基于PLC的水机保护功能在水电站应用

黄 朝，张 鹏，段振国

（1.中国水利电力对外公司，北京 100120；2.成都勘测设计研究院，四川 成都 610072；3.中国水利水电科学研究院，北京 100038）

1 引言

水电站的监视和控制通常有以下几种基本形式[1]：以常规控制装置为主；简单的计算机监控与常规控制装置双重设置方式；以计算机监控为主、常规设备为辅方式；全计算机监控方式。随着计算机监控系统技术的不断发展和完善，国内新建的水电站已不再采用常规控制；水电站设计规范也不推荐采用计算机监控与常规控制装置双重设置方式。目前无论新建还是老电站改造，均按全厂计算机监控设计。从安全角度考虑，在水电站计算机监控系统外通常仍然保留了一套水机保护系统。这套保护系统通常由常规继电器搭建而成，独立于计算机监控系统的现地控制单元LCU的可编程控制器（PLC），通过采集机组各种状态、报警、停机信号，通过继电器搭建的停机回路，实现对水电站机组的保护。

随着计算机监控系统技术的发展，已经逐步开始采用一套独立的PLC系统替代常规回路完成水机保护系统功能。

2 继电器形式水机保护系统的不足

传统常规继电器形式的水机保护系统虽然在水电站中广泛使用多年，但是一直存在着种种不足之处，主要表现在以下几个方面：

（1）采用继电器形式搭建的保护回路，可靠性并不高。继电器在实际使用过程中经常会出现，如触点粘连，继电器线圈烧毁等问题，直接影响水机保护系统的可靠性。

（2）常规控制回路接线复杂，可扩展性差，大大增加了设计、调试、运行维护的工作量，设计完成后，基本无法做大的修改和调整，灵活性差。

（3）水机保护回路中无法直接接入模拟量和温度量（RTD量）信号。若采用回路外进行模拟量和温度量信号处理的办法，整个回路复杂程度增加可靠性大大降低。

（4）水机保护动作过程无法自动记录，事故分析不方便。

3 基于PLC的水机保护系统的优越性

基于PLC的水机保护系统相对于传统常规继电器形式的水机保护系统有许多优点，主要优点如下：

（1）水机保护系统采用一套独立的工业级PLC构成，集成DI、DO、AI、RTD模块，可以处理的信号基本不受限制，可靠性高，整合性好。

（2）通过对PLC编程，可以方便实现各种保护控制逻辑，形成各种报警、停机逻辑，调试、运行维护工作量大大减少，功能扩展灵活方便。

（3）可直接接入机组模拟量和RTD量，并且可以方便地实现模拟量、RTD量的各种组合判断方案，包括对温度测量的断线、梯度变化的判断功能。

（4）水机保护动作过程可以自动记录，并可打时标，方便进行事故分析。

4 基于PLC的水机保护系统的设计

基于PLC的水机保护系统相对于传统常规继电器形式的水机保护系统，有自己的结构设计特点，以下是一些设计注意事项。

（1）基于PLC的水机保护系统应采用一套独立的PLC来完成，由于独立采集的信号量不多，PLC可以考虑采用中小型产品。例如可以采用施奈德公司的Premium系列产品做水机保护的PLC，该PLC稳定可靠，编程简单，采购方便，性价比高。

（2）基于PLC的水机保护系统可以独立组屏，也可组屏在监控系统的控制屏中。无论如何组屏，要设计成独立的供电回路，开出回路单独引电缆至设备，不与电站计算机监控系统的开出回路并接。

（3）送入基于PLC的水机保护系统与电站主计算机监控系统的信号源需分开，比如机组机械过速信号，一套送PLC水机保护系统，一套送电站主计算机监控系统。某些信号实在无法分开的话需要在现地设备上安装中间继电器进行扩展。

（4）为避免互相干扰，通常PLC水机保护系统与电站计算机监控系统之间不进行数据通讯。所需的IO量采用DI/DO的方式交换。例如水机保护系统可通过DO信号形式给出水机保护事故停机、紧急停机等动作信号，并送计算机监控系统中。如果数据交换量过多，也可以采用现场总线方式通讯(例如Modbus、Profibus总线等)，其中PLC水机保护系统作为通讯子站，只上送数据，不接收计算机监控系统的数据。

（5）如果有条件，还可以为PLC水机保护系统配置一个小型触摸屏，便于设定参数和查看运行、故障状态。PLC水机保护系统还需要设计一些压板，设定瓦温、油温等保护的投退，还需要为该系统设计复位按钮。

（6）简化PLC水机保护系统的数据采集量。由于PLC水机保护系统主要用于机组保护，只需要采集和水机保护相关的信号，和正常操作、控制相关的信号和命令都不进入PLC水机保护系统内。

（7）PLC水机保护系统与电站主计算机监控系统的保护动作命令是并行发出，相互独立的。同时动作到机组事故配压阀、调速器急停阀等自动化设备上。

5 现场实施与调试

虽然按上述原则设计基于PLC的水机保护回路，但在现场实施与调试过程中，仍然会遇到一些问题，下面是经常遇到情况的小结。

（1）确认信号源分开的问题。很多设备的信号源都只有一套，无法分开供两套系统使用。可以通过在现地设备元件汇集处如水轮机端子箱内加装中间继电器扩展接点来解决。

（2）PLC水机保护系统与电站主计算机监控系统之间的数据交换问题。如果完全采用DI/DO的方式交换会造成PCL水机保护系统测点过多，影响设备投资，可考虑与监控系统厂家协商改用现场总线的方式(例如Modbus、Profibus总线)交换数据，PLC水机保护系统只上送数据，不接收计算机监控系统的数据。

（3）水机保护保护动作后的流程与监控系统流程配合问题。可以采用PLC水机保护系统与电站主计算机监控系统相同的停机流程，同时作用到对象设备上。

目前，已经实现多个水电站基于PLC的水机保护系统，投入运行，其可靠性、灵活性、运行维护方便性均得到现场运行维护人员的肯定。

6 结语

从2008年开始，在多个水电站的计算机监控系统项目中，采用独立的基于PLC的水机保护系统替代常规水机保护，收到了很好的效果。基于PLC实现的水机保护系统，具有可靠性高、功能实现灵活、性能优异、运行维护方便等优点，具有推广价值。

[1]王定一.水电厂计算机监视与控制[M].中国电力出版社2001.

[2]李 婷，李 颖.大中型水电站紧急停机保护设计[J].水电厂自动化，2010.（1）.

[3]杜晨辉，杨光华，等.蒲石河抽水蓄能电站监控系统LCU回路设计[J].水电自动化与大坝监测，2011.（3）.