模拟开停机试验在万家寨水电站的应用

沈浩跃

（黄河万家寨水利枢纽有限公司，山西 忻州 036412）

0 引言

为提高水轮发电机组的运行效率，每台机组每年都会进行相应等级的计划检修[1]。当检修进行到后期，在一次设备和机械设备检修完毕，且保护装置校验、励磁系统开环试验、调速器无水调试试验等二次设备试验工作全部完毕后，需在无水工况下进行监控系统模拟开停机试验。模拟开停机试验的主要目的是检验计算机监控系统自动开停机流程、事故停机自启动流程、水机保护回路以及检修后的各系统运行是否正常，并及时处理发现的问题，确保监控系统安全可靠投运。本文从监控系统模拟开停机试验全过程出发，围绕试验条件、试验准备、试验项目和方法进行讨论，以确保试验顺利开展。

1 工程概况

万家寨水电站位于黄河北干流托克托至龙口河段峡谷内，左岸隶属山西省偏关县,右岸隶属内蒙古自治区准格尔旗。水库总库容8.96 亿m3,调节库容4.45 亿m3。电站共安装6 台单机容量180 MW的水轮发电机组，总装机容量1 080 MW，设计多年平均发电量27.5 亿kW·h。1998 年11 月首台机组并网发电，2000 年6 台机组全部投产发电。

万家寨水电站计算机监控系统于2013～2014 年进行改造，改造后的计算机监控系统采用了南京南瑞生产的分层分布式控制系统，该系统由厂站层系统（上位机）和现地控制单元系统（下位机）组成，厂站层系统和现地控制单元各子系统采用双星型光纤以太网连接进行数据交互。上位机主要包含计算机服务器（工作站）、UPS 系统和时钟同步系统，采用NC2000 应用系统，下位机包括6 套机组现地控制单元、1 套220 kV 开关站现地控制单元、1 套公用现地控制单元，均采用SJ-600 型单元监控装置。模拟开停机试验是检验机组现地控制单元能否正常投运的重要步骤。

2 试验条件

模拟开停机试验前，需将监控系统上电，并做好安全措施，以满足无水工况下试验的条件。试验前需执行的安全措施有：落机组进水口快速闸门至全关，并做防提措施；全开机组蜗壳放空阀，排空蜗壳积水；全关技术供水蜗壳取水阀，防止技术供水反送至蜗壳；发电机风洞及水车室转动部分无人工作。试验时发变组一次设备需在检修态，并将技术供水系统、水导外循环泵控制系统、顶盖排水控制系统、机械制动系统、调速器及油压装置恢复运行，同时投入主轴密封水。为使开机条件满足，还需将发变组保护系统、励磁系统上电。

3 试验准备

模拟开停机试验一般在监控系统下位机进行，试验设备有计算机监控系统专用调试笔记本、频率信号发生器、多功能信号校准仪、磁铁等。调试笔记本接入现地交换机，用于联机监视监控系统上、下位机相关信息；频率信号发生器分别接入监控下位机转速测控装置和调速器电气柜测速回路，用于模拟机组转速；多功能信号校准仪接入温度量回路，用于模拟现场上导、推力、水导等轴承瓦温；磁铁作用于压力油罐和回油箱磁翻板液位计上安装的磁性液位开关，用于模拟油罐和回油箱油位信号。

试验开始前，需进行现场检查，确保水轮发电机组转动部分无人工作。现场检查发电机风洞，确认无人工作后，将风洞门上锁；同时检查水车室，确认无人工作后，在水车室门口设置“禁止进入”警示牌。另外，检查调速器、技术供水、机械制动等系统状态及监控系统相关信号，确保相关系统均已恢复运行且上送监控系统信号均正确。

试验开始前，需使机组开机条件满足。机组开机条件主要有：①发电机出口开关、主变高压侧开关至少有一个在分位；②发电机出口隔离刀闸在合位；③快速闸门不在全关；④机组导叶在全关；⑤接力器锁锭投入；⑥压力油罐隔离阀在关；⑦主轴密封水投入；⑧油压装置电源正常；⑨发电机出口开关操作电源正常；⑩监控系统水机回路电源正常；⑪水导外循环泵电源正常；⑫调速器电气柜电源正常；⑬励磁系统电源正常；⑭发变组保护装置电源正常；⑮机组无事故。以上条件全部满足后方可开机。

模拟开停机试验与机组正常运行时的工况不一样，因发变组一次设备在检修态，发电机出口开关、主变高压侧开关、发电机出口隔离刀闸均在分位，发电机出口开关操作电源未投，故需短接“模拟开停机试验标志”信号，或通过调试笔记本联机PLC将该信号由0 强制为1，跳过一次设备状态的判断。另外需将“快速闸门全关”信号接线拆除，或将该信号由1 强制为0，方可使机组开机条件满足。

开机流程的执行还要求机组在停机态。停机态的逻辑为：发电机出口开关、主变高压侧开关至少有一个在分位，且发电机中性点刀闸在合位、机组转速小于1%Ne、机端电压小于10%Ue、机组检修标记在退。由于机组检修时，发电机中性点刀闸在分、检修标记在投，故需将“发电机中性点刀闸合闸位置”由0 强制为1，并在监控系统上位机将“机组检修标记”退出，机组状态才能转为停机态。

为防止检修过程中监控系统下位机状态的变化导致PLC 误开出，机组检修时会将“调试”键按下。而模拟开停机试验时，需执行机组开停机流程，对各系统设备进行控制，所以在确认机组转为停机态后将“调试”键弹起，开放控制输出，以保证流程的正常执行。

4 试验项目和方法

4.1 正常开停机流程试验

（1）监控系统自动开停机流程如图1 所示，模拟开停机试验时开机流程只执行“停机至空转”部分流程，停机流程中只执行“空转至停机”部分流程。

图1 监控系统自动开停机流程

（2）正常开停机试验方法：

1）将计算机监控系统下位机控制把手切至现地，在触摸屏上执行“空转”操作，检查流程是否被正确调用，检查技术供水、油压装置、水导外循环泵、机械制动、接力器锁锭、调速器系统等信号动作是否正确，待机组导叶开启后，用频率信号发生器模拟机组转速至额定值，将机组“开”至空转态。然后现场检查各系统是否运行正常，相关信号是否上送正常，水、油系统是否有跑冒滴漏等异常现象。

2）确认各系统运行正常后，在触摸屏上执行“停机”操作，检查流程是否被正确调用，当导叶全关后，模拟机组转速缓慢降至零，检查各系统运行情况。

3）机组到停机态后，将计算机监控系统下位机控制把手切至远方，在上位机依次执行“空转”、“停机”操作，检查对应流程执行是否正常。

4.2 事故停机流程试验

事故停机流程是计算机监控系统下位机PLC中的自启动流程，当PLC 检测到有事故停机信号动作时，相应事故停机流程会自动启动，及时将机组停机，避免事故的扩大。事故停机流程有3 类，分别是电气事故停机流程、机械事故停机流程和紧急事故停机流程，每类事故停机流程的启动源不同，流程动作的结果也不同。通过模拟机组各事故停机信号，检查相应事故停机流程自启动功能是否完备，以及流程是否执行正确。

（1）各事故停机流程区别

1）电气事故停机流程是指发生电气事故时启动的事故停机流程，流程动作结果是跳发电机出口开关、跳灭磁开关，投停机电磁阀，发调速器停机令，发励磁停机令，然后执行相关停机流程[2]。

2）机械事故停机流程是指发生机械事故时启动的事故停机流程，流程动作结果是先投停机电磁阀、发调速器停机令进行减负荷，待负荷降至跳闸范围内或到限定时间时，跳发电机出口开关、跳灭磁开关、发励磁停机令，然后再执行相关停机流程[2]。

3）紧急事故停机流程是指发生紧急事故时启动的事故停机流程，流程动作结果比电气事故停机流程多两步：关机组进水口快速闸门、发水机事故令至发电机保护装置。

以上3 种事故停机流程中，紧急事故停机流程优先级最高，机械事故停机流程优先级最低，也就是执行机械事故停机流程时，如果发生电气事故，会终止机械事故停机流程，然后启动电气事故停机流程；如果发生紧急事故，会终止电气事故停机流程和机械事故停机流程，然后启动紧急事故停机流程。

（2）各事故停机启动源

表1～表3 分别列出了各事故停机流程启动源，其中表2 中“发电机保护电气事故停机令”主要是发电机差动保护、定子接地3U0 保护、低压记忆过流保护、定子匝间保护、励磁变速断保护、励磁变过流保护等动作后影响机组安全稳定运行的事故。

表1 机械事故停机启动源

表2 电气事故停机启动源

表3 紧急事故停机启动源

（3）事故停机流程试验方法

电气事故停机流程试验时，在发电机保护装置投上停机出口连片后，进行相关保护传动即可。

机械事故停机流程及紧急事故停机流程试验时，能实际动作设备的动作设备、不能动作设备的在信号源头模拟。其中，按钮信号可通过直接按下按钮试验，油位信号可用磁铁滑动磁翻板液位计上对应磁性液位开关进行模拟，温度信号用多功能信号校准仪输出电阻进行模拟。

试验时各事故停机流程仅需完整执行一次，检查其动作结果是否正确；而各事故停机启动源必须逐一进行试验，在流程启动后检查各启动源所启动的事故停机流程是否正确，然后便可将流程终止。

4.3 水机保护回路试验

万家寨水电站计算机监控系统下位机中配置了用于水力机械事故保护的简化的独立继电器回路（水机保护回路），其电源、输入信号均与下位机相独立。在发生重要的水机事故或现地控制单元冗余系统全部故障或工作电源全部消失时，水机保护回路可实现机组的停机控制[3]。

表4 列出了水机保护回路的事故启动源，当LCU 事故停机按钮动作或中控室事故停机按钮动作时，水机保护回路动作结果为跳发电机出口开关、跳灭磁开关、投停机电磁阀、发调速器停机令以及发励磁停机令。当LCU 紧急停机按钮动作、中控室紧急停机按钮动作或者机械飞摆动作时，除上述动作结果外，水机保护回路还将关机组进水口快速闸门。

表4 水机保护回路事故启动源

水机保护回路试验时，需将监控系统下位机切至“调试态”，或将下位机交直流电源全部断开、仅保留水机保护回路电源，检查相关事故停机启动源动作时，水机保护回路动作结果是否正确。

5 结语

为检验检修后的监控系统运行情况，需进行全面的模拟开停机试验。通过试验，检验并确认计算机监控系统现地及远方指令下发正确，停机至空转、空转至停机流程执行正确，机组水、油、机械制动、调速器等系统运行正常，各事故停机启动源动作信号上送正确，相应事故停机流程执行正确，水机保护回路动作正确。准确、充分的模拟开停机试验，可确保计算机监控系统安全可靠投运，也为检修后机组启动试验的顺利开展做好准备。