機組現地控制單元CPU切換不成功的原因及防范

楊建渺，何 秋，陳 勤，王 炯

(華東桐柏抽水蓄能發電有限責任公司，浙江 天臺 317200)

桐柏抽水蓄能電站裝機容量為4×300 MW，在華東電網中承擔調峰填谷、調頻調相及緊急事故備用的任務。電站建成后，以二回500 kV出線接入華東電網，日發電量600萬kWh，年發電量21.18億kWh。日抽水用電量797萬kWh，年抽水用電量28.13億kWh。

隨著電網的不斷擴大，電力需求的峰谷差日益增加。如何采用合理的調峰填谷方式來保證電網的安全經濟運行，避免電網遭受重大的損失，應是抽水蓄能電站首先考慮的問題。

1 電廠監控系統及機組現地控制單元

桐柏抽水蓄能電站計算機監控系統(CSCS)采用VATECH SAT系統。該系統用于電站的控制、調節、設備運行、信息采集和傳輸、監視、報表生成等?，F地控制層設有LCU1～LCU9共9套現地控制單元，分別對廠房機組、公用設備、500 kV系統設備、上/下庫設備以及通訊工作站實現現地控制。

機組現地控制單元(機組LCU)監控范圍包括機組—主變單元的水泵/水輪機、發電/電動機、主變及機組附屬輔助設備等。機組LCU具有人機接口，與站級脫機時能獨立運行，能完成監視、控制、調節和報警等功能，它由以下5個部分組成。

(1)發電機層LCU柜。由1個帶CPU的AK-1703組成，通過2個RS2工控交換機與CSCS上位機通信。

(2)中間層發電/電動機I/O柜。由1個不帶CPU的AK1703和1個AM1703組成，通過Ax光纖總線與發電機層LCU柜的AK1703通信。

(3)水輪機層水泵/水輪機I/O柜。由1個不帶CPU的AK1703組成，通過Ax光纖總線與發電機層LCU柜的AK1703通信。

(4)機組附屬設備控制器。由3個AMC1703控制器(調速器油系統GOS調速器控制器、球閥系統MIV控制器、機組冷卻水控制器)組成，其3個控制柜通過101總線與發電機層LCU柜AK1703通信。

(5)調速器TM1703控制器、機組/主變單元電氣保護PLC控制器和機組勵磁系統PLC控制器，直接與位于發電機層機組LCU柜中的2個交換機通信。

機組LCU與地下廠房公用設備現地控制單元LCU5協調配合，完成機組的工況變換。而機組附屬設備及保護系統的功能由本身PLC及控制系統來實現，機組LCU與這些設備只是相關的命令和數據傳輸。

機組LCU硬件設備主要包括中央處理器CP-2000，處理兼通訊處理器CP-2002及相應的數字輸入輸出模塊、模擬量輸入輸出模塊和輔助控制模塊。CP-2000為機組LCU的AK1703主CPU，由M-CPU和C0-CPU 2個獨立的處理器組成，主要負責對系統的配置進行診斷。CP-2002為處理和通信處理器，主要負責機組邏輯程序的執行及與相應設備的通信。機組LCU配備有2塊獨立的CP-2002(簡稱C2，C4)，2塊板互為熱備用，任何一個出現故障后都會實現無擾動切換，對系統不會產生任何影響。

2 機組現地控制單元CPU切換不成功事故案例

2010-01-23，1號機在發電開機過程中LCU1內部發生故障，LCU2～LCU9的“C4/C2 PRE0”通訊異常報警，且上位機及LCU1顯示均不正常，上位機發令無法執行，經網調同意換開4號機，1號機由現場手動停機。

2011-02-26，1號機拖動2號機試驗完成停機時，LCU1組件發生故障，CPU由C4切換至C2不成功。此時LCU1與相關輔助設備通訊中斷，1，2號機電氣連接未中斷，上位機發令后現場無響應，1號機未及時轉停機，導致2號機事故停機，2號機啟動低頻過流保護動作，2號機勵磁滅磁電阻損壞。

3 機組現地控制單元CPU切換不成功原因分析

機組LCU處理兼通訊模塊C2，C4本身具備熱備用的功能，各自含有獨立的網卡模塊負責與監控和相應輔助設備通訊。正常情況下，當其中一個模塊發生故障，會無擾動地切換到另一個模塊。但從目前運行情況來看，切換主要發生在開停機過程中，切換成功的概率極低。分析發現，C2，C4切換時通過網卡交換的信息基本完全中斷，而通過DI，DO，AI，AO等外圍輸入輸出板及其他總線交換的信息基本正常。CPU切換不成功的原因主要有以下2方面。

(1)由于開停機過程中信息量大，加之機組本身采集信號比較頻繁，而原來CPU上的網卡緩存較小，當數據量過大時就會引起網卡工作負荷加大，甚至造成信息堵塞。此時系統自帶的診斷程序會發現堵塞的CPU工作不正常，自動切換至備用CPU，然而由于信息量仍未減少，備用CPU同樣面臨信息擁堵的問題，可能導致CPU切換不成功。

(2)由于通過104通訊協議本身的檢測機制來判斷通訊中斷需要較長的時間，超過20 s，而這段時間內LCU與外界的通訊已經中斷，因此造成某些通訊量無法向外發送，也無法接收來自其他系統通訊的數據，從而導致開停機失敗。

4 機組現地控制單元CPU切換不成功對機組的影響

機組現場控制單元CPU切換不成功將會對機組運行產生嚴重的影響。由于上位機下發的相應指令無法執行，同時現場的實際信號無法得到反饋，機組在遠方就處于不可控狀態，只有通過現場人員的手動干預才能讓機組進入安全狀態。這一點對于無人值班的電站來說風險極大。

4.1 發電工況

(1)機組現場控制單元CPU在機組并網前控制不成功，但機組還是正常并網。當上位機一定時間內沒有收到機組運行相關信號后，運行人員去現場檢查，發現上位機和實際信號指示不對應，有功已達到默認值，此時上位機發送停機指令已無法執行，確認處理兼通訊處理器CP-2002的CPU切換不成功。而此時機組的中央處理器CP-2000的CPU還正常運行，只是網卡通訊故障，使相關信號不能正常傳輸?？紤]到此后上位機不能準確掌握機組運行情況，往往選擇申請換機，現場手動減負荷后按快速停機按鈕實現手動停機，再由現場監測停機過程。現場監測過程不可能像上位機那樣全面，重點監測機組轉速、球閥、導葉關閉情況，交流高壓注油泵、電制動及機械制動投入情況等，在機組停機后再重啟LCU就會恢復正常。如果機組在發電工況穩定運行或發電停機前出現機組現地控制單元CPU切換不成功時，采用此類處理方法。

(2)LCU在機組并網前死機，機組沒能正常并網?？赡苡袉恿鞒虠l件不滿足或其他報警信號導致機組轉停機，此時上位機沒有任何信號。當發現機組現地控制單元CPU可能切換不成功后，機組已經在走停機流程。當機組轉停機后，由于不清楚導致機組轉停機的原因，給故障分析和處理帶來困難，只能監視停機過程是否正常。

4.2 抽水工況

抽水工況和發電工況基本一致。需要注意的是，抽水工況下需要考慮到機組有功由水頭協聯控制，現場手動關閉導葉可能會出現問題。為盡量避免機組直接甩負荷給機組和系統帶來沖擊，最好選擇按快速停機按鈕進行停機，避免選擇按緊急停機按鈕進行停機。停機過程的監控過程和發電工況下的停機監控過程一樣，在機組停機完成后需要檢查機組的機械和一次設備。

4.3 抽水調相工況

以1號機拖動2號機時被拖動機C2，C4切換不成功為例。

拖動包括SFC(靜止變頻器)拖動與背靠背拖動。由于抽水調相并網時間比較長，若不仔細查看，在短時間內可能無法發現C2，C4發生切換。如果C2，C4切換不成功發生在機組并網階段，可能發生機組并網成功而拖動機或SFC收不到被拖動機LCU發來分拖動機GCB或SFC輸出開關的信號的情況。機組拖動主回路如圖1所示。

從圖1可以看出，機組GCB開關在合位置時通過硬布線送去分SFC或相關拖動機開關，避免了SFC與機組合環運行的可能。此種情況下，只能現場手動對被拖動機進行快速停機，監視停機過程確保其正常。

另一種情況是機組并網沒有成功轉停機。此時C2，C4切換不成功，拖動機或SFC收不到機組相關的停機命令，原本停機過程中應分開1號機拖動閘刀的指令沒有執行，1號機拖動閘刀沒有分開，直接導致2號機被拖動閘刀也沒有分開，此時1號機仍通過1號機GCB、1號機拖動閘刀、啟動母線、2號機被拖動閘刀、2號機定子形成電氣回路（見圖1）。被拖動機組轉停機后，滅磁開關分開，其常閉輔助接點將滅磁電阻串入轉子回路，從而使機組轉子感應電全部加在滅磁電阻上。正常機組停機滅磁時，滅磁電阻不會承受一個連續作用的恒定電壓，但在恒定電壓負載條件下，滅磁電阻溫度越來越高，當電阻元件溫度高到一定程度時，會擊穿元件并引起電弧，最終導致機組滅磁電阻燒壞。當此類情況發生時，上位機馬上停SFC或現場手動將拖動機緊急停機，盡快將被拖動機轉子回路與拖動機或SFC斷開，避免拖動機拖過自身的發電流程超時或自身保護來停機，縮短閉環回路持續時間，降低設備的危險程度。在機組轉停機后監視機組，確保停機過程正常，對滅磁電阻進行滅火，并對轉子回路絕緣等進行檢查。

5 防范措施

5.1 從硬件和技術上優化

圖1 2臺機背靠背拖動主回路

(1)對于網卡堵塞的問題，可更換性能更好的網卡。將2，4號機CPU網卡由原來的SM-2554更換為SM-2556(1，3號機的網卡已經更換)，大幅增加了網卡的緩存容量。

(2)對于判斷通訊中斷時間過長的問題，可再增加一套檢測方式。在監控系統環網中接入2套CP-4000作為在線監測單元，發出檢測脈沖到4臺機組，同時修改機組的CPU切換邏輯，一直監測新增的2套CP-4000發出的脈沖。一旦發現2套CP-4000發出的脈沖都收不到，立即進行CPU切換，以縮短通訊中斷檢測時間，同時在15 s內閉鎖再次切換，以防止因通訊未及時建立而造成多次重復切換。

5.2 從生產實踐中優化

(1)在條件允許的情況下，進行機組空載和帶負荷時交換機網線插拔試驗，以排除因網線頭接觸不好或單個通訊回路發生故障引發的問題。

(2)在分拖動機開關或SFC輸出開關回路中增加被拖動機滅磁開關的輔助接點，防止被拖動機轉停機而拖動機不能轉停機時燒壞滅磁電阻。

6 結束語

對桐柏抽水蓄能電站現地控制單元CPU切換不成功的原因進行分析，并采取了相應的改進措施。改進后的運行情況表明，問題基本得到解決。

1 梅祖彥.抽水蓄能發電技術[M].北京：機械工業出版社，2000.

2 孫建忠，劉鳳春.電機與拖動[M].北京：機械工業出版社，2010.

3 張春生，姜忠見.天荒坪抽水蓄能電站技術總結[M].北京：中國電力出版社，2007.

4 劉吉來，黃瑞梅.高電壓技術[M].北京：中國水利水電出版社，2004.