監(jiān)控系統(tǒng)溫度跳變故障分析及解決方案

韋正鵬，鐘遠(yuǎn)鋒，方賢思，孟 鵬，劉 陽(yáng)

(1. 華電電力科學(xué)研究院有限公司，浙江 杭州 310030；2. 貴州烏江水電開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司構(gòu)皮灘發(fā)電廠，貴州 遵義 563000)

構(gòu)皮灘發(fā)電廠位于貴州省遵義市余慶縣境內(nèi)，電廠裝有5臺(tái)單機(jī)容量為600 MW混流式機(jī)組，設(shè)計(jì)年發(fā)電量96.28億kWh，是國(guó)家“西電東送”的標(biāo)志性工程和目前中國(guó)華電集團(tuán)有限公司最大的水電站[1]。構(gòu)皮灘發(fā)電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主要由上位機(jī)、下位機(jī)和連接上下位機(jī)的光纖通信網(wǎng)組成，下位機(jī)共有8套現(xiàn)地控制單元(LCU)，分別執(zhí)行對(duì)應(yīng)于5臺(tái)機(jī)組LCU、開(kāi)關(guān)站LCU、公用系統(tǒng)LCU和泄洪閘LCU的實(shí)時(shí)監(jiān)控。電廠3號(hào)機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)于2009投入運(yùn)行，機(jī)組監(jiān)控LCU現(xiàn)已運(yùn)行有10年之久，2020-11-23日在改造后機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)定子繞組溫度跳變現(xiàn)象，給電廠的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)了巨大隱患。本文通過(guò)對(duì)3號(hào)機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)溫度跳變現(xiàn)象產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，并針對(duì)分析得出的結(jié)論采取一定措施，最終使得溫度跳變這一故障得到有效解決。

1 水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

隨著電力工業(yè)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，用于水電站電力生產(chǎn)管理的電力監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了水電站信息化、自動(dòng)化管理，大幅度提升了水電站生產(chǎn)效率和管理水平[2]。由于水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的控制功能與機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行以及信息安全聯(lián)系密切，越來(lái)越多科研人員對(duì)于電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)研究逐步深入[3-4]。彭德明等人通過(guò)對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)軸瓦溫度處理邏輯策略進(jìn)行說(shuō)明分析，論證了其邏輯策略的適用性與合理性，為其他類(lèi)似電站提供了一定的借鑒[5]；蔡杰等人針對(duì)烏東德水電站監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)性與穩(wěn)定性下降問(wèn)題，對(duì)電站監(jiān)控系統(tǒng)負(fù)載均衡功能進(jìn)行設(shè)計(jì)，有效提升了系統(tǒng)的運(yùn)行效率與穩(wěn)定性[6]；席光慶等人通過(guò)對(duì)二灘水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)改造過(guò)程中的幾起典型故障進(jìn)行分析，通過(guò)查詢?cè)虿⒆罱K得到有效解決[7]，姜睿等人就阿爾塔什水電站機(jī)組LCU水機(jī)后備保護(hù)展開(kāi)研究，將PLC的水機(jī)后備保護(hù)方式作為機(jī)組LCU水機(jī)后備保護(hù)，在機(jī)組LCU發(fā)生故障事故的時(shí)候，可以通過(guò)水機(jī)后備保護(hù)對(duì)機(jī)組完成緊急關(guān)閉操作[8]。

2 故障現(xiàn)象及原因分析

2.1 故障現(xiàn)象

3號(hào)機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)中定子繞組溫度測(cè)點(diǎn)總數(shù)為54個(gè)，2020-11-23日監(jiān)控系統(tǒng)改造完成后在運(yùn)行過(guò)程中上位機(jī)監(jiān)控軟件中有6個(gè)測(cè)點(diǎn)頻繁出現(xiàn)定子繞組溫度越高高限報(bào)警信號(hào)，且過(guò)一段時(shí)間后報(bào)警信號(hào)又復(fù)歸。頻繁的報(bào)警與復(fù)歸信號(hào)給運(yùn)行人員的值班工作帶了極大的不便，且讓值班人員無(wú)法真正獲取機(jī)組定子繞組溫度的真實(shí)情況，給電站安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)不確定因素。

在溫度跳變的6個(gè)測(cè)點(diǎn)中有2個(gè)測(cè)點(diǎn)跳變尤為嚴(yán)重，分別為第45號(hào)和第53號(hào)測(cè)點(diǎn)，這2個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)在機(jī)組負(fù)荷達(dá)到70%以上的時(shí)候，上位機(jī)頻繁收到報(bào)警信號(hào)；當(dāng)負(fù)荷減小至50%以下后上位機(jī)不再收到報(bào)警信號(hào)，但測(cè)點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)值上下波動(dòng)依然很大，在幾十?dāng)z氏度內(nèi)進(jìn)行跳變，無(wú)法獲取定子繞組真實(shí)的溫度。另外4個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)分別為第2點(diǎn)、第5點(diǎn)、第16點(diǎn)和第25點(diǎn)，這4點(diǎn)在機(jī)組負(fù)荷超過(guò)80%時(shí)偶爾也會(huì)在上位機(jī)出現(xiàn)溫度過(guò)高報(bào)警信號(hào)，相比第45號(hào)和53號(hào)測(cè)點(diǎn)來(lái)說(shuō)較為穩(wěn)定，但對(duì)于監(jiān)控系統(tǒng)來(lái)說(shuō)也是屬于故障測(cè)點(diǎn)，需要對(duì)其進(jìn)行處理。

2.2 故障原因分析

為獲悉3號(hào)機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)定子繞組溫度跳變?cè)?，選取溫度跳變故障尤為突出的2個(gè)測(cè)點(diǎn)中的1個(gè)進(jìn)行分析，本次選取第45號(hào)定子繞組溫度測(cè)點(diǎn)作為分析對(duì)象。

1)故障原因定位分析。首先將第45號(hào)定子繞組溫度測(cè)點(diǎn)換到其他不跳變的正常通道上，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在第45號(hào)定子繞組溫度測(cè)點(diǎn)接上后，其原來(lái)正常的通道也出現(xiàn)了溫度跳變現(xiàn)象；再將正常的定子繞組溫度測(cè)點(diǎn)連接到第45號(hào)通道，結(jié)果顯示第45號(hào)通道定子繞組溫度值正常，無(wú)跳變現(xiàn)象發(fā)生。由此可以初步判斷第45號(hào)定子繞組溫度測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)溫度跳變的原因并非是由PLC的硬件通道故障所造成的，硬件故障造成溫度跳變這一方面可進(jìn)行排除。同時(shí)可以猜測(cè)第45號(hào)定子繞組溫度測(cè)點(diǎn)故障可能是該測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)受到干擾，需要對(duì)該干擾原因做進(jìn)一步分析。

2)干擾數(shù)據(jù)分析。在排除PLC硬件問(wèn)題后，為進(jìn)一步探究構(gòu)皮灘水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)溫度跳變故障原因及可能性，對(duì)第45號(hào)定子繞組溫度測(cè)點(diǎn)進(jìn)行干擾數(shù)據(jù)分析。首先采集一段第45號(hào)定子繞組溫度測(cè)點(diǎn)曲線圖(如圖1)，由圖1中可知第45號(hào)定子繞組溫度測(cè)點(diǎn)值呈現(xiàn)一種雜亂無(wú)章的現(xiàn)象，數(shù)據(jù)受到了嚴(yán)重的干擾。再將無(wú)告警信息的通道波形與第45號(hào)定子繞組溫度測(cè)點(diǎn)通道波形進(jìn)行對(duì)比，由圖2可以看出無(wú)通道告警信息的通道波形粗而密可看成一條直線，而第45號(hào)定子繞組溫度測(cè)點(diǎn)的通道波形圖則細(xì)而疏呈現(xiàn)出一條明顯的波浪線。因此可以看出第45號(hào)定子繞組溫度測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)疊加了嚴(yán)重的干擾波形。

圖1 第45號(hào)定子繞組溫度測(cè)點(diǎn)曲線圖

圖2 溫度測(cè)點(diǎn)通道波形圖

3 解決方案及效果

根據(jù)原因分析結(jié)果得出第45號(hào)定子繞組溫度測(cè)點(diǎn)通道數(shù)據(jù)波動(dòng)較大，疊加了比較嚴(yán)重的干擾，為此針對(duì)第45號(hào)定子繞組溫度測(cè)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況提出解決方案，其具體方案及實(shí)施效果如下所示。

3.1 硬件改造方案及效果

由于數(shù)據(jù)波動(dòng)較大，存在數(shù)據(jù)干擾，因此首先考慮從硬件上進(jìn)行改造來(lái)篩除干擾波，從而達(dá)到緩解定子繞組溫度值跳變故障。硬件改造方案分為如下兩個(gè)步驟：

第一步如圖3所示，RTD模塊的輸入線由3根信號(hào)線組成，通過(guò)對(duì)3根信號(hào)線的輸入信號(hào)增加對(duì)地濾波電容，對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行雜波過(guò)濾，使其輸入的信號(hào)更為接近第45號(hào)定子繞組溫度測(cè)點(diǎn)的真實(shí)值；同時(shí)在3根輸入線上增加磁珠，并加強(qiáng)對(duì)地面的屏蔽連接到系統(tǒng)內(nèi)部的大地，消除地面其他波形信號(hào)的輸入與影響。

圖3 硬件改造第一步原理圖

第二步為削弱線路上耦合的高頻干擾，在硬件第一步的基礎(chǔ)上再進(jìn)行改造，如圖4所示，在機(jī)柜內(nèi)溫度量輸入線路中加上磁環(huán)，通過(guò)磁環(huán)的屏蔽高頻干擾信號(hào)，減小輸入的溫度值誤差。

圖4 硬件改造第二步原理圖

待硬件改造完成后，采集第45號(hào)定子繞組溫度測(cè)點(diǎn)溫度曲線如圖5所示，從圖5中可以看出硬件改造前后第45號(hào)定子繞組溫度測(cè)點(diǎn)值依然是振幅較大的波浪線，說(shuō)明硬件改造的效果不明顯，需要從另外方面進(jìn)行入手考慮。

圖5 硬件改造后第45號(hào)定子繞組溫度測(cè)點(diǎn)溫度曲線圖

3.2 軟件改造方案及效果

針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)溫度條跳變以及硬件改造效果不佳的實(shí)際情況，采取從軟件方面進(jìn)行改造。軟件改造原理如圖6所示，其軟件改造主要內(nèi)容包括以下3點(diǎn)：

1)數(shù)據(jù)采集的頻率關(guān)乎到數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，為保證數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性，通過(guò)軟件升級(jí)提高溫度數(shù)據(jù)采集頻率，在單位時(shí)間內(nèi)獲取更多的溫度值；

2)根據(jù)第45號(hào)定子繞組溫度測(cè)點(diǎn)跳變現(xiàn)象加強(qiáng)軟件濾波，同時(shí)采用多種濾波算法對(duì)采集的溫度值進(jìn)行分析和處理，去除跳變的溫度值，保證采集的溫度值屬于或者接近真實(shí)的數(shù)據(jù)；

3)為防止其他回路電波或者外界電波對(duì)第45號(hào)定子繞組溫度測(cè)點(diǎn)電波的影響，增加特定的干擾濾波算法排除誤差。

圖6 軟件改造方案原理圖

軟件改造完成，更換升級(jí)過(guò)軟件的模塊并開(kāi)機(jī)試驗(yàn)，通過(guò)數(shù)據(jù)采集截取并對(duì)比。如圖7所示，截取第45號(hào)定子繞組溫度測(cè)點(diǎn)2020-11-29，00:00～2020-11-30，8:00的數(shù)據(jù)，該段數(shù)據(jù)中發(fā)電機(jī)組2020-11-29，20:00停機(jī)，更換軟件升級(jí)后的溫度模塊后，2020-11-29，20:45開(kāi)機(jī)。通過(guò)20:45之后的數(shù)據(jù)和之前的數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出：在軟件升級(jí)模塊更換前第45號(hào)定子繞組溫度測(cè)點(diǎn)曲線數(shù)據(jù)波動(dòng)較大，通過(guò)軟件升級(jí)更換模塊后曲線近似一條實(shí)線，測(cè)點(diǎn)溫度值波動(dòng)很小，比軟件升級(jí)改造之前有很大程度的改善。綜合以上可以看出該方法很有效的解決了第45號(hào)定子繞組溫度測(cè)點(diǎn)跳變故障。

圖7 軟件改造前后第45號(hào)定子繞組溫度測(cè)點(diǎn)值對(duì)比曲線圖

采用同樣的方案對(duì)第2、5、16、25、53號(hào)定子繞組溫度測(cè)點(diǎn)所在模塊進(jìn)行軟件升級(jí)濾波改造，通過(guò)數(shù)據(jù)采集結(jié)果發(fā)現(xiàn)均明顯改善了故障測(cè)點(diǎn)的溫度輸出數(shù)據(jù)，且不影響溫度數(shù)據(jù)的測(cè)量，溫度能根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的情況進(jìn)行實(shí)時(shí)變化，同時(shí)又很好的濾除了現(xiàn)場(chǎng)的干擾。因此軟件升級(jí)濾波方案可以解決構(gòu)皮灘電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)定子繞組溫度跳變故障。

3.3 更換接線端子

針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，建議可將接線端子更換成PCB端子。如圖8所示，現(xiàn)有的接線端子需將線纜剝開(kāi)再接入RTD模塊，這種操作會(huì)破壞線纜的屏蔽層，提高線纜之間的干擾，進(jìn)而對(duì)輸送的數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響；而使用PCB端子則有所不同，發(fā)電機(jī)組電纜在進(jìn)入機(jī)柜后接入PCB端子座，端子座通過(guò)兩頭屏蔽的DB37電纜，直接接到PLC測(cè)溫模塊，中間無(wú)需撥線，不會(huì)破壞屏蔽層，另外還可以在接線板上增加一些硬件上的抗干擾措施，降低受高頻干擾的風(fēng)險(xiǎn)，讓溫度采集效果更佳。

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)構(gòu)皮灘水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)定子繞組溫度跳變故障，從實(shí)際情況出發(fā)進(jìn)行原因分析，提出具體的解決方案。

1)首先通過(guò)定位分析排除PLC的硬件通道故障造成定子繞組溫度跳變的可能性，同時(shí)根據(jù)告警測(cè)點(diǎn)通道數(shù)據(jù)波形與無(wú)告警測(cè)點(diǎn)通道數(shù)據(jù)通道波形進(jìn)行對(duì)比，確定數(shù)據(jù)干擾是造成定子繞組溫度跳變的主要原因。

圖8 現(xiàn)場(chǎng)接線端子與PCB端子示意圖

2)繼而為排除數(shù)據(jù)干擾，首先采取硬件改造，在硬件上增加防干擾裝置，結(jié)果表明此方案取得的效果甚微。

3)隨后進(jìn)一步采取了軟件升級(jí)改造，通過(guò)在軟件上增加各種不同的濾波算法，最終有效地解決了定子繞組溫度跳變現(xiàn)象。對(duì)所有定子測(cè)點(diǎn)實(shí)施該方案后效果良好。

4)同時(shí)針對(duì)構(gòu)皮灘發(fā)電廠實(shí)際的情況，為保證監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集效果更佳，提出更換接線端子的改造建議。