跳閘矩陣在水電站機組緊急停機流程中的應用

李天毅，楊春霞，張 捷，鄧子夜

（北京中水科水電科技開發有限公司，北京 100038）

伴隨著水電行業的迅猛發展，水電已成為我國電能結構中重要的組成部分。保證水電站發電機組的安全穩定運行，不僅關系到發電機組自身的設備安全，更關系到電網的穩定運行。為防止水電站發電機組發生重大事故，水電站計算機監控系統為每一臺機組配置有PLC緊急停機流程和水機后備保護回路，以保證發電機組在發生事故時能可靠停運至安全狀態。水電站發生事故往往是突發的，運行人員如何在極短的時間內判定出發生事故的原因并妥善處理事故，盡快解除對人和設備的威脅，限制事故的擴大，是至關重要的一環。運行人員要判定事故原因，一般需要先查看報警光字牌、查閱事件記錄、事故追憶記錄，以及相關的監控系統畫面，再進行綜合分析判斷。以上分析判斷過程關注點較多，信息繁雜，并且事故發生后有大量的事件信息上送到監控系統，均會干擾運行人員的判斷分析。本文提出利用跳閘矩陣來組織水電站發電機組緊急停機條件，能幫助運行人員從繁雜的信息中明確重要信息，簡化分析過程。運行人員僅需查看跳閘矩陣信號動作情況，就能明晰機組緊急事故停機的原因，再通過查看監控系統畫面和事件記錄，進一步確認事故原因。

1 跳閘矩陣的定義

一般而言，所謂矩陣（Matrix）就是一個按照長方陣列排列的復數或實數集合，在括號內排列成m行n列（橫的稱行，縱的稱列）的一個數表，并稱它為m×n矩陣。

矩陣通常用大寫字母A、B…來表示，例如一個m行n列的矩陣可以簡記為：A=(aij)。如圖1所示。

圖1 矩陣表達式

矩陣是高等數學中的常見工具，也常見于統計分析等應用數學學科中，在電力繼電保護系統中應用的跳閘矩陣（Trip Matrix）也是對矩陣的一種推廣應用。文中所使用的跳閘矩陣概念是在繼電保護跳閘矩陣的概念基礎上進行了個性化的定義，即：將機組緊急停機觸發條件定義為行，緊急停機流程定義為列，行與列之間邏輯關系采用跳閘矩陣控制字來整定。

以某水電站機組緊急停機流程為例進行說明，機組緊急停機流程分為：機械事故停機流程（86M）、電氣事故停機流程（86E）、液壓事故停機流程（86H）、解列機組至空載流程（94PE）和解列機組至空轉流程（94PD）共5個緊急停機流程。按照跳閘矩陣的概念定義，以機組緊急停機觸發條件為行，緊急停機流程為列，所形成的跳閘矩陣如下表1所示。

表1 跳閘矩陣形式

表1 定義了一個256×16矩陣，在縱向有256個緊急停機觸發條件輸入，橫向有16個緊急停機流程的啟動信號輸出。行列交叉處的元素aij是跳閘矩陣控制字變量，用“1”或“0”表示，即：“1”表示當前緊急停機觸發條件啟動對應的緊急事故停機流程，“0”表示當前緊急停機觸發條件不啟動對應的緊急事故停機流程。將跳閘矩陣每一個緊急停機觸發條件所對應的橫向16個元素aij(j=1,2,3,…,16)按從左至右的順序轉換生成1個字，共可生成256個字，統稱為跳閘矩陣控制字。由此可知，跳閘矩陣控制字與矩陣元素aij之間有一一對應的關系，通過修改跳閘矩陣控制字值能間接修改矩陣元素aij值，進而改變緊急停機條件與緊急停機流程之間的邏輯關系。

2 跳閘矩陣的實現

上文提到的某水電站監控系統將全面采用中水科技最新開發的iP9000 V6.0計算機監控系統，LCU現地控制單元采用施耐德M580系列PLC作為機組自動控制和信號監視的主控制器。緊急停機流程的跳閘矩陣將全功能地運行在PLC中，并將相關信息上送到監控系統，以供運行人員監視。在iP9000監控系統中顯示的跳閘矩陣界面如圖2所示。

圖2 iP9000計算機監控系統中機組跳閘矩陣

2.1 跳閘矩陣功能實現

將發電機組的緊急停機流程觸發條件跳閘矩陣（Trip Matrix）全部功能都放到現地LCU單元執行，可以有效提高啟動緊急停機流程的實時性。只要緊急停機觸發條件動作后，跳閘矩陣邏輯運算單元可在PLC的1個掃描周期內識別并處理完成，啟動對應的緊急事故停機流程，從而保證發電機組在極短時間內可靠停運至安全狀態。在PLC中運行的跳閘矩陣程序流程圖如圖3所示。

在圖3中，緊急事故停機的觸發條件可來自現場傳感器經PLC輸入模塊輸入，也可以是PLC內部的邏輯運算產生的緊急停機觸發條件。無論緊急停機觸發條件是何種來源，緊急停機觸發條件都要先經過數據預處理函數處理后，再送入下一級的跳閘矩陣邏輯運算單元進行計算，得出啟動緊急停機流程的邏輯值。為保證跳閘矩陣對緊急停機流程有絕對的控制權，在緊急停機流程的控制程序中，僅保留跳閘矩陣作為緊急停機流程啟動控制的唯一條件。

圖3 跳閘矩陣程序流程圖

跳閘矩陣邏輯運算單元設置了256個緊急停機觸發條件輸入和16個緊急停機流程的啟動信號輸出。對每個輸入都需要設定好對應的跳閘矩陣控制字、前置條件和前置條件有效標志位，經跳閘矩陣數據預處理函數進行預處理后，再把數據導入內部計算。跳閘矩陣控制字是緊急停機觸發條件與緊急停機流程之間關系的邏輯整定值，為保證機組安全穩定運行，現在僅允許用直接賦值方式將跳閘矩陣控制字寫入跳閘矩陣數據預處理函數。前置條件是緊急停機觸發條件的內部閉鎖條件，只有當前置條件滿足時，緊急停機觸發條件才有效。而前置條件有效標志位則可打破這一規則，當前置條件有效標志位等于“0”時，數據預處理函數將解除內部閉鎖，緊急停機觸發條件一直有效。

跳閘矩陣邏輯運算單元還具備控制字信息輸出、跳閘信息輸出和統計信息輸出功能。這些數據在PLC中打包處理后，上送到監控系統供跳閘矩陣組態顯示使用。

2.2 監控系統跳閘矩陣顯示

iP9000 V6.0計算機監控系統是面向對象開發的智能一體化平臺，支持設備的圖-模-庫一體化功能，要在監控系統中配置和顯示跳閘矩陣，需用到iP9000配套的DETOOL、IPM和OIX軟件。在iP9000監控系統中，配置顯示跳閘矩陣的步驟如下：

2.2.1 添加數據庫點

打開DETOOL數據庫配置軟件，添加PLC上送的跳閘矩陣數據點表。如圖4所示。

圖4 在DETOOL中添加跳閘矩陣數據點對象

2.2.2 添加跳閘矩陣對象、配置參數

打開DETOOL數據庫配置軟件，在機組節點下增加跳閘矩陣對象，并選用跳閘矩陣對象模板添加子對象，填寫配置參數。如圖5所示。

圖5 在DETOOL中添加跳閘矩陣對象

2.2.3 增加圖元、連接對象實例

打開IPM圖形編輯軟件，在畫面上添加圖元，連接到跳閘矩陣對象。

2.2.4 顯示跳閘矩陣

打開OIX人機交互軟件，打開畫面后點擊跳閘矩陣圖元，即可見到如圖2的界面。

3 結束語

文中使用跳閘矩陣控制和顯示水電站緊急停機觸發條件和緊急停機流程之間的邏輯關系，不僅可以把緊急停機觸發條件可視化地顯示出來，也能通過修改跳閘矩陣控制字來改變緊急停機流程啟動邏輯。在此功能基礎上，還能進一步的擴展功能，比如在LCU現地控制柜上配置壓板，以壓板的投入/退出來改變跳閘矩陣控制字，進而實現單個緊急停機觸發條件的投入/退出功能。抑或是增加監控系統與PLC之間的跳閘矩陣控制字交互功能，運行人員采用設值方式（或勾選）來修改跳閘矩陣控制字，進而改變緊急停機流程的啟動邏輯。以上兩種方式均能增加跳閘矩陣控制功能的靈活性。