抽水蓄能機組非電氣量保護控制邏輯優化

楊洪濤，周建中，胡肇偉

（1.江西洪屏抽水蓄能有限公司，江西靖安330603；2.華中科技大學，湖北武漢430072）

抽水蓄能機組非電氣量保護控制邏輯優化

楊洪濤1，周建中2，胡肇偉2

（1.江西洪屏抽水蓄能有限公司，江西靖安330603；2.華中科技大學，湖北武漢430072）

抽水蓄能電站機組過渡過程復雜，工況轉換頻繁，合理完善的非電氣量保護控制策略可有效避免機組保護誤動、拒動的發生，優化電站非電氣量保護策略，對機組的安全運轉、電站的效益輸出等具有至關重要的作用。由于控制邏輯設置不當、自動化元件故障等會導致電站設備事故的發生。本文以事故原因分析入手，從判斷邏輯改進、保護定值修正、保護動作設置等方面，就抽水蓄能機組非電氣量保護控制邏輯進行優化，以提高保護動作的可靠性，保證機組穩定運行。

抽水蓄能機組；非電氣量保護；控制邏輯；事故原因；優化

1 引言

抽水蓄能機組非電氣量保護是機組發生機械故障時的保護，指非電氣量反映的故障動作或者警示信號發出的保護，保護判據包括機組及其他相關設備的溫度、壓力壓差、位置位移、液位、流量、轉速、振動擺度以及控制電源丟失和順控超時等非電氣量參數。非電氣量保護對于維持機組正常運行，避免事故擴大具有十分重要的作用。目前，隨著電站自動化設備和計算機監控系統的日趨成熟，電站自動化程度逐步提高，使機組的可靠性、安全性、經濟性運行得到了很大的提升。但是，抽水蓄能電站仍然缺乏完善統一的非電氣量保護標準和規范，同時，部分已有保護配置不全面，保護邏輯單一，保護動作閾值不合理等，使機組保護誤動和拒動的情況時有發生，給電站的穩定、持續、安全運行帶來了巨大的挑戰。

本文針對抽水蓄能電站機組傳統非電氣量保護中的不足，提出了優化機組非電氣量保護控制邏輯的改進策略，從而規避了由控制邏輯不合理或不完善而造成的相關事故，為提高電站非電氣量保護可靠性提供了一種新的思路。

2 非電氣量保護控制策略及其缺陷

2.1 非電氣量保護控制策略概述

抽水蓄能機組主要包括水泵水輪機、發電電動機、調速器、進水閥、輔助設備等系統。非電氣量保護設計主要根據機組各子系統的結構、布置、工作等特性設計溫度、壓力、液位、流量、振動擺度、過速等非電氣量保護策略。

非電氣量保護系統運行時首先由自動化元件從機組被監測部位獲取相應的非電氣量測量參數信號，并將其傳至中央處理系統，中央處理系統將信號降噪濾波等處理，然后經判斷邏輯回路與保護定值進行比較。若為單一判斷回路，當滿足設定條件時機組即執行相關保護動作；若為多路判斷回路，則需同時滿足多路設定條件時機組方可執行相關保護動作。根據故障嚴重程度，機組保護動作可分為報警和機械停機。故障發生時，機組自動執行保護動作，確保電站的安全穩定運行。非電氣量保護動作流程如圖1所示。2.2非電氣量保護控制策略缺陷分析

圖1 非電氣量保護動作流程圖

通過分析現有非電氣量保護各環節的機制，總結電站已發生的故障事故實例，發現現有非電氣量保護控制策略仍存在以下幾點缺陷：

（1）保護配置不完備：部分電站因未考慮對機組抬機故障設置相應的非電氣量保護，導致機組運行過程中發出異常聲響時未能及時查找到相應故障，造成機組的非正常停機。

（2）自動化元件不可靠：因自動化元件選型（種類、型號等）不當，安裝工藝（安裝位置、方式、可靠性等）設計不合理，自動化裝置功能不完善（未設置延時、閉鎖條件等）等造成的非電氣量保護不當。其經常造成系統無法獲取檢測對象監測值或參數失實等異常現象，進而導致機組非正常報警或停機。

（3）保護邏輯不合理：部分電站在非電氣量保護設置中將跳機動作更改為報警動作，跳機邏輯過于保守，當故障發生時會造成對機組的巨大損害。

（4）定值設置不合理：電站許多非電氣量保護定值是通過理論計算和模型試驗得出的，在理想情況下能保證機組的良好運行。但在實際運行過程中，由于各種原因使機組未處于最優工況下工作，設定值不能滿足機組的實際運行需要。

為進一步改善以上不足，以下將從判斷邏輯改進、保護定值修正、保護動作設置等方面入手，針對非電氣量保護對象對機組非電氣量保護控制邏輯進行優化。

3 抽水蓄能機組非電氣量保護控制邏輯優化

控制邏輯包括測點回路判斷邏輯、機組動作時的保護定值、機組異常時的保護動作等內容。下面將分別對非電氣量保護對象溫度、壓力、流量、液位、振動擺度、過速等，根據各自的監測回路、保護方式特點，從控制邏輯角度考慮，對機組非電氣量保護控制邏輯作優化改進。

3.1 溫度保護優化

溫度信號作為報警與機械停機的數據源，須對信號品質進行判斷，即設置相應的回路判斷邏輯。對由RTD元件斷線、接觸不良造成的溫度讀數越限，通過量程上下限功能塊屏蔽信號，避免保護誤動作；對由信號干擾等造成的溫度跳變，設計采用斜率判斷功能塊濾除超過設定溫度變化率的信號。其中量程上下限模塊是通過PLC邏輯指令實現相應數字電路邏輯的宏功能模塊，斜率判斷模塊通過計算單位時間的溫度變化量對信號是否跳變進行判斷，越限報警模塊通過設定兩級越限值，對輸入信號進行數值比較后輸出高高、高、低、低低值報警。

當溫度保護測點較多時，增設判斷冗余，對信號采用N取2出口邏輯，當系統任意兩溫度測點達到停機值時便執行停機操作。溫度保護判斷邏輯如圖2所示，其主要包括溫度信號判斷模塊、溫度報警邏輯模塊和溫度停機邏輯模塊。

圖2 溫度保護邏輯典型設計

圖2中首先對每路RTD信號進行品質判斷和越限報警，然后將一級越限和二級越限報警信號分別接入溫度報警邏輯和溫度停機邏輯，最終執行停機時將機組不在停機狀態、機組不在檢修狀態、機組不在調試等預備條件相“與”后輸出。

此外，設備溫度保護定值需按照設計推薦值結合現場情況合理整定，并根據自動化元件工作狀態作相應調整；保護動作宜設置為兩級或多級越限動作，即一級越限作用于報警，二級越限作用于報警和事故停機。

3.2 壓力保護優化

針對抽水蓄能機組壓力保護，現有設計存在保護邏輯單一，未設置相應的冗余判斷條件，保護動作設計不當等問題。因此對機組壓力保護作以下優化：對水泵水輪機主軸密封壓力壓差、調速器油壓裝置壓力、進水閥壓力的保護，宜設置兩級越限相“與”的邏輯判斷方式，并在出口處設置短延時。因水輪機靜壓測點出現故障的可能性較小，故一般不設置報警和停機。對于水輪機脈動壓力、調相壓水氣罐壓力、機組軸承油管路壓力壓差、技術供水壓力壓差等，設置其越限信號輸出作用于報警，不作用于停機。對機組高壓油減載油壓，設置越限信號輸出作用于報警并延時作用于跳機。

3.3 流量保護優化

機組中的水、油等流體主要完成冷卻散熱、構建油壓的功能，系統流量異常將直接引起機組溫度、壓力等非電氣量監測值的異常變化。為提高流量保護的合理性與有效性，制定以下優化策略：

對機組技術供水冷卻水流量、機組軸承循環油路油流量、機組高壓油減載油流量，相應監測測點設置越下限信號輸出作用于報警，不宜作用于停機。對主軸密封冷卻水流量、迷宮環冷卻水流量的相應測點設置越下限信號輸出作用于報警，并延時作用于停機。

3.4 液位保護優化

抽水蓄能機組液位包括水位和油位兩部分。其中機組軸承油槽油位測點宜設置越上限和越下限信號輸出作用于報警，水輪機頂蓋水位測點宜設置越上限信號輸出作用于報警，不宜作用于停機。調速器壓力油罐油位測點、水輪機進水閥壓力油罐油位測點應設置越上限信號輸出作用于報警，設置兩級越下限信號輸出，其中一級越下限作用于報警，二級越下限作用于報警并延時停機。當元件可靠性較低時，可采用一級越限和二級越限相“與”的邏輯判斷方式，出口宜設短延時。

3.5 振動、擺度保護優化

3.5.1 振動保護優化

抽水蓄能機組運行工況轉換頻繁，振動機理復雜，振動存在隨機性與耦合性，保護設置難度大，難以及時保護和準確診斷。振動保護優化從以下幾個方面進行考慮：

（1）振動保護測點優化

抽水蓄能機組振動測點多，保護監測位點布置應按照最重要、最靈敏、最薄弱的原則選定。通常機組轉動部分的重量由推力軸承所在部位的承重機架承擔，承重機架的振動情況能及時反映出機組的運行狀態，因此將承重機架軸向振動測點作為振動保護測點之一。大軸擺度對作用在大軸上的綜合作用力較敏感，綜合作用力的變化直接造成擺度值的改變，無時間滯后性。頂蓋是機組的重要部件之一，頂蓋振動對流體壓力波動能夠敏感、實時地作出反應，頂蓋垂直和水平方向上振動量的變化最能反映機組水力參數變化造成的影響，是穩態工況和過渡工況振動保護監測的重要測點。

（2）振動保護動作判斷邏輯優化

機組振動保護動作邏輯按振動源類型分為擺度報警邏輯、機架振動報警邏輯和定子鐵心振動報警邏輯。當監測參數達到停機閾值時，都將發出停機信號。為增加振動保護的可靠性，針對振擺信號共設置了4類跳閘，如下所示：

1）任意2個振動傳感器均達到二級報警值，延時45 s。

2）任意2個擺度傳感器均達到二級報警值，延時45 s。

3）任意1個氣隙傳感器所測得的實際值低于二級報警值，延時45 s。

4）任意2個定子機架振動傳感器均達到二級報警值，延時90 s。

以上任一類的跳閘條件滿足時，經延時后便輸出動作信號作用于主跳繼電器（機械停機），同時輸出至機組控制器。

（3）振動保護定值優化

根據GB/T 11348.1～6（ISO7919）系列標準和GB/T 6075.1～6（ISO10816）系列標準，機組跳機值滿足相關技術規定即可。然而每一臺抽水蓄能發電機組從設計、新機安裝、運行和維護檢修等多個環節中，都可能產生導致機組振動狀況發生變化的因素。因此應從實際出發，結合實際經驗，與相似機組做橫向比較，獲取經驗數據，同時根據機組自身歷史運行狀態，綜合考慮，確定每臺機組振動狀況的最優保護定值。

（4）振動保護頻率選擇優化

抽水蓄能機組是流體-機械-電磁相互耦合的彈性體，振動頻率豐富，且由水力、電氣和機械方面所引起的振動頻率各不相同，常見振動頻率如表1所示，振動保護頻率選擇方案如表2所示。

表1 機組常見振動頻率

表2 振動頻率選擇方案

3.5.2 軸系空間狀態保護優化

抽水蓄能機組軸系包括發電機轉子、上導軸承、下導軸承、水導軸承、水輪機轉子等組件。機組在水力激勵條件下上導軸承、轉子中心、水導軸承和轉輪中心等處產生的振動擺度響應，電網擾動對水輪發電機組軸系的沖擊，均有可能引發機組軸系故障。為了確保抽水蓄能機組安全穩定運行，通過分析軸系空間運行狀態，進而設計合理的保護動作，以保證機組安全穩定運行。

（1）平面軸心軌跡保護

抽水蓄能機組屬于高轉速水輪發電機，軸系擺度的大小是機組能否穩定運行的重要因素之一，直接影響到機組的運行性能和品質。軸心軌跡作為軸系轉子振動狀態的一類重要圖形征兆，含有大量的信息，它能夠形象、直觀、實時地表達設備的運行情況。鑒于軸心軌跡在生產中的重要作用，應在非電氣量保護中增加對軸心軌跡的監測識別，并設計合理的保護動作。常見的軸心軌跡類型與后果如表3所示。

表3 機組常見軸心軌跡類型

（2）空間軸系狀態保護

空間軸系故障主要包括：主軸彎曲、軸系不對中、導軸承間隙過大、旋轉體質量偏心、動靜部件間碰磨、軸承支承系統剛度不足等，故障狀態分析如表4所示。

表4 軸系空間狀態分析方案

3.6 過速保護優化

為防止機組在甩負荷時導葉拒關、調速器控制失效等故障，以保證機組正常運行，一般配置有完善的過速保護。

（1）電氣過速保護

電氣過速保護通過裝設機組大軸齒盤測速和發電機機端PT測速，將測速信號送給電調柜轉速CPU計算處理。測量回路或裝置應能判斷識別信號斷線、信號越限（低限、高限）、裝置異常等故障。整定值應結合機組調節保證最大穩態和瞬態轉速規定值進行整定，當測得轉速大于保護定值時，轉速CPU輸出過速信號，機組停機。機組運行時丟失任何一路測速回路，均可發出電調故障報警；兩路丟失時，機組的反應與工況有關，同時發出電調故障報警或電調故障跳機信號。

（2）機械式過速保護

機械式過速保護應通過裝設機組大軸齒盤測速和飛擺等裝置實現，整定值應結合機組調節保證最大瞬態轉速規定值進行整定。動作后果應直接作用于調速器或球閥緊急關閉回路，同時輸出電氣接點至機組LCU作用于報警和緊急事故停機。

4 結語

抽水蓄能電站非電氣量保護作為電廠機組保護系統的重要組成部分，對維護設備安全，提高機組運行穩定性具有關鍵性影響?？紤]到其保護對象的廣泛性，測點設置的零散性與多樣性，抽水蓄能電站非電氣量保護是一項繁鎖復雜的工作。本文從現有非電氣量保護控制邏輯不足之處入手，通過對判斷邏輯、保護定值、保護動作的分析，分別對溫度、壓力、流量等非電氣量保護控制邏輯進行優化，使監測參數更加真實，機組動作更加合理，保護策略更加完善，對抽水蓄能電站機組的穩定安全運行具有十分重要的意義。

5 解決方法

將PLC軟件的控制脈沖頻率參數減為合適的值，即對緩沖存儲器BFM#20和#19運行速度設置為10 000，此時，經計算，在事故停機的情況下，所需要的時間是222 ms，遠遠大PLC的掃描周期，同時選擇合適的PID參數，順利通過甩負荷試驗，至今調速器工作正常，運行良好。

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TV743

A

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10.13599/j.cnki.11-5130.2017.04.009

2016-07-12

楊洪濤（1968-），男，教授級高級工程師，從事抽水蓄能電站建設管理工作。