機組現地控制單元CPU切換不成功的原因及影響

楊建渺

(華東桐柏抽水蓄能發電有限責任公司，浙江天臺317200)

0 引言

桐柏抽水蓄能電站樞紐包括上水庫、下水庫、輸水系統、地下廠房和開關站等。電站裝機共4臺，單機容量為30萬kW，總裝機容量120萬kW，在華東電網中承擔調峰填谷、調頻調相及緊急事故備用。電站建成后，以二回500kV出線接入華東電網，日發電量600萬kW·h，年發電量21.18億kW·h。日抽水用電量797萬kW·h，年抽水用電量28.13億kW·h。

隨著電網的不斷壯大，電力需求峰谷差日益增加，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首先考慮的問題[1]。因此，本文就機組現地控制單元CPU切換不成功影響機組的開停機失敗的原因，以及不同工況下對運行機組產生的影響進行分析，并提出了相應的對策。

1 電廠監控系統及機組現地控制單元簡介

桐柏抽水蓄能電站計算機監控系統(簡稱CSCS)采用VATECHSAT計算機監控系統。該系統應用于電站的控制、調節、設備運行信息采集和傳輸、監視、報表生成等。現地控制層設有LCU1～LCU9共9套現地控制單元,分別對廠房機組、公用設備、500kV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(簡稱機組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，完成監視、控制、調節和報警等功能，由下面五個部分組成。

(1)發電機層LCU柜。由一個帶CPU的AK1703組成，通過兩只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。由一個不帶CPU的AK1703和一個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。由一個不帶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。有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，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柜中的兩個交換機通信。

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；而機組附屬設備本身的功能及保護系統的完成由本身PLC及控制系統完成，機組LCU與這些設備只是相關的命令和數據傳輸。具體關系見圖1。

圖1 機組現地控制單元LCU組成

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，有兩個單獨的處理器M-CPU和C0-CPU，主要負責對系統的配置及其診斷。CP-2002為處理、通信處理器，主要完成對機組邏輯程序的執行及與相應設備的通信。機組現地控制單元配備有2塊獨立的CP-2000(簡稱C2、C4)，兩塊板互為熱備用，任何一個故障后都會無擾動切換，對系統不會產生任何影響。

2 機組現地控制單元CPU切換情況描述(即C2與C4切換)

2010年1月23 日，1號機發電開機過程中LCU1內部故障，“LCU2～LCU9C4/C2PRE0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年02月26 日，1號機拖動2號機試驗完成停機時，LCU1組件故障，CPU由C4切至C2不成功，此時LCU1與相關輔助設備如調速器、勵磁等通訊中斷，1、2號機電氣連接未中斷，上位機發令現場無響應，1號機未及時轉停機，導致2號機事故停機，2號機低頻過流保護動作，2號機勵磁滅磁電阻損壞。

3 CPU切換原因分析

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。正常情況下一個故障，會無擾動的切到另一個運行。但從目前運行情況來看，切換主要發生在開停機過程中，同時切換成功的概率極低。具體分析可以發現，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。所以基本可以得出結論:由于開停機過程中各種信息量非常多，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，所以CPU往往切換不成功。另外，因為通過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(20多s)，而這段時間內LCU與外界的通訊已經中斷了，這就造成了某些通訊量無法向外發送，也無法接收其它系統通訊過來的數據，從而引起開停機失敗。

CPU的切換不成功將會造成極大的危害，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，機組在遠方處于不可控狀態。只有通過現場人員的手動干預方可讓機組進入安全狀態，這對于目前無人值班的電站來講危害性巨大。

4 機組現地控制單元LCU切換不成功對機組的影響

4.1 發電工況

(1)一種是LCU在機組并網前死機，但機組還是正常并網，多數是在上位機一定時間沒有收到相關機組運行信號后，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，此時上位機發停機令已無法執行，確認LCU切換不成功，其實這時機組CPU還是正常運行，只是網卡通訊故障，使相關信號不能正常通訊。考慮到此后上位機不能準確掌握機組運行情況，往往是申請換機，現場手動減負荷后按快速停機按鈕實現手動停機，再由現場監視停機過程，當然這個監視不可能像上位機那樣全面，只能抓住重點部位，特別是對機組轉速、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，在機組停好后重啟LCU就會恢復正常[3]。如果機組在發電工況穩定運行或發電停機前出現LCU切換不成功，處理情況與這一樣。

(2)另一種情況就是機組沒能正常并網，可能有啟動流程條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，等發現可能LCU切換不成功后，其實機組已經在走停機流程，再通知現場檢查機組運行情況就比較被動，更麻煩的是在機組轉停機后還不清楚什么原因導致機組轉停機，對接下來的故障分析和處理就比較困難，唯一能做的就是監視停機過程正常。

4.2 抽水工況

抽水情況基本上和發電時一樣，只是考慮到機組在抽水工況有功是由水頭協聯控制，現場手動關導葉可能會有問題，為盡量避免機組直接甩負荷給機組和系統帶來的沖擊，最好選擇撳快速停機按鈕進行停機，不采用撳緊急停機按鈕停機，停機過程和發電停機一樣進行監視，在機組停好后需要檢查機組的機械和一次設備的情況。

4.3 抽水調相工況:(以1號機拖動2號機時被拖動機C2C4切換不成功為例)

圖2 兩臺機背靠背拖動主回路圖

拖動包括SFC拖動與背靠背拖動[2]，由于抽水調相并網時間比較長，如不仔細查看，在短時間內可能無法發現C2C4發生切換，如果C2C4切換不成功發生在機組并網那一步，一種可能是機組并網成功，但拖動機或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，根據機組拖動回路圖(見圖2)，可以知道機組GCB開關在合位置是通過硬布線送去分SFC或相關拖動機開關的，這樣也就避免了SFC與機組的合環運行的可能，這種情況下只能現場手動對被拖動機快速停機，監視停機過程正常即可。另一種情況是機組并網沒有成功轉停機，但由于此時C2C4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一號機拖動閘刀的命令沒有被執行，而一號機拖動閘刀沒有分開直接導致二號機被拖動閘刀也沒有分開，這樣一號機仍通過一號機GCB、一號機拖動閘刀、啟動母線、二號機被拖到閘刀、二號機定子形成電氣回路(如圖2)。被拖動機組由于轉停機后，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，但現在是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，擊穿元件并引起電弧，最終導致機組滅磁電阻燒壞[4]。這種情況下上位機馬上停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，否則只能通過拖動機自身走的發電流程超時或有自身保護來停機，這樣閉環回路持續時間就會比較長，對設備的危險也就越大。在機組轉停機后監視機組停機過程正常，對滅磁電阻進行滅火，并對轉子回路絕緣等進行檢查。

5 處理方案的探討

(1)從硬件和技術上優化

1)對于網卡堵塞的問題，我們準備更換性能更好的網卡；將2、4號機CPU的網卡由原來的SM-2554更換為SM-2556(1、3號機已經更換)，提高網卡的緩存容量。

2)對于判斷通訊中斷時間過長的問題，準備另外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，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，縮短通訊中斷檢測時間，同時在15s之內閉鎖再次切換以防止通訊沒有馬上建立造成的多次重復切換；

(2)從生產實踐中減少事故發生

1)在條件允許的情況下，最好做一下機組空載和帶負荷時交換機網線插拔試驗，對那些因網線頭接觸不好或單個通訊回路故障引起的情況，通過這種方式馬上可以排除。

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滅磁電阻。

6 結論

通過上述分析表明，機組現地控制單元CPU切換不成功對運行機組的影響是十分危險的，包括自身設備的損壞及對電網造成的沖擊，然而根據CPU切換不成功的原因進行分析，我們發現這一缺陷是可以避免的，并有針對性的進行相應措施的改進，根據目前桐柏蓄能電站機組的運行情況來看，這一問題基本得到解決，大大提高了機組的安全穩定運行的可靠性。通過本文的分析，對其他的蓄能電站機組如有類似問題，應有一定的參考和借鑒意義。

[1]梅祖彥.抽水蓄能發電技術[M].北京:機械工業出版社，2005.

[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.