本質(zhì)安全型抽水蓄能電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)探討

彭煜民,吳云峰

(1. 南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司 廣東 廣州 510635；2.中國(guó)電子信息產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司第六研究所工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，北京 102209)

0　引言

隨著社會(huì)的進(jìn)步和安全管理水平的不斷提升，“本質(zhì)安全”的理念越來(lái)越成為企業(yè)追求的目標(biāo)。本質(zhì)安全的概念可分為狹義和廣義兩種定義。狹義的本質(zhì)安全是指通過(guò)設(shè)計(jì)等手段使生產(chǎn)設(shè)備或生產(chǎn)系統(tǒng)本身具有安全性，即使在誤操作或設(shè)備發(fā)生故障時(shí)也不會(huì)發(fā)生事故。廣義的本質(zhì)安全是指通過(guò)追求企業(yè)生產(chǎn)流程中人、物、系統(tǒng)、環(huán)境、制度等諸要素的安全可靠和諧統(tǒng)一，使各種危害因素始終處于受控狀態(tài)[1]。本文主要基于狹義的本質(zhì)安全概念對(duì)抽水蓄能電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)探討。

1　抽水蓄能機(jī)組的控制特點(diǎn)

(1)抽水蓄能機(jī)組相比常規(guī)發(fā)電機(jī)組而言，具有工況轉(zhuǎn)換流程多、啟停頻繁的特點(diǎn)。常規(guī)水電主要工況只有發(fā)電一種，且豐水期啟動(dòng)發(fā)電后一般可連續(xù)運(yùn)行很長(zhǎng)時(shí)間，設(shè)備長(zhǎng)期保持在相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)；而抽水蓄能機(jī)組除了發(fā)電工況外，還有抽水調(diào)相、發(fā)電調(diào)相、抽水、拖動(dòng)機(jī)、黑啟動(dòng)等工況，工況間轉(zhuǎn)換流程多，且每日均需根據(jù)電網(wǎng)調(diào)峰填谷的要求頻繁啟停進(jìn)行發(fā)電和抽水，設(shè)備動(dòng)作頻次高[2]。

(2)抽水蓄能機(jī)組監(jiān)控對(duì)象多，機(jī)組和設(shè)備之間有很多信號(hào)交互需求。抽水蓄能機(jī)組除了發(fā)電電動(dòng)機(jī)、水泵水輪機(jī)、變壓器、調(diào)速器、勵(lì)磁、繼電保護(hù)、輔機(jī)等設(shè)備外，還有靜止變頻器、調(diào)相壓回水相關(guān)設(shè)備、抽水調(diào)相啟動(dòng)刀閘和拖動(dòng)刀閘等。另外，由于抽水蓄能機(jī)組有背靠背拖動(dòng)抽水調(diào)相啟動(dòng)的運(yùn)行方式，當(dāng)一臺(tái)機(jī)組作為發(fā)電機(jī)拖動(dòng)另一臺(tái)機(jī)組抽水調(diào)相啟動(dòng)時(shí)，兩臺(tái)機(jī)組之間需要進(jìn)行信息交互和設(shè)備聯(lián)動(dòng)配合。

如上所述，抽水蓄能機(jī)組的控制特點(diǎn)給監(jiān)控系統(tǒng)提出了更高的可靠性和安全性要求，建設(shè)本質(zhì)安全型抽水蓄能電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)保證抽水蓄能機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有非常重要的意義。

2　本質(zhì)安全型抽水蓄能電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)

抽水蓄能電站監(jiān)控系統(tǒng)，可分為調(diào)度層、中控層、現(xiàn)地控制層，如圖1所示。各層及監(jiān)控對(duì)象之間、現(xiàn)地控制單元之間通過(guò)人機(jī)界面、控制程序、數(shù)據(jù)通信、二次回路、傳感元件等形成一個(gè)信息交互和控制系統(tǒng)。

圖1　抽水蓄能電站監(jiān)控系統(tǒng)示意圖

總結(jié)過(guò)往經(jīng)驗(yàn)，與監(jiān)控系統(tǒng)相關(guān)的造成機(jī)組故障或事故的主要原因可歸結(jié)于以下幾方面：

(1)非冗余配置的重要監(jiān)控設(shè)備故障；

(2)二次回路中繼電器故障或接線端子松動(dòng)；

(3)監(jiān)測(cè)元件或傳感器未正確反映設(shè)備實(shí)際狀態(tài)導(dǎo)致機(jī)組誤跳閘；

(4)設(shè)備故障前監(jiān)控系統(tǒng)未及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障先兆并預(yù)警；

(5)設(shè)備故障后相關(guān)設(shè)備未響應(yīng)或錯(cuò)誤響應(yīng)造成設(shè)備損壞；

(6)因操作功能設(shè)計(jì)不合理造成運(yùn)行值班員操作失誤；

(7)因監(jiān)視功能設(shè)計(jì)不合理造成運(yùn)行值班員未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障報(bào)警信號(hào)。

基于以上原因分析，要構(gòu)建本質(zhì)安全型抽水蓄能電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，至少應(yīng)實(shí)現(xiàn)以下幾方面設(shè)計(jì)目標(biāo)：

(1)應(yīng)具有很高的運(yùn)行可靠性和設(shè)備容錯(cuò)水平，盡可能少出故障，發(fā)生一般設(shè)備故障應(yīng)不影響機(jī)組正常運(yùn)行；

(2)應(yīng)能在設(shè)備故障前預(yù)先發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障先兆，及時(shí)發(fā)出預(yù)警信號(hào)；

(3)應(yīng)能在設(shè)備異?；蚬收蠒r(shí)確保設(shè)備的安全；

(4)應(yīng)能保證運(yùn)行監(jiān)控操作的安全性、友好性和便捷性。

3　本質(zhì)安全型抽水蓄能電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)措施

3.1　提高機(jī)組運(yùn)行可靠性和設(shè)備容錯(cuò)水平相關(guān)設(shè)計(jì)措施

(1)重要監(jiān)控設(shè)備采用冗余配置。

要提高監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，對(duì)重要監(jiān)控設(shè)備采取冗余配置是最有效的方法。

對(duì)于監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)來(lái)說(shuō)，其中的應(yīng)用服務(wù)器、操作員工作站、歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器、調(diào)度通信計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)總線設(shè)備涉及運(yùn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理、監(jiān)控、存儲(chǔ)、調(diào)度通信和鏈路，是維持監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)監(jiān)控功能的關(guān)鍵設(shè)備，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)冗余配置，并分別由不同的UPS電源供電。

對(duì)于監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)地控制單元來(lái)說(shuō)，可編程序控制器CPU模塊作為控制核心應(yīng)冗余配置，CPU模塊與I/O模塊通信的接口模塊也應(yīng)冗余配置?，F(xiàn)地控制單元(包括PLC、監(jiān)測(cè)儀表、繼電器回路等)應(yīng)由至少雙路直流電源或一路直流一路UPS電源供電。

(2)現(xiàn)地控制單元PLC宜采用遠(yuǎn)程I/O單元和現(xiàn)場(chǎng)總線通信方式采集和發(fā)送信號(hào)，減少信號(hào)電纜和繼電器邏輯回路。

如圖2所示，各監(jiān)控對(duì)象和自動(dòng)化元件安裝分布在包括發(fā)電機(jī)層、中間層、水輪機(jī)層等各個(gè)不同的地方，現(xiàn)地控制單元PLC宜根據(jù)監(jiān)控對(duì)象的分布情況分別在各層設(shè)置遠(yuǎn)程I/O單元，分布在各處的監(jiān)控對(duì)象就近將信號(hào)接入遠(yuǎn)程I/O單元，從而減少大量的電纜敷設(shè)與連接。

隨著科技的發(fā)展，目前現(xiàn)場(chǎng)總線通信技術(shù)已經(jīng)非常安全可靠，除了PLC各單元之間應(yīng)采用冗余總線通信方式外，PLC與勵(lì)磁、調(diào)速器及油壓裝置、繼電保護(hù)裝置、電量變送器、電度表、振擺監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、主變、進(jìn)水閥、尾閘等子系統(tǒng)應(yīng)盡量采用現(xiàn)場(chǎng)總線通信形式(如Profinet、Profibus-DP、Modbus等)進(jìn)行連接，進(jìn)一步減少電纜敷設(shè)與連接。如果通信協(xié)議相同的話，各通信終端之間宜采用環(huán)網(wǎng)連接，以提高冗余通信能力。

圖2　現(xiàn)地控制單元及監(jiān)控對(duì)象分布連接示意圖

另外設(shè)備控制邏輯應(yīng)盡可能采用程序軟件實(shí)現(xiàn)，減少繼電器和中間回路使用率，盡量采用可靠性更高的固態(tài)繼電器，降低繼電器及中間回路故障影響機(jī)組正常運(yùn)行的幾率。

(3)選用經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)行考驗(yàn)的自動(dòng)化元件，盡量規(guī)范自動(dòng)化元件安裝質(zhì)量要求。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，抽水蓄能機(jī)組啟停失敗故障中，70%以上是由自動(dòng)化元件失效導(dǎo)致的。如果把監(jiān)控系統(tǒng)看作神經(jīng)中樞的話，那么作為神經(jīng)末梢的自動(dòng)化元件對(duì)保證系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性具有重要作用。因此，在設(shè)計(jì)選型時(shí)，應(yīng)對(duì)各個(gè)電廠自動(dòng)化元件的使用情況進(jìn)行深入調(diào)研，分析篩選出經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)行考驗(yàn)的自動(dòng)化元件清單，在這個(gè)清單范圍內(nèi)進(jìn)行選型采購(gòu)。

另外，自動(dòng)化元件安裝圖紙?jiān)O(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)溫度、壓力、流量、液位等元件特點(diǎn)，對(duì)安裝環(huán)境、安裝位置、屏蔽和接地要求等進(jìn)行說(shuō)明與規(guī)范，例如溫度傳感器應(yīng)該在監(jiān)控盤柜側(cè)單點(diǎn)接地、流量傳感器不能安裝在管路上方，等等。

(4)程序設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮各種生產(chǎn)場(chǎng)景時(shí)設(shè)備控制邏輯的合理性，盡可能采用多重條件判斷設(shè)計(jì)，提高設(shè)備狀態(tài)判斷的正確性和冗余性。

在程序設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)深入分析每個(gè)控制對(duì)象在各種生產(chǎn)場(chǎng)景時(shí)的響應(yīng)配合需求，尤其要考慮各種特殊及緊急情況下設(shè)備的響應(yīng)要求，例如推力軸承高壓頂起油泵在機(jī)組啟動(dòng)前、轉(zhuǎn)速不為零、轉(zhuǎn)速小于95%、測(cè)速裝置故障等不同場(chǎng)景時(shí)須立即啟動(dòng)，當(dāng)壓力丟失、電源丟失或本體故障時(shí)應(yīng)立即啟動(dòng)備用泵并報(bào)警。

另外對(duì)設(shè)備狀態(tài)應(yīng)盡可能采用多重條件或冗余傳感器判斷，例如要判斷技術(shù)供水泵是否運(yùn)行，可以采集接觸器合閘位置信號(hào)、流量信號(hào)、壓力信號(hào)等綜合進(jìn)行判斷，不致因?yàn)閱我恍盘?hào)失效導(dǎo)致狀態(tài)判斷錯(cuò)誤，從而提高狀態(tài)判斷的正確性和冗余性。

3.2　提高設(shè)備故障預(yù)警能力相關(guān)設(shè)計(jì)措施

(1)針對(duì)可能引起機(jī)組跳閘的漸變式設(shè)備狀態(tài)信號(hào)設(shè)置預(yù)警信號(hào)。

當(dāng)機(jī)組各部位溫度、壓力、液位、流量、振動(dòng)等運(yùn)行參數(shù)出現(xiàn)嚴(yán)重異常時(shí)，須延時(shí)觸發(fā)機(jī)組跳閘停運(yùn)。一般情況下，這些運(yùn)行參數(shù)是漸變的。因此，在運(yùn)行參數(shù)達(dá)到引起機(jī)組跳閘的設(shè)定值前，應(yīng)設(shè)置預(yù)警信號(hào)使得運(yùn)行值班員能夠提前發(fā)現(xiàn)可能引起機(jī)組跳閘的設(shè)備問(wèn)題，及時(shí)采取相應(yīng)措施，有效避免機(jī)組跳閘事件，保證設(shè)備安全。

(2)分析設(shè)備運(yùn)行特點(diǎn)，有針對(duì)性地制定狀態(tài)預(yù)警策略，實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)智能監(jiān)測(cè)。

每個(gè)設(shè)備都有其運(yùn)行特點(diǎn)。有些設(shè)備在機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中周期性動(dòng)作，有些設(shè)備只在特定工況下才動(dòng)作，有些設(shè)備之間動(dòng)作的先后順序是固定的。針對(duì)這些設(shè)備特點(diǎn)，可以有針對(duì)性地制定狀態(tài)預(yù)警策略，例如，如果周期性動(dòng)作的設(shè)備動(dòng)作間隔或頻次發(fā)生變化，或者只在特定工況動(dòng)作的設(shè)備在其他工況出現(xiàn)異動(dòng)，或者某些設(shè)備的動(dòng)作先后順序發(fā)生改變，就意味著設(shè)備存在著某些故障先兆，如果通過(guò)狀態(tài)預(yù)警策略及時(shí)警示，及時(shí)進(jìn)行分析，就可能將故障隱患防范于未然。

3.3　保證設(shè)備安全相關(guān)設(shè)計(jì)措施

(1)采取防止設(shè)備在異常情況下誤動(dòng)作的設(shè)計(jì)措施。

在近些年的抽水蓄能機(jī)組調(diào)試和運(yùn)行過(guò)程中，多次發(fā)生設(shè)備因異常情況誤動(dòng)作而損壞的事故，比如帶負(fù)荷分?jǐn)嗟堕l、高轉(zhuǎn)速投入機(jī)械制動(dòng)等。這些事故多是因?yàn)槲丛O(shè)置必要的安全閉鎖或安全閉鎖不完善導(dǎo)致的。要防止這些事故的發(fā)生，可考慮采取以下設(shè)計(jì)措施：

① 分析設(shè)備之間的邏輯關(guān)系和生產(chǎn)工藝流程，梳理每個(gè)設(shè)備動(dòng)作前需要具備的安全條件，通過(guò)硬布線回路或控制程序?qū)崿F(xiàn)設(shè)備間的安全閉鎖，有條件時(shí)可以設(shè)置硬布線回路和控制程序雙重安全閉鎖。

② 采取防止反饋信號(hào)失效導(dǎo)致設(shè)備誤動(dòng)作的措施，例如對(duì)所有的電氣開關(guān)刀閘均進(jìn)行“合閘”和“分閘”位置信號(hào)綜合判斷；要防止轉(zhuǎn)速繼電器失電誤投機(jī)械制動(dòng)的情況，就必須在轉(zhuǎn)速繼電器失電時(shí)讓監(jiān)控系統(tǒng)認(rèn)為轉(zhuǎn)速大于制動(dòng)投入設(shè)定值，通過(guò)硬布線或控制程序防止機(jī)械制動(dòng)誤投。

(2)采取保證設(shè)備在異常情況下正確可靠動(dòng)作的設(shè)計(jì)措施。

當(dāng)機(jī)組狀態(tài)異常而相關(guān)設(shè)備未正確可靠動(dòng)作，也會(huì)造成機(jī)組事故。對(duì)此可以考慮采取以下設(shè)計(jì)措施：

① 設(shè)置在任何情況下機(jī)組跳閘均能安全停運(yùn)的機(jī)組跳閘流程，其中GCB、調(diào)速器、進(jìn)水閥、勵(lì)磁、靜止變頻器、推力軸承高壓頂起注油泵等關(guān)鍵設(shè)備跳閘操作回路應(yīng)冗余配置，可以設(shè)置冗余硬布線動(dòng)作回路，也可以設(shè)置硬布線和數(shù)據(jù)通信雙路動(dòng)作回路。

② 深入分析可能導(dǎo)致設(shè)備事故的各種情形，針對(duì)這些情形設(shè)置完善的機(jī)組跳閘保護(hù)和設(shè)備動(dòng)作策略，在設(shè)備出現(xiàn)異常時(shí)及時(shí)跳閘停機(jī)。例如當(dāng)抽水調(diào)相工況向抽水工況轉(zhuǎn)換時(shí)，如果回水建壓后導(dǎo)葉未能及時(shí)打開，機(jī)組將產(chǎn)生很大的振動(dòng)，此時(shí)就需要設(shè)置回水建壓后導(dǎo)葉未開跳閘保護(hù)，及時(shí)將機(jī)組停運(yùn)，避免機(jī)組因長(zhǎng)時(shí)間振動(dòng)過(guò)大而損傷。

3.4　保證運(yùn)行監(jiān)控操作安全性、友好性、便捷性相關(guān)設(shè)計(jì)措施

(1)保證操作安全性的設(shè)計(jì)措施

在進(jìn)行監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)操作功能設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量降低運(yùn)行值班人員操作失誤的可能性?？梢钥紤]采取以下設(shè)計(jì)措施：

① 每個(gè)操作按鈕的腳本程序均應(yīng)自動(dòng)進(jìn)行操作適當(dāng)性判斷(可鏈接設(shè)備可用性及操作允許條件判斷變量)，當(dāng)設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)不滿足該操作要求時(shí)，腳本程序自動(dòng)鎖止該操作按鈕，使得值班人員無(wú)法操作該按鈕；只有當(dāng)設(shè)備的狀態(tài)滿足操作要求后，操作按鈕才被激活并允許操作。

② 對(duì)于有先后順序的連續(xù)操作，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)在前一個(gè)操作完成確認(rèn)后再?gòu)棾鱿乱粋€(gè)操作界面，或者在前一個(gè)操作完成確認(rèn)后再激活下一個(gè)操作按鈕，確保值班人員正確操作。

③ 在進(jìn)行某些關(guān)鍵操作時(shí)，應(yīng)設(shè)計(jì)合適的提示語(yǔ)句和再確認(rèn)界面，讓值班人員有充足的思考回旋時(shí)間。

(2)保證監(jiān)控界面友好便捷的設(shè)計(jì)措施

要使得監(jiān)控界面更為友好便捷，可以采取以下設(shè)計(jì)措施：

① 監(jiān)控界面分系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，將每個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行圖、運(yùn)行參數(shù)、狀態(tài)信息等顯示在一個(gè)界面中。另外有必要設(shè)計(jì)一個(gè)監(jiān)控主界面，把機(jī)組主接線圖、主要運(yùn)行參數(shù)、調(diào)速器和勵(lì)磁系統(tǒng)主要信息集合在一個(gè)界面中，同時(shí)把流程狀態(tài)、溫度、振動(dòng)監(jiān)測(cè)、主變、靜止變頻器(SFC)等重要監(jiān)控界面鏈接按鈕設(shè)置在該界面中。

② 在進(jìn)行信號(hào)狀態(tài)顯示框設(shè)計(jì)時(shí)，不應(yīng)以信號(hào)狀態(tài)是0或1來(lái)確定顯示顏色，而應(yīng)以信號(hào)文字描述所要求達(dá)到的狀態(tài)是否滿足來(lái)確定顯示顏色。例如，“某裝置電源丟失”的狀態(tài)由于信號(hào)回路接線方式的不同可能是0，也可能是1，如果以0或1來(lái)確定顯示顏色，值班人員很難判斷裝置電源是否丟失；而如果定義當(dāng)裝置電源丟失時(shí)顯示黃色，當(dāng)未收到裝置電源丟失信號(hào)時(shí)顯示灰色，值班人員將很容易判斷該信號(hào)狀態(tài)。

③ 在進(jìn)行設(shè)備可用性條件顯示框設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)按照設(shè)備可用性條件滿足所需的信號(hào)狀態(tài)進(jìn)行文字描述。例如，“某設(shè)備故障”信號(hào)須作為該設(shè)備可用性判斷的條件之一，在該條件顯示框設(shè)計(jì)時(shí)，不能在顯示框旁邊寫“某設(shè)備故障”的文字描述，而應(yīng)在顯示框旁寫“某設(shè)備未故障”的文字描述，當(dāng)未收到“某設(shè)備故障”信號(hào)時(shí)點(diǎn)亮相應(yīng)顯示框，這樣就很明確地告訴值班人員該條件已滿足。

④ 當(dāng)重要報(bào)警信息出現(xiàn)時(shí)，該信號(hào)應(yīng)進(jìn)入報(bào)警站并發(fā)出語(yǔ)音警示，方便值班人員第一時(shí)間查看并確認(rèn)。若該報(bào)警實(shí)際狀態(tài)已復(fù)歸，報(bào)警信息應(yīng)在值班人員點(diǎn)擊確認(rèn)按鈕后從報(bào)警站清除。

⑤ 對(duì)于引起機(jī)組跳閘的重要信號(hào)，應(yīng)專門設(shè)置一個(gè)界面進(jìn)行信息顯示并在值班人員確認(rèn)前保持該狀態(tài)，使得值班人員無(wú)需翻閱事件記錄第一時(shí)間就能定位機(jī)組跳閘的直接原因。

4　結(jié)論

要構(gòu)建本質(zhì)安全型抽水蓄能電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，必須從保證機(jī)組可靠運(yùn)行、設(shè)備安全、操作安全、人機(jī)友好的角度對(duì)自動(dòng)化元件選型安裝、二次回路設(shè)計(jì)、控制程序編寫、上位機(jī)監(jiān)控功能設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行持續(xù)不斷的優(yōu)化與完善，針對(duì)機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中可能出現(xiàn)的各種不安全因素提出具體的防范對(duì)策并落實(shí)到監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中?？傊?，要真正實(shí)現(xiàn)機(jī)組運(yùn)行本質(zhì)安全的目標(biāo)，需要不斷總結(jié)機(jī)組運(yùn)行和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)各個(gè)技術(shù)細(xì)節(jié)進(jìn)行精雕細(xì)刻，這是一個(gè)長(zhǎng)期優(yōu)化的過(guò)程。

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