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金沙水电站计算机监控系统改造思路与方案

金沙水电站计算机监控系统改造思路与方案

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摘要:为了研究金沙水电站计算机监控系统设计合理性、逻辑严谨性、设备稳定性、安全可靠性,以及要满足现场实际应用等需求,采用了设备健康分析、历史数据分析等方法,由点及面逐一排查设计及设备等各类缺陷;采用现场模拟试验,结合实际论证分析了可编程逻辑控制器(PLC)及各控制回路控制逻辑。结果发现:该监控系统存在无微机五防保护功能、PLC控制逻辑及水机保护回路控制逻辑需优化、现地控制单元LCU端子短接片使用不合理等问题,存在重大安全隐患,迫切需要进行针对性改造。研究成果表明,对监控系统完成改造后,设计不足之处将得以完善,安装使用的不匹配设备附件得以更换,可消除显性及隐性多重安全隐患,从而显著提高监控系统的多方面性能。


计算机技术、信息技术、网络技术的飞速发展推动了水电站自动化技术水平的不断提高。如今的水电站计算机监控自动化系统成为了一个集计算机、控制、通信、网络、电力电子设备为一体的综合自动化系统,不仅可以完成对单个水电站的自动控制,还进一步实现了梯级、流域、甚至跨流域水电站群的经济运行和安全监控[1]。


金沙水电站计算机监控系统(以下简称“监控系统”)采用的是南京南瑞的NC2000系统,为分层分布式双星型冗余结构。该系统分为厂站控制层和现地控制层LCU两级[2],主要包括系统功能(实时数据库、网络通信及冗余、历史数据库和生产管理、系统管理、组态工具、其他通信软件、自诊断及自恢复)、监视功能(数据采集、数据处理、人机界面)和控制功能(控制和调节、自动发电控制、自动电压控制)等。在金沙水电站设备投运使用过程中,发现监控系统还存在设计及设备缺陷,存在重大安全隐患。本文依据对新建电站“高自动化、高可靠性、高性能和高效益”要求[3-4],对监控系统进行了一系列技术改造及优化[5]。


1、存在的不足及安全隐患


新投运电站的监控系统,尚未经过现场验证,在设计、安装等方面不可避免存在一些不足,现就投运时存在的不足分析如下。


(1)电站未配置微机五防闭锁装置功能,不能从功能上实现微机五防闭锁,提高安全防护等级。


(2)停机过程中,上位机报“电气制动故障”“电气制动失败,流程退出”,电气制动流程始终无法正常运行,检查电气制动设备均正常,分析判断为监控系统与励磁系统配合时间差设置不足,导致电气制动还未完成,监控系统已报故障的现象。


(3)2020年12月12日19:18,上位机报1号机组转速大于115%(水机回路扩)动作、1号机组机械过速保护(水机保护扩)动作。顶盖水位过高已淹没水导油槽,机组主轴密封浮动环在工作密封投入命令下发后并未在正确工作位置,因机组空转时所需流量小,未出现大量漏水现象;当机组并网逐步带负荷时,机组发电流量增加,漏水量陡增,3台顶盖排水泵启动都未能抑制顶盖水位上涨,水位持续上涨淹没水导油槽上盖板,水从水导油槽上盖板和大轴之间间隙进入水导油槽,导致水导油槽进水,水导油槽液位过高引发报警动作,当水位持续上涨达到机械过速电气接点时接点短路,动作于事故停机。由于顶盖液位过高未设计事故停机启动源,导致事故扩大,危及设备安全。


(4)2020年12月16日04:28,上位机报1号机组火灾报警(感温或感烟)动作,1号机组电气事故停机。现场检查确认,风洞内感温探头2,4号动作,在满负荷运行时机组空冷器热风温度达到60.8℃(未超过定值75℃),而火灾报警感温探头报警值60℃(固定值不可调),当环境温度大于60℃时,火灾报警启动导致电气事故停机。对事故停机逻辑逐一检查发现,上导/下导/推力/水导轴瓦温度过高保护均为单点开出,任意温度误动均可导致停机。在实际运行中,当设备温度升高时,整体会呈上升趋势,因PT100测温元件存在故障及误动的可能性,采用单点开出极易由于元器件故障而导致事故停机,存在安全隐患。

(5)2021年4月6日,1号主变中性点刀闸远程控制下会自动分闸,检查为安装配线人员对1号机组现地控制单元LCU1+PC2柜XDO使用的端子短接条(图1)不适用于非连续端子短接,易导通间隔端子,导致多个端子异常导通,误开出造成设备误动,存在重大安全隐患。


2、改造思路


针对监控系统投运以来的不足之处,结合发生的一系列不安全事件,分析发现本次改造既要满足监控系统的安全可靠性,还要尽可能考虑不增加成本,提出以下改造思路。


(1)电站暂不增加微机五防闭锁装置,由监控系统中增加五防闭锁控制逻辑及软保护等功能,提高安全防护等级。


(2)调整监控系统与励磁系统流程配合时间差,消除因时间差引起的误报及流程退出。


(3)增加重要辅助设备的监控报警等级及事故停机启动源,及时做好应急防护措施,防止事故扩大。


(4)在使用过程中,自动化元器件会不可避免因设备老化、故障等造成可能性误动,采用单点开出动作存在较大风险。为了避免由于设备原因造成误动,重要保护均应采用多点判断逻辑,满足可靠性要求。


(5)对安装使用不规范的设备附件,应根据设备使用功能匹配类型,更换为对应型号。


3、改造措施


为了解决监控系统的不足,消除重大安全隐患,根据改造思路提出了以下改造措施。

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(1)上位机监视界面增加事故停机启动源软压板投退界面(图2);上位机进行每项操作前需输入对应的指令;PLC程序中增加断路器、隔离开关、接地刀闸等设备五防闭锁控制逻辑,事故启动源软压板闭锁条件等。

(2)根据励磁系统所需动作及反馈时间,在停机流程中对“励磁变开关分位及电制动就绪”增加延时120 s,“无电气制动失败”增加延时120 s,“电气制动退出命令”增加延时20 s,“电气制动退出”增加延时20 s。


(3)将顶盖液位一级报警增加二级报警:顶盖液位高(1 447 mm)、顶盖液位过高(1 597 mm);增加事故停机启动源并多条件闭锁开出:顶盖液位高(1 447 mm)、顶盖液位过高(1 597 mm)、模拟量顶盖液位过高且软压板投入,延时1 s,动作于机械事故停机。


(4)将火灾报警单点开出事故停机源更改为两点,并多条件闭锁开出:火灾报警“感温及感烟”区域内任意感温1级(不小于60℃)、2级(不小于68℃)同时动、感烟动作(不大于瞬时8.5 mA)且水机保护压板投入,延时1 s,动作于电气事故停机。


(5)将上导/下导/水导轴瓦单点温度过高开出事故停机源更改为两点开出:各对应导轴承轴瓦1温度过高及轴瓦2温度过高(水机保护重动继电器接点串接)及水机保护压板投入,动作于水机保护机械事故停机报警;轴瓦温度过高,重动继电器接点分别进监控PLC的事件顺序记录(SOE),动作于机械事故停机并报警,有效防止元器件误动单点开出导致事故停机。上导/下导轴承停机温度75℃,水导轴承停机温度70℃。


(6)将推力轴瓦单点温度过高开出事故停机源变更为两点开出:轴瓦1温度过高及轴瓦2温度过高(水机保护重动继电器接点串接)及水机保护压板投入,或推力轴瓦3温度过高及轴瓦4温度过高(水机保护重动继电器接点串接)及水机保护压板投入,动作于水机保护机械事故停机报警;各瓦温度过高,重动继电器接点分别进监控PLC的SOE;任意2点温度过高,经监控PLC流程延时动作于机械事故停机并报警。推力停机温度65℃。


(7)将定子铁心、线圈单点温度过高开出事故停机源变更为任意3点开出,监控RTD模拟量温度过高(140℃)且品质好且软压板投入延时5 s动作于机械事故停机。


(8)将监控系统开出端子公共端连续短接条更换为端子非连续短接的跨接块(图3),防止端子短接条异常压接导致设备误动。

4、效果分析


监控系统完成改造后,安全稳定性大幅度提升,消除了各类不安全事件,对投入使用以来取得的效果分析如下。


(1)监控系统实现了单独一套五防功能:防止误分合断路器、防止带负荷分合隔离开关、防止带电合接地开关、防止带接地开关合闸、防止误操作,避免了误差操作对设备及人身安全带来伤害;还可根据设备情况及使用需求选择投退保护压板,防止误动。


(2)电气制动修改更新流程后,电气制动无报错,可完整执行流程直至停机态。


(3)对“顶盖液位过高”报警升级后,可提前预警做好防护措施,有效防止顶盖溢水情况发生,及时停机,防止事故扩大。


(4)将单点即可开出的事故停机启动源增加为两点及以上后,有效防止了单点温度异常开出导致事故停机,减少了由于设备误动导致的非计划停运。


(5)将监控系统开出端子公共端连续短接条更换为端子非连续短接的跨接块后,消除了设备误开出现象,防止了因误开出带来的设备及人身伤害。


5、结语


计算机监控系统是水电站的核心控制系统,金沙水电站监控系统投运以来,出现了诸多缺陷,且许多指标已不满足现在电力系统的要求,改造刻不容缓。在监控系统改造期间,不仅要考虑技术上的难点、重点、创新点,还要全盘考虑4台机组改造的顺序、工期、安全、效率等问题,同时保证运行机组及各系统的正常工作。技术改造完成并投运后,设备运行稳定、可靠,未出现因监控系统产生的不安全事件,或因监控系统故障引起的设备非计划停运,无监控系统误开出等故障,消除了重大隐患,有效保障了电站的安全生产,并提升了电站的经济效益水平。


来源:水利水电快报郭湘瑜 何田华 雷战 江涛

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