溧阳抽水蓄能电站机组LCU控制流程设计及实现

高 熹，陈旭韬，钱 敏，陈 强

(江苏国信溧阳抽水蓄能发电有限公司，江苏溧阳213334)

0 引 言

溧阳抽水蓄能电站计算机监控系统为南瑞水利水电技术分公司开发提供，上位机采用NC2000系统，下位机采用SJ500型现地控制单元(LCU)，下位机包括6套机组LCU、1套抽水启动LCU、1套开关站LCU、1套厂用电LCU、1套公用LCU、1套上水库LCU、1套下水库LCU。其中，每套机组LCU均采用罗克韦尔ControlLogix系列PLC作为主控制器，采用罗克韦尔CompactLogix系列PLC作为水力机械保护控制器。

机组LCU主要对水泵水轮机、发电电动机、发电机电压配电装置、主变压器、球阀、尾水事故闸门及机组励磁、调速器、继电保护、机组状态监测等机组附属设备和辅助设备进行监控，并装设独立的水力机械保护PLC作为完全独立的后备PLC，当发生主PLC失灵或水力机械事故等情况时动作触发[1]。

1 机组LCU控制流程工作机制

1.1 主PLC控制流程的工作机制

主PLC控制流程的工作按步骤可分成输入、处理、顺序控制和输出等部分。

主PLC通过AI、SOE、DI、TI等模块和通信的方式，采集发变组及附属设备的模拟量、温度量、开关量和通信量。模拟量输入包括机组有功功率及无功功率，附属设备的油压、油位、水压、流量，主变、GCB、励磁变的温度和电流等；温度量输入主要为定子绕组、瓦温、空冷器出风温度等；开关量输入主要接收机组及附属设备的状态如保护、励磁、调速器、球阀、转速装置、制动器、调相压水、技术供水泵等；通信包括与其他LCU、上位机、水机保护PLC、调速器、交采表、电度表、与时钟同步等系统通信。

主PLC自动采集获取以上数据后，由CPU负责数据处理和控制、调节。CPU将处理过的数据经网络设备送至上位机，同时CPU也接受上位机或本体LCU触摸屏下发的命令。CPU的顺序控制在设计时应充分考虑与被控设备的控制回路或PLC进行配合，并可在机组调试阶段进行调整和优化。

主PLC通过DO模块对其他被控设备的控制系统输出命令，以实现GCB分合、同期并网、有功功率/转速调节、无功功率/电压调节、尾水事故闸门控制、球阀控制、工况转换、事故停机等功能。

1.2 水力机械保护PLC控制流程的工作机制

水力机械保护PLC工作机制与主PLC相同，但输入只采集开关量和来自主PLC的通信量。

开关量输入包括中控室、水淹厂房及机组LCU上的停机按钮，主PLC死机，机械过速，电气一级过速，电气二级过速，转速位置接点，调速器系统故障，调速器压力油罐事故低油位、低油压，球阀压力油罐事故低油位、低油压，导叶发电空载及以下位置，导叶抽水空载及以下位置，导叶全关位置，机组调试键，机组把手检修位置，GCB分闸、合闸，换向开关位置，电制动刀位置，SFC拖动选择等。与主PLC的通信量仍然是以上开关量，作为备用。

水机PLC的开关量输出主要与GCB、励磁系统、调速器、球阀配合，动作于事故停机和紧急事故停机。

2 控制流程的硬件基础

2.1 主PLC的硬件配置[2]

溧阳抽水蓄能电站机组主PLC采用2个冗余的ControlLogix 1756-L62 CPU，每个CPU单独设置在1块1756-A7背板上。CPU机架上另外配置1块1756-PB72电源模块供电，配置2块1756-EN2T以太网通讯模块分别接入双网，配置1块1756-RM2冗余模块实现双CPU冗余通讯，配置1块1756-CN2构建ControlNet网络。

主PLC采用的ControlNet网络主要连接CPU所在的2个1756-A7(7槽)背板和8个1756-A13背板，1756-A13背板采用1756-CNB模块构建ControlNet网络。背板之间的物理连接由同轴电缆、1786-TPS分支器(三通)和1786-XT终端电阻组成。8个1756-A13背板上共配置10块1756-IB16ISOE模块采集SOE量，23块1756-IB32模块采集DI量，7块1756-IF16模块采集AI量，2块1756-OF8模块输出AO量，33块1756-IR16模块采集TI量，5块1756-OB32模块输出DO量，1块1756-TIME模块采集同步时钟信号。

2.2 网络配置及同步时钟配置

机组LCU配置2块赫斯曼RS20系列交换机，分别与地下厂房2台赫斯曼MACH4002- 48G交换机相连。后者以双星形结构与2台赫斯曼MS4128上位机交换机相连，完成上下位机信息传输。

同步时钟配置山东科汇T-GPS系列同步时钟装置，信号源为2路GPS，2路北斗，确保机组LCU的SOE量时间精度。

2.3 水力机械保护PLC的硬件配置

水力机械保护PLC采用CompactLogix 1769-L31CPU，电源模块为1769-PB4，2块开入模块1769-IQ32处理DI量，1块开出模块1769-OB32处理DO量。水机PLC与主PLC通过SJ30通信管理装置以串口相连。

3 主PLC控制流程设计

3.1 控制流程的类型

控制流程应考虑2类情况，一类是用于命令控制，即根据人机接口下达的指令进行顺序控制，如工况转换流程；一类是用于自动控制，即实时扫描判别机组各输入量进行顺序控制，如事故停机启动流程。前者根据命令下发和条件判别，按顺序开出控制其他系统或调用其他流程，后者在现场满足预设的事故启动源条件后，按顺序开出控制其他系统。

3.2 控制流程的结构

控制流程从功能结构上主要由发令、条件判断、开出、报警和跳转至其他步(调用)组成，顺序控制流程的每一步只能实现一种功能。

控制流程分为单步和自动2种模式。在正常工况下，采取自动模式，每步执行成功后即可进入下一步。为了机组LCU调试和检修方便，在做相关试验时，可采取单步模式，允许流程单步操作，即必须人工确认后方可进入下一步。控制流程给每一步都设置了唯一的步号，当流程按序执行和跳转时，都可直接使用这些步号。

控制流程中的条件判断是控制流程逻辑实现的关键。在流程启动之前，需判断是否满足流程启动条件；在流程执行中，需判断是否满足进入下一步条件和执行是否超时。一旦不满足条件或本步骤执行超时，则报警或进入停机流程。停机流程包括正常停机流程、机械事故停机流程、电气事故停机流程、紧急事故停机流程，在停机流程执行中的条件判断不满足会调用更高一级的停机流程。

3.3 控制流程的逻辑设计

3.3.1 与被控设备的配合

机组的启动和运行需要各附属设备密切配合。被控设备的启动需要由机组LCU判断并开出指令，当被控设备完成动作后还应反馈给机组LCU。与常规水电机组控制流程不同的是，在与励磁系统、调速器电气柜、继电保护配合时，还应向这些系统开出或复归发电模式、发电调相模式、抽水调相模式、抽水模式等命令。

溧阳抽水蓄能电站设置了2套SFC装置，在SFC拖动机组时也需流程开出选启动1号SFC、启动2号SFC、跳1号SFC、跳2号SFC送至抽水启动LCU，抽水启动收到这些命令后，搭建相应继电器控制回路，完成对不同SFC的选择。

3.3.2 机组的状态设计[3]

抽水蓄能机组达到稳定运行的工况，除了停机态之外，有发电状态、抽水状态、发电调相状态、抽水调相状态等4种。在这些工况转换中，有些步骤相同，可以考虑合并，这样既可优化流程，又可避免附属设备反复启停。

经分析，相同的步骤如下：从停机态到辅助设备都开启的状态；从不同工况到机组旋转但励磁、调速器、导叶、SFC等已关且GCB已分。根据以上2种情况，可以设置停机热备态、旋转态2种暂态。

考虑调试和试验的长时停留方便，在停机热备态至发电态的过程中设置空转态和空载态。空转态为转速达到95%以上但未建压，空载为转速达到95%以上已建压但GCB未合。另外，考虑黑启动对励磁、调速器及同期装置的控制要求，设置黑启动态。机组在工况转换过程的过度阶段、不在以上状态时，定义为不定态。

综上所述，将机组的工况状态分为稳态和暂态，稳态包括停机态、发电态、空载态、空转态、发电调相态、抽水调相态、抽水态、黑启动态8种，暂态为停机热备态、旋转态、不定态3种。

3.3.3 子流程设计

机组控制中各稳态及暂态之间的工况转换，通过执行子流程来完成。分为正常开停机工况和事故停机工况2大类。

正常开停机包括：停机→停机热备、停机热备→空转、空转→空载、空载→发电、发电→发电调相、发电调相→发电、发电→空载、空载→空转、空转→旋转、发电调相→旋转、停机热备→抽水调相、抽水调相→抽水、抽水→抽水调相、抽水→旋转、抽水调相→旋转、不定态→旋转、旋转→停机热备、停机热备→停机、抽水→发电、停机热备→黑启动、黑启动→发电等21个子流程，见图1。

事故停机流程包括：机械事故停机、电气事故停机、紧急事故停机3个子流程。事故时，机组从不同工况直接经过事故停机流程进入旋转态，然后调用旋转→停机热备、停机热备→停机，最终机组进入停机稳态，见图2。

图2 事故停机工况转换流程

3.3.4 主PLC事故启动源逻辑

机械事故的启动源经过业主、设计院和厂家的反复讨论，最终确定为振摆跳机、调速器油系统故障、球阀油系统故障、事故停机按钮、组合机组温度过高、各导轴承油槽油温高组合外循环油泵运行、冷却水组合流量低、电动球阀组合冷却水流量低、主轴密封温度高、上止漏环温度高、下止漏环温度高、导叶剪断销故障。

电气事故的启动源包括机组保护停机、SFC跳闸停机、主变保护停机、相邻机组停机、相邻主变停机、主变非电量停机、相邻主变非电量停机、双套励磁调节器严重故障、桥引线保护停机、消防跳闸停机。

图3 事故停机闭锁逻辑

紧急事故停机的启动源包括水淹厂房停机、调速器控制系统严重故障、进水阀控制系统严重故障、中控室紧急停机按钮、LCU紧急停机按钮、机组电气2级过速、机组电气1级过速且调速器系统故障、事故停机过程中剪断销剪断、调速器事故低油压低油位、球阀压力油罐事故低油压低油位、机械过速保护装置动作、尾水闸门下滑、球阀异常关闭。

4 水力机械保护PLC控制流程设计

水力机械保护PLC作为后备PLC，PLC中以梯形图的形式完成事故停机逻辑。在其逻辑设计中，应考虑停机、LCU调试态、机组把手检修位置(打在“切除”位置)时闭锁事故停机，此外，在事故停机时，应自保持事故信号，直至按下复归按钮。逻辑见图3。

停机逻辑主要实现水机事故停机和紧急事故停机，两者在水机PLC停机逻辑里的主要区别在于紧急事故停机中，在停调速器、关闭紧急停机电磁阀的同时，紧急关闭球阀和动作调速器的事故配压阀。

水力机械保护PLC的水机事故停机的启动源包

括主PLC死机、事故停机按钮。紧急事故停机的启动源包括电气一级过速且调速系统故障，水淹厂房按钮、紧急事故停机按钮、球阀油压装置事故低油压或低油位、调速器油压装置事故低油压或低油位，事故停机过程中剪断销剪断，电气二级过速，主PLC紧急事故停机。

5 结 语

本文在总结溧阳抽水蓄能电站计算机监控系统的设计和调试投运经验的基础上，对机组LCU主PLC和水力机械保护PLC的工作机制、硬件基础和软件设计进行了梳理，机组实际运行表明，本套计算机监控系统LCU设备有效提高了机组的自动化水平，保证了电站的可靠、安全和稳定运行，也为其他同类电站的设计提供了参考。