水电站机组LCU控制流程设计及实施

吴正良 吴卫明 宋宏进

摘  要：简要地介绍了计算机监控系统机组LCU配置和结构，对机组LCU控制流程设计进行了比较详细的说明。机组控制流程设计以安全、可靠、合理、操作方便为原则，除设计了开机、停机、紧急事故停机、一般事故停机等常规控制流程外，为了使机组试验过程中达到不同的运行状态，增设了冷备用空转、空载开机、热备用空转、空载开机等多种试验控制流程。试验控制流程的设计简化了操作步骤，减轻了值班人员的工作强度，对于防止误操作的发生也起到一定作用。

关键词：配置  结构  控制流程  设计

中图分类号：TV736    文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2020）01（b）-0030-04

Abstract： This paper briefly introduces the configuration and structure of the computer supervisory control system unit LCU， and makes a detailed introduction to the control flow design of the unit LCU. The control flow design of the unit is based on the principles of safety， reliability， reasonableness and convenience of operation. In addition to the general control flow， such as start-up， shutdown， emergency shutdown and general accident shutdown， cold standby idling， no-load startup， hot standby idling and no-load idling are added in order to achieve different operation conditions during the unit test. A variety of test processes such as loading and starting. The design of the test control flow simplifies the operation steps， reduces the working intensity of the personnel on duty， and plays a certain role in preventing the occurrence of misoperation. The LCU configuration and structure of the unit are briefly introduced， and the design of the control flow of the unit is introduced in detail. The control flow of the unit is designed according to the principle of safety， reliability， rationality and convenience of operation. Besides the general control flow such as start-up and shutdown， a variety of test flow are added in order to make the unit run in different states during the test. The design of the test control flow simplifies the operation steps， reduces the working intensity of the personnel on duty， and plays a certain role in preventing the occurrence of misoperation.

Key Words： Configuration; Structure; Control flow; Design

某水电站安装有9台混流式水轮发电机组，总装机容量为850MW（8×95MW+1×90MW），担负华东电网调频、调峰、事故备用的任务。水轮发电机组为悬吊式结构，布置有推力轴承、上导轴承、水导轴承。机组技术供水采取本机蜗壳自流供水，引自上库的坝前引水供水作为备用。水导轴承为水润滑弹性塑料轴瓦，润滑冷却水采用主、备用双路供水。电气部分采用三机一变扩大单元接线。电站计算机监控系统改造后采用安德里茨NEPTUN系统，不但对硬件系统进行了全面的提升，而且根据该电站方设计编写的机组控制流程对主、辅设备增设了多种远方控制和试验功能，方便了运行人员的操作。

1  机组LCU配置

LCU具有控制、调节操作和监视功能，配备人机触摸屏，当与上位机系统脱机时，仍具有必要的监视和控制功能。主要由控制器、模拟量和开关量I/O模块、同期装置、转速测量装置、现地人机接口设备等构成[1]。改造后主要配置如下。

（1）主控制器（主PLC）选用西門子AK1703 ACP智能自动控制装置。该装置采用多处理器体系结构，除了冗余的中央CPU处理器外，每个I/O模板还带有CPU芯片，从而提升系统的整体可靠性与可用性。

（2）急停PLC选用西门子TM1703mis。LCU设置单独水机保护PLC，采用独立于主PLC的交、直流工作电源，为机组提供水机冗余保护，安全性能提高[2]。急停PLC主要完成事故紧急停机（落快速闸门）、电气事故启动紧急停机和紧急停机按钮启动紧急停机等水机保护。

（3）人机接口设备。LCU人机接口单元选用研华PPC-174T 17"液晶触摸屏。触摸屏可实现现地实时监视设备运行状态、运行参数以及完成机组开停机、发电机出口开关和辅助设备等操作。

（4）同期装置。装设一套SID-2SA微机同期装置外和一套SID-2SL-A型微机多功能同步表。

（5）测速装置。配有一台CIP21微机测速装置。该装置可输出10路开关量和1路模拟量信号。测速装置输出两路140%nH过速定值，各分别输入主控制器和急停PLC，实现机组可靠地过速保护。

2  机组LCU结构

现地LCU以西门子AK1703 ACP控制器为核心和TM1703mis紧停PLC及相应通信设备构成。AK1703 ACP控制器双CPU通过冗余配置的LCU交换机分别连接于电站以太网，紧停PLC通过其中一个LCU交换机连接于电站以太网。LCU同现场设备之间信息交换采用两种方式。

方式一，利用LCU的输入、输出模块以硬接线的方式同现场设备交换信息，如励磁装置、油压装置、油水气系统电控阀、自动滤水器、电动排水阀、快速闸门控制等。

方式二，电气保护动作信号通过串口通信方式传输，采用IEC60870-103协议;调速器除方式一的硬接线外，还通过串口通信方式交换信息，采用Modubs协议。在调速器功率模式投入情况下，上位机系统数字功率给定通过通信方式下发给调速器，而开度模式运行时，LCU则下发脉冲信号，来完成有功功率的调节。

3  控制流程设计

机组控制流程实现以下控制目标：（1）通过执行机组工况转换流程，控制机组相关设备按照生产工艺要求顺序操作;（2）通过执行各系统设备控制逻辑，一方面接收机组工况转换流程发出的控制命令实现设备的顺序控制，另一方面通过设备状态判断实现设备故障或紧急情况下的启停、切换、报警和跳闸操作;（3）通过执行各系统设备控制逻辑，实现各个设备之间的安全闭锁和操作配合[3]。根据上述控制目标，机组控制流程除设计编写了一般控制流程外，另外设计编写了多种试验控制流程。一般控制流程有停机至发电、发电至调相、调相至发电、发电至停机、紧急事故停机（落快速闸门）、一般事故停机、发电机开关及闸刀控制、励磁方式切换操作、调速器运行模式切换操作、辅助设备操作等流程。试验控制流程有停机至空转开机、停机至空载开机、空转至空载、空载至空转、空载至发电（并网）、发电至空转（解列）、本机零升开机、对主变零升开机、同期假并车等流程。以下对部分控制流程做具体介绍。

3.1  停机至发电开机流程

停机至发电开机控制流程是机组从热备用启动到并网发电的过程，具体如图1所示。第1步：判断开机条件，需满足以下条件：快速闸门全开、无电气事故、无水机事故、励磁A、B套无故障、风闸回路无风压、风闸下落、接力器锁锭拔出、紧急停机电磁阀复归、发电机开关分闸、发电机开关内侧地刀分闸、发电机开关外侧地刀分闸、1号压变闸刀合闸、2号压变闸刀合闸、消弧线圈闸刀合闸、灭磁开关合闸、发电机闸刀合闸。当机组停机备用状态开机条件不满足时，发报警信号并亮光字，提醒运行人员开机条件不满足，需进行检查并排除故障。第2步：投總冷却水，需推力、上导、水导冷却器均有冷却水。投总冷却水的同时，投入水导备用水，因为水导轴承为水润滑水冷却轴承，投双路供水目的为了缩短开机时间，当机组转速至90%n时，水导备用水退出。第3步：经开机延时，启动调速器开机。第4步：转速到90%nH，建压令送励磁装置，升压至额定。第5步：同期并网，同期装置退出分3种情况：发电机开关同期合闸后延时10s退出;发电机开关合不上延时6min自动退出;上位机发“撤同期令”退出。发电机开关合闸后自动增有功3MW，防止合闸后可能的短时逆向有功。

3.2 停机流程

按发电态→空载态→空转态→停机态控制。第1步：减有功、无功;第2步：发电机开关跳开;第3步：发停机令到励磁撤压到空转。第4步：发停机令到调速器导叶关闭的步序进行。

其中停机跳发电机开关判断条件为：当无功功率Q≤|5|Mvar和导叶空载同时满足或者无功功率Q≤|5|Mvar和有功功率P≤5MW同时满足，跳开发电机开关。增设有功功率P≤5MW的条件是为了防止导叶关至空载位置时导叶位置开关不能接通导致发电机开关跳不开的情况发生。

3.3 水机保护跳闸流程

（1）防水淹厂房保护。

在蜗壳层廊道左、右岸设置二套水位信号装置作用于报警，每台机另设置了二套防水淹厂房保护水位信号装置。每套防水淹厂房保护水位信号装置低水位接点同时动作通过硬接线作用于落快速闸门，高低水位接点同时动作通过LCU作用于机组紧急事故停机。

（2）电气过速保护。

电气测速装置140%nH动作、电气测速装置无故障、导水叶打开、电气过速保护出口软压板放上，以上4个条件满足动作紧急事故停机，落下快速闸门，投入调速器紧急停机电磁阀。

（3）调速系统事故低油压保护。

备用压油泵启动压力开关动作、低油压压力开关动作、事故低油压保护出口软压板放上，以上3个条件满足动作紧急事故停机，跳发电机开关，落下快速闸门，投入调速器紧急停机电磁阀。

（4）调速系统事故低油位保护。

压油槽低油位报警液位开关动作、压油槽低油位跳闸液位开关动作、事故低油位保护出口软压板放上，以上3个条件满足动作紧急事故停机，跳发电机开关，落下快速闸门，投入调速器紧急停机电磁阀。

（5）水机保护其他跳闸流程。

其他跳闸流程有机械过速、主配发卡115%nH过速、振摆过大、轴承温度过高、水导润滑水中断、机组火警保护和急停按钮动作。

3.4 发电机开关、闸刀控制流程

发电机开关除同期合闸、正常分闸外，另外设有检修合、分闸控制流程;发电机闸刀控制也类似发电机开关设有检修合、分闸控制流程。检修合、分闸控制流程方便发电机开关、闸刀检修后的模拟试验操作。

3.5 其他设备控制流程

上位机分别设励磁方式切换、PSS投退和调速器运行模式切换、孤网方式投退、蜗壳排水阀、尾水管排水阀、总冷却水电控阀及水导备用水电控阀控制功能，分别对应编写了不同的控制流程。快速闸门的提门、落门在机旁设有硬接线控制按纽，另外在上位机设有提门、落门控制功能，并在中控室设紧急落快速闸门和紧急停机硬接线按钮[5]。多个回路控制快速闸门下落，在机组异常和水淹厂房等紧急情况下使用。

3.6 试验流程

（1）停机至空转或停机至空载开机。

停机至空转开机流程是机组冷（热）备用开机至空转状态;停机至空载开机流程是机组冷（热）备用开机至空载状态。4种开机方式控制流程的区别在于设计不同的开机条件。机组检修后，根据检修人员对机组状态的要求，发出不同的操作命令，机组开机后进入空转或空载状态（见图2）。

（2）空转至空载、空载至空转、空载至发电（并网）、发电至空转（解列）。

空转至空载、空载至空转、空载至发电（并网）、发电至空转（解列）控制流程设计使机组可以在不同的工况之间进行转换，分别设有相对应的操作命令，发出不同的操作命令，实现机组各工况转换（见图2）。

（3）空载同期假并车。

同期假并车流程，用于同期电压回路核相后，发电机开关假并车试验。主要条件是发电机闸刀分闸，见图2。

（4）本机零升开机、对主变零升开机。

本机零升开机流程是机组从冷备用开机至10%额定电压状态。其中开机条件与正常开机条件部分相同外，另增加“励磁方式手动”和“零升软压板放上（零升令送励磁装置，电压给定值置最小）”条件。开机后机组电压升至10%额定状态，再根据试验要求递增电压。本机零升开机方式常用于发电机空载特性试验、短路特性试验、机组电容电流测试，机组A、B级大修后的首次升压（见图3）。

对主变零升开机流程是机组从热备用开机至10%额定电压状态，主变电压同步升压到10%额定电压。扩大单元电气接线见图4。开机条件与正常开机条件部分相同外，另增设励磁方式手动、零升软压板放上、本单元其余二台機发电机开关分、厂变高压开关分闸或厂变低压侧分段开关分闸、配变低压开关分闸、13.8kV单元母线电压小于5%额定电压、主变中性点闸刀合上、主变开关分闸、主变正母闸刀分闸、主变副母闸刀分闸条件。当机组转速升至90%额定转速，发电机开关自动合上，在机组建压至10%额定电压的同时，主变电压也升至10%额定电压。根据试验要求由上位机单步递增机组电压至额定，主变电压随之到额度电压。主变零升开机方式常用于主变检修后的首次升压，机组同期回路核相等试验。

4  结语

某水电厂计算机监控系统改造，不但对机组LCU硬件部分进行升级，而且对控制流程进行了优化和增设，优化后控制流程更加合理，也是对以往运行、操作过程中存在问题的改进。尤其是试验控制流程设计，方便了运行操作，改变以往单步操作的项目，优化为程序操作，减少了运行人员误操作的几率，它必将对安全生产起到一定的作用。

参考文献

[1] 邓小刚，张煦，刘晓鹏，等.H9000与西门子PLC在水电厂监控系统的应用[J].水电站机电技术，2016（3）：15-17.

[2] 段文华，束炳芳，俞鸿飞.紧水滩电厂计算机监控系统改造方案的设计与实现[J].水电站机电技术，2017（11）：39-41.

[3] 彭煜明.清远抽水蓄能电站机组控制程序总体设计[J].水电与抽水蓄能，2017（5）：50-52.

[4] 张捷，杨春霞，李天毅，等.H9000 LCU程序标准化的设计与实现[A].中国水力发电工程学会信息化专委会.中国水力发电工程学会水电控制设备专委会·2015年学术交流会论文集[C].2015.

[5] 李伶，张鹏.溪洛渡水电站机组紧急停机回路的设计简介[A].中国水力发电工程学会信息化专委会.中国水力发电工程学会水电控制设备专委会·2015年学术交流会论文集[C].2015.