丁小鋒，薛井俊，孫振華

（江蘇省江都水利工程管理處，江蘇 江都 225200）

1 工程概況

江都三站是南水北調(diào)江都站改造工程之一，現(xiàn)裝有 ZLQ13.5-8 型液壓全調(diào)節(jié)立式軸流泵 10 臺套，配套 1600/600 kW、24 P/48 P 立式可逆電動發(fā)電機(jī)，總裝機(jī)容量 16000 kW，設(shè)計揚(yáng)程 8 m，虹吸式出水流道，真空破壞閥斷流。站內(nèi)設(shè)有 6.0 和 0.4 kV 配電裝置及油、氣、水系統(tǒng)。泵站保留發(fā)電功能，配套變頻發(fā)電機(jī)組及配套設(shè)備。

2 自動化系統(tǒng)內(nèi)容

江都三站自動化系統(tǒng)改造包括微機(jī)監(jiān)控和測控保系統(tǒng)。采用分層分布開放式結(jié)構(gòu)，分為“遠(yuǎn)方、站控、現(xiàn)地”3 級，集測量、控制、保護(hù)、信號、管理等功能于一體，以及水情數(shù)據(jù)的收集處理。實現(xiàn)中控室內(nèi)集中數(shù)據(jù)顯示、分析、處理；實現(xiàn)集中和分散控制，通過網(wǎng)絡(luò)將江都三站的運(yùn)行數(shù)據(jù)和狀態(tài)，實時真實地展示在各級管理人員面前；實現(xiàn)主機(jī)、變頻機(jī)組、配電設(shè)備的自動控制，滿足“無人值班、少人值守”的要求。同時，江都三站自動化系統(tǒng)作為江都站調(diào)度控制管理系統(tǒng)的子系統(tǒng)，通過網(wǎng)絡(luò)與江都站調(diào)度控制管理系統(tǒng)聯(lián)接，可實現(xiàn)遙測、遙信、遙控、遙調(diào)等功能。江都三站自動化控制系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖 1 所示。

2.1 微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

2.1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

江都三站的微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)由 2 臺互為熱備的工控機(jī)、UPS 與打印機(jī)、環(huán)網(wǎng)交換機(jī)、投影儀及現(xiàn)場 PLC、傳感器等組成。

1）PLC 配置

a）江都三站機(jī)組、變壓器、配電采用冗余熱備方式配置 PLC。

PLC 結(jié)構(gòu)形式：PLC 主站采用雙機(jī)熱備冗余方案。系統(tǒng)主機(jī)和備用機(jī)完全相同的配置，即雙機(jī)架、電源、CPU、通訊模塊，無擾切換時間小于等于 48 ms，熱備切換時間嚴(yán)格控制在 1 個掃描周期以內(nèi)，并保證系統(tǒng)的控制功能不會因冗余切換而丟失或延遲。冗余配置的處理器模件與系統(tǒng)有并行的接口，能接受系統(tǒng)對它們進(jìn)行組態(tài)和修改。對于熱備系統(tǒng)，處于后備狀態(tài)的 CPU 模塊能不斷更新其自身獲得的信息，并在工作 CPU 故障時自動切換。PLC 系統(tǒng)在上層冗余以太網(wǎng)中的地址可在熱備系統(tǒng)中自動轉(zhuǎn)換，無論哪臺 PLC 切換成主機(jī)，IP 地址總能夠相互切換[1]。

圖1 江都三站自動化控制系統(tǒng)拓?fù)鋱D

PLC 組屏方式：主站為熱備冗余方式組1 塊 PLC 主站柜。遠(yuǎn)程站按機(jī)組和配電裝置現(xiàn)地單元劃分，根據(jù)各個現(xiàn)地單元不同控制對象的類型和點數(shù)，配置通訊、電源、開關(guān)量、模擬量等模塊。1～4、5～8 號主機(jī)開關(guān)量 I/O 模塊各組 1 塊 PLC 遠(yuǎn)程站柜、9～10 號主機(jī)和變頻發(fā)電機(jī)、變頻電動機(jī)開關(guān)量 I/O 模塊組 1 塊 PLC 遠(yuǎn)程站柜；按每套 PLC 遠(yuǎn)程站控制 4 臺機(jī)組，并配置 1 塊 32 點 SOE 模塊采集 4 臺機(jī)組的 SOE 信號。配電裝置與油氣水系統(tǒng)等公共設(shè)備開關(guān)量 I/O 模塊組 1 塊 PLC 遠(yuǎn)程站柜；1～10 號主機(jī)和變頻機(jī)組、配電裝置與油氣水系統(tǒng)等公共設(shè)備模擬量 I/O 模塊組 1 塊 PLC 遠(yuǎn)程站柜。

b）江都三站主水泵葉片調(diào)節(jié)采用液壓調(diào)節(jié)裝置，自成獨立系統(tǒng)，設(shè)置 2 套進(jìn)口 PLC，通過以太網(wǎng)口與計算機(jī)通訊實現(xiàn) 10 臺主水泵葉片調(diào)節(jié)的自動控制。

2）主要傳感器、變送器及儀表的配置

a）10 臺主機(jī)配有轉(zhuǎn)速儀表，對主機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行監(jiān)測，同時能滿足機(jī)組反轉(zhuǎn)發(fā)電時實時檢測轉(zhuǎn)速，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到啟動轉(zhuǎn)速時合上主機(jī)斷路器，主機(jī)投入發(fā)電運(yùn)行。該儀表傳感器和采集裝置安裝在主機(jī)組電機(jī)層，顯示儀表安裝于高壓開關(guān)柜儀表室。

b）10 臺主機(jī)出水流道駝峰處裝有真空壓力變送器，對出水流道駝峰處的真空度進(jìn)行監(jiān)測，既可通過比較了解出水流道的密封性，同時在發(fā)電運(yùn)行時能使現(xiàn)場運(yùn)行人員較好地把握機(jī)組被水流沖擊后開始轉(zhuǎn)動的時間。機(jī)組停機(jī)后還能迅速判斷真空破壞閥是否打開。

c）測溫系統(tǒng)選用智能測溫儀表，通過通訊口和PLC 或上位機(jī)通訊，獨立工作。

d）為了加強(qiáng)對泵站機(jī)組運(yùn)行狀況的實時檢測，每臺機(jī)組均安裝了振動和擺度檢測裝置，通過測量記錄，為主機(jī)組的運(yùn)行和制定檢修計劃提供了可靠的數(shù)據(jù)。

2.1.2 自動化控制系統(tǒng)功能簡介

1）數(shù)據(jù)采集與處理

a）模擬量的采集與處理

系統(tǒng)采集的模擬量主要有上下游、排水廊道水位；供水母管、技術(shù)供水泵出口、底板揚(yáng)、流道內(nèi)等壓力，真空度，油壓力；室內(nèi)、站變與主機(jī)等溫度；轉(zhuǎn)速、振動與擺度；主泵葉片角度等。由于三站采用的微機(jī)測控保護(hù)裝置具有數(shù)據(jù)上傳功能，因此電氣設(shè)備的電流、電壓、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、頻率等各參數(shù)都經(jīng)測控裝置采集，并通過通訊口上傳到計算機(jī)。

根據(jù)水泵揚(yáng)程與流量的過程曲線和實測揚(yáng)程進(jìn)行流量計算。對變頻發(fā)電機(jī)組的發(fā)電量和時間進(jìn)行統(tǒng)計，經(jīng)處理后存入數(shù)據(jù)庫。

b）開關(guān)量的采集與處理

對事故、斷路器動作及重要繼電保護(hù)的動作等信號以順序方式迅速響應(yīng)并作出必要的反應(yīng)和自動操作；對各類故障信號、電氣開關(guān)的位置、供排水泵、空壓機(jī)、真空泵、風(fēng)機(jī)、液壓裝置等開關(guān)量信號以定期掃查采集。對信號的處理包括光電隔離、接點防抖動處理、硬件及軟件濾波、基準(zhǔn)時間補(bǔ)償、數(shù)據(jù)有效性合理性判斷、啟動相關(guān)量等功能。

c）開關(guān)量的輸出與處理

對各種操作指令在輸出前進(jìn)行校驗，經(jīng)判斷無誤后方可送至執(zhí)行機(jī)構(gòu)。為保證信號電氣獨立性及準(zhǔn)確性，開關(guān)輸出信號也經(jīng)光電隔離，接點防抖動處理后發(fā)出。

d）信號量值及狀態(tài)設(shè)定

由于設(shè)備原因而造成的信號出錯及在必要時要進(jìn)行人工設(shè)定值分析處理的信號量，系統(tǒng)允許操作人員對其進(jìn)行人工設(shè)定，在處理時把它們與正常采集的信號等同對待，但系統(tǒng)可以區(qū)分它們并給出相應(yīng)標(biāo)志。

2）運(yùn)行監(jiān)視和事故報警

a）運(yùn)行實時監(jiān)視

操作人員通過屏幕能對泵站設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)視。監(jiān)視的內(nèi)容包括各主、輔機(jī)及電氣設(shè)備的運(yùn)行情況，動態(tài)顯示各運(yùn)行參數(shù)。

b）參數(shù)越限報警記錄

系統(tǒng)對溫度、水位、水壓、電量及計算的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，對這些參數(shù)量值預(yù)先設(shè)定越限報警范圍。當(dāng)參數(shù)越限、越限復(fù)歸時作相應(yīng)的報警和記錄。

c）故障狀態(tài)顯示記錄

系統(tǒng)定時掃查各狀態(tài)信號，一旦發(fā)生故障立即在屏幕上即時顯示出來，同時記錄故障及其發(fā)生時間，并用語音報警。

d）事故追憶及相關(guān)量記錄

在發(fā)生事故時，系統(tǒng)自動采集各設(shè)備的狀態(tài)并上傳到計算機(jī)，由計算機(jī)完成事件順序排序、顯示、存檔、追憶。事故追憶由系統(tǒng)完成，將這些追憶數(shù)據(jù)保存在歷史數(shù)據(jù)庫中，運(yùn)行人員可以查詢顯示、打印這些數(shù)據(jù)。追憶量包括主變、機(jī)組的溫度、壓力和各種電量等。

3）控制與調(diào)節(jié)

三站控制與調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)方式分為手動和自動 2 種方式。當(dāng)控制方式切換到自動時，操作員通過系統(tǒng)人機(jī)接口，點擊控鍵后自動實施相應(yīng)的操作流程，并在流程圖上顯示每一步的執(zhí)行情況和流程受阻的部位及原因，進(jìn)行開環(huán)運(yùn)行指導(dǎo)、閉環(huán)自動控制操作?？刂茖ο笾饕獮橹鳈C(jī)、站變、油氣水系統(tǒng)、勵磁系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、高低壓電氣設(shè)備、葉片調(diào)節(jié)裝置等。此外，系統(tǒng)還具有語音提示、仿真培訓(xùn)等功能。

2.2 微機(jī)綜合保護(hù)系統(tǒng)

2.2.1 進(jìn)線、站變測控保的基本配置

6 kV 進(jìn)線、站變測控保配置的基本功能為遙信開入采集，裝置變位，事故報警等；正常斷路器遙測分合，小電流接地探測遙控分合；有功功率、無功功率、電流、電壓、功率因數(shù)等 9 個模擬量的遙測；開關(guān)事故分合次數(shù)統(tǒng)計、事件順序記錄（SOE）及 4 路脈沖輸入。

6 kV 進(jìn)線采用的保護(hù)為電流速斷、過電流和過負(fù)荷等保護(hù)。站變采用的保護(hù)為電流速斷、過電流、過負(fù)荷、單相接地、溫度等保護(hù)。

2.2.2 10 臺主機(jī)測控保的基本配置

10 臺主機(jī)在發(fā)電運(yùn)行時能適應(yīng)于不同電壓和頻率的要求。

三站 10 臺機(jī)組有抽水和發(fā)電 2 種工況。在抽水工況時，每臺主機(jī)的頻率為 50 Hz，電壓為 6 kV，單機(jī)容量為 1600 kW；在發(fā)電工況時，每臺主機(jī)的頻率為 25 Hz，電壓為 3 kV，單機(jī)容量為 450 kW，所有的保護(hù)定值、測量將發(fā)生變化。由于發(fā)電比抽水工況保護(hù)定值小，廠家為江都三站特制主機(jī)測控保裝置，1 臺主機(jī)配置 1 套保護(hù)裝置，在不同電壓、頻率下設(shè)定 2 套定值。能將抽水、發(fā)電時保護(hù)定值參數(shù)分別設(shè)置到相應(yīng)定值區(qū)，利用屏面板上的壓板來切換抽水或發(fā)電運(yùn)行方式，不同工況下，保護(hù)裝置輸送相應(yīng)工況信號。同時，投入相應(yīng)工況的保護(hù)定值、顯示測量參數(shù)量。保護(hù)定值區(qū)既可在自動化遠(yuǎn)控方式下由軟件程序改變，也可在現(xiàn)場手動方式下用保護(hù)裝置上鍵盤操作來輸入。10 臺主機(jī)配置的保護(hù)功能有：電流速斷，過電流，過負(fù)荷，低電壓，過電壓，零序、失步、失磁，溫度及非電量等保護(hù)。

2.2.3 變頻機(jī)組的測控保功能

1）變頻發(fā)電機(jī)的測控保功能及設(shè)定

變頻發(fā)電機(jī)（4000 kW）測控保配置的基本功能有：縱差、電流速斷、過電流、過負(fù)荷、負(fù)序電流、零序、低電壓、過電壓，失步、失磁，低功率、逆功率，溫度及非電量等保護(hù)。

差動后備保護(hù)裝置采用了高性能數(shù)字信號處理器（DSP）芯片為基礎(chǔ)的雙 CPU 硬件系統(tǒng)，裝置有獨立的啟動 CPU 作為整機(jī)起動元件，該起動元件在電子電路上（包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)）與保護(hù) CPU 完全獨立，動作后開放保護(hù)裝置出口繼電器正電源。根據(jù)相似保護(hù)功能分開，跳閘相對獨立的原則，將主、后備、異常運(yùn)行保護(hù)合理分配到 2 個裝置中，共同提供 1 臺發(fā)電機(jī)所需要的全部電量保護(hù)。

測控裝置主要監(jiān)控對象為變頻發(fā)電機(jī)組的開關(guān)單元，主要功能有：測量電流、電壓、頻率、功率及功率因素；電度計算； 15 次諧波測量； 遙控輸出可配置為 16 路遙控分合，出口為空接點，分合閘無公共點，出口動作保持時間可程序設(shè)定； 4 路脈沖累加單元，空接點開入； 遙控事件記錄及事件順序記錄； 1 路檢同期合閘等。

2）變頻電動機(jī)的測控保功能及設(shè)定

變頻電動機(jī)保護(hù)裝置的保護(hù)有差動、電流速斷、過電流、過負(fù)荷、低電壓、過電壓、過周、單相接地、冷卻水中斷、勵磁故障等保護(hù)。

3 自動化系統(tǒng)的特點

1）采用先進(jìn)的傳感器。在傳統(tǒng)參數(shù)檢測的基礎(chǔ)上增加了泵站主機(jī)組的轉(zhuǎn)速、振動、擺度及出水流道真空度的檢測，為泵站的實時檢測、安全運(yùn)行和制定檢修計劃提供了參考數(shù)據(jù)。

2）計算機(jī)、PLC 均采用冗余技術(shù)。主機(jī)和備機(jī)同時工作，只有主機(jī)在運(yùn)行輸出，備機(jī)不斷地進(jìn)行故障檢測，一旦主機(jī)發(fā)生故障則用備機(jī)代替，確保系統(tǒng)的安全性。

3）系統(tǒng)選用智能測溫儀表。智能測溫儀表可采集 24 路溫度，每只儀表對應(yīng) 1 臺主機(jī)設(shè)備，獨立工作，不受監(jiān)控系統(tǒng)和其它儀表的影響；測溫儀表故障時影響范圍小，易于排除。該儀表本身能夠顯示、存儲溫度數(shù)據(jù)，還可通過 RS-485 通訊口上傳數(shù)據(jù)。

4）采用通訊管理機(jī)技術(shù)。計算機(jī)與微機(jī)測控保裝置之間采用通訊管理機(jī)連接利用一路網(wǎng)口采集 17 臺測控保裝置的數(shù)據(jù)，利用另一路網(wǎng)口將采集的數(shù)據(jù)上傳至計算機(jī)。這樣，既實現(xiàn)了數(shù)據(jù)上傳，又保護(hù)測控保裝置的安全。

5）采用壓板切換保護(hù)定值。不同工況下，保護(hù)裝置采用相應(yīng)發(fā)電定值，該方式避免了改造前需要改電流繼電器保護(hù)定值的麻煩。

6）系統(tǒng)自診斷與恢復(fù)。在發(fā)生故障時進(jìn)行自診斷，并閉鎖相關(guān)控制操作，保證故障不擴(kuò)大，且能在一定程度上實現(xiàn)自恢復(fù)。硬件系統(tǒng)在失電故障恢復(fù)后、軟件系統(tǒng)在硬件及接口故障排除后能自恢復(fù)運(yùn)行。

7）系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行。在保證機(jī)組運(yùn)行安全，避免機(jī)組運(yùn)行在氣蝕和振動區(qū)域的前提下，系統(tǒng)根據(jù)調(diào)度下達(dá)的調(diào)水量、上下游水位及泵組運(yùn)行效率曲線，編制優(yōu)化調(diào)度運(yùn)行程序，根據(jù)建立的機(jī)組最佳運(yùn)行的數(shù)學(xué)模型，自動確定泵站機(jī)組最佳開機(jī)臺數(shù)和調(diào)節(jié)水泵葉片角度，使泵站機(jī)組降低能耗，實現(xiàn)泵站的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，在需要時可實現(xiàn)最大出水量運(yùn)行。自動運(yùn)行程序可以對每臺參與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的機(jī)組發(fā)出開、停機(jī)和調(diào)整葉片角度的指令，進(jìn)行閉環(huán)自動調(diào)節(jié)，也可以在工作站屏幕上顯示出操作建議，作開環(huán)運(yùn)行指導(dǎo)，提示運(yùn)行值班人員手動發(fā)出調(diào)節(jié)指令。參與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的機(jī)組可由人工預(yù)先設(shè)定，計算機(jī)能自動區(qū)分出各臺機(jī)組是否參與了經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，并做出不同的處理[2]。

4 自動化系統(tǒng)的應(yīng)用效果

江都三站自動化控制系統(tǒng)目前已通過了試運(yùn)行驗收，并經(jīng)過了抽水、發(fā)電 2 種工況下的運(yùn)行考驗，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。實踐證明，江都三站的自動化控制系統(tǒng)降低了運(yùn)行管理人員的勞動強(qiáng)度，改善了值班環(huán)境，提高了泵站運(yùn)行效率，方便了數(shù)據(jù)共享和遠(yuǎn)程控制，實現(xiàn)了泵站管理資料、數(shù)據(jù)的實時查詢和微機(jī)管理等。

此外，三站自動化系統(tǒng)還大大提高了開機(jī)運(yùn)行的可靠性，這對泵站的安全運(yùn)行至關(guān)重要，主要歸納如下：

1）通過實時監(jiān)測、自動報警系統(tǒng)改變了傳統(tǒng)的靠值班人員的巡視檢查及抄表來發(fā)現(xiàn)問題，靠豐富的運(yùn)行經(jīng)驗來判斷問題的方式。實現(xiàn)了通過自動化系統(tǒng)對電氣運(yùn)行參數(shù)，機(jī)組的震動、擺度、溫度、技術(shù)供水壓力等數(shù)據(jù)的采集與分析來判斷設(shè)備故障的性質(zhì)，并及時采取報警或停運(yùn)的措施，大大提高了在運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)故障的可能，縮短了帶故障運(yùn)行的時間。

2）通過自動化系統(tǒng)的流程控制，權(quán)限調(diào)度功能等實現(xiàn)了泵站投運(yùn)、停運(yùn)操作過程中的自動控制，使操作票能夠得到嚴(yán)格地執(zhí)行，減少了泵站運(yùn)行過程中由于值班人員的疏忽而導(dǎo)致越級、誤操作的可能。

3）通過先進(jìn)的微機(jī)測控保裝置提高了保護(hù)的速動性和可靠性，改善了保護(hù)性能，更利于設(shè)備維護(hù)調(diào)試和不同運(yùn)行狀況下運(yùn)行人員的參數(shù)的設(shè)定。

5 結(jié)語

通過對江都三站自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能、技術(shù)要求和系統(tǒng)特點的介紹，反應(yīng)了當(dāng)前大型泵站自動化技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和特點，為大型泵站建設(shè)人員和自動化設(shè)計、管理人員提供技術(shù)參考。

[1]薛井俊，孫振華，華駿，等. 南水北調(diào)江都站微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 南水北調(diào)與水利科技，2010 (1): 29-32.

[2]張業(yè)春，呂艷，孫國娟. 泵站機(jī)組優(yōu)化運(yùn)行應(yīng)用[J]. 江蘇水利，2007 (6): 34-36.