机组现地控制单元CPU切换不成功的原因及防范

杨建渺，何 秋，陈 勤，王 炯

(华东桐柏抽水蓄能发电有限责任公司，浙江 天台 317200)

桐柏抽水蓄能电站装机容量为4×300 MW，在华东电网中承担调峰填谷、调频调相及紧急事故备用的任务。电站建成后，以二回500 kV出线接入华东电网，日发电量600万kWh，年发电量21.18亿kWh。日抽水用电量797万kWh，年抽水用电量28.13亿kWh。

随着电网的不断扩大，电力需求的峰谷差日益增加。如何采用合理的调峰填谷方式来保证电网的安全经济运行，避免电网遭受重大的损失，应是抽水蓄能电站首先考虑的问题。

1 电厂监控系统及机组现地控制单元

桐柏抽水蓄能电站计算机监控系统(CSCS)采用VATECH SAT系统。该系统用于电站的控制、调节、设备运行、信息采集和传输、监视、报表生成等。现地控制层设有LCU1～LCU9共9套现地控制单元，分别对厂房机组、公用设备、500 kV系统设备、上/下库设备以及通讯工作站实现现地控制。

机组现地控制单元(机组LCU)监控范围包括机组—主变单元的水泵/水轮机、发电/电动机、主变及机组附属辅助设备等。机组LCU具有人机接口，与站级脱机时能独立运行，能完成监视、控制、调节和报警等功能，它由以下5个部分组成。

(1)发电机层LCU柜。由1个带CPU的AK-1703组成，通过2个RS2工控交换机与CSCS上位机通信。

(2)中间层发电/电动机I/O柜。由1个不带CPU的AK1703和1个AM1703组成，通过Ax光纤总线与发电机层LCU柜的AK1703通信。

(3)水轮机层水泵/水轮机I/O柜。由1个不带CPU的AK1703组成，通过Ax光纤总线与发电机层LCU柜的AK1703通信。

(4)机组附属设备控制器。由3个AMC1703控制器(调速器油系统GOS调速器控制器、球阀系统MIV控制器、机组冷却水控制器)组成，其3个控制柜通过101总线与发电机层LCU柜AK1703通信。

(5)调速器TM1703控制器、机组/主变单元电气保护PLC控制器和机组励磁系统PLC控制器，直接与位于发电机层机组LCU柜中的2个交换机通信。

机组LCU与地下厂房公用设备现地控制单元LCU5协调配合，完成机组的工况变换。而机组附属设备及保护系统的功能由本身PLC及控制系统来实现，机组LCU与这些设备只是相关的命令和数据传输。

机组LCU硬件设备主要包括中央处理器CP-2000，处理兼通讯处理器CP-2002及相应的数字输入输出模块、模拟量输入输出模块和辅助控制模块。CP-2000为机组LCU的AK1703主CPU，由M-CPU和C0-CPU 2个独立的处理器组成，主要负责对系统的配置进行诊断。CP-2002为处理和通信处理器，主要负责机组逻辑程序的执行及与相应设备的通信。机组LCU配备有2块独立的CP-2002(简称C2，C4)，2块板互为热备用，任何一个出现故障后都会实现无扰动切换，对系统不会产生任何影响。

2 机组现地控制单元CPU切换不成功事故案例

2010-01-23，1号机在发电开机过程中LCU1内部发生故障，LCU2～LCU9的“C4/C2 PRE0”通讯异常报警，且上位机及LCU1显示均不正常，上位机发令无法执行，经网调同意换开4号机，1号机由现场手动停机。

2011-02-26，1号机拖动2号机试验完成停机时，LCU1组件发生故障，CPU由C4切换至C2不成功。此时LCU1与相关辅助设备通讯中断，1，2号机电气连接未中断，上位机发令后现场无响应，1号机未及时转停机，导致2号机事故停机，2号机启动低频过流保护动作，2号机励磁灭磁电阻损坏。

3 机组现地控制单元CPU切换不成功原因分析

机组LCU处理兼通讯模块C2，C4本身具备热备用的功能，各自含有独立的网卡模块负责与监控和相应辅助设备通讯。正常情况下，当其中一个模块发生故障，会无扰动地切换到另一个模块。但从目前运行情况来看，切换主要发生在开停机过程中，切换成功的概率极低。分析发现，C2，C4切换时通过网卡交换的信息基本完全中断，而通过DI，DO，AI，AO等外围输入输出板及其他总线交换的信息基本正常。CPU切换不成功的原因主要有以下2方面。

(1)由于开停机过程中信息量大，加之机组本身采集信号比较频繁，而原来CPU上的网卡缓存较小，当数据量过大时就会引起网卡工作负荷加大，甚至造成信息堵塞。此时系统自带的诊断程序会发现堵塞的CPU工作不正常，自动切换至备用CPU，然而由于信息量仍未减少，备用CPU同样面临信息拥堵的问题，可能导致CPU切换不成功。

(2)由于通过104通讯协议本身的检测机制来判断通讯中断需要较长的时间，超过20 s，而这段时间内LCU与外界的通讯已经中断，因此造成某些通讯量无法向外发送，也无法接收来自其他系统通讯的数据，从而导致开停机失败。

4 机组现地控制单元CPU切换不成功对机组的影响

机组现场控制单元CPU切换不成功将会对机组运行产生严重的影响。由于上位机下发的相应指令无法执行，同时现场的实际信号无法得到反馈，机组在远方就处于不可控状态，只有通过现场人员的手动干预才能让机组进入安全状态。这一点对于无人值班的电站来说风险极大。

4.1 发电工况

(1)机组现场控制单元CPU在机组并网前控制不成功，但机组还是正常并网。当上位机一定时间内没有收到机组运行相关信号后，运行人员去现场检查，发现上位机和实际信号指示不对应，有功已达到默认值，此时上位机发送停机指令已无法执行，确认处理兼通讯处理器CP-2002的CPU切换不成功。而此时机组的中央处理器CP-2000的CPU还正常运行，只是网卡通讯故障，使相关信号不能正常传输。考虑到此后上位机不能准确掌握机组运行情况，往往选择申请换机，现场手动减负荷后按快速停机按钮实现手动停机，再由现场监测停机过程。现场监测过程不可能像上位机那样全面，重点监测机组转速、球阀、导叶关闭情况，交流高压注油泵、电制动及机械制动投入情况等，在机组停机后再重启LCU就会恢复正常。如果机组在发电工况稳定运行或发电停机前出现机组现地控制单元CPU切换不成功时，采用此类处理方法。

(2)LCU在机组并网前死机，机组没能正常并网。可能有启动流程条件不满足或其他报警信号导致机组转停机，此时上位机没有任何信号。当发现机组现地控制单元CPU可能切换不成功后，机组已经在走停机流程。当机组转停机后，由于不清楚导致机组转停机的原因，给故障分析和处理带来困难，只能监视停机过程是否正常。

4.2 抽水工况

抽水工况和发电工况基本一致。需要注意的是，抽水工况下需要考虑到机组有功由水头协联控制，现场手动关闭导叶可能会出现问题。为尽量避免机组直接甩负荷给机组和系统带来冲击，最好选择按快速停机按钮进行停机，避免选择按紧急停机按钮进行停机。停机过程的监控过程和发电工况下的停机监控过程一样，在机组停机完成后需要检查机组的机械和一次设备。

4.3 抽水调相工况

以1号机拖动2号机时被拖动机C2，C4切换不成功为例。

拖动包括SFC(静止变频器)拖动与背靠背拖动。由于抽水调相并网时间比较长，若不仔细查看，在短时间内可能无法发现C2，C4发生切换。如果C2，C4切换不成功发生在机组并网阶段，可能发生机组并网成功而拖动机或SFC收不到被拖动机LCU发来分拖动机GCB或SFC输出开关的信号的情况。机组拖动主回路如图1所示。

从图1可以看出，机组GCB开关在合位置时通过硬布线送去分SFC或相关拖动机开关，避免了SFC与机组合环运行的可能。此种情况下，只能现场手动对被拖动机进行快速停机，监视停机过程确保其正常。

另一种情况是机组并网没有成功转停机。此时C2，C4切换不成功，拖动机或SFC收不到机组相关的停机命令，原本停机过程中应分开1号机拖动闸刀的指令没有执行，1号机拖动闸刀没有分开，直接导致2号机被拖动闸刀也没有分开，此时1号机仍通过1号机GCB、1号机拖动闸刀、启动母线、2号机被拖动闸刀、2号机定子形成电气回路（见图1）。被拖动机组转停机后，灭磁开关分开，其常闭辅助接点将灭磁电阻串入转子回路，从而使机组转子感应电全部加在灭磁电阻上。正常机组停机灭磁时，灭磁电阻不会承受一个连续作用的恒定电压，但在恒定电压负载条件下，灭磁电阻温度越来越高，当电阻元件温度高到一定程度时，会击穿元件并引起电弧，最终导致机组灭磁电阻烧坏。当此类情况发生时，上位机马上停SFC或现场手动将拖动机紧急停机，尽快将被拖动机转子回路与拖动机或SFC断开，避免拖动机拖过自身的发电流程超时或自身保护来停机，缩短闭环回路持续时间，降低设备的危险程度。在机组转停机后监视机组，确保停机过程正常，对灭磁电阻进行灭火，并对转子回路绝缘等进行检查。

5 防范措施

5.1 从硬件和技术上优化

图1 2台机背靠背拖动主回路

(1)对于网卡堵塞的问题，可更换性能更好的网卡。将2，4号机CPU网卡由原来的SM-2554更换为SM-2556(1，3号机的网卡已经更换)，大幅增加了网卡的缓存容量。

(2)对于判断通讯中断时间过长的问题，可再增加一套检测方式。在监控系统环网中接入2套CP-4000作为在线监测单元，发出检测脉冲到4台机组，同时修改机组的CPU切换逻辑，一直监测新增的2套CP-4000发出的脉冲。一旦发现2套CP-4000发出的脉冲都收不到，立即进行CPU切换，以缩短通讯中断检测时间，同时在15 s内闭锁再次切换，以防止因通讯未及时建立而造成多次重复切换。

5.2 从生产实践中优化

(1)在条件允许的情况下，进行机组空载和带负荷时交换机网线插拔试验，以排除因网线头接触不好或单个通讯回路发生故障引发的问题。

(2)在分拖动机开关或SFC输出开关回路中增加被拖动机灭磁开关的辅助接点，防止被拖动机转停机而拖动机不能转停机时烧坏灭磁电阻。

6 结束语

对桐柏抽水蓄能电站现地控制单元CPU切换不成功的原因进行分析，并采取了相应的改进措施。改进后的运行情况表明，问题基本得到解决。

1 梅祖彦.抽水蓄能发电技术[M].北京：机械工业出版社，2000.

2 孙建忠，刘凤春.电机与拖动[M].北京：机械工业出版社，2010.

3 张春生，姜忠见.天荒坪抽水蓄能电站技术总结[M].北京：中国电力出版社，2007.

4 刘吉来，黄瑞梅.高电压技术[M].北京：中国水利水电出版社，2004.