溧陽抽水蓄能電站機(jī)組LCU控制流程設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

高 熹，陳旭韜，錢 敏，陳 強(qiáng)

(江蘇國信溧陽抽水蓄能發(fā)電有限公司，江蘇溧陽213334)

0 引 言

溧陽抽水蓄能電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)為南瑞水利水電技術(shù)分公司開發(fā)提供，上位機(jī)采用NC2000系統(tǒng)，下位機(jī)采用SJ500型現(xiàn)地控制單元(LCU)，下位機(jī)包括6套機(jī)組LCU、1套抽水啟動(dòng)LCU、1套開關(guān)站LCU、1套廠用電LCU、1套公用LCU、1套上水庫LCU、1套下水庫LCU。其中，每套機(jī)組LCU均采用羅克韋爾ControlLogix系列PLC作為主控制器，采用羅克韋爾CompactLogix系列PLC作為水力機(jī)械保護(hù)控制器。

機(jī)組LCU主要對(duì)水泵水輪機(jī)、發(fā)電電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)電壓配電裝置、主變壓器、球閥、尾水事故閘門及機(jī)組勵(lì)磁、調(diào)速器、繼電保護(hù)、機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)等機(jī)組附屬設(shè)備和輔助設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，并裝設(shè)獨(dú)立的水力機(jī)械保護(hù)PLC作為完全獨(dú)立的后備PLC，當(dāng)發(fā)生主PLC失靈或水力機(jī)械事故等情況時(shí)動(dòng)作觸發(fā)[1]。

1 機(jī)組LCU控制流程工作機(jī)制

1.1 主PLC控制流程的工作機(jī)制

主PLC控制流程的工作按步驟可分成輸入、處理、順序控制和輸出等部分。

主PLC通過AI、SOE、DI、TI等模塊和通信的方式，采集發(fā)變組及附屬設(shè)備的模擬量、溫度量、開關(guān)量和通信量。模擬量輸入包括機(jī)組有功功率及無功功率，附屬設(shè)備的油壓、油位、水壓、流量，主變、GCB、勵(lì)磁變的溫度和電流等；溫度量輸入主要為定子繞組、瓦溫、空冷器出風(fēng)溫度等；開關(guān)量輸入主要接收機(jī)組及附屬設(shè)備的狀態(tài)如保護(hù)、勵(lì)磁、調(diào)速器、球閥、轉(zhuǎn)速裝置、制動(dòng)器、調(diào)相壓水、技術(shù)供水泵等；通信包括與其他LCU、上位機(jī)、水機(jī)保護(hù)PLC、調(diào)速器、交采表、電度表、與時(shí)鐘同步等系統(tǒng)通信。

主PLC自動(dòng)采集獲取以上數(shù)據(jù)后，由CPU負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理和控制、調(diào)節(jié)。CPU將處理過的數(shù)據(jù)經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備送至上位機(jī)，同時(shí)CPU也接受上位機(jī)或本體LCU觸摸屏下發(fā)的命令。CPU的順序控制在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮與被控設(shè)備的控制回路或PLC進(jìn)行配合，并可在機(jī)組調(diào)試階段進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。

主PLC通過DO模塊對(duì)其他被控設(shè)備的控制系統(tǒng)輸出命令，以實(shí)現(xiàn)GCB分合、同期并網(wǎng)、有功功率/轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、無功功率/電壓調(diào)節(jié)、尾水事故閘門控制、球閥控制、工況轉(zhuǎn)換、事故停機(jī)等功能。

1.2 水力機(jī)械保護(hù)PLC控制流程的工作機(jī)制

水力機(jī)械保護(hù)PLC工作機(jī)制與主PLC相同，但輸入只采集開關(guān)量和來自主PLC的通信量。

開關(guān)量輸入包括中控室、水淹廠房及機(jī)組LCU上的停機(jī)按鈕，主PLC死機(jī)，機(jī)械過速，電氣一級(jí)過速，電氣二級(jí)過速，轉(zhuǎn)速位置接點(diǎn)，調(diào)速器系統(tǒng)故障，調(diào)速器壓力油罐事故低油位、低油壓，球閥壓力油罐事故低油位、低油壓，導(dǎo)葉發(fā)電空載及以下位置，導(dǎo)葉抽水空載及以下位置，導(dǎo)葉全關(guān)位置，機(jī)組調(diào)試鍵，機(jī)組把手檢修位置，GCB分閘、合閘，換向開關(guān)位置，電制動(dòng)刀位置，SFC拖動(dòng)選擇等。與主PLC的通信量仍然是以上開關(guān)量，作為備用。

水機(jī)PLC的開關(guān)量輸出主要與GCB、勵(lì)磁系統(tǒng)、調(diào)速器、球閥配合，動(dòng)作于事故停機(jī)和緊急事故停機(jī)。

2 控制流程的硬件基礎(chǔ)

2.1 主PLC的硬件配置[2]

溧陽抽水蓄能電站機(jī)組主PLC采用2個(gè)冗余的ControlLogix 1756-L62 CPU，每個(gè)CPU單獨(dú)設(shè)置在1塊1756-A7背板上。CPU機(jī)架上另外配置1塊1756-PB72電源模塊供電，配置2塊1756-EN2T以太網(wǎng)通訊模塊分別接入雙網(wǎng)，配置1塊1756-RM2冗余模塊實(shí)現(xiàn)雙CPU冗余通訊，配置1塊1756-CN2構(gòu)建ControlNet網(wǎng)絡(luò)。

主PLC采用的ControlNet網(wǎng)絡(luò)主要連接CPU所在的2個(gè)1756-A7(7槽)背板和8個(gè)1756-A13背板，1756-A13背板采用1756-CNB模塊構(gòu)建ControlNet網(wǎng)絡(luò)。背板之間的物理連接由同軸電纜、1786-TPS分支器(三通)和1786-XT終端電阻組成。8個(gè)1756-A13背板上共配置10塊1756-IB16ISOE模塊采集SOE量，23塊1756-IB32模塊采集DI量，7塊1756-IF16模塊采集AI量，2塊1756-OF8模塊輸出AO量，33塊1756-IR16模塊采集TI量，5塊1756-OB32模塊輸出DO量，1塊1756-TIME模塊采集同步時(shí)鐘信號(hào)。

2.2 網(wǎng)絡(luò)配置及同步時(shí)鐘配置

機(jī)組LCU配置2塊赫斯曼RS20系列交換機(jī)，分別與地下廠房2臺(tái)赫斯曼MACH4002- 48G交換機(jī)相連。后者以雙星形結(jié)構(gòu)與2臺(tái)赫斯曼MS4128上位機(jī)交換機(jī)相連，完成上下位機(jī)信息傳輸。

同步時(shí)鐘配置山東科匯T-GPS系列同步時(shí)鐘裝置，信號(hào)源為2路GPS，2路北斗，確保機(jī)組LCU的SOE量時(shí)間精度。

2.3 水力機(jī)械保護(hù)PLC的硬件配置

水力機(jī)械保護(hù)PLC采用CompactLogix 1769-L31CPU，電源模塊為1769-PB4，2塊開入模塊1769-IQ32處理DI量，1塊開出模塊1769-OB32處理DO量。水機(jī)PLC與主PLC通過SJ30通信管理裝置以串口相連。

3 主PLC控制流程設(shè)計(jì)

3.1 控制流程的類型

控制流程應(yīng)考慮2類情況，一類是用于命令控制，即根據(jù)人機(jī)接口下達(dá)的指令進(jìn)行順序控制，如工況轉(zhuǎn)換流程；一類是用于自動(dòng)控制，即實(shí)時(shí)掃描判別機(jī)組各輸入量進(jìn)行順序控制，如事故停機(jī)啟動(dòng)流程。前者根據(jù)命令下發(fā)和條件判別，按順序開出控制其他系統(tǒng)或調(diào)用其他流程，后者在現(xiàn)場滿足預(yù)設(shè)的事故啟動(dòng)源條件后，按順序開出控制其他系統(tǒng)。

3.2 控制流程的結(jié)構(gòu)

控制流程從功能結(jié)構(gòu)上主要由發(fā)令、條件判斷、開出、報(bào)警和跳轉(zhuǎn)至其他步(調(diào)用)組成，順序控制流程的每一步只能實(shí)現(xiàn)一種功能。

控制流程分為單步和自動(dòng)2種模式。在正常工況下，采取自動(dòng)模式，每步執(zhí)行成功后即可進(jìn)入下一步。為了機(jī)組LCU調(diào)試和檢修方便，在做相關(guān)試驗(yàn)時(shí)，可采取單步模式，允許流程單步操作，即必須人工確認(rèn)后方可進(jìn)入下一步?？刂屏鞒探o每一步都設(shè)置了唯一的步號(hào)，當(dāng)流程按序執(zhí)行和跳轉(zhuǎn)時(shí)，都可直接使用這些步號(hào)。

控制流程中的條件判斷是控制流程邏輯實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。在流程啟動(dòng)之前，需判斷是否滿足流程啟動(dòng)條件；在流程執(zhí)行中，需判斷是否滿足進(jìn)入下一步條件和執(zhí)行是否超時(shí)。一旦不滿足條件或本步驟執(zhí)行超時(shí)，則報(bào)警或進(jìn)入停機(jī)流程。停機(jī)流程包括正常停機(jī)流程、機(jī)械事故停機(jī)流程、電氣事故停機(jī)流程、緊急事故停機(jī)流程，在停機(jī)流程執(zhí)行中的條件判斷不滿足會(huì)調(diào)用更高一級(jí)的停機(jī)流程。

3.3 控制流程的邏輯設(shè)計(jì)

3.3.1 與被控設(shè)備的配合

機(jī)組的啟動(dòng)和運(yùn)行需要各附屬設(shè)備密切配合。被控設(shè)備的啟動(dòng)需要由機(jī)組LCU判斷并開出指令，當(dāng)被控設(shè)備完成動(dòng)作后還應(yīng)反饋給機(jī)組LCU。與常規(guī)水電機(jī)組控制流程不同的是，在與勵(lì)磁系統(tǒng)、調(diào)速器電氣柜、繼電保護(hù)配合時(shí)，還應(yīng)向這些系統(tǒng)開出或復(fù)歸發(fā)電模式、發(fā)電調(diào)相模式、抽水調(diào)相模式、抽水模式等命令。

溧陽抽水蓄能電站設(shè)置了2套SFC裝置，在SFC拖動(dòng)機(jī)組時(shí)也需流程開出選啟動(dòng)1號(hào)SFC、啟動(dòng)2號(hào)SFC、跳1號(hào)SFC、跳2號(hào)SFC送至抽水啟動(dòng)LCU，抽水啟動(dòng)收到這些命令后，搭建相應(yīng)繼電器控制回路，完成對(duì)不同SFC的選擇。

3.3.2 機(jī)組的狀態(tài)設(shè)計(jì)[3]

抽水蓄能機(jī)組達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行的工況，除了停機(jī)態(tài)之外，有發(fā)電狀態(tài)、抽水狀態(tài)、發(fā)電調(diào)相狀態(tài)、抽水調(diào)相狀態(tài)等4種。在這些工況轉(zhuǎn)換中，有些步驟相同，可以考慮合并，這樣既可優(yōu)化流程，又可避免附屬設(shè)備反復(fù)啟停。

經(jīng)分析，相同的步驟如下：從停機(jī)態(tài)到輔助設(shè)備都開啟的狀態(tài)；從不同工況到機(jī)組旋轉(zhuǎn)但勵(lì)磁、調(diào)速器、導(dǎo)葉、SFC等已關(guān)且GCB已分。根據(jù)以上2種情況，可以設(shè)置停機(jī)熱備態(tài)、旋轉(zhuǎn)態(tài)2種暫態(tài)。

考慮調(diào)試和試驗(yàn)的長時(shí)停留方便，在停機(jī)熱備態(tài)至發(fā)電態(tài)的過程中設(shè)置空轉(zhuǎn)態(tài)和空載態(tài)?？辙D(zhuǎn)態(tài)為轉(zhuǎn)速達(dá)到95%以上但未建壓，空載為轉(zhuǎn)速達(dá)到95%以上已建壓但GCB未合。另外，考慮黑啟動(dòng)對(duì)勵(lì)磁、調(diào)速器及同期裝置的控制要求，設(shè)置黑啟動(dòng)態(tài)。機(jī)組在工況轉(zhuǎn)換過程的過度階段、不在以上狀態(tài)時(shí)，定義為不定態(tài)。

綜上所述，將機(jī)組的工況狀態(tài)分為穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)，穩(wěn)態(tài)包括停機(jī)態(tài)、發(fā)電態(tài)、空載態(tài)、空轉(zhuǎn)態(tài)、發(fā)電調(diào)相態(tài)、抽水調(diào)相態(tài)、抽水態(tài)、黑啟動(dòng)態(tài)8種，暫態(tài)為停機(jī)熱備態(tài)、旋轉(zhuǎn)態(tài)、不定態(tài)3種。

3.3.3 子流程設(shè)計(jì)

機(jī)組控制中各穩(wěn)態(tài)及暫態(tài)之間的工況轉(zhuǎn)換，通過執(zhí)行子流程來完成。分為正常開停機(jī)工況和事故停機(jī)工況2大類。

正常開停機(jī)包括：停機(jī)→停機(jī)熱備、停機(jī)熱備→空轉(zhuǎn)、空轉(zhuǎn)→空載、空載→發(fā)電、發(fā)電→發(fā)電調(diào)相、發(fā)電調(diào)相→發(fā)電、發(fā)電→空載、空載→空轉(zhuǎn)、空轉(zhuǎn)→旋轉(zhuǎn)、發(fā)電調(diào)相→旋轉(zhuǎn)、停機(jī)熱備→抽水調(diào)相、抽水調(diào)相→抽水、抽水→抽水調(diào)相、抽水→旋轉(zhuǎn)、抽水調(diào)相→旋轉(zhuǎn)、不定態(tài)→旋轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)→停機(jī)熱備、停機(jī)熱備→停機(jī)、抽水→發(fā)電、停機(jī)熱備→黑啟動(dòng)、黑啟動(dòng)→發(fā)電等21個(gè)子流程，見圖1。

事故停機(jī)流程包括：機(jī)械事故停機(jī)、電氣事故停機(jī)、緊急事故停機(jī)3個(gè)子流程。事故時(shí)，機(jī)組從不同工況直接經(jīng)過事故停機(jī)流程進(jìn)入旋轉(zhuǎn)態(tài)，然后調(diào)用旋轉(zhuǎn)→停機(jī)熱備、停機(jī)熱備→停機(jī)，最終機(jī)組進(jìn)入停機(jī)穩(wěn)態(tài)，見圖2。

圖2 事故停機(jī)工況轉(zhuǎn)換流程

3.3.4 主PLC事故啟動(dòng)源邏輯

機(jī)械事故的啟動(dòng)源經(jīng)過業(yè)主、設(shè)計(jì)院和廠家的反復(fù)討論，最終確定為振擺跳機(jī)、調(diào)速器油系統(tǒng)故障、球閥油系統(tǒng)故障、事故停機(jī)按鈕、組合機(jī)組溫度過高、各導(dǎo)軸承油槽油溫高組合外循環(huán)油泵運(yùn)行、冷卻水組合流量低、電動(dòng)球閥組合冷卻水流量低、主軸密封溫度高、上止漏環(huán)溫度高、下止漏環(huán)溫度高、導(dǎo)葉剪斷銷故障。

電氣事故的啟動(dòng)源包括機(jī)組保護(hù)停機(jī)、SFC跳閘停機(jī)、主變保護(hù)停機(jī)、相鄰機(jī)組停機(jī)、相鄰主變停機(jī)、主變非電量停機(jī)、相鄰主變非電量停機(jī)、雙套勵(lì)磁調(diào)節(jié)器嚴(yán)重故障、橋引線保護(hù)停機(jī)、消防跳閘停機(jī)。

圖3 事故停機(jī)閉鎖邏輯

緊急事故停機(jī)的啟動(dòng)源包括水淹廠房停機(jī)、調(diào)速器控制系統(tǒng)嚴(yán)重故障、進(jìn)水閥控制系統(tǒng)嚴(yán)重故障、中控室緊急停機(jī)按鈕、LCU緊急停機(jī)按鈕、機(jī)組電氣2級(jí)過速、機(jī)組電氣1級(jí)過速且調(diào)速器系統(tǒng)故障、事故停機(jī)過程中剪斷銷剪斷、調(diào)速器事故低油壓低油位、球閥壓力油罐事故低油壓低油位、機(jī)械過速保護(hù)裝置動(dòng)作、尾水閘門下滑、球閥異常關(guān)閉。

4 水力機(jī)械保護(hù)PLC控制流程設(shè)計(jì)

水力機(jī)械保護(hù)PLC作為后備PLC，PLC中以梯形圖的形式完成事故停機(jī)邏輯。在其邏輯設(shè)計(jì)中，應(yīng)考慮停機(jī)、LCU調(diào)試態(tài)、機(jī)組把手檢修位置(打在“切除”位置)時(shí)閉鎖事故停機(jī)，此外，在事故停機(jī)時(shí)，應(yīng)自保持事故信號(hào)，直至按下復(fù)歸按鈕。邏輯見圖3。

停機(jī)邏輯主要實(shí)現(xiàn)水機(jī)事故停機(jī)和緊急事故停機(jī)，兩者在水機(jī)PLC停機(jī)邏輯里的主要區(qū)別在于緊急事故停機(jī)中，在停調(diào)速器、關(guān)閉緊急停機(jī)電磁閥的同時(shí)，緊急關(guān)閉球閥和動(dòng)作調(diào)速器的事故配壓閥。

水力機(jī)械保護(hù)PLC的水機(jī)事故停機(jī)的啟動(dòng)源包

括主PLC死機(jī)、事故停機(jī)按鈕。緊急事故停機(jī)的啟動(dòng)源包括電氣一級(jí)過速且調(diào)速系統(tǒng)故障，水淹廠房按鈕、緊急事故停機(jī)按鈕、球閥油壓裝置事故低油壓或低油位、調(diào)速器油壓裝置事故低油壓或低油位，事故停機(jī)過程中剪斷銷剪斷，電氣二級(jí)過速，主PLC緊急事故停機(jī)。

5 結(jié) 語

本文在總結(jié)溧陽抽水蓄能電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試投運(yùn)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)機(jī)組LCU主PLC和水力機(jī)械保護(hù)PLC的工作機(jī)制、硬件基礎(chǔ)和軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行了梳理，機(jī)組實(shí)際運(yùn)行表明，本套計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)LCU設(shè)備有效提高了機(jī)組的自動(dòng)化水平，保證了電站的可靠、安全和穩(wěn)定運(yùn)行，也為其他同類電站的設(shè)計(jì)提供了參考。