摘要：对柘溪机组原有现地控制单元（Local Control Unit，LCU）监控系统进行升级改造，新增温度采集屏，以通讯方式与以通信方式与监控系统通讯。采用施耐德公司BMEH58 4040型PLC，负责机组数据采集与控制，与主站通信。增加一套独立的BMEP58 1020型水机保护PLC，并增加SOE模块。采用不同厂家生产的两套转速装置，内置PLC控制器、电源冗余，具备三通道信号并行冗余测量方式等技术条件。机组控制可靠性得到了提升，现场维护工作量大幅减少。通过改造实现了调速器数字有功闭环调节。
关键词：监控系统；LCU；机组控制；组网方式；调速器；数字有功闭环调节
0 引言
水轮发电机组控制核心是LCU中的PLC[1]，LCU通过对调速器导水叶的调节来控制机组负荷[2]，调速器调节方式的不同会影响机组振动和摆度，其组网方式不同导致的延时也将影响机组调速器的调节速率。柘溪水电厂计算机监控系统为双星形网络结构，每个独立星形网的汇聚点为1台赫斯曼MACH 4200型交换机。主干交换网为100MB快速以太网。现地控制单元设备通过光纤接入两个冗余的星形网络中，形成可靠的双星形冗余网络。现地控制单元与上位机通讯采用双网络冗余配置，以Modbus TCP为通讯协议。随着两项细则[3,4]的出台及华中电网PMU接入规范[5]的出台，原有监控系统已经不能满足现有调度的技术要求。
柘溪水电厂机组监控系统LCU于2007年由南京南瑞集团公司水利水电分公司生产投运，其CPU采用施耐德昆腾 53414A系列，已运行12年。现地控制单元以PLC为核心，辅助自动化装置，实现信号采集、信号输出、控制输出、水机主保护、水机后备保护、人机对话、报表辅助等一系列功能。监控系统现地LCU模件连续运行12年，已超出模件规定的连续无故障运行时间，因监控模件老化产生的设备缺陷逐渐增多、故障率升高。目前现地LCU模件已全部停产，模件购买困难，造成备品备件严重不足，已经严重影响到电厂的安全、稳定运行。本文将以1号机LCU改造为例进行分析、阐述。
1组网方式及设备参数
LCU采用双CPU环网形式，CPU型号为施耐德BMEH58 4040，后备保护CPU采用BMEP58 1020型PLC。IP地址分配：
CRA1-6、调速器、闸门MB+网关等以子网形式组网。
2网络拓扑图
图1 LCU网络拓扑图
网络模块型号为BMXCRA31210，共10块，其中NET1、NET2和NET3、NET4分别为CPU1、CPU2通讯模块，接入两个互为备用的交换机后，负责与上位机0/1网通讯。
3功能实现
机组现地控制单元具有以下顺序控制和调节功能：机组正确开/停机顺序控制及紧急停机顺序控制和调节功能；机组转速及有功功率调节；机组电压及无功功率调节；导叶开限调节；调速器模拟调功。
现地控制单元人机接口及操作要求：运行人员能通过现地操作屏的人机接口设备或移动式操作员站或便携式工作站实现对所辖设备的监视和控制；操作屏具有远方和现地控制方式的切换功能，在现地控制级控制方式下，远方命令被闭锁，但不影响数据采集和传送。现地控制级控制方式下，相关操作做到安全可靠和简便，应为触摸屏上的相关控制操作提供操作权限；在远方控制方式下，运行人员只能通过现地人机接口设备进行监视，不能进行除紧急操作外的其它控制操作。机组紧急停机(包括手动和顺控流程)操作和关机组进水口闸门不受远方/现地控制方式的影响。
PMU新接入测点：开度指令（调速器指令）、调速系统功率给定值、导叶开限信号、机组水头信号；一次调频投入/退出信号、一次调频动作/复归信号。
4调速器模拟调功
LCU具备脉冲方式调整有功功能的前提下，实现了调速器数字有功闭环调节。调速器数字有功闭环调节有功目标值由LCU通信写入调速器，主要适用于CP4X、X20型系列调节器，其控制流程应按如下规约进行。
⑴发电机出口断路器 & 主变高压侧断路器已合 & 导叶接力器开度在空载以上 & 机组频率在规定范围内(50±0.5Hz) & 调速器未报功率信号故障；即机组及调速器已处于正常并网发电状态。这是进入“数字有功闭环调节”的必要条件，否则不允许进入“数字有功闭环调节”；
⑵若条件1已满足，此时LCU希望调速器进入“[数字有功闭环调节]”，则需要LCU向调速器发送“[调功状态命令]”通信标记[地址：4X533],且为保持型信号；若调速器正常接收到“[调功状态命令]”，且功率变送器正常，此时调速器就会向LCU上传 “[数字功率模式]” 硬接点信号[DO_13]或通信标记[地址：4X19或4X441均能反映该状态]，1＝调速器已作好进入“[数字功率模式]”状态准备，0＝调速器未作好准备或条件不允许；
⑶若LCU接收到调速器上传的“[数字功率模式]”状态信号(同时以通信[地址4X19或4X441]和硬接点[DO_13]的方式上传至LCU)为1，此时LCU就可以向调速器写“有功数字给定值(有功目标值)”(地址：4X535)，延时0.1”～0.2”左右（延时太短，可能导致新的功率目标值未写入；延时太长又对AGC考核不利），LCU再向调速器写“[调功动作命令]”标记[地址：4X534](5s以上脉冲型信号即可)，此后调速器将自动执行功率闭环调节，直至机组实际有功达到目标值。
调速系统若处于频率模式(“FM”，即频率超差、不在规定的范围内，f>50.5Hz或f<49.5Hz)，尽量不要用有功数字闭环调节方式调整机组有功，这对机组安全可能不利，此时最好采用脉冲方式调整有功。
5调试效果检验
通过无水和有水试验，各项目检验结果如下，合格的项目后打“√”。无水条件下，装置上电的试验项目：
有水条件下的试验项目：
机组并网带负荷运行且机组AGC功能退出，运行人员在1号机LCU触摸屏上调整机组有功功率，负荷变化依次为：80-5 MW、10-80MW、82-53.4 MW、52-79.6MW、79.6-63.4 MW 、5-10Mvar、10-20 Mvar、20-0 Mvar（根据水头、振动区情况有所变动），每个工况稳定2分钟以后再进行下一次负荷改变。调整监控系统功率调节参数，重复上述试验，确定最佳调节参数为P_max1500，P_min1000。
6结论
通过本次监控系统改造，采用了新型PLC，各屏柜和元器件进行了更换，机组各控制流程稳定可靠，各测点准确合格，通过改造实现了调速器数字有功闭环调节，极大提升了调速器调节速率。满足了PMU接入量的要求。
参考文献
[1]赵良成.李家峡水电站水轮发电机组及监控系统改造研究[西安理工大学硕士学位论文]，西安，2018
[2]张江滨.梯级引水式电站机组控制系统优化研究[西安理工大学博士学位论文]，西安，2006
[3]华中区域并网发电厂辅助服务管理实施细则，华中电监市场价财〔2011〕200号，2011.
[4]华中区域发电厂并网运行管理实施细则，华中电监市场价财〔2011〕200号，2011.
[5]华中电网PMU接入规范（试行）华中电网调〔2010〕229号2010.
论文作者:康信文1,张家臣2
论文发表刊物:《电力设备》2019年第12期
论文发表时间:2019/10/28
标签：调速器论文; 机组论文; 现地论文; 闭环论文; 方式论文; 华中论文; 功率论文; 《电力设备》2019年第12期论文;