基于PLC的水機保護功能在水電站應(yīng)用

黃 朝，張 鵬，段振國

（1.中國水利電力對外公司，北京 100120；2.成都勘測設(shè)計研究院，四川 成都 610072；3.中國水利水電科學研究院，北京 100038）

1 引言

水電站的監(jiān)視和控制通常有以下幾種基本形式[1]：以常規(guī)控制裝置為主；簡單的計算機監(jiān)控與常規(guī)控制裝置雙重設(shè)置方式；以計算機監(jiān)控為主、常規(guī)設(shè)備為輔方式；全計算機監(jiān)控方式。隨著計算機監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，國內(nèi)新建的水電站已不再采用常規(guī)控制；水電站設(shè)計規(guī)范也不推薦采用計算機監(jiān)控與常規(guī)控制裝置雙重設(shè)置方式。目前無論新建還是老電站改造，均按全廠計算機監(jiān)控設(shè)計。從安全角度考慮，在水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)外通常仍然保留了一套水機保護系統(tǒng)。這套保護系統(tǒng)通常由常規(guī)繼電器搭建而成，獨立于計算機監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)地控制單元LCU的可編程控制器（PLC），通過采集機組各種狀態(tài)、報警、停機信號，通過繼電器搭建的停機回路，實現(xiàn)對水電站機組的保護。

隨著計算機監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)逐步開始采用一套獨立的PLC系統(tǒng)替代常規(guī)回路完成水機保護系統(tǒng)功能。

2 繼電器形式水機保護系統(tǒng)的不足

傳統(tǒng)常規(guī)繼電器形式的水機保護系統(tǒng)雖然在水電站中廣泛使用多年，但是一直存在著種種不足之處，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）采用繼電器形式搭建的保護回路，可靠性并不高。繼電器在實際使用過程中經(jīng)常會出現(xiàn)，如觸點粘連，繼電器線圈燒毀等問題，直接影響水機保護系統(tǒng)的可靠性。

（2）常規(guī)控制回路接線復雜，可擴展性差，大大增加了設(shè)計、調(diào)試、運行維護的工作量，設(shè)計完成后，基本無法做大的修改和調(diào)整，靈活性差。

（3）水機保護回路中無法直接接入模擬量和溫度量（RTD量）信號。若采用回路外進行模擬量和溫度量信號處理的辦法，整個回路復雜程度增加可靠性大大降低。

（4）水機保護動作過程無法自動記錄，事故分析不方便。

3 基于PLC的水機保護系統(tǒng)的優(yōu)越性

基于PLC的水機保護系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)常規(guī)繼電器形式的水機保護系統(tǒng)有許多優(yōu)點，主要優(yōu)點如下：

（1）水機保護系統(tǒng)采用一套獨立的工業(yè)級PLC構(gòu)成，集成DI、DO、AI、RTD模塊，可以處理的信號基本不受限制，可靠性高，整合性好。

（2）通過對PLC編程，可以方便實現(xiàn)各種保護控制邏輯，形成各種報警、停機邏輯，調(diào)試、運行維護工作量大大減少，功能擴展靈活方便。

（3）可直接接入機組模擬量和RTD量，并且可以方便地實現(xiàn)模擬量、RTD量的各種組合判斷方案，包括對溫度測量的斷線、梯度變化的判斷功能。

（4）水機保護動作過程可以自動記錄，并可打時標，方便進行事故分析。

4 基于PLC的水機保護系統(tǒng)的設(shè)計

基于PLC的水機保護系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)常規(guī)繼電器形式的水機保護系統(tǒng)，有自己的結(jié)構(gòu)設(shè)計特點，以下是一些設(shè)計注意事項。

（1）基于PLC的水機保護系統(tǒng)應(yīng)采用一套獨立的PLC來完成，由于獨立采集的信號量不多，PLC可以考慮采用中小型產(chǎn)品。例如可以采用施奈德公司的Premium系列產(chǎn)品做水機保護的PLC，該PLC穩(wěn)定可靠，編程簡單，采購方便，性價比高。

（2）基于PLC的水機保護系統(tǒng)可以獨立組屏，也可組屏在監(jiān)控系統(tǒng)的控制屏中。無論如何組屏，要設(shè)計成獨立的供電回路，開出回路單獨引電纜至設(shè)備，不與電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的開出回路并接。

（3）送入基于PLC的水機保護系統(tǒng)與電站主計算機監(jiān)控系統(tǒng)的信號源需分開，比如機組機械過速信號，一套送PLC水機保護系統(tǒng)，一套送電站主計算機監(jiān)控系統(tǒng)。某些信號實在無法分開的話需要在現(xiàn)地設(shè)備上安裝中間繼電器進行擴展。

（4）為避免互相干擾，通常PLC水機保護系統(tǒng)與電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)之間不進行數(shù)據(jù)通訊。所需的IO量采用DI/DO的方式交換。例如水機保護系統(tǒng)可通過DO信號形式給出水機保護事故停機、緊急停機等動作信號，并送計算機監(jiān)控系統(tǒng)中。如果數(shù)據(jù)交換量過多，也可以采用現(xiàn)場總線方式通訊(例如Modbus、Profibus總線等)，其中PLC水機保護系統(tǒng)作為通訊子站，只上送數(shù)據(jù)，不接收計算機監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。

（5）如果有條件，還可以為PLC水機保護系統(tǒng)配置一個小型觸摸屏，便于設(shè)定參數(shù)和查看運行、故障狀態(tài)。PLC水機保護系統(tǒng)還需要設(shè)計一些壓板，設(shè)定瓦溫、油溫等保護的投退，還需要為該系統(tǒng)設(shè)計復位按鈕。

（6）簡化PLC水機保護系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集量。由于PLC水機保護系統(tǒng)主要用于機組保護，只需要采集和水機保護相關(guān)的信號，和正常操作、控制相關(guān)的信號和命令都不進入PLC水機保護系統(tǒng)內(nèi)。

（7）PLC水機保護系統(tǒng)與電站主計算機監(jiān)控系統(tǒng)的保護動作命令是并行發(fā)出，相互獨立的。同時動作到機組事故配壓閥、調(diào)速器急停閥等自動化設(shè)備上。

5 現(xiàn)場實施與調(diào)試

雖然按上述原則設(shè)計基于PLC的水機保護回路，但在現(xiàn)場實施與調(diào)試過程中，仍然會遇到一些問題，下面是經(jīng)常遇到情況的小結(jié)。

（1）確認信號源分開的問題。很多設(shè)備的信號源都只有一套，無法分開供兩套系統(tǒng)使用?？梢酝ㄟ^在現(xiàn)地設(shè)備元件匯集處如水輪機端子箱內(nèi)加裝中間繼電器擴展接點來解決。

（2）PLC水機保護系統(tǒng)與電站主計算機監(jiān)控系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換問題。如果完全采用DI/DO的方式交換會造成PCL水機保護系統(tǒng)測點過多，影響設(shè)備投資，可考慮與監(jiān)控系統(tǒng)廠家協(xié)商改用現(xiàn)場總線的方式(例如Modbus、Profibus總線)交換數(shù)據(jù)，PLC水機保護系統(tǒng)只上送數(shù)據(jù)，不接收計算機監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。

（3）水機保護保護動作后的流程與監(jiān)控系統(tǒng)流程配合問題。可以采用PLC水機保護系統(tǒng)與電站主計算機監(jiān)控系統(tǒng)相同的停機流程，同時作用到對象設(shè)備上。

目前，已經(jīng)實現(xiàn)多個水電站基于PLC的水機保護系統(tǒng)，投入運行，其可靠性、靈活性、運行維護方便性均得到現(xiàn)場運行維護人員的肯定。

6 結(jié)語

從2008年開始，在多個水電站的計算機監(jiān)控系統(tǒng)項目中，采用獨立的基于PLC的水機保護系統(tǒng)替代常規(guī)水機保護，收到了很好的效果?；赑LC實現(xiàn)的水機保護系統(tǒng)，具有可靠性高、功能實現(xiàn)靈活、性能優(yōu)異、運行維護方便等優(yōu)點，具有推廣價值。

[1]王定一.水電廠計算機監(jiān)視與控制[M].中國電力出版社2001.

[2]李 婷，李 穎.大中型水電站緊急停機保護設(shè)計[J].水電廠自動化，2010.（1）.

[3]杜晨輝，楊光華，等.蒲石河抽水蓄能電站監(jiān)控系統(tǒng)LCU回路設(shè)計[J].水電自動化與大壩監(jiān)測，2011.（3）.