機組現(xiàn)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(fā)電有限責(zé)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(tǒng)、地下廠房和開關(guān)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(wǎng)中承擔(dān)調(diào)峰填谷、調(diào)頻調(diào)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(wǎng)，日發(fā)電量600萬kW·h，年發(fā)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(wǎng)的不斷壯大，電力需求峰谷差日益增加，如何采用合理的調(diào)峰填谷方式來保證電網(wǎng)的安全經(jīng)濟(jì)運行，避免電網(wǎng)遭受重大的損失應(yīng)是首先考慮的問題[1]。因此，本文就機組現(xiàn)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(chǎn)生的影響進(jìn)行分析，并提出了相應(yīng)的對策。

1 電廠監(jiān)控系統(tǒng)及機組現(xiàn)地控制單元簡介

桐柏抽水蓄能電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)(簡稱CSCS)采用VATECHSAT計算機監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)應(yīng)用于電站的控制、調(diào)節(jié)、設(shè)備運行信息采集和傳輸、監(jiān)視、報表生成等?，F(xiàn)地控制層設(shè)有LCU1～LCU9共9套現(xiàn)地控制單元,分別對廠房機組、公用設(shè)備、500kV系統(tǒng)設(shè)備、上/下庫設(shè)備以及通訊工作站實現(xiàn)現(xiàn)地控制。

機組現(xiàn)地控制單元(簡稱機組LCU)監(jiān)控范圍包括:機組-主變單元的水泵/水輪機、發(fā)電/電動機、主變及機組附屬輔助設(shè)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(jiān)視、控制、調(diào)節(jié)和報警等功能，由下面五個部分組成。

(1)發(fā)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(fā)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(fā)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(fā)電機層LCU柜的AK1703通信。

(4)機組附屬設(shè)備控制器。有3個AMC1703控制器:調(diào)速器油系統(tǒng)GOS調(diào)速器控制器、球閥系統(tǒng)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(fā)電機層LCU柜AK1703通信。

(5)調(diào)速器TM1703控制器、機組/主變單元電氣保護(hù)PLC控制器和機組勵磁系統(tǒng)PLC控制器，直接與位于發(fā)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(shè)備現(xiàn)地控制單元LCU5協(xié)調(diào)配合，完成機組的工況變換；而機組附屬設(shè)備本身的功能及保護(hù)系統(tǒng)的完成由本身PLC及控制系統(tǒng)完成，機組LCU與這些設(shè)備只是相關(guān)的命令和數(shù)據(jù)傳輸。具體關(guān)系見圖1。

圖1 機組現(xiàn)地控制單元LCU組成

機組LCU硬件設(shè)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(yīng)的數(shù)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(fù)責(zé)對系統(tǒng)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(zhí)行及與相應(yīng)設(shè)備的通信。機組現(xiàn)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(tǒng)不會產(chǎn)生任何影響。

2 機組現(xiàn)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(fā)電開機過程中LCU1內(nèi)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(fā)令無法執(zhí)行，經(jīng)網(wǎng)調(diào)同意換開4號機，1號機由現(xiàn)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(guān)輔助設(shè)備如調(diào)速器、勵磁等通訊中斷，1、2號機電氣連接未中斷，上位機發(fā)令現(xiàn)場無響應(yīng)，1號機未及時轉(zhuǎn)停機，導(dǎo)致2號機事故停機，2號機低頻過流保護(hù)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(wǎng)卡模塊負(fù)責(zé)與監(jiān)控和相應(yīng)輔助設(shè)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(fā)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(fā)現(xiàn)，C2、C4切換時通過網(wǎng)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(jié)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(wǎng)卡緩存較小，當(dāng)數(shù)據(jù)量過大時就會引起網(wǎng)卡工作負(fù)荷加大，甚至造成信息堵塞。此時系統(tǒng)自帶的診斷程序發(fā)現(xiàn)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(xié)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(nèi)LCU與外界的通訊已經(jīng)中斷了，這就造成了某些通訊量無法向外發(fā)送，也無法接收其它系統(tǒng)通訊過來的數(shù)據(jù)，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(fā)的相應(yīng)指令無法執(zhí)行，同時現(xiàn)場的實際信號無法得到反饋，機組在遠(yuǎn)方處于不可控狀態(tài)。只有通過現(xiàn)場人員的手動干預(yù)方可讓機組進(jìn)入安全狀態(tài)，這對于目前無人值班的電站來講危害性巨大。

4 機組現(xiàn)地控制單元LCU切換不成功對機組的影響

4.1 發(fā)電工況

(1)一種是LCU在機組并網(wǎng)前死機，但機組還是正常并網(wǎng)，多數(shù)是在上位機一定時間沒有收到相關(guān)機組運行信號后，去現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)上位機和實際信號指示不對應(yīng)，有功已達(dá)到默認(rèn)值，此時上位機發(fā)停機令已無法執(zhí)行，確認(rèn)LCU切換不成功，其實這時機組CPU還是正常運行，只是網(wǎng)卡通訊故障，使相關(guān)信號不能正常通訊?？紤]到此后上位機不能準(zhǔn)確掌握機組運行情況，往往是申請換機，現(xiàn)場手動減負(fù)荷后按快速停機按鈕實現(xiàn)手動停機，再由現(xiàn)場監(jiān)視停機過程，當(dāng)然這個監(jiān)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(zhuǎn)速、球閥、導(dǎo)葉關(guān)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(fù)正常[3]。如果機組在發(fā)電工況穩(wěn)定運行或發(fā)電停機前出現(xiàn)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(wǎng)，可能有啟動流程條件不滿足或其他報警信號導(dǎo)致機組轉(zhuǎn)停機，此時上位機沒有任何信號，等發(fā)現(xiàn)可能LCU切換不成功后，其實機組已經(jīng)在走停機流程，再通知現(xiàn)場檢查機組運行情況就比較被動，更麻煩的是在機組轉(zhuǎn)停機后還不清楚什么原因?qū)е聶C組轉(zhuǎn)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(jiān)視停機過程正常。

4.2 抽水工況

抽水情況基本上和發(fā)電時一樣，只是考慮到機組在抽水工況有功是由水頭協(xié)聯(lián)控制，現(xiàn)場手動關(guān)導(dǎo)葉可能會有問題，為盡量避免機組直接甩負(fù)荷給機組和系統(tǒng)帶來的沖擊，最好選擇撳快速停機按鈕進(jìn)行停機，不采用撳緊急停機按鈕停機，停機過程和發(fā)電停機一樣進(jìn)行監(jiān)視，在機組停好后需要檢查機組的機械和一次設(shè)備的情況。

4.3 抽水調(diào)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(diào)相并網(wǎng)時間比較長，如不仔細(xì)查看，在短時間內(nèi)可能無法發(fā)現(xiàn)C2C4發(fā)生切換，如果C2C4切換不成功發(fā)生在機組并網(wǎng)那一步，一種可能是機組并網(wǎng)成功，但拖動機或SFC收不到被拖動機LCU發(fā)來分拖動機GCB或SFC輸出開關(guān)的信號，根據(jù)機組拖動回路圖(見圖2)，可以知道機組GCB開關(guān)在合位置是通過硬布線送去分SFC或相關(guān)拖動機開關(guān)的，這樣也就避免了SFC與機組的合環(huán)運行的可能，這種情況下只能現(xiàn)場手動對被拖動機快速停機，監(jiān)視停機過程正常即可。另一種情況是機組并網(wǎng)沒有成功轉(zhuǎn)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(guān)的停機命令，原本停機過程中應(yīng)分開一號機拖動閘刀的命令沒有被執(zhí)行，而一號機拖動閘刀沒有分開直接導(dǎo)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(zhuǎn)停機后，滅磁開關(guān)分開，其常閉輔助接點將滅磁電阻串入轉(zhuǎn)子回路。從而使機組轉(zhuǎn)子感應(yīng)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(xù)作用的恒定電壓，但現(xiàn)在是在恒定電壓負(fù)載條件下，滅磁電阻溫度越來越高，當(dāng)電阻元件溫度高到一定程度，擊穿元件并引起電弧，最終導(dǎo)致機組滅磁電阻燒壞[4]。這種情況下上位機馬上停SFC或現(xiàn)場手動將拖動機緊急停機，盡快將被拖動機轉(zhuǎn)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(fā)電流程超時或有自身保護(hù)來停機，這樣閉環(huán)回路持續(xù)時間就會比較長，對設(shè)備的危險也就越大。在機組轉(zhuǎn)停機后監(jiān)視機組停機過程正常，對滅磁電阻進(jìn)行滅火，并對轉(zhuǎn)子回路絕緣等進(jìn)行檢查。

5 處理方案的探討

(1)從硬件和技術(shù)上優(yōu)化

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

2)對于判斷通訊中斷時間過長的問題，準(zhǔn)備另外再增加一套檢測方式。在監(jiān)控系統(tǒng)環(huán)網(wǎng)中接入2套CP-4000作為在線監(jiān)測單元，發(fā)出檢測脈沖到4臺機組，修改機組的CPU切換邏輯，一直監(jiān)測新增的2套CP-4000發(fā)出的脈沖，一旦發(fā)現(xiàn)2套CP-4000發(fā)出的脈沖都收不到，立即進(jìn)行CPU切換，縮短通訊中斷檢測時間，同時在15s之內(nèi)閉鎖再次切換以防止通訊沒有馬上建立造成的多次重復(fù)切換；

(2)從生產(chǎn)實踐中減少事故發(fā)生

1)在條件允許的情況下，最好做一下機組空載和帶負(fù)荷時交換機網(wǎng)線插拔試驗，對那些因網(wǎng)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(guān)或SFC輸出開關(guān)回路中增加被拖動機滅磁開關(guān)的輔助接點，防止被拖動機轉(zhuǎn)停機而拖動機不能轉(zhuǎn)停機時燒滅磁電阻。

6 結(jié)論

通過上述分析表明，機組現(xiàn)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(shè)備的損壞及對電網(wǎng)造成的沖擊，然而根據(jù)CPU切換不成功的原因進(jìn)行分析，我們發(fā)現(xiàn)這一缺陷是可以避免的，并有針對性的進(jìn)行相應(yīng)措施的改進(jìn)，根據(jù)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(wěn)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(yīng)有一定的參考和借鑒意義。

[1]梅祖彥.抽水蓄能發(fā)電技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社，2005.

[2]孫建忠，劉鳳春.電機與拖動[M].北京:機械工業(yè)出版社，2010.

[3]張春生，姜忠見.天荒坪抽水蓄能電站技術(shù)總結(jié)[M].北京:中國電力出版社，2007.

[4]劉吉來，黃瑞梅.高電壓技術(shù)[M].北京:中國水利水電出版社，2004.