大型泵站自動(dòng)控制現(xiàn)狀及發(fā)展方向研究

戴啟璠

（江蘇省灌溉總渠管理處，江蘇淮安 223200）

泵站的自動(dòng)控制包括繼電保護(hù)、勵(lì)磁、監(jiān)控系統(tǒng)以及備用電源自投等裝置。江蘇省大型泵站最早在計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)領(lǐng)域開(kāi)展的是上世紀(jì)80年代初期江都水利工程管理處與上海電器科學(xué)研究所共同研發(fā)的江都水利樞紐實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。1996年，江蘇省水利廳、南京水文自動(dòng)化研究所和江都水利工程管理處通過(guò)引進(jìn)國(guó)外成熟的技術(shù)與設(shè)備，共同開(kāi)發(fā)了“江都抽水站機(jī)組監(jiān)控關(guān)鍵技術(shù)”。該系統(tǒng)采用分層分布式結(jié)構(gòu)，PLC控制、交流采樣智能儀表、INTOUCH組態(tài)軟件，達(dá)到了相當(dāng)成熟的工業(yè)應(yīng)用水平，為江蘇大型泵站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)樹(shù)立了榜樣。之后，泰州引江河泵站、淮安一站、淮陰二站相繼建成了泵站監(jiān)控系統(tǒng)，這些系統(tǒng)都具備實(shí)際使用的功能，且通過(guò)運(yùn)行管理人員的維護(hù)保養(yǎng)，10多年來(lái)一直保持正常使用的良好狀態(tài)，標(biāo)志著我省大型泵站微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)已達(dá)到比較成熟的水平。

一、我省大型泵站自動(dòng)控制的現(xiàn)狀

目前，我省綜合自動(dòng)化結(jié)構(gòu)大部分采用星型光纖單網(wǎng)結(jié)構(gòu)，少數(shù)采用環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)采用分層分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，分為上級(jí)調(diào)度層、監(jiān)控層和現(xiàn)地層3層結(jié)構(gòu)，現(xiàn)地層為第1級(jí)，控制權(quán)限最高；監(jiān)控層為第2級(jí)，控制權(quán)限次之；上級(jí)調(diào)度層為第3級(jí)，控制權(quán)限最低。

上級(jí)調(diào)度層設(shè)在上級(jí)防汛調(diào)度部門(mén)，其與監(jiān)控層接口可以實(shí)現(xiàn)遙測(cè)、遙控、遙視、遙調(diào)的功能。但上級(jí)調(diào)度層的設(shè)計(jì)與實(shí)踐除少數(shù)泵站開(kāi)展外，大部分泵站暫未涉及。監(jiān)控層通常設(shè)在泵站中央控制室，主要完成對(duì)現(xiàn)地控制單元進(jìn)行監(jiān)控、采集并匯集整理各種運(yùn)行參數(shù)，形成各種報(bào)表，系統(tǒng)組態(tài)，上傳有關(guān)泵站運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，下達(dá)上級(jí)調(diào)度指令等任務(wù)。通常監(jiān)控層主機(jī)按雙冗余設(shè)計(jì)，運(yùn)行值班主機(jī)可預(yù)先任意選定，雙機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)通信。現(xiàn)地層設(shè)在設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)，完成對(duì)現(xiàn)地設(shè)備的自動(dòng)監(jiān)測(cè)和自動(dòng)控制?，F(xiàn)地單元由可編程序控制器（PLC）、多功能電表、交流采樣裝置、機(jī)組溫度測(cè)量裝置、測(cè)速儀表、電源、繼電器等組成。

目前，泵站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)泵站主機(jī)、輔機(jī)、公用設(shè)備、高低壓配電設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視、控制、保護(hù)和調(diào)度等運(yùn)行管理工作。主要包括以下內(nèi)容：

（1）數(shù)據(jù)采集與處理。監(jiān)控主機(jī)可以接收現(xiàn)地控制單元上傳的各類(lèi)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，按收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)刷新、報(bào)警登錄，接收上級(jí)調(diào)度系統(tǒng)下發(fā)的命令以及其他系統(tǒng)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)?，F(xiàn)地控制單元能夠自動(dòng)采集被控對(duì)象的各類(lèi)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，在發(fā)生事故或者故障情況時(shí)自動(dòng)采集相關(guān)數(shù)據(jù)，并可對(duì)采集到的模擬量數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

（2）監(jiān)視與報(bào)警。系統(tǒng)可以通過(guò)監(jiān)視器或大屏幕對(duì)主機(jī)組、公用及輔機(jī)、高低壓配電等主要設(shè)備的運(yùn)行工況進(jìn)行監(jiān)視?？梢詫?duì)主機(jī)組各種運(yùn)行工況（開(kāi)機(jī)、停機(jī)等）的轉(zhuǎn)換過(guò)程、變配電系統(tǒng)送停電過(guò)程、輔助設(shè)備操作的過(guò)程等進(jìn)行監(jiān)視，并在發(fā)生異常情況時(shí)報(bào)警。

（3）控制與調(diào)節(jié)。監(jiān)控系統(tǒng)控制與調(diào)節(jié)的對(duì)象有：主機(jī)組、輔機(jī)設(shè)備、變配電設(shè)備。對(duì)主機(jī)的控制與調(diào)節(jié)包括主機(jī)組的開(kāi)機(jī)、停機(jī)順序控制等；對(duì)輔助設(shè)備的控制與調(diào)節(jié)包括實(shí)現(xiàn)技術(shù)供水系統(tǒng)的啟?？刂频?；對(duì)配電設(shè)備的控制與調(diào)節(jié)包括站變投、退控制操作和進(jìn)出線開(kāi)關(guān)合分操作等。

（4）數(shù)據(jù)的記錄與存儲(chǔ)。對(duì)采集及處理過(guò)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)中任何一個(gè)實(shí)時(shí)模擬量數(shù)據(jù)（原始輸入信號(hào)或中間計(jì)算值）進(jìn)行連續(xù)記錄。記錄的數(shù)據(jù)支持實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線顯示，能夠在實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線上顯示任何一個(gè)點(diǎn)的數(shù)值和時(shí)間標(biāo)簽。建立歷史數(shù)據(jù)庫(kù)，能夠存儲(chǔ)系統(tǒng)中主要的輸入信號(hào)（模擬量和開(kāi)關(guān)量）以及重要的中間計(jì)算數(shù)據(jù)，且歷史數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)記錄與存儲(chǔ)滿足用戶對(duì)歷史數(shù)據(jù)的多種檢索方式。

（5）人機(jī)接口。監(jiān)控系統(tǒng)能提供站控級(jí)和現(xiàn)地級(jí)人機(jī)接口，滿足現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行監(jiān)視和控制操作的要求。其中，站控級(jí)人機(jī)接口可作為泵站運(yùn)行人員監(jiān)視、控制和調(diào)節(jié)泵站運(yùn)行的主要手段，同時(shí)也為維護(hù)人員提供系統(tǒng)故障診斷、系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)設(shè)定或修改、數(shù)據(jù)庫(kù)建立和維護(hù)、監(jiān)控畫(huà)面編輯和修改、報(bào)表定義或修改等管理和維護(hù)工作的接口。

（6）數(shù)據(jù)通信。計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信分為3類(lèi)：一是站內(nèi)通信，即監(jiān)控系統(tǒng)與其它智能測(cè)控設(shè)備之間的通信；二是監(jiān)控系統(tǒng)與泵站內(nèi)其它系統(tǒng)的通信、監(jiān)控系統(tǒng)與機(jī)組在線監(jiān)測(cè)裝置的通信、監(jiān)控系統(tǒng)與信息管理系統(tǒng)的通信；三是監(jiān)控系統(tǒng)與上級(jí)調(diào)度系統(tǒng)，即與泵站運(yùn)行管理相關(guān)的上級(jí)調(diào)度管理系統(tǒng)之間的通信。

（7）系統(tǒng)自診斷與恢復(fù)。監(jiān)控系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)自身的硬件及軟件進(jìn)行故障自檢和自診斷功能，在發(fā)生故障時(shí)能保證故障不擴(kuò)大，且能在一定程度上實(shí)現(xiàn)自恢復(fù)，其自身的故障不影響被控對(duì)象的安全。站控級(jí)具有對(duì)計(jì)算機(jī)硬件設(shè)備、軟件進(jìn)程異常、通信接口、與現(xiàn)地控制單元的通信、與上級(jí)調(diào)度系統(tǒng)的通信、與其它系統(tǒng)的通信等故障的自檢能力，當(dāng)診斷出故障時(shí)自動(dòng)報(bào)警。

二、目前大型泵站自動(dòng)控制存在的問(wèn)題

經(jīng)過(guò)多年的探索與建設(shè)，江蘇現(xiàn)有的泵站自動(dòng)化系統(tǒng)能夠基本滿足泵站日常的需求，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)運(yùn)行的自動(dòng)控制與調(diào)度，如：閘門(mén)控制、勵(lì)磁調(diào)節(jié)、繼電保護(hù)等。雖然通過(guò)制定工作流程規(guī)范，基本能夠?qū)崿F(xiàn)泵站的穩(wěn)定運(yùn)行，但與現(xiàn)代化的管理要求相比，還存在下列主要問(wèn)題：

（1）泵站自動(dòng)控制建設(shè)缺乏總體規(guī)劃。部分單位和部門(mén)已做的規(guī)劃沒(méi)有經(jīng)過(guò)專門(mén)的審查和批準(zhǔn)，技術(shù)上沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，泵站之間的信息不能共享，形成若干信息孤島，后期整合難度大，系統(tǒng)維護(hù)困難。

（2）缺少針對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的評(píng)價(jià)體系和測(cè)試軟件，沒(méi)有針對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行考核和驗(yàn)收的統(tǒng)一的量化標(biāo)準(zhǔn)。

（3）現(xiàn)地層的基礎(chǔ)信息仍然是通過(guò)采用大量電纜進(jìn)行模擬量和硬接點(diǎn)采集的傳統(tǒng)方式，造成廠房?jī)?nèi)電纜敷設(shè)量大，接線復(fù)雜，影響自動(dòng)化系統(tǒng)的整體可靠性，容易受電磁干擾和一次設(shè)備傳輸過(guò)電壓的影響，存在二次運(yùn)行異常、繼電設(shè)備誤動(dòng)等方面的隱患。

（4）盡管已經(jīng)開(kāi)展了泵站群或梯級(jí)泵站的集中控制和優(yōu)化調(diào)度的研究，但尚不具備實(shí)用條件，不具備工業(yè)推廣的價(jià)值。

三、大型泵站自動(dòng)控制的發(fā)展方向

縱觀現(xiàn)代計(jì)算機(jī)自動(dòng)監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展和大型泵站現(xiàn)代化管理的要求，大型泵站自動(dòng)控制應(yīng)當(dāng)向泵站設(shè)備數(shù)字化、數(shù)據(jù)共享網(wǎng)絡(luò)化、信息應(yīng)用化的方向發(fā)展，以建設(shè)數(shù)字化、智能化泵站為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)泵站管理質(zhì)的飛躍。

所謂泵站數(shù)字化智能化是指“一次設(shè)備智能化，二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化”。泵站一次設(shè)備的信號(hào)輸出和控制輸入均能數(shù)字化，利用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)進(jìn)行傳輸，二次回路中常規(guī)的繼電器及其邏輯回路被可編程軟件代替，常規(guī)的模擬信號(hào)被數(shù)字信號(hào)代替，常規(guī)的控制電纜被光纖代替。

建設(shè)數(shù)字化、智能化泵站需要用電子式電流電壓互感器、智能化開(kāi)關(guān)取代傳統(tǒng)的電磁式電流電壓互感器、斷路器，使得設(shè)備的二次側(cè)不再存在模擬量，這就需要對(duì)原來(lái)泵站的設(shè)備進(jìn)行更新或改造，有條件的可以直接對(duì)原有設(shè)備進(jìn)行更換，用新型的智能化設(shè)備替代原來(lái)的設(shè)備。對(duì)于改造的泵站也可以采用就地?cái)?shù)字化方式，通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)的一次設(shè)備配置智能終端，并按照一次設(shè)備不拆卸的原則，對(duì)廠房?jī)?nèi)的變壓器、電機(jī)、水泵、斷路器、互感器、避雷器配置狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能單元，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)量采集與控制的數(shù)字化。

在解決了一次設(shè)備的智能化問(wèn)題之后，還需解決二次系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題。若無(wú)統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，不同廠家的設(shè)備和系統(tǒng)往往使用不同的網(wǎng)絡(luò)、通信協(xié)議和信息描述方法，導(dǎo)致廠房自動(dòng)化系統(tǒng)中不同廠家設(shè)備之間無(wú)法直接進(jìn)行互操作，不僅必須使用種類(lèi)繁多的協(xié)議轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，才能集成為一個(gè)系統(tǒng)，而且使得系統(tǒng)集成周期長(zhǎng)、費(fèi)用高、可靠性降低、后期維護(hù)不方便。

IEC（國(guó)家電工委員會(huì)）于2004年發(fā)布了IEC61850標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)一了信息模型和訪問(wèn)服務(wù)，使不同廠家的設(shè)備可以直接實(shí)現(xiàn)互操作，取消了站內(nèi)協(xié)議轉(zhuǎn)化器，實(shí)現(xiàn)了“一個(gè)世界，一種技術(shù)，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)”的目標(biāo)，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)內(nèi)的信息共享程序。IEC61850規(guī)范了工程數(shù)據(jù)格式SCL，支持IEC61850的不同廠家都支持SCL，使得不同廠家的工程工具可以自動(dòng)處理并自由交換數(shù)據(jù)，工程實(shí)施變得簡(jiǎn)單，后期維護(hù)和擴(kuò)建都比較容易開(kāi)展。

IEC于2007年頒布了IEC61850-7-410標(biāo)準(zhǔn)，作為IEC61850系列標(biāo)準(zhǔn)的一部分，它定義了IEC61850用于水電廠時(shí)需要的附加各類(lèi)公用數(shù)據(jù)、邏輯節(jié)點(diǎn)以及數(shù)據(jù)對(duì)象，解決了數(shù)字化水電站建設(shè)中的互聯(lián)和互操作等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。該部分定義的邏輯節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)對(duì)象屬于下列應(yīng)用領(lǐng)域：電氣功能、機(jī)械功能、水文功能、傳感器。由于大型泵站與水電站極為相似，因此完全可以采用該項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)作為數(shù)字化的基礎(chǔ)。

可以預(yù)見(jiàn)，與傳統(tǒng)的泵站自動(dòng)化比較，采用智能化、數(shù)字化設(shè)備與統(tǒng)一規(guī)約標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)的數(shù)字化、智能化泵站將存在3個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)：

（1）性能優(yōu)異。采用統(tǒng)一通信規(guī)約的通信網(wǎng)絡(luò)，不需要進(jìn)行規(guī)約轉(zhuǎn)換，加快了通信速度，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜程度和設(shè)計(jì)、調(diào)試、維護(hù)的難度，提高了通信系統(tǒng)的性能。數(shù)字信號(hào)通過(guò)光纜傳輸避免了通過(guò)電纜傳輸時(shí)受到的電磁干擾，傳輸過(guò)程中無(wú)信號(hào)衰減、失真，無(wú)LC濾波網(wǎng)絡(luò)，不產(chǎn)生諧振過(guò)電壓。傳輸和處理數(shù)字信號(hào)過(guò)程中不再產(chǎn)生附加誤差，提升了保護(hù)計(jì)量和測(cè)量的精度。與傳統(tǒng)的電磁互感器相比，光電互感器無(wú)磁飽和現(xiàn)象，精度高、暫態(tài)特性好。

（2）安全可靠。由于采用了光電互感器，避免了油和SF6互感器的滲漏問(wèn)題，減少了運(yùn)行維護(hù)的工作量。光電互感器高低壓部分光電隔離，傳統(tǒng)電磁互感器的電流互感器二次回路開(kāi)路、電壓互感器二次回路短路故障可能危及人身和設(shè)備安全等問(wèn)題不再存在，大大提高了安全性。由于用光纜代替了電纜，避免了電纜端子松動(dòng)、發(fā)熱、開(kāi)路和短路的危險(xiǎn)，泵站整體安全水平得到提高。

（3）經(jīng)濟(jì)效益顯著。由于用光纜代替了大量的電纜，簡(jiǎn)化了電纜溝、電纜層和電纜防火設(shè)置，因此，降低了成本；較好地實(shí)現(xiàn)信息共享，兼容性高，便于新增功能和擴(kuò)展規(guī)模，減少了投資成本；技術(shù)含量高，節(jié)約了大量諸如電纜之類(lèi)的耗材，具有節(jié)能、環(huán)保，節(jié)約社會(huì)資源的功效。

綜上所述，盡管經(jīng)過(guò)江蘇水利人30多年不懈的探索與努力，大型泵站自動(dòng)控制技術(shù)已經(jīng)具備相當(dāng)實(shí)用的程度，但鑒于電子技術(shù)這一學(xué)科的特點(diǎn)，計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)仍將高速發(fā)展，為了保持江蘇水利大型泵站的領(lǐng)先地位，我們所要做的工作之一就是加快現(xiàn)有泵站自動(dòng)控制的升級(jí)換代，大力推進(jìn)數(shù)字化、智能化泵站建設(shè)，在江蘇水利現(xiàn)代化方面開(kāi)拓進(jìn)取，奮勇?tīng)?zhēng)先。