范也不推薦采用計(jì)算機(jī)監(jiān)控與常規(guī)控制裝置雙重設(shè)置方式。目前無論新建還是老電站改造，均按全廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控設(shè)計(jì)。從安全角度考慮，在水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)外通常仍然保留了一套水機(jī)保護(hù)系統(tǒng)。這套保護(hù)系統(tǒng)通常由常規(guī)繼電器搭建而成，獨(dú)立于計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)地控制單元LCU的可編程控制器（PLC），通過采集機(jī)組各種狀態(tài)、報(bào)警、停機(jī)信號(hào)，通過繼電器搭建的停機(jī)回路，實(shí)現(xiàn)對水電站機(jī)組的保護(hù)。

隨著計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)逐步開始采用一套獨(dú)立的PLC系統(tǒng)替代常規(guī)回路完成水機(jī)保護(hù)系統(tǒng)功能。

2 繼電器形式水機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的不足

傳統(tǒng)常規(guī)繼電器形式的水機(jī)保護(hù)系統(tǒng)雖然在水電站中廣泛使用多年，但是一直存在著種種不足之處，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）采用繼電器形式搭建的保護(hù)回路，可靠性并不高。繼電器在實(shí)際使用過程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)，如觸點(diǎn)粘連，繼電器線圈燒毀等問題，直接影響水機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的可靠性。

（2）常規(guī)控制回路接線復(fù)雜，可擴(kuò)展性差，大大增加了設(shè)計(jì)、調(diào)試、運(yùn)行維護(hù)的工作量，設(shè)計(jì)完成后，基本無法做大的修改和調(diào)整，靈活性差。

（3）水機(jī)保護(hù)回路中無法直接接入模擬量和溫度量（RTD量）信號(hào)。若采用回路外進(jìn)行模擬量和溫度量信號(hào)處理的辦法，整個(gè)回路復(fù)雜程度增加可靠性大大降低。

（4）水機(jī)保護(hù)動(dòng)作過程無法自動(dòng)記錄，事故分析不方便。

3 基于PLC的水機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的優(yōu)越性

基于PLC的水機(jī)保護(hù)系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)常規(guī)繼電器形式的水機(jī)保護(hù)系統(tǒng)有許多優(yōu)點(diǎn)，主要優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）水機(jī)保護(hù)系統(tǒng)采用一套獨(dú)立的工業(yè)級(jí)PLC構(gòu)成，集成DI、DO、AI、RTD模塊，可以處理的信號(hào)基本不受限制，可靠性高，整合性好。

（2）通過對PLC編程，可以方便實(shí)現(xiàn)各種保護(hù)控制邏輯，形成各種報(bào)警、停機(jī)邏輯，調(diào)試、運(yùn)行維護(hù)工作量大大減少，功能擴(kuò)展靈活方便。

（3）可直接接入機(jī)組模擬量和RTD量，并且可以方便地實(shí)現(xiàn)模擬量、RTD量的各種組合判斷方案，包括對溫度測量的斷線、梯度變化的判斷功能。

（4）水機(jī)保護(hù)動(dòng)作過程可以自動(dòng)記錄，并可打時(shí)標(biāo)，方便進(jìn)行事故分析。

4 基于PLC的水機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

基于PLC的水機(jī)保護(hù)系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)常規(guī)繼電器形式的水機(jī)保護(hù)系統(tǒng)，有自己的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，以下是一些設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)。

（1）基于PLC的水機(jī)保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)采用一套獨(dú)立的PLC來完成，由于獨(dú)立采集的信號(hào)量不多，PLC可以考慮采用中小型產(chǎn)品。例如可以采用施奈德公司的Premium系列產(chǎn)品做水機(jī)保護(hù)的PLC，該P(yáng)LC穩(wěn)定可靠，編程簡單，采購方便，性價(jià)比高。

（2）基于PLC的水機(jī)保護(hù)系統(tǒng)可以獨(dú)立組屏，也可組屏在監(jiān)控系統(tǒng)的控制屏中。無論如何組屏，要設(shè)計(jì)成獨(dú)立的供電回路，開出回路單獨(dú)引電纜至設(shè)備，不與電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的開出回路并接。

（3）送入基于PLC的水機(jī)保護(hù)系統(tǒng)與電站主計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的信號(hào)源需分開，比如機(jī)組機(jī)械過速信號(hào)，一套送PLC水機(jī)保護(hù)系統(tǒng)，一套送電站主計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。某些信號(hào)實(shí)在無法分開的話需要在現(xiàn)地設(shè)備上安裝中間繼電器進(jìn)行擴(kuò)展。

（4）為避免互相干擾，通常PLC水機(jī)保護(hù)系統(tǒng)與電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)之間不進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。所需的IO量采用DI/DO的方式交換。例如水機(jī)保護(hù)系統(tǒng)可通過DO信號(hào)形式給出水機(jī)保護(hù)事故停機(jī)、緊急停機(jī)等動(dòng)作信號(hào)，并送計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中。如果數(shù)據(jù)交換量過多，也可以采用現(xiàn)場總線方式通訊(例如Modbus、Profibus總線等)，其中PLC水機(jī)保護(hù)系統(tǒng)作為通訊子站，只上送數(shù)據(jù)，不接收計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。

（5）如果有條件，還可以為PLC水機(jī)保護(hù)系統(tǒng)配置一個(gè)小型觸摸屏，便于設(shè)定參數(shù)和查看運(yùn)行、故障狀態(tài)。PLC水機(jī)保護(hù)系統(tǒng)還需要設(shè)計(jì)一些壓板，設(shè)定瓦溫、油溫等保護(hù)的投退，還需要為該系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)位按鈕。

（6）簡化PLC水機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集量。由于PLC水機(jī)保護(hù)系統(tǒng)主要用于機(jī)組保護(hù)，只需要采集和水機(jī)保護(hù)相關(guān)的信號(hào)，和正常操作、控制相關(guān)的信號(hào)和命令都不進(jìn)入PLC水機(jī)保護(hù)系統(tǒng)內(nèi)。

（7）PLC水機(jī)保護(hù)系統(tǒng)與電站主計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的保護(hù)動(dòng)作命令是并行發(fā)出，相互獨(dú)立的。同時(shí)動(dòng)作到機(jī)組事故配壓閥、調(diào)速器急停閥等自動(dòng)化設(shè)備上。

5 現(xiàn)場實(shí)施與調(diào)試

雖然按上述原則設(shè)計(jì)基于PLC的水機(jī)保護(hù)回路，但在現(xiàn)場實(shí)施與調(diào)試過程中，仍然會(huì)遇到一些問題，下面是經(jīng)常遇到情況的小結(jié)。

（1）確認(rèn)信號(hào)源分開的問題。很多設(shè)備的信號(hào)源都只有一套，無法分開供兩套系統(tǒng)使用。可以通過在現(xiàn)地設(shè)備元件匯集處如水輪機(jī)端子箱內(nèi)加裝中間繼電器擴(kuò)展接點(diǎn)來解決。

（2）PLC水機(jī)保護(hù)系統(tǒng)與電站主計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換問題。如果完全采用DI/DO的方式交換會(huì)造成PCL水機(jī)保護(hù)系統(tǒng)測點(diǎn)過多，影響設(shè)備投資，可考慮與監(jiān)控系統(tǒng)廠家協(xié)商改用現(xiàn)場總線的方式(例如Modbus、Profibus總線)交換數(shù)據(jù)，PLC水機(jī)保護(hù)系統(tǒng)只上送數(shù)據(jù)，不接收計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。

（3）水機(jī)保護(hù)保護(hù)動(dòng)作后的流程與監(jiān)控系統(tǒng)流程配合問題。可以采用PLC水機(jī)保護(hù)系統(tǒng)與電站主計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)相同的停機(jī)流程，同時(shí)作用到對象設(shè)備上。

目前，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)多個(gè)水電站基于PLC的水機(jī)保護(hù)系統(tǒng)，投入運(yùn)行，其可靠性、靈活性、運(yùn)行維護(hù)方便性均得到現(xiàn)場運(yùn)行維護(hù)人員的肯定。

6 結(jié)語

從2008年開始，在多個(gè)水電站的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)項(xiàng)目中，采用獨(dú)立的基于PLC的水機(jī)保護(hù)系統(tǒng)替代常規(guī)水機(jī)保護(hù)，收到了很好的效果。基于PLC實(shí)現(xiàn)的水機(jī)保護(hù)系統(tǒng)，具有可靠性高、功能實(shí)現(xiàn)靈活、性能優(yōu)異、運(yùn)行維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，具有推廣價(jià)值。

[1]王定一.水電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)視與控制[M].中國電力出版社2001.

[2]李 婷，李 穎.大中型水電站緊急停機(jī)保護(hù)設(shè)計(jì)[J].水電廠自動(dòng)化，2010.（1）.

[3]杜晨輝，楊光華，等.蒲石河抽水蓄能電站監(jiān)控系統(tǒng)LCU回路設(shè)計(jì)[J].水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測，2011.（3）.