單機800kW泵站綜合自動化I/O配置研究

陳洪偉,代永信（黃河水利水電開發(fā)總公司,河南 濟源 454681）

?

單機800kW泵站綜合自動化I/O配置研究

陳洪偉,代永信
（黃河水利水電開發(fā)總公司,河南 濟源 454681）

摘 要：以單機容量800kW的泵站為研究對象，對泵站綜合自動化的I/O配置進行了細化分析

關鍵詞：泵站；自動化；I/O配置

0 引言

泵站是解決洪澇災害、干旱缺水、水環(huán)境惡化當今三大水資源問題的有效工程措施之一。它們承擔著區(qū)域性的防洪、除澇、灌溉、調水和供水的重任，主要用于農田排灌、城市給排水以及跨流域調水等。

水利部《泵站技術改造規(guī)程》及說明對采用計算機監(jiān)控泵站運行，并不作為統(tǒng)一的規(guī)定。水利部《泵站設計規(guī)范》中對泵站計算機監(jiān)控系統(tǒng)也沒有相應的要求?，F(xiàn)有的泵站計算機監(jiān)控系統(tǒng)沒有統(tǒng)一的技術規(guī)范，也沒有主流的設備供應商。在具體的應用中著重于功能的要求，由設備廠商進行設計安裝。為了提高泵站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的使用水平，也為了提高泵站的設計水平，對泵站綜合自動化I/O配置進行研究很有必要。

1 單機800kW泵站綜合自動化I/O配置研究原則

（1）泵站綜合自動化系統(tǒng)涉及到配電、大型電動機的控制和保護，水泵的安全經濟運行和管理，水工建筑物的安全穩(wěn)定性監(jiān)測，水情數(shù)據(jù)的收集和水資源的調度等方面的內容。泵站計算機監(jiān)控系統(tǒng)應對全站泵組、電氣系統(tǒng)、公用油、水、氣系統(tǒng)、閘門控制系統(tǒng)、勵磁系統(tǒng)及直流系統(tǒng)進行有效監(jiān)視和控制，保證泵站更加安全、可靠、經濟地運行。其I/O配置應涵蓋上面所有系統(tǒng)。

（2）確定泵站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的水平。 現(xiàn)有泵站計算機監(jiān)控系統(tǒng)水平參差不齊，除少數(shù)大型泵站采用完全自動化的分層分布式系統(tǒng)，大部分泵站仍處于使用計算機監(jiān)控系統(tǒng)的初級階段。目前典型的泵站自動化控制保護設備通常使用普通的可編程控制器PLC開發(fā)，系統(tǒng)集成和硬件及軟件工程費用相當可觀，而且現(xiàn)場二次接線量大且復雜。根據(jù)國外經驗和我國其他行業(yè)計算機監(jiān)控系統(tǒng)的應用情況，我們認為泵站計算機監(jiān)控系統(tǒng)應采用完全自動化的先進技術，達到無人值守，優(yōu)化運行，集中調度的水平。

我國電力系統(tǒng)在八十年代后期開始計算機監(jiān)控系統(tǒng)的使用。開始階段，也是單個設備使用各自的監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)之間使用硬接線進行數(shù)據(jù)交換，控制系統(tǒng)使用集中控制方式。在火電廠，電氣設備仍使用繼電保護方式進行控制。經過十年時間的應用，火電廠都使用分散控制系統(tǒng)（DCS）進行控制，機、爐、電全部由計算機控制，操作上不再使用盤臺操作，而是使用鼠標、鍵盤在屏幕上進行操作?？刂剖页Ｒ?guī)儀表基本取消。而在電網(wǎng)方面，220KV變電站已基本實現(xiàn)無人值守。

從技術上講，我國泵站實現(xiàn)全自動監(jiān)控已經毫無問題，現(xiàn)在的問題是認識和經費上。隨著我國水資源緊缺和能源緊缺問題日益凸現(xiàn)，實現(xiàn)泵站全自動控制，經濟優(yōu)化運行，大區(qū)域集中調度指日可待。

（3）確定研究原形。根據(jù)我國大、中型泵站的情況，特別是湖北省的泵站情況，我們確定研究對象為：主體工程由泵房、公路橋、浮體閘、攔污柵、灌溉閘、輸變電工程及工程管理設施。泵站布置形式為堤身式肘形進水流道，虹吸式出水流道。設備為：N臺800KW機組（同步電機含勵磁系統(tǒng)）、雙回路6KV供電、單母線分段、一臺母聯(lián)、兩臺主變、兩臺站變及輔機設備。

（4）國外如荷蘭泵站，由于歷史原因，采用的自動化儀表多為智能型，這種儀表很先進，如功率表、水位表、水位計等，它本身能長期進行自動記錄，一般數(shù)據(jù)不存檔。我國現(xiàn)在也開發(fā)了許多智能儀表，但考慮到現(xiàn)在計算機功能很強大，存儲設備及輔助存儲設備很大，我們認為使用計算機監(jiān)控系統(tǒng)的泵站不必再使用智能化儀表。

2 單機800KW泵站綜合自動化I/O配置研究

2.1 水泵機組系統(tǒng)（包括水力系統(tǒng)）

因為水泵機組的控制及調度和水力系統(tǒng)關系密切，所以將水力系統(tǒng)放在這部分考慮，而其他輔助設備另作一部分考慮。

水泵機組系統(tǒng)的綜合自動化也包含三部分功能。

監(jiān)測功能：水力系統(tǒng)的泵站進出口水位及水位差值、集水廊道水位、機組進水流道進口壓力、出水流道駝峰壓力、上下游攔污柵壓差、快速閘門及閘門狀態(tài)；主驅動電機的定子電流、功率、功率因數(shù)、定子線圈溫度、勵磁電流、勵磁電壓、斷路器狀態(tài)、絕緣狀態(tài)；主機推力軸瓦及導向軸瓦溫度、水泵葉輪前后壓差、機組冷卻水壓力溫度、潤滑油壓力溫度、主機轉速、葉片角度、主泵流量、主泵進出口壓力。

控制功能：主機機組的啟、?？刂?；勵磁設備的自動調節(jié)與控制、水泵葉片角度的調節(jié)與控制、機組運行工況自動調節(jié)、上下游閘門與水利樞紐中的節(jié)制閘的控制。

保護功能：主電動機的差動保護及后備保護（過電流保護、過負荷保護、低電壓保護、單相接地保護）；主機的推力軸瓦、導向軸瓦、定子線圈溫度過高保護；輔助系統(tǒng)的供水、供油、供氣系統(tǒng)異常保護。

綜合以上分析，我們得出水泵機組系統(tǒng)的I/O配置應包含以下測點：

（1）開關量輸入：葉片角度位置上限點、葉片角度位置下限點、機組主斷路器合閘位置；

機組主斷路器分閘位置；主斷路器隔離狀態(tài)位置；上油缸油位上限點；

上油缸油位下限點；下油缸油位上限點；下油缸油位下限點；填料密封潤滑水示流器位置； 上油缸冷卻水示流器位置；下油缸冷卻水示流器位置；

水導潤滑水示流器位置；勵磁電源斷路器位置；主機風機接觸器位置；真空破壞閥機械接點位置；長柄閘閥上限點；長柄閘閥下限點；剎車管路壓力表電接點位置；失磁保護接點；快熔熔斷保護接點；機組開機；

機組停機；機組就地控制；機組遠方控制；勵磁裝置已投入；輔機正常輸入；

機組主保護動作；機組后備保護動作。

（2）模擬量輸入：轉速測量；葉片角度；主機角度；主機勵磁電流。

駝峰真空壓力（壓力表位置） 進水流道壓力（壓力表）

（3）開關量輸出：開機準備燈 斷路器合閘 斷路器分閘 葉片增 葉片減 勵磁電源合閘

勵磁電源分閘 打開剎車電磁空氣閥 打開真空破壞閥 打開機組供水電磁閥

關閉機組供水電磁閥 主機風機合閘 主機風機分閘 勵磁投入指示

主機風機運行指示 開機條件滿足

（4）溫度量輸入：定子線圈溫度傳感器 推力瓦溫度傳感器上下導瓦溫度傳感器 上下油缸溫度傳感器

2.2 變電系統(tǒng)

現(xiàn)在一部分泵站，如湖北金口泵站已將降壓站交電力部門管理。但本課題仍將其作為泵站的一部分進行研究。

變電系統(tǒng)的綜合自動化包含三部分功能。

監(jiān)測功能：主變、站變高低壓側三相電流、三相電壓、頻率、有功功率、無功功率、兩段母線電壓的頻率、主變油溫；高壓進線柜斷路器狀態(tài)、母聯(lián)的通斷狀態(tài)、電壓互感器工作狀態(tài)、兩臺站變高壓側斷路器狀態(tài)。

控制功能：降壓站的主變壓器、站用變壓器等的投入、退出控制。

保護功能：主變壓器系統(tǒng)的瓦斯保護、縱差保護、過流保護、過負荷保護、零序電流保護；高壓進線線路的速斷電流保護、PT斷線保護、低電壓保護、控制回路斷線保護；站用變系統(tǒng)的電流速斷保護、過流保護、過負荷保護、控制回路斷線保護；母聯(lián)裝置的電流速斷保護、控制回路斷線保護。

綜合以上分析，我們得出輸變電系統(tǒng)的I/O配置應包含以下測點：

（1）開關量輸入：進線柜斷路合閘位置 進線柜斷路分閘位置進線柜隔離狀態(tài) 站變柜斷路器合閘位置

站變柜斷路器分閘位置 站變柜隔離狀態(tài) 電壓互感器柜隔離開關位置

主變風機 主變重瓦斯 主變本體油溫上限 主變本體油溫下限

（2）開關量輸出：高壓進線柜合閘 高壓進線柜分閘 高壓站變柜合閘 高壓站變柜分閘

（3）模擬量輸入：泵站進口內河水位 泵站出口外河水位集水廊道水位

2.3 輔助系統(tǒng)的水、油、氣系統(tǒng)

泵站的水、油、氣系統(tǒng)隨泵站布置形式的不同及主機組的差別而不同。我們分析了各種輔助系統(tǒng)的配置形式，對應所研究的原形泵站而言，泵站技術供水采用直接供水方式，排水設置4臺排水泵；油系統(tǒng)設置兩臺高壓油泵；壓縮空氣系統(tǒng)設置高、低壓系統(tǒng)各一套，各配兩臺空氣壓縮機，另外還有兩臺真空泵。輔助系統(tǒng)本身的自動控制比較簡單，主要參數(shù)（供水母管壓力、低壓氣母管壓力、壓力油罐壓力、真空破壞閥狀態(tài)）影響主機的運行。其I/O配置主要是設備開、關及備用狀態(tài)，包括以下一些參數(shù)：

（1）開關量輸入：排水泵自動位置 排水泵備用位置 低壓氣機自動位置 高壓氣機自動位置

高壓氣機備用位置 高壓油泵自動位置 高壓油泵備用位置 真空泵自動位置

真空泵備用位置 凈油筒油位上限點 凈油筒油位下限點 污油筒油位上限點

污油筒油位下限點 壓力油罐油位 回油箱油位上限點 回油箱油位下限點

（2）開關量輸出：排水泵自動 排水泵備用 低壓氣機自動高壓氣機自動 高壓氣機備用

高壓油泵自動 高壓油泵備用 真空泵自動 真空泵備用 開高壓氣機降壓閥

開高壓氣機進水閥 關高壓氣機降壓閥 關高壓氣機進水閥開真空泵供水閥

關真空泵供水閥 開排水泵進口電磁閥 關排水泵進口電磁閥

（3）模擬量輸入：排水泵出口壓力 供水總管壓力 低壓氣母管壓力 壓力油罐壓力

主廠房溫度 主廠房濕度 廠變三相電流 廠變線電壓

（4）溫度量輸入：高壓氣機出口溫度 低壓氣機出口溫度 廠變溫度

3 結語

我們對泵站按系統(tǒng)進行劃分，本文沒有涉及綜合調度中的外部指令輸入問題，也沒有涉及較大機組中考慮的振動問題，本文著重闡述了當今主流的單機800kW泵站，按綜合自動化的要求，從功能上提出了最低的I/O配置要求。

參考文獻：

［1］劉竹溪,馮廣志主編.中國泵站工程［M］.北京：水利電力出版社,1993（02）.

［2］黃良勇.考察荷蘭泵站工程的幾點體會［M］.機電排灌,1997（03）.

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.12.225

作者簡介：陳洪偉（1971-），男，吉林德惠人，工程碩士，高級工程師，主要從事水利水電工程建設管理工作。