水電站機組LCU控制流程設計及實施

吳正良 吳衛明 宋宏進

摘? 要：簡要地介紹了計算機監控系統機組LCU配置和結構，對機組LCU控制流程設計進行了比較詳細的說明。機組控制流程設計以安全、可靠、合理、操作方便為原則，除設計了開機、停機、緊急事故停機、一般事故停機等常規控制流程外，為了使機組試驗過程中達到不同的運行狀態，增設了冷備用空轉、空載開機、熱備用空轉、空載開機等多種試驗控制流程。試驗控制流程的設計簡化了操作步驟，減輕了值班人員的工作強度，對于防止誤操作的發生也起到一定作用。

關鍵詞：配置? 結構? 控制流程? 設計

中圖分類號：TV736 ? ?文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2020）01（b）-0030-04

Abstract： This paper briefly introduces the configuration and structure of the computer supervisory control system unit LCU， and makes a detailed introduction to the control flow design of the unit LCU. The control flow design of the unit is based on the principles of safety， reliability， reasonableness and convenience of operation. In addition to the general control flow， such as start-up， shutdown， emergency shutdown and general accident shutdown， cold standby idling， no-load startup， hot standby idling and no-load idling are added in order to achieve different operation conditions during the unit test. A variety of test processes such as loading and starting. The design of the test control flow simplifies the operation steps， reduces the working intensity of the personnel on duty， and plays a certain role in preventing the occurrence of misoperation. The LCU configuration and structure of the unit are briefly introduced， and the design of the control flow of the unit is introduced in detail. The control flow of the unit is designed according to the principle of safety， reliability， rationality and convenience of operation. Besides the general control flow such as start-up and shutdown， a variety of test flow are added in order to make the unit run in different states during the test. The design of the test control flow simplifies the operation steps， reduces the working intensity of the personnel on duty， and plays a certain role in preventing the occurrence of misoperation.

Key Words： Configuration; Structure; Control flow; Design

某水電站安裝有9臺混流式水輪發電機組，總裝機容量為850MW（8×95MW+1×90MW），擔負華東電網調頻、調峰、事故備用的任務。水輪發電機組為懸吊式結構，布置有推力軸承、上導軸承、水導軸承。機組技術供水采取本機蝸殼自流供水，引自上庫的壩前引水供水作為備用。水導軸承為水潤滑彈性塑料軸瓦，潤滑冷卻水采用主、備用雙路供水。電氣部分采用三機一變擴大單元接線。電站計算機監控系統改造后采用安德里茨NEPTUN系統，不但對硬件系統進行了全面的提升，而且根據該電站方設計編寫的機組控制流程對主、輔設備增設了多種遠方控制和試驗功能，方便了運行人員的操作。

1? 機組LCU配置

LCU具有控制、調節操作和監視功能，配備人機觸摸屏，當與上位機系統脫機時，仍具有必要的監視和控制功能。主要由控制器、模擬量和開關量I/O模塊、同期裝置、轉速測量裝置、現地人機接口設備等構成[1]。改造后主要配置如下。

（1）主控制器（主PLC）選用西門子AK1703 ACP智能自動控制裝置。該裝置采用多處理器體系結構，除了冗余的中央CPU處理器外，每個I/O模板還帶有CPU芯片，從而提升系統的整體可靠性與可用性。

（2）急停PLC選用西門子TM1703mis。LCU設置單獨水機保護PLC，采用獨立于主PLC的交、直流工作電源，為機組提供水機冗余保護，安全性能提高[2]。急停PLC主要完成事故緊急停機（落快速閘門）、電氣事故啟動緊急停機和緊急停機按鈕啟動緊急停機等水機保護。

（3）人機接口設備。LCU人機接口單元選用研華PPC-174T 17"液晶觸摸屏。觸摸屏可實現現地實時監視設備運行狀態、運行參數以及完成機組開停機、發電機出口開關和輔助設備等操作。

（4）同期裝置。裝設一套SID-2SA微機同期裝置外和一套SID-2SL-A型微機多功能同步表。

（5）測速裝置。配有一臺CIP21微機測速裝置。該裝置可輸出10路開關量和1路模擬量信號。測速裝置輸出兩路140%nH過速定值，各分別輸入主控制器和急停PLC，實現機組可靠地過速保護。

2? 機組LCU結構

現地LCU以西門子AK1703 ACP控制器為核心和TM1703mis緊停PLC及相應通信設備構成。AK1703 ACP控制器雙CPU通過冗余配置的LCU交換機分別連接于電站以太網，緊停PLC通過其中一個LCU交換機連接于電站以太網。LCU同現場設備之間信息交換采用兩種方式。

方式一，利用LCU的輸入、輸出模塊以硬接線的方式同現場設備交換信息，如勵磁裝置、油壓裝置、油水氣系統電控閥、自動濾水器、電動排水閥、快速閘門控制等。

方式二，電氣保護動作信號通過串口通信方式傳輸，采用IEC60870-103協議;調速器除方式一的硬接線外，還通過串口通信方式交換信息，采用Modubs協議。在調速器功率模式投入情況下，上位機系統數字功率給定通過通信方式下發給調速器，而開度模式運行時，LCU則下發脈沖信號，來完成有功功率的調節。

3? 控制流程設計

機組控制流程實現以下控制目標：（1）通過執行機組工況轉換流程，控制機組相關設備按照生產工藝要求順序操作;（2）通過執行各系統設備控制邏輯，一方面接收機組工況轉換流程發出的控制命令實現設備的順序控制，另一方面通過設備狀態判斷實現設備故障或緊急情況下的啟停、切換、報警和跳閘操作;（3）通過執行各系統設備控制邏輯，實現各個設備之間的安全閉鎖和操作配合[3]。根據上述控制目標，機組控制流程除設計編寫了一般控制流程外，另外設計編寫了多種試驗控制流程。一般控制流程有停機至發電、發電至調相、調相至發電、發電至停機、緊急事故停機（落快速閘門）、一般事故停機、發電機開關及閘刀控制、勵磁方式切換操作、調速器運行模式切換操作、輔助設備操作等流程。試驗控制流程有停機至空轉開機、停機至空載開機、空轉至空載、空載至空轉、空載至發電（并網）、發電至空轉（解列）、本機零升開機、對主變零升開機、同期假并車等流程。以下對部分控制流程做具體介紹。

3.1? 停機至發電開機流程

停機至發電開機控制流程是機組從熱備用啟動到并網發電的過程，具體如圖1所示。第1步：判斷開機條件，需滿足以下條件：快速閘門全開、無電氣事故、無水機事故、勵磁A、B套無故障、風閘回路無風壓、風閘下落、接力器鎖錠拔出、緊急停機電磁閥復歸、發電機開關分閘、發電機開關內側地刀分閘、發電機開關外側地刀分閘、1號壓變閘刀合閘、2號壓變閘刀合閘、消弧線圈閘刀合閘、滅磁開關合閘、發電機閘刀合閘。當機組停機備用狀態開機條件不滿足時，發報警信號并亮光字，提醒運行人員開機條件不滿足，需進行檢查并排除故障。第2步：投總冷卻水，需推力、上導、水導冷卻器均有冷卻水。投總冷卻水的同時，投入水導備用水，因為水導軸承為水潤滑水冷卻軸承，投雙路供水目的為了縮短開機時間，當機組轉速至90%n時，水導備用水退出。第3步：經開機延時，啟動調速器開機。第4步：轉速到90%nH，建壓令送勵磁裝置，升壓至額定。第5步：同期并網，同期裝置退出分3種情況：發電機開關同期合閘后延時10s退出;發電機開關合不上延時6min自動退出;上位機發“撤同期令”退出。發電機開關合閘后自動增有功3MW，防止合閘后可能的短時逆向有功。

3.2 停機流程

按發電態→空載態→空轉態→停機態控制。第1步：減有功、無功;第2步：發電機開關跳開;第3步：發停機令到勵磁撤壓到空轉。第4步：發停機令到調速器導葉關閉的步序進行。

其中停機跳發電機開關判斷條件為：當無功功率Q≤|5|Mvar和導葉空載同時滿足或者無功功率Q≤|5|Mvar和有功功率P≤5MW同時滿足，跳開發電機開關。增設有功功率P≤5MW的條件是為了防止導葉關至空載位置時導葉位置開關不能接通導致發電機開關跳不開的情況發生。

3.3 水機保護跳閘流程

（1）防水淹廠房保護。

在蝸殼層廊道左、右岸設置二套水位信號裝置作用于報警，每臺機另設置了二套防水淹廠房保護水位信號裝置。每套防水淹廠房保護水位信號裝置低水位接點同時動作通過硬接線作用于落快速閘門，高低水位接點同時動作通過LCU作用于機組緊急事故停機。

（2）電氣過速保護。

電氣測速裝置140%nH動作、電氣測速裝置無故障、導水葉打開、電氣過速保護出口軟壓板放上，以上4個條件滿足動作緊急事故停機，落下快速閘門，投入調速器緊急停機電磁閥。

（3）調速系統事故低油壓保護。

備用壓油泵啟動壓力開關動作、低油壓壓力開關動作、事故低油壓保護出口軟壓板放上，以上3個條件滿足動作緊急事故停機，跳發電機開關，落下快速閘門，投入調速器緊急停機電磁閥。

（4）調速系統事故低油位保護。

壓油槽低油位報警液位開關動作、壓油槽低油位跳閘液位開關動作、事故低油位保護出口軟壓板放上，以上3個條件滿足動作緊急事故停機，跳發電機開關，落下快速閘門，投入調速器緊急停機電磁閥。

（5）水機保護其他跳閘流程。

其他跳閘流程有機械過速、主配發卡115%nH過速、振擺過大、軸承溫度過高、水導潤滑水中斷、機組火警保護和急停按鈕動作。

3.4 發電機開關、閘刀控制流程

發電機開關除同期合閘、正常分閘外，另外設有檢修合、分閘控制流程;發電機閘刀控制也類似發電機開關設有檢修合、分閘控制流程。檢修合、分閘控制流程方便發電機開關、閘刀檢修后的模擬試驗操作。

3.5 其他設備控制流程

上位機分別設勵磁方式切換、PSS投退和調速器運行模式切換、孤網方式投退、蝸殼排水閥、尾水管排水閥、總冷卻水電控閥及水導備用水電控閥控制功能，分別對應編寫了不同的控制流程?？焖匍l門的提門、落門在機旁設有硬接線控制按紐，另外在上位機設有提門、落門控制功能，并在中控室設緊急落快速閘門和緊急停機硬接線按鈕[5]。多個回路控制快速閘門下落，在機組異常和水淹廠房等緊急情況下使用。

3.6 試驗流程

（1）停機至空轉或停機至空載開機。

停機至空轉開機流程是機組冷（熱）備用開機至空轉狀態;停機至空載開機流程是機組冷（熱）備用開機至空載狀態。4種開機方式控制流程的區別在于設計不同的開機條件。機組檢修后，根據檢修人員對機組狀態的要求，發出不同的操作命令，機組開機后進入空轉或空載狀態（見圖2）。

（2）空轉至空載、空載至空轉、空載至發電（并網）、發電至空轉（解列）。

空轉至空載、空載至空轉、空載至發電（并網）、發電至空轉（解列）控制流程設計使機組可以在不同的工況之間進行轉換，分別設有相對應的操作命令，發出不同的操作命令，實現機組各工況轉換（見圖2）。

（3）空載同期假并車。

同期假并車流程，用于同期電壓回路核相后，發電機開關假并車試驗。主要條件是發電機閘刀分閘，見圖2。

（4）本機零升開機、對主變零升開機。

本機零升開機流程是機組從冷備用開機至10%額定電壓狀態。其中開機條件與正常開機條件部分相同外，另增加“勵磁方式手動”和“零升軟壓板放上（零升令送勵磁裝置，電壓給定值置最?。睏l件。開機后機組電壓升至10%額定狀態，再根據試驗要求遞增電壓。本機零升開機方式常用于發電機空載特性試驗、短路特性試驗、機組電容電流測試，機組A、B級大修后的首次升壓（見圖3）。

對主變零升開機流程是機組從熱備用開機至10%額定電壓狀態，主變電壓同步升壓到10%額定電壓。擴大單元電氣接線見圖4。開機條件與正常開機條件部分相同外，另增設勵磁方式手動、零升軟壓板放上、本單元其余二臺機發電機開關分、廠變高壓開關分閘或廠變低壓側分段開關分閘、配變低壓開關分閘、13.8kV單元母線電壓小于5%額定電壓、主變中性點閘刀合上、主變開關分閘、主變正母閘刀分閘、主變副母閘刀分閘條件。當機組轉速升至90%額定轉速，發電機開關自動合上，在機組建壓至10%額定電壓的同時，主變電壓也升至10%額定電壓。根據試驗要求由上位機單步遞增機組電壓至額定，主變電壓隨之到額度電壓。主變零升開機方式常用于主變檢修后的首次升壓，機組同期回路核相等試驗。

4? 結語

某水電廠計算機監控系統改造，不但對機組LCU硬件部分進行升級，而且對控制流程進行了優化和增設，優化后控制流程更加合理，也是對以往運行、操作過程中存在問題的改進。尤其是試驗控制流程設計，方便了運行操作，改變以往單步操作的項目，優化為程序操作，減少了運行人員誤操作的幾率，它必將對安全生產起到一定的作用。

參考文獻

[1] 鄧小剛，張煦，劉曉鵬，等.H9000與西門子PLC在水電廠監控系統的應用[J].水電站機電技術，2016（3）：15-17.

[2] 段文華，束炳芳，俞鴻飛.緊水灘電廠計算機監控系統改造方案的設計與實現[J].水電站機電技術，2017（11）：39-41.

[3] 彭煜明.清遠抽水蓄能電站機組控制程序總體設計[J].水電與抽水蓄能，2017（5）：50-52.

[4] 張捷，楊春霞，李天毅，等.H9000 LCU程序標準化的設計與實現[A].中國水力發電工程學會信息化專委會.中國水力發電工程學會水電控制設備專委會·2015年學術交流會論文集[C].2015.

[5] 李伶，張鵬.溪洛渡水電站機組緊急停機回路的設計簡介[A].中國水力發電工程學會信息化專委會.中國水力發電工程學會水電控制設備專委會·2015年學術交流會論文集[C].2015.