金沙水電站計算機監控系統技術改造及優化

郭湘瑜 何田華 雷戰 江濤

摘要：為了研究金沙水電站計算機監控系統設計合理性、邏輯嚴謹性、設備穩定性、安全可靠性，以及要滿足現場實際應用等需求，采用了設備健康分析、歷史數據分析等方法，由點及面逐一排查設計及設備等各類缺陷;采用現場模擬試驗，結合實際論證分析了可編程邏輯控制器（PLC）及各控制回路控制邏輯。結果發現：該監控系統存在無微機五防保護功能、PLC控制邏輯及水機保護回路控制邏輯需優化、現地控制單元LCU端子短接片使用不合理等問題，存在重大安全隱患，迫切需要進行針對性改造。研究成果表明，對監控系統完成改造后，設計不足之處將得以完善，安裝使用的不匹配設備附件得以更換，可消除顯性及隱性多重安全隱患，從而顯著提高監控系統的多方面性能。

關鍵詞：計算機監控系統; PLC; 水機保護; 軟壓板; 金沙水電站

中圖法分類號：TV736 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.03.020

文章編號：1006 - 0081（2022）03 - 0091 - 03

0 引 言

計算機技術、信息技術、網絡技術的飛速發展推動了水電站自動化技術水平的不斷提高。如今的水電站計算機監控自動化系統成為了一個集計算機、控制、通信、網絡、電力電子設備為一體的綜合自動化系統，不僅可以完成對單個水電站的自動控制，還進一步實現了梯級、流域、甚至跨流域水電站群的經濟運行和安全監控[1]。

金沙水電站計算機監控系統（以下簡稱“監控系統”）采用的是南京南瑞的NC2000系統，為分層分布式雙星型冗余結構。該系統分為廠站控制層和現地控制層LCU兩級[2]，主要包括系統功能（實時數據庫、網絡通信及冗余、歷史數據庫和生產管理、系統管理、組態工具、其他通信軟件、自診斷及自恢復）、監視功能（數據采集、數據處理、人機界面）和控制功能（控制和調節、自動發電控制、自動電壓控制）等。 在金沙水電站設備投運使用過程中，發現監控系統還存在設計及設備缺陷，存在重大安全隱患。本文依據對新建電站“高自動化、高可靠性、高性能和高效益”要求[3-4]，對監控系統進行了一系列技術改造及優化[5]。

1 存在的不足及安全隱患

新投運電站的監控系統，尚未經過現場驗證，在設計、安裝等方面不可避免存在一些不足，現就投運時存在的不足分析如下。

（1） 電站未配置微機五防閉鎖裝置功能，不能從功能上實現微機五防閉鎖，提高安全防護等級。

（2） 停機過程中，上位機報“電氣制動故障”“電氣制動失敗，流程退出”，電氣制動流程始終無法正常運行，檢查電氣制動設備均正常，分析判斷為監控系統與勵磁系統配合時間差設置不足，導致電氣制動還未完成，監控系統已報故障的現象。

（3） 2020年12月12 日19：18，上位機報1號機組轉速大于115%（水機回路擴）動作、1號機組機械過速保護（水機保護擴）動作。頂蓋水位過高已淹沒水導油槽，機組主軸密封浮動環在工作密封投入命令下發后并未在正確工作位置，因機組空轉時所需流量小，未出現大量漏水現象;當機組并網逐步帶負荷時，機組發電流量增加，漏水量陡增，3臺頂蓋排水泵啟動都未能抑制頂蓋水位上漲，水位持續上漲淹沒水導油槽上蓋板，水從水導油槽上蓋板和大軸之間間隙進入水導油槽，導致水導油槽進水，水導油槽液位過高引發報警動作，當水位持續上漲達到機械過速電氣接點時接點短路，動作于事故停機。由于頂蓋液位過高未設計事故停機啟動源，導致事故擴大，危及設備安全。

（4） 2020年12月16日04：28，上位機報1號機組火災報警（感溫或感煙）動作，1號機組電氣事故停機?，F場檢查確認，風洞內感溫探頭2，4號動作，在滿負荷運行時機組空冷器熱風溫度達到60.8 ℃（未超過定值75 ℃），而火災報警感溫探頭報警值60 ℃（固定值不可調），當環境溫度大于60 ℃時，火災報警啟動導致電氣事故停機。對事故停機邏輯逐一檢查發現，上導/下導/推力/水導軸瓦溫度過高保護均為單點開出，任意溫度誤動均可導致停機。在實際運行中，當設備溫度升高時，整體會呈上升趨勢，因PT100測溫元件存在故障及誤動的可能性，采用單點開出極易由于元器件故障而導致事故停機，存在安全隱患。

（5） 2021年4月6日，1號主變中性點刀閘遠程控制下會自動分閘，檢查為安裝配線人員對1號機組現地控制單元LCU1+PC2柜XDO使用的端子短接條（圖1）不適用于非連續端子短接，易導通間隔端子，導致多個端子異常導通，誤開出造成設備誤動，存在重大安全隱患。

2 改造思路

針對監控系統投運以來的不足之處，結合發生的一系列不安全事件，分析發現本次改造既要滿足監控系統的安全可靠性，還要盡可能考慮不增加成本，提出以下改造思路。

（1） 電站暫不增加微機五防閉鎖裝置，由監控系統中增加五防閉鎖控制邏輯及軟保護等功能，提高安全防護等級。

（2） 調整監控系統與勵磁系統流程配合時間差，消除因時間差引起的誤報及流程退出。

（3） 增加重要輔助設備的監控報警等級及事故停機啟動源，及時做好應急防護措施，防止事故擴大。

（4） 在使用過程中，自動化元器件會不可避免因設備老化、故障等造成可能性誤動，采用單點開出動作存在較大風險。為了避免由于設備原因造成誤動，重要保護均應采用多點判斷邏輯，滿足可靠性要求。

（5） 對安裝使用不規范的設備附件，應根據設備使用功能匹配類型，更換為對應型號。

3 改造措施

為了解決監控系統的不足，消除重大安全隱患，根據改造思路提出了以下改造措施。

（1） 上位機監視界面增加事故停機啟動源軟壓板投退界面（圖2）;上位機進行每項操作前需輸入對應的指令;PLC程序中增加斷路器、隔離開關、接地刀閘等設備五防閉鎖控制邏輯，事故啟動源軟壓板閉鎖條件等。

（2） 根據勵磁系統所需動作及反饋時間，在停機流程中對“勵磁變開關分位及電制動就緒”增加延時120 s，“無電氣制動失敗”增加延時120 s，“電氣制動退出命令”增加延時20 s，“電氣制動退出”增加延時20 s。

（3） 將頂蓋液位一級報警增加二級報警：頂蓋液位高（1 447 mm）、頂蓋液位過高（1 597 mm）;增加事故停機啟動源并多條件閉鎖開出：頂蓋液位高（1 447 mm）、頂蓋液位過高（1 597 mm）、模擬量頂蓋液位過高且軟壓板投入，延時1 s，動作于機械事故停機。

（4） 將火災報警單點開出事故停機源更改為兩點，并多條件閉鎖開出：火災報警“感溫及感煙”區域內任意感溫1級（不小于60 ℃）、2級（不小于68 ℃）同時動、感煙動作（不大于瞬時8.5 mA）且水機保護壓板投入，延時1 s，動作于電氣事故停機。

（5） 將上導/下導/水導軸瓦單點溫度過高開出事故停機源更改為兩點開出：各對應導軸承軸瓦1溫度過高及軸瓦2溫度過高（水機保護重動繼電器接點串接）及水機保護壓板投入，動作于水機保護機械事故停機報警;軸瓦溫度過高，重動繼電器接點分別進監控PLC 的事件順序記錄（SOE），動作于機械事故停機并報警，有效防止元器件誤動單點開出導致事故停機。上導/下導軸承停機溫度75 ℃，水導軸承停機溫度70 ℃。

（6） 將推力軸瓦單點溫度過高開出事故停機源變更為兩點開出：軸瓦1溫度過高及軸瓦2溫度過高（水機保護重動繼電器接點串接）及水機保護壓板投入，或推力軸瓦3溫度過高及軸瓦4溫度過高（水機保護重動繼電器接點串接）及水機保護壓板投入，動作于水機保護機械事故停機報警;各瓦溫度過高，重動繼電器接點分別進監控PLC的SOE;任意2點溫度過高，經監控PLC流程延時動作于機械事故停機并報警。推力停機溫度65 ℃。

（7） 將定子鐵心、線圈單點溫度過高開出事故停機源變更為任意3點開出，監控RTD模擬量溫度過高（140 ℃）且品質好且軟壓板投入延時5 s 動作于機械事故停機。

（8） 將監控系統開出端子公共端連續短接條更換為端子非連續短接的跨接塊（圖3），防止端子短接條異常壓接導致設備誤動。

4 效果分析

監控系統完成改造后，安全穩定性大幅度提升，消除了各類不安全事件，對投入使用以來取得的效果分析如下。

（1） 監控系統實現了單獨一套五防功能：防止誤分合斷路器、防止帶負荷分合隔離開關、防止帶電合接地開關、防止帶接地開關合閘、防止誤操作，避免了誤差操作對設備及人身安全帶來傷害;還可根據設備情況及使用需求選擇投退保護壓板，防止誤動。

（2） 電氣制動修改更新流程后，電氣制動無報錯，可完整執行流程直至停機態。

（3） 對“頂蓋液位過高”報警升級后，可提前預警做好防護措施，有效防止頂蓋溢水情況發生，及時停機，防止事故擴大。

（4） 將單點即可開出的事故停機啟動源增加為兩點及以上后，有效防止了單點溫度異常開出導致事故停機，減少了由于設備誤動導致的非計劃停運。

（5） 將監控系統開出端子公共端連續短接條更換為端子非連續短接的跨接塊后，消除了設備誤開出現象，防止了因誤開出帶來的設備及人身傷害。

5 結 語

計算機監控系統是水電站的核心控制系統，金沙水電站監控系統投運以來，出現了諸多缺陷，且許多指標已不滿足現在電力系統的要求，改造刻不容緩。在監控系統改造期間，不僅要考慮技術上的難點、重點、創新點，還要全盤考慮4臺機組改造的順序、工期、安全、效率等問題，同時保證運行機組及各系統的正常工作。技術改造完成并投運后，設備運行穩定、可靠，未出現因監控系統產生的不安全事件，或因監控系統故障引起的設備非計劃停運，無監控系統誤開出等故障，消除了重大隱患，有效保障了電站的安全生產，并提升了電站的經濟效益水平。

參考文獻：

[1] 于春澤，劉建國. 李家峽水電站計算機監控系統升級改造方案與實施[J]. 青海電力，2006（2）：69-72.

[2] 曾洪濤.? 基于Community Intelligence的水電企業模型及應用研究[D]. 武漢：華中科技大學，2006.

[3] 李嵐. 水電廠計算機監控系統的研究與設計[D]. 太原：太原理工大學，2011.

[4] 朱樂，徐麟. 水電站計算機監控系統改造[J]. 水電自動化與大壩檢測，2012（12）：25-27，60.

[5] 康凱. 二灘水電站計算機監控系統問題分析與改造[D]. 北京：華北電力大學，2017.

（編輯：唐湘茜）

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