(1.陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院，陜西 西安 710001;2.陜西省計量科學(xué)研究院，陜西 西安 710065)

大型供水工程具有供水水頭高、供水線路長和供水量變化幅度大等特點。在傳統(tǒng)設(shè)計中普遍采用含有高壓變頻器“一對一”系統(tǒng)的多級泵站設(shè)計方案。高壓電動機有效解決了供水水頭高的問題；多級泵站將供水線路分成幾段有效解決了供水線路長的問題；采用變頻器有效解決了供水量變化幅度大的問題。但這種設(shè)計方案存在著所需變頻器多、變頻器自身損耗大、運行工況單一等問題。

1 傳統(tǒng)的含有高壓變頻器“一對一”系統(tǒng)

1.1 高壓變頻器“一對一”系統(tǒng)接線設(shè)計

高壓變頻器“一對一”(見圖1)是指1臺高壓變頻器獨立對應(yīng)1臺高壓電動機。此接線方案的優(yōu)點是各變頻電動機可獨立運行，工況簡單。不足之處有三點：一是所需數(shù)量多，梯級泵站電動機數(shù)量多，變頻器數(shù)量也多；二是占地大，一臺變頻器需要約25m2獨立空間；三是散熱難，高壓變頻器由IGBT功率元件組成，運行過程中產(chǎn)生的熱量大，需增加散熱裝置。

圖1 高壓變頻器“一對一”系統(tǒng)接線

圖2 高壓變頻器“一對一”監(jiān)控系統(tǒng)

1.2 高壓變頻器“一對一”系統(tǒng)監(jiān)控設(shè)計

高壓變頻器“一對一”監(jiān)控系統(tǒng)具有控制過程簡單、采集信號少等特點，僅需配置1臺現(xiàn)地LCU控制單元，分別采集所有變頻器信號、所有斷路器信號，完成對變頻器發(fā)出開停機、對斷路器分合閘操作。以1號電動機為例，合Q′11斷路器，發(fā)指令到變頻器1BPQ開機，變頻器準備就緒；合Q′12斷路器，完成1號電動機的變頻啟動(見圖2)。

2 高壓變頻器“一拖多”系統(tǒng)的改進設(shè)計

2.1 高壓變頻器“一拖多”系統(tǒng)接線設(shè)計

通過對高壓變頻器“一對一”電動機系統(tǒng)不足之處進行研究后，提出了高壓變頻器“一拖多”系統(tǒng)的改進方案。通過增加變頻母線可使電動機在工頻和變頻之間自如切換，增加母聯(lián)斷路器可以使兩臺變頻器互為熱備用，提高了機組的安全性(圖3)。

圖3 高壓變頻器“一拖多”系統(tǒng)接線

2.2 高壓變頻器“一拖多”系統(tǒng)監(jiān)控設(shè)計

基于“一拖多”高壓變頻器的控制系統(tǒng)復(fù)雜性高、控制對象多等特點，“一拖多”系統(tǒng)采取2臺變頻器互為備用的接線形式，且需進行工頻與變頻之間的相互切換，故為每臺電動機單獨設(shè)置一個現(xiàn)地控制單元LCU，設(shè)置一個公用LCU控制單元，來實現(xiàn)電動機變頻與工頻相互切換的控制指令。下面以1號電動機監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計為例說明控制過程。首先需要判斷1號變頻器的斷路器Q51位置信號，如果斷路器Q51在合位，啟動變頻器，判斷斷路器Q22、 Q32、 Q42的位置；如果均處于分位，則合斷路器Q12，完成1號電動機的變頻啟動；如果1號變頻器故障，就需要判斷Q52斷路器位置，如果該斷路器在合位，且2號變頻器正常時，需合Q61母聯(lián)斷路器，將1號電動機的啟動，交與2號變頻器完成。如果1號、2號變頻器均發(fā)生故障，可合Q11直接啟動；在1號變頻器拖動1號電動機變頻工作時，如需啟動2號電動機，需將1號電動機切換至工頻狀態(tài)下，1號變頻器退出對1號電動機的控制，當上位機發(fā)出切換指令后，公用LCU接管對變頻器的控制權(quán)，指令1號變頻器提高頻率至工頻狀態(tài)，并接受來自變頻器的頻率、相位、幅值信號，同時采集工頻母線上頻率、相位、幅值信號，當滿足預(yù)設(shè)閾值時，向機組LCU發(fā)出合工頻斷路器，同時分變頻斷路器指令，完成變頻向工頻切換過程(見圖4)。

圖4 高壓變頻器“一拖多”系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)

通過對比“一對一”系統(tǒng)和“一拖多”系統(tǒng)的設(shè)計方案，可得出“一拖多”系統(tǒng)在控制對象、控制設(shè)備的設(shè)置，軟件難度要遠高于“一對一”系統(tǒng)，但可靠性有所提高(見右表)。

2.2.1 上位機系統(tǒng)設(shè)計

控制復(fù)雜性對比表

計算機監(jiān)控系統(tǒng)按分層分布式結(jié)構(gòu)的理念設(shè)計，分為泵站監(jiān)控層、現(xiàn)地控制層，監(jiān)控層即為上位機系統(tǒng)，泵站現(xiàn)地控制層即為泵站現(xiàn)地控制單元LCU，上位機系統(tǒng)與現(xiàn)地控制單元的通信采用工業(yè)1000M單以太網(wǎng)絡(luò)，采用完全開放的Modbus TCP/IP協(xié)議?，F(xiàn)地控制單元通信采用現(xiàn)場總線或以太網(wǎng)通信方式。

為增加控制可靠性，設(shè)2臺互為熱備的操作員工作站，通過操作員工作站的操作，可實現(xiàn)對現(xiàn)地LCU和公用LCU、變頻器的操作；工作站接受來自LCU的信號，完成數(shù)據(jù)采集和實時顯示，并同時作出判斷，通過語音進行故障報警。LCU對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集及處理，是通過將現(xiàn)地變送器輸出的4～20mA模擬量信號和開關(guān)輸出的開關(guān)量信號分別送入PLC的模擬量輸入模塊或開關(guān)量輸入模塊，再由PLC的CPU作出判別后，通過數(shù)據(jù)總線傳輸至上位機中進行的。

2.2.2 現(xiàn)地控制單元系統(tǒng)設(shè)計

現(xiàn)地控制單元LCU采用單機獨立配置的設(shè)計方式，實現(xiàn)對電動機組、工頻斷路器、變頻斷路器信號的采集和工頻斷路器、變頻斷路器的自動控制。通過人機聯(lián)系工作站鍵盤或鼠標及LCD實現(xiàn)下列單臺設(shè)備的人工操作：泵組就地/遠方操作，泵組開、停機操作，閥門開、停操作，斷路器的分合操作。

公用控制單元LCU的主要功能是LCU單元與變頻器之間的通信，完成工頻切換變頻、變頻切換工頻的控制。當工頻切換到變頻時，上位機系統(tǒng)發(fā)出切換指令后，公用LCU發(fā)出啟動變頻器運行信號，當工頻頻率、相位、幅值接近80%時，變頻器向公用LCU發(fā)出變頻器連續(xù)模擬量信號，同時，可以再設(shè)置80%、85%、90%、95%、105%工頻倍數(shù)等多個接點信號，此時變頻器同時接受來自公用LCU的工頻頻率、相位、幅值，計算最佳轉(zhuǎn)換時機。當達到設(shè)定的閾值后，完成工頻切換變頻的操作。

2.2.3 變頻器控制系統(tǒng)設(shè)計

變頻器的控制系統(tǒng)采用數(shù)字信號處理器(DSP)和可編程邏輯芯片(FPGA)來完成算法和邏輯控制。可實現(xiàn)全頻段的轉(zhuǎn)速自動跟蹤啟動，不論電機處在高低頻段時,都能自動搜索跟蹤電動機轉(zhuǎn)速，按照設(shè)定加減速時間恢復(fù)正常運行狀態(tài)，無須考慮電機的運行狀態(tài)；可以實現(xiàn)高壓電機的即時啟動和停止控制，保證機組安全啟動。變頻器監(jiān)控系統(tǒng)具有輸入、輸出電壓、電流，輸出頻率，輸出轉(zhuǎn)矩，輸出功率，運行累計時間，各功率單元母線電壓，功率單元內(nèi)部溫度等參數(shù)及內(nèi)置PID調(diào)節(jié)功能。

變頻器監(jiān)控系統(tǒng)采集啟動、停止、急停、復(fù)位等信號；輸出高壓合閘允許、變頻器就緒、變頻器運行、變頻器故障報警、變頻器重故障、變頻器停止、高壓跳閘等信號；對頻率調(diào)節(jié)(轉(zhuǎn)速給定)；輸出變頻器的頻率、電流、電壓。采用本地面板控制和遠方控制方式，完整的故障監(jiān)測電路、精確的故障報警保護，能實現(xiàn)對環(huán)境溫度的監(jiān)控功能，當溫度超過變頻器所允許的環(huán)境溫度時，提供報警。具有RS485通信接口，運用MODBUS通信協(xié)議或Profibus-DP協(xié)議或EtherNet/IP協(xié)議可與工程設(shè)備DCS系統(tǒng)或其他控制系統(tǒng)組網(wǎng)控制，經(jīng)信號隔離與標準的接口和工程設(shè)備DCS系統(tǒng)連接。

3 結(jié) 語

高壓變頻器“一對一”系統(tǒng)和“一拖多”系統(tǒng)具有各自特點，將“一對一”系統(tǒng)改為“一拖多”系統(tǒng)，并對上位機系統(tǒng)、現(xiàn)地控制單元、高壓變頻器控制系統(tǒng)進行新理念設(shè)計，可以減少高壓變頻器的使用數(shù)量、節(jié)省廠房面積、降低能量損耗，具有顯著的經(jīng)濟和社會效益，有現(xiàn)實的工程應(yīng)用意義。

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