水輪發電機電氣事故停機流程可靠啟動研究

向 歡，劉智文，吳 輝，楊丹丹

（1.武凌電力有限公司三板溪水電廠，貴州 錦屏 556700；2.湖南省水電智慧化工程技術研究中心，湖南 長沙 410004）

0 引言

電氣事故停機流程是每個水電廠必備的保護措施，當發生電氣事故時，由于會在極短時間內造成對機組的巨大傷害，為防止事故擴大，需要在水電廠設置電氣事故停機流程，將機組與系統迅速解列，保護機組設備的安全。常見的電氣事故停機信號包括發電機差動保護動作、發電機橫差保護動作、主變重瓦斯保護動作等。

三板溪電廠的計算機監控系統上位機是北京中水科水電科技開發有限公司的H9000 V4.0系統，下位機監控主PLC用于機組的數據采集、順控流程控制等功能，PLC的順控流程控制包括正常情況下的機組啟停、機械事故或電氣事故的停機、緊急事故停機等，下位機水機保護PLC獨立于主PLC，采集水機保護動作信號，通常為緊急事故停機保護信號，作為主PLC緊急事故停機的后備保護。下位機監控主PLC和水機PLC均為國外知名品牌，主PLC加載程序后掃描周期為80～140 ms，水機PLC加載程序后掃描周期為10～25 ms，保護裝置是國內知名品牌，保護動作時間通常為20～60 ms，當發電機保護或主變保護動作后，均由保護裝置的出口繼電器送至監控系統下位機PLC，用于啟動電氣事故停機流程。

1 事件描述

2019年9月16日，三板溪水電站2號機組在開機調試過程中，實際進行“并網狀態下發電機差動保護動作試驗”（并網之前在2號發電機保護A柜用專用短接線短接機端電流互感器二次側A、B相端子，模擬發電機A/B相間故障），當發電機保護A套差動保護動作后，發電機保護A套跳發電機出口開關802，跳開滅磁開關，機組由發電轉空轉，監控系統未啟動電氣事故停機流程。此次發電機差動保護動作時間為68 ms。

2 原因分析

三板溪電廠機組監控系統PLC配置的電氣事故停機包括A套發電機保護動作停機，B套發電機保護動作停機，A套主變保護動作停機，B套主變保護動作停機，水機保護中未配置電氣事故停機。當監控PLC程序中斷量“A套發電機保護動作停機”X32_10動作或B套發電機保護動作停機X33_23動作或A套主變保護動作停機X35_21動作或B套主變保護動作停機X36_12動作時，將觸發“電氣事故停機”XD_08動作且自保持，隨后“電氣事故停機”DQSG_TJ動作，進而觸發事故停機流程，直至機組停機態動作。

因監控系統PLC的掃描周期為85 ms，而發電機保護差動保護動作信號只有68 ms，并且保護動作信號經保護裝置出口送至監控系統，啟動電氣事故停機流程，需要一定時間，有可能在差動保護動作信號保持的短時間內，監控系統PLC未掃描到該信號，導致無法正常啟動電氣事故停機流程。

11月20日，在2號機組停機狀態下，專業人員用繼電保護儀給保護裝置加電壓電流量，并對動作時間進行了分段測試，再次對2號機組模擬差動保護動作試驗，進行電氣事故停機試驗，測試結果如表1所示。

表1 2號機組模擬差動保護動作試驗結果

通過表1的試驗數據分析可以得出：

（1）當發電機差動保護動作停機信號保持時間小于當前運行CPU的掃描周期時，就可能會出現計算機監控系統因未能掃描到發電機保護動作信號，而導致未能正常啟動電氣事故停機流程，保持時間越短，啟動電氣事故停機流程的概率越小。

（2）當發電差動保護動作停機信號保持時間大于當前運行CPU掃描周期時，啟動電氣事故停機流程的概率越大，并且發電機差動保護動作停機信號至少為當前運行CPU 2倍完整掃描周期以上時，才能確保電氣事故停機流程能夠正常啟動。

3 處理方案及試驗驗證

3.1 將保護動作信號接入水機保護PLC（施耐德M580），擴展后反送至主PLC

將發電機保護A套、發電機保護B套、主變保護A套、主變保護B套動作停機出口接點送至水機保護PLC，水機保護PLC通過脈寬為500 ms的信號返送至機組LCU主PLC。

3.2 選擇性能優異的PLC

因PLC的掃描周期主要是受限于掃描速度和程序的長短，因此可通過選用高速CPU的PLC，提高掃描速度，或優化程序長度，選擇分支或跳步程序，減少主程序執行時間。

為驗證選用高速PLC的可行性，采用昆騰140CPU67160與子站環網運行測試數據，與施耐德M580（BME -H58-4040）帶昆騰I/O運行狀態下進行對比分析。具體試驗方法及步驟如下：

（1） 將繼電保護測試儀R.OUT開關量輸出端接入2號機A套發電機保護動作停機信號端子。

圖1 水機PLC采集保護動作停機信號

圖2 水機PLC與主PLC通信

圖3 主PLC的電氣事故停機流程

圖4 電氣事故停機監控系統報警

（2）將施耐德M580 CPU與現有昆騰I/0子站形成環網運行，將2號機組LCU程序載入。

（3）打開繼電保護測試儀“時間測量”，設置“保持時間”，用于開出15～200 ms脈寬信號。

（4）觀察并記錄監控系統LCU程序中電氣事故停機流程動作情況、上位機中斷量報警信息。

（5）恢復施耐德昆騰140CPU67160與子站環網運行，重復（3）、（4）試驗步驟，測試數據與施耐德M580 CPU進行對比分析。

施耐德M580 加載程序后程序掃描周期為10 ms，分別輸入15 ms、20 ms、23 ms、30 ms、40 ms五個脈寬信號，模擬2號機發電機A套保護動作停機信號，各動作10次，其中輸入20 ms脈寬信號時，M580 CPU出現4次動作信號漏掃，導致電氣事故停機流程未啟動。輸入25 ms、30 ms、40 ms脈寬信號時，電氣事故停機流程30次全部可靠啟動。試驗數據如表2所示：

表2 施耐德M580（BME H58 4040）試驗結果

施耐德昆騰140CPU67160當前掃描周期為85 ms。分別輸入15 ms、20 ms、25 ms、30 ms、70 ms、100 ms、155 ms、175 ms、200 ms 9個脈寬信號，各動作10次，其中輸入15 ms、20 ms、25 ms、30 ms、70 ms脈寬信號時，電氣事故停機流程全部未啟動。輸入100 ms、155 ms脈寬信號時，共出現12次未啟動。輸入175 ms、200 ms脈寬信號時，共20次全部可靠啟動。試驗數據如表3所示：

根據兩組試驗數據對比分析可得，2號機發電機A套保護動作停機信號脈寬至少為運行CPU 2倍完整掃描周期以上時，方能在流程控制程序中可靠啟動電氣事故停機流程。三板溪電廠機組實際運行過程中電氣事故停機啟動信號脈寬在60～100 ms之間。

施耐德昆騰140CPU67160當前完整掃描周期為85 ms，動作停機信號脈寬至少為170 ms才能可靠啟動流程。施耐德M580 CPU當前掃描周期為10 ms，動作信號脈寬大于20 ms時，就能在流程控制程序中可靠啟動停機流程。綜上所述，施耐德昆騰140CPU67160（三板溪電廠監控LCU在運CPU）不滿足電氣事故停機流程可靠啟動技術要求，施耐德M580 CPU（BME H58 4040）滿足現場要求。由表2中的結果可以看出選擇高性能的PLC，能夠可靠啟動電氣事故停機流程。

3.3 保護裝置停機出口信號展寬

將保護裝置停機繼電器節點設置為具有延時返回功能，延長“保護信號脈寬”，實際將保護裝置關導水葉/關主汽門出口均設置展寬至300 ms。確保停機出口信號脈寬大于監控系統PLC的2倍掃描周期。

為驗證停機出口信號展寬至2倍掃描周期后電氣事故停機流程可靠啟動可行性，開展如下試驗。修改保護裝置配置，將差動保護動作信號延長至150 ms、180 ms、250 ms、300 ms進行試驗，試驗結果如表4所示：

根據試驗結果分析可得，將停機出口信號展寬至PLC程序2倍掃描周期后，電氣事故停機流程全部可靠啟動。2倍掃描周期以下PLC出現程序漏掃。為保證停機流程可靠啟動，實際運行中將保護裝置關導水葉/關主汽門出口設置展寬至300 ms。

4 結論

水電廠發電機保護和主變保護動作信號，均經保護裝置停機出口送至監控系統PLC，從而啟動電氣事故停機流程。由于保護裝置出口繼電器均為瞬時返回接點，且故障切除時間一般為20～60 ms，而監控系統PLC的掃描周期通常在1～100 ms，存在監控系統PLC掃描不到動作停機信號，導致無法啟動電氣事故停機流程。本文根據電廠的實際情況，提出了3種解決方案，方案1為將保護動作信號接入水機保護PLC（施耐德M580），擴展后反送至主PLC。方案2為選擇性能優異的PLC。方案3為保護裝置停機出口信號展寬。根據電廠實際和方案經濟性，三板溪電廠同時采用方案1和方案3以解決此問題，經試驗及生產運行驗證，3種方案均能可靠啟動電氣事故停機流程，保障機組的安全穩定運行。其中方案2適合在新建電廠或更新改造電廠中應用，方案1和方案3適合于在運電廠中應用。