“一拖多”變頻控制模式下的泵站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)及應(yīng)用

高 璐，解 辰

（陜西省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院,陜西 西安 710001）

1 工程概況

延安黃河引水工程位于延安市東北部,是以黃河為主要取水水源的長距離引水工程。工程建設(shè)目的是解決延安市及周邊縣區(qū)的長期缺水問題,屬延安市“十二五”重點(diǎn)水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目,工程年供水總量為8977 萬m3/a,設(shè)計(jì)引水流量為4.2 m3/s,梯級(jí)泵站總裝機(jī)功率48.1 MW,該工程為Ⅲ等中型供水工程。工程主要建筑包括取水樞紐、提水泵站、輸水管（洞）線、泥沙處理、調(diào)蓄及應(yīng)急水庫、凈水廠等六部分[1]。其中,延水關(guān)二級(jí)泵站主廠房內(nèi)有安裝7 臺(tái)800 kW 水泵電動(dòng)機(jī)組,機(jī)組運(yùn)行方式為5 運(yùn)2 備,運(yùn)行容量4000 kW,總裝機(jī)容量5600 kW。

2 “一拖多”變頻控制方案

2.1 “一拖多”變頻控制接線

為匹配工程運(yùn)行過程中的流量變化,泵站工藝要求每臺(tái)機(jī)組均具備變速運(yùn)行的能力,通過變頻調(diào)速運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)不同供水工況的需求。同時(shí)兼顧節(jié)能和設(shè)備投資的因素,泵站采用了“一拖多”變頻控制方案,接線圖見圖1。

圖1 延水關(guān)二級(jí)泵站“一拖多”變頻控制接線圖

2.2 變頻器運(yùn)行及切換功能

變頻控制系統(tǒng)由變頻器、同步切換柜以及邏輯控制屏組成。正常情況下,二級(jí)泵站工頻及變頻母線均按單母線分段運(yùn)行。1#變頻器實(shí)現(xiàn)Ⅰ段母線的3 臺(tái)電機(jī)的逐臺(tái)啟動(dòng),自動(dòng)旁路及同步投切功能,并實(shí)現(xiàn)對(duì)該變頻器所帶3 臺(tái)電動(dòng)機(jī)中的任1 臺(tái)的變頻運(yùn)行；2#變頻器實(shí)現(xiàn)Ⅱ段母線的4 臺(tái)電機(jī)的逐臺(tái)啟動(dòng),自動(dòng)旁路及同步投切功能,并實(shí)現(xiàn)對(duì)該變頻器所帶4 臺(tái)電動(dòng)機(jī)中的任一臺(tái)的變頻運(yùn)行；當(dāng)有1 臺(tái)變頻器故障或檢修情況下,二級(jí)泵站工頻、變頻母線均按單母線運(yùn)行。兩臺(tái)變頻器通過切換,實(shí)現(xiàn)任意一臺(tái)變頻器,對(duì)全站7 臺(tái)電動(dòng)機(jī)中的任意一臺(tái)機(jī)組的啟動(dòng)、變頻運(yùn)行。

3 計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

延水關(guān)二級(jí)泵站由于“一拖多”變頻控制方案的應(yīng)用,使得其自動(dòng)化控制系統(tǒng)相較于常規(guī)泵站要復(fù)雜的多。如果將各電機(jī)工頻、變頻母線側(cè)開關(guān)的合分、變頻器的選擇全部按照常規(guī)泵站監(jiān)控系統(tǒng)控制,不僅增加了泵站運(yùn)行流程、操作流程設(shè)計(jì)的難度,同時(shí)也對(duì)運(yùn)行人員的操作及管理水平提出了更高的要求。運(yùn)行人員必須對(duì)泵站的管理調(diào)度、控制流程以及需要具備的條件做到充分的了解。

考慮到上述問題,此次變頻控制增加了1 面邏輯控制屏,將變頻器的選擇、變頻器與各機(jī)組LCU 通訊及各電機(jī)工頻、變頻母線側(cè)開關(guān)的控制交由邏輯控制屏完成,以此對(duì)泵站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

延水關(guān)二級(jí)泵站按照“無人值班”（少人值守）的監(jiān)控模式、分層分布開放式體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)[2]。泵站設(shè)置站用控制級(jí)（主控層）和就地監(jiān)控（現(xiàn)地層）兩層,網(wǎng)絡(luò)采用冗余交換式以太網(wǎng)。主控層為全站設(shè)備監(jiān)視、測量、控制、管理的中心,通過光纜或屏蔽雙絞線與現(xiàn)地層相連。泵站主控層即為上位機(jī)系統(tǒng),泵站現(xiàn)地層即為泵站現(xiàn)地機(jī)組LCU,主控層與現(xiàn)地層采用1000 M 工業(yè)以太網(wǎng)通訊。現(xiàn)地控制單元通信采用現(xiàn)場總線或以太網(wǎng)通信方式。

正常情況,運(yùn)行人員通過中控室計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的鍵盤、鼠標(biāo)進(jìn)行人機(jī)對(duì)話,實(shí)現(xiàn)對(duì)泵站主要設(shè)備的控制和監(jiān)視,當(dāng)操作員工作站運(yùn)行出現(xiàn)故障退出或者操作員工作站與現(xiàn)地控制單元之間的通信中斷時(shí),各現(xiàn)地機(jī)組LCU 均應(yīng)能獨(dú)立完成運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)設(shè)備的控制管理,從而確保泵站運(yùn)行安全。延水關(guān)二級(jí)泵站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 延水關(guān)二級(jí)泵站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2 系統(tǒng)功能

泵站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)負(fù)責(zé)完成泵站所有設(shè)備的監(jiān)視、控制和調(diào)節(jié),包括機(jī)組及附屬設(shè)備等的開關(guān)量、電量及非電量的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集,機(jī)組的啟停、變頻控制、有功及無功調(diào)節(jié),斷路器的分合閘和進(jìn)出水閥門的啟閉等操作。泵站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集與處理、控制與調(diào)節(jié)、人機(jī)接口、數(shù)據(jù)通信、系統(tǒng)自診斷、培訓(xùn)仿真和軟件開發(fā)、時(shí)鐘系統(tǒng)、維護(hù)與開發(fā)等功能。

3.3 系統(tǒng)配置

泵站主控層配置有2 套操作員工作站、1 套衛(wèi)星時(shí)鐘設(shè)備、1 套微機(jī)五防系統(tǒng)、1 臺(tái)便攜機(jī)、4 臺(tái)工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)、1 臺(tái)通信管理機(jī)、2 臺(tái)打印機(jī)等?，F(xiàn)地層配置有微機(jī)保護(hù)裝置、智能儀表,根據(jù)泵站現(xiàn)地控制單元功能結(jié)構(gòu)和現(xiàn)場設(shè)備分布情況,站內(nèi)共配置9 套現(xiàn)地控制單元,其中每臺(tái)機(jī)組配置1套機(jī)組LCU（1～7JZLCU）,全站配置1 套公用LCU（GYLCU）,1面邏輯控制屏（LCP）。

4 變頻控制與計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的信息交互

計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)可根據(jù)變頻控制系統(tǒng)的采集數(shù)據(jù)及各電機(jī)的運(yùn)行情況,對(duì)7 臺(tái)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。經(jīng)過系統(tǒng)運(yùn)算來判斷電機(jī)的啟動(dòng)數(shù)量及運(yùn)行狀態(tài)（工頻運(yùn)行/變頻運(yùn)行）。變頻控制與計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的信息交互見圖3。

圖3 變頻控制與計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的信息交互圖

泵站在變頻啟動(dòng)過程中及變頻運(yùn)行模式下,5 GG、14 GG、1 BG、9 BG、2 BG～4 BG、10 BG～13 BG 均由LCP 控制。電機(jī)在同步切換過程中,電機(jī)所對(duì)應(yīng)的6 kV 工頻斷路器的合閘控制由LCP 負(fù)責(zé)完成。電機(jī)同步啟動(dòng)過程完成后,電機(jī)已運(yùn)行在工頻模式下,此時(shí)電機(jī)及其6 kV 工頻斷路器由機(jī)組LCU對(duì)其進(jìn)行控制和保護(hù)。當(dāng)單臺(tái)變頻器故障時(shí),2 臺(tái)變頻器進(jìn)線側(cè)斷路器5 GG、14 GG 都分?jǐn)嗪?由LCP 鎖定相應(yīng)的變頻器,才可由LCP 控制變頻母聯(lián)斷路器6 BG 合閘。

5 運(yùn)行流程設(shè)計(jì)

泵站運(yùn)行流程的設(shè)計(jì)既要考慮單臺(tái)機(jī)組的運(yùn)行工況,也要顧及不同工況下其他機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)。同時(shí)采用“一拖多”變頻控制方案也增加了泵站運(yùn)行流程的復(fù)雜程度。運(yùn)行流程設(shè)計(jì)要標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化,以便運(yùn)行人員運(yùn)維管理。以1#機(jī)組為例,對(duì)1#機(jī)組的開機(jī)流程（工頻運(yùn)行、變頻運(yùn)行）、停機(jī)流程（正常停機(jī)）進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。

（1）1#機(jī)組開機(jī)流程（工頻運(yùn)行、變頻運(yùn)行）

根據(jù)泵站運(yùn)行工藝,需要先將1#機(jī)組電機(jī)啟動(dòng)后再控制泵后液控蝶閥開啟,開機(jī)流程見圖4。其中,1#機(jī)組電機(jī)由變頻轉(zhuǎn)工頻運(yùn)行的切換條件是由變頻控制系統(tǒng)中同步切換柜實(shí)現(xiàn)的。同步切換柜通過檢測網(wǎng)側(cè)和電機(jī)側(cè)電壓,調(diào)節(jié)電機(jī)電壓與電網(wǎng)電壓同步。由LCP完成1、2#BPQ的選擇及電機(jī)工頻、變頻母線側(cè)開關(guān)的控制。

1）開機(jī)準(zhǔn)備檢查

機(jī)組開機(jī)前需對(duì)機(jī)組運(yùn)行相關(guān)的各個(gè)控制設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行檢查,具備機(jī)組開機(jī)條件。包括：各電氣設(shè)備、變頻器、閥門無故障報(bào)警；各控制設(shè)備均處于遠(yuǎn)方工作位；1#機(jī)泵前、泵后檢修閥全開；泵后液控蝶閥全關(guān)；出水母管檢修閥全開,吸水池水位不低于開機(jī)水位；機(jī)組電機(jī)軸承溫度、管道壓力、水位等監(jiān)測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確,滿足運(yùn)行條件。

2）1#電機(jī)工作在軟啟模式的LCP 控制流程

首先LCP 向1 BPQ 發(fā)送1#電機(jī)軟啟動(dòng)命令。同步切換柜控制6GG 斷路器處于分?jǐn)酄顟B(tài),2 BG 斷路器處于閉合狀態(tài)。然后LCP 控制5 GG 斷路器閉合,1 BPQ 啟動(dòng)運(yùn)行并啟動(dòng)1#電機(jī)至額定轉(zhuǎn)速。變頻器和同步切換柜通過檢測輸入及輸出電壓,調(diào)節(jié)電機(jī)電壓與電網(wǎng)電壓同步。當(dāng)同步切換柜確定1#電機(jī)同步狀態(tài)已鎖定時(shí),先控制6 GG 斷路器閉合,再控制2 BG 斷路器斷開。此時(shí)1#電機(jī)進(jìn)入工頻運(yùn)行狀態(tài)。

3）1#電機(jī)工作在變頻模式的LCP 控制流程

首先LCP 向1 BPQ 變頻器發(fā)送1#電機(jī)變頻運(yùn)行命令。同步切換柜控制6 GG 斷路器處于分?jǐn)酄顟B(tài),2 BG 斷路器處于閉合狀態(tài)。LCP 控制5 GG 斷路器閉合,1 BPQ 啟動(dòng)運(yùn)行并啟動(dòng)1#電機(jī)至設(shè)定轉(zhuǎn)速。此時(shí)1#電機(jī)進(jìn)入變頻運(yùn)行狀態(tài)。

（2）1#機(jī)組停機(jī)流程（正常停機(jī)）

根據(jù)泵站運(yùn)行工藝,需要先將泵后液控蝶閥關(guān)閉,再停1#機(jī)組電機(jī),停機(jī)流程見圖5。當(dāng)工頻運(yùn)行停機(jī)時(shí),LCP 不再參與控制,1#電機(jī)工頻斷路器6 GG 由1 JZLCU 進(jìn)行控制分?jǐn)?。?dāng)變頻運(yùn)行停機(jī)時(shí),由LCP 停變頻器,控制斷路器5 GG 分?jǐn)唷?/p>

圖5 1#機(jī)組工頻、變頻停機(jī)流程圖

6 結(jié)語

泵站中“一拖多”變頻控制方案的成功應(yīng)用較好地解決了梯級(jí)泵站流量匹配難題,在變頻控制系統(tǒng)中邏輯控制屏的增加,有效地降低了泵站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中運(yùn)行流程的設(shè)計(jì)難度。目前延安黃河引水工程延水關(guān)二級(jí)泵站已投入運(yùn)行多年,運(yùn)行效果一直良好。“一拖多”變頻控制方案及計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)得到了實(shí)際驗(yàn)證,為泵站的運(yùn)行管理、安全運(yùn)行提供了有力的支撐和保證,其設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)也為類似項(xiàng)目計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了借鑒。