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)
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(tái)套,配套 1600/600 kW、24 P/48 P 立式可逆電動(dòng)發(fā)電機(jī),總裝機(jī)容量 16000 kW,設(shè)計(jì)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。
江都三站自動(dòng)化系統(tǒng)改造包括微機(jī)監(jiān)控和測(cè)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(jí),集測(cè)量、控制、保護(hù)、信號(hào)、管理等功能于一體,以及水情數(shù)據(jù)的收集處理。實(shí)現(xiàn)中控室內(nèi)集中數(shù)據(jù)顯示、分析、處理;實(shí)現(xiàn)集中和分散控制,通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將江都三站的運(yùn)行數(shù)據(jù)和狀態(tài),實(shí)時(shí)真實(shí)地展示在各級(jí)管理人員面前;實(shí)現(xiàn)主機(jī)、變頻機(jī)組、配電設(shè)備的自動(dòng)控制,滿足“無(wú)人值班、少人值守”的要求。同時(shí),江都三站自動(dòng)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(guò)網(wǎng)絡(luò)與江都站調(diào)度控制管理系統(tǒng)聯(lián)接,可實(shí)現(xiàn)遙測(cè)、遙信、遙控、遙調(diào)等功能。江都三站自動(dòng)化控制系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖 1 所示。
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(tái)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(chǎng) 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(wú)擾切換時(shí)間小于等于 48 ms,熱備切換時(shí)間嚴(yán)格控制在 1 個(gè)掃描周期以內(nèi),并保證系統(tǒng)的控制功能不會(huì)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(duì)它們進(jìn)行組態(tài)和修改。對(duì)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(shí)自動(dòng)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(dòng)轉(zhuǎn)換,無(wú)論哪臺(tái) 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(dòng)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?jiǎng)澐?,根?jù)各個(gè)現(xiàn)地單元不同控制對(duì)象的類型和點(diǎn)數(shù),配置通訊、電源、開關(guān)量、模擬量等模塊。1~4、5~8 號(hào)主機(jī)開關(guān)量 I/O 模塊各組 1 塊 PLC 遠(yuǎn)程站柜、9~10 號(hào)主機(jī)和變頻發(fā)電機(jī)、變頻電動(dòng)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(tái)機(jī)組,并配置 1 塊 32 點(diǎn) SOE 模塊采集 4 臺(tái)機(jī)組的 SOE 信號(hào)。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(hào)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(dú)立系統(tǒng),設(shè)置 2 套進(jìn)口 PLC,通過(guò)以太網(wǎng)口與計(jì)算機(jī)通訊實(shí)現(xiàn) 10 臺(tái)主水泵葉片調(diào)節(jié)的自動(dòng)控制。
2)主要傳感器、變送器及儀表的配置
a)10 臺(tái)主機(jī)配有轉(zhuǎn)速儀表,對(duì)主機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行監(jiān)測(cè),同時(shí)能滿足機(jī)組反轉(zhuǎn)發(fā)電時(shí)實(shí)時(shí)檢測(cè)轉(zhuǎn)速,當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到啟動(dòng)轉(zhuǎn)速時(shí)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(tái)主機(jī)出水流道駝峰處裝有真空壓力變送器,對(duì)出水流道駝峰處的真空度進(jìn)行監(jiān)測(cè),既可通過(guò)比較了解出水流道的密封性,同時(shí)在發(fā)電運(yùn)行時(shí)能使現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行人員較好地把握機(jī)組被水流沖擊后開始轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)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(cè)溫系統(tǒng)選用智能測(cè)溫儀表,通過(guò)通訊口和PLC 或上位機(jī)通訊,獨(dú)立工作。
d)為了加強(qiáng)對(duì)泵站機(jī)組運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)檢測(cè),每臺(tái)機(jī)組均安裝了振動(dòng)和擺度檢測(cè)裝置,通過(guò)測(cè)量記錄,為主機(jī)組的運(yùn)行和制定檢修計(jì)劃提供了可靠的數(shù)據(jù)。
2.1.2 自動(dòng)化控制系統(tǒng)功能簡(jiǎn)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(dòng)與擺度;主泵葉片角度等。由于三站采用的微機(jī)測(cè)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(wú)功功率、功率因數(shù)、頻率等各參數(shù)都經(jīng)測(cè)控裝置采集,并通過(guò)通訊口上傳到計(jì)算機(jī)。
根據(jù)水泵揚(yáng)程與流量的過(guò)程曲線和實(shí)測(cè)揚(yáng)程進(jìn)行流量計(jì)算。對(duì)變頻發(fā)電機(jī)組的發(fā)電量和時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì),經(jīng)處理后存入數(shù)據(jù)庫(kù)。
b)開關(guān)量的采集與處理
對(duì)事故、斷路器動(dòng)作及重要繼電保護(hù)的動(dòng)作等信號(hào)以順序方式迅速響應(yīng)并作出必要的反應(yīng)和自動(dòng)操作;對(duì)各類故障信號(hào)、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(hào)以定期掃查采集。對(duì)信號(hào)的處理包括光電隔離、接點(diǎn)防抖動(dòng)處理、硬件及軟件濾波、基準(zhǔn)時(shí)間補(bǔ)償、數(shù)據(jù)有效性合理性判斷、啟動(dòng)相關(guān)量等功能。
c)開關(guān)量的輸出與處理
對(duì)各種操作指令在輸出前進(jìn)行校驗(yàn),經(jīng)判斷無(wú)誤后方可送至執(zhí)行機(jī)構(gòu)。為保證信號(hào)電氣獨(dú)立性及準(zhǔn)確性,開關(guān)輸出信號(hào)也經(jīng)光電隔離,接點(diǎn)防抖動(dòng)處理后發(fā)出。
d)信號(hào)量值及狀態(tài)設(shè)定
由于設(shè)備原因而造成的信號(hào)出錯(cuò)及在必要時(shí)要進(jìn)行人工設(shè)定值分析處理的信號(hào)量,系統(tǒng)允許操作人員對(duì)其進(jìn)行人工設(shè)定,在處理時(shí)把它們與正常采集的信號(hào)等同對(duì)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(bào)警
a)運(yùn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視
操作人員通過(guò)屏幕能對(duì)泵站設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)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(dòng)態(tài)顯示各運(yùn)行參數(shù)。
b)參數(shù)越限報(bào)警記錄
系統(tǒng)對(duì)溫度、水位、水壓、電量及計(jì)算的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控,對(duì)這些參數(shù)量值預(yù)先設(shè)定越限報(bào)警范圍。當(dāng)參數(shù)越限、越限復(fù)歸時(shí)作相應(yīng)的報(bào)警和記錄。
c)故障狀態(tài)顯示記錄
系統(tǒng)定時(shí)掃查各狀態(tài)信號(hào),一旦發(fā)生故障立即在屏幕上即時(shí)顯示出來(lái),同時(shí)記錄故障及其發(fā)生時(shí)間,并用語(yǔ)音報(bào)警。
d)事故追憶及相關(guān)量記錄
在發(fā)生事故時(shí),系統(tǒng)自動(dòng)采集各設(shè)備的狀態(tài)并上傳到計(jì)算機(jī),由計(jì)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(kù)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(dòng)和自動(dòng) 2 種方式。當(dāng)控制方式切換到自動(dòng)時(shí),操作員通過(guò)系統(tǒng)人機(jī)接口,點(diǎn)擊控鍵后自動(dòng)實(shí)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(dòng)控制操作。控制對(duì)象主要為主機(jī)、站變、油氣水系統(tǒng)、勵(lì)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(yǔ)音提示、仿真培訓(xùn)等功能。
2.2.1 進(jìn)線、站變測(cè)控保的基本配置
6 kV 進(jìn)線、站變測(cè)控保配置的基本功能為遙信開入采集,裝置變位,事故報(bào)警等;正常斷路器遙測(cè)分合,小電流接地探測(cè)遙控分合;有功功率、無(wú)功功率、電流、電壓、功率因數(shù)等 9 個(gè)模擬量的遙測(cè);開關(guān)事故分合次數(shù)統(tǒng)計(jì)、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(guò)電流和過(guò)負(fù)荷等保護(hù)。站變采用的保護(hù)為電流速斷、過(guò)電流、過(guò)負(fù)荷、單相接地、溫度等保護(hù)。
2.2.2 10 臺(tái)主機(jī)測(cè)控保的基本配置
10 臺(tái)主機(jī)在發(fā)電運(yùn)行時(shí)能適應(yīng)于不同電壓和頻率的要求。
三站 10 臺(tái)機(jī)組有抽水和發(fā)電 2 種工況。在抽水工況時(shí),每臺(tái)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(shí),每臺(tái)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(cè)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(cè)控保裝置,1 臺(tái)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(shí)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(lái)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(hào)。同時(shí),投入相應(yīng)工況的保護(hù)定值、顯示測(cè)量參數(shù)量。保護(hù)定值區(qū)既可在自動(dòng)化遠(yuǎn)控方式下由軟件程序改變,也可在現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)方式下用保護(hù)裝置上鍵盤操作來(lái)輸入。10 臺(tái)主機(jī)配置的保護(hù)功能有:電流速斷,過(guò)電流,過(guò)負(fù)荷,低電壓,過(guò)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(cè)控保功能
1)變頻發(fā)電機(jī)的測(cè)控保功能及設(shè)定
變頻發(fā)電機(jī)(4000 kW)測(cè)控保配置的基本功能有:縱差、電流速斷、過(guò)電流、過(guò)負(fù)荷、負(fù)序電流、零序、低電壓、過(guò)電壓,失步、失磁,低功率、逆功率,溫度及非電量等保護(hù)。
差動(dòng)后備保護(hù)裝置采用了高性能數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)芯片為基礎(chǔ)的雙 CPU 硬件系統(tǒng),裝置有獨(dú)立的啟動(dòng) CPU 作為整機(jī)起動(dòng)元件,該起動(dòng)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(dú)立,動(dòng)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(duì)獨(dú)立的原則,將主、后備、異常運(yùn)行保護(hù)合理分配到 2 個(gè)裝置中,共同提供 1 臺(tái)發(fā)電機(jī)所需要的全部電量保護(hù)。
測(cè)控裝置主要監(jiān)控對(duì)象為變頻發(fā)電機(jī)組的開關(guān)單元,主要功能有:測(cè)量電流、電壓、頻率、功率及功率因素;電度計(jì)算; 15 次諧波測(cè)量; 遙控輸出可配置為 16 路遙控分合,出口為空接點(diǎn),分合閘無(wú)公共點(diǎn),出口動(dòng)作保持時(shí)間可程序設(shè)定; 4 路脈沖累加單元,空接點(diǎn)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(dòng)機(jī)的測(cè)控保功能及設(shè)定
變頻電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置的保護(hù)有差動(dòng)、電流速斷、過(guò)電流、過(guò)負(fù)荷、低電壓、過(guò)電壓、過(guò)周、單相接地、冷卻水中斷、勵(lì)磁故障等保護(hù)。
1)采用先進(jìn)的傳感器。在傳統(tǒng)參數(shù)檢測(cè)的基礎(chǔ)上增加了泵站主機(jī)組的轉(zhuǎn)速、振動(dòng)、擺度及出水流道真空度的檢測(cè),為泵站的實(shí)時(shí)檢測(cè)、安全運(yùn)行和制定檢修計(jì)劃提供了參考數(shù)據(jù)。
2)計(jì)算機(jī)、PLC 均采用冗余技術(shù)。主機(jī)和備機(jī)同時(shí)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(cè),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(cè)溫儀表。智能測(cè)溫儀表可采集 24 路溫度,每只儀表對(duì)應(yīng) 1 臺(tái)主機(jī)設(shè)備,獨(dú)立工作,不受監(jiān)控系統(tǒng)和其它儀表的影響;測(cè)溫儀表故障時(shí)影響范圍小,易于排除。該儀表本身能夠顯示、存儲(chǔ)溫度數(shù)據(jù),還可通過(guò) RS-485 通訊口上傳數(shù)據(jù)。
4)采用通訊管理機(jī)技術(shù)。計(jì)算機(jī)與微機(jī)測(cè)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(tái)測(cè)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(jì)算機(jī)。這樣,既實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)上傳,又保護(hù)測(cè)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(shí)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(shí)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(dòng)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(dòng)確定泵站機(jī)組最佳開機(jī)臺(tái)數(shù)和調(diào)節(jié)水泵葉片角度,使泵站機(jī)組降低能耗,實(shí)現(xiàn)泵站的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,在需要時(shí)可實(shí)現(xiàn)最大出水量運(yùn)行。自動(dòng)運(yùn)行程序可以對(duì)每臺(tái)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(dòng)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(dòng)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(jì)算機(jī)能自動(dòng)區(qū)分出各臺(tái)機(jī)組是否參與了經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,并做出不同的處理[2]。
江都三站自動(dòng)化控制系統(tǒng)目前已通過(guò)了試運(yùn)行驗(yàn)收,并經(jīng)過(guò)了抽水、發(fā)電 2 種工況下的運(yùn)行考驗(yàn),系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。實(shí)踐證明,江都三站的自動(dòng)化控制系統(tǒng)降低了運(yùn)行管理人員的勞動(dòng)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(shí)現(xiàn)了泵站管理資料、數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)查詢和微機(jī)管理等。
此外,三站自動(dòng)化系統(tǒng)還大大提高了開機(jī)運(yùn)行的可靠性,這對(duì)泵站的安全運(yùn)行至關(guān)重要,主要?dú)w納如下:
1)通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)報(bào)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(lái)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題,靠豐富的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來(lái)判斷問(wèn)題的方式。實(shí)現(xiàn)了通過(guò)自動(dòng)化系統(tǒng)對(duì)電氣運(yùn)行參數(shù),機(jī)組的震動(dòng)、擺度、溫度、技術(shù)供水壓力等數(shù)據(jù)的采集與分析來(lái)判斷設(shè)備故障的性質(zhì),并及時(shí)采取報(bào)警或停運(yùn)的措施,大大提高了在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)現(xiàn)故障的可能,縮短了帶故障運(yùn)行的時(shí)間。
2)通過(guò)自動(dòng)化系統(tǒng)的流程控制,權(quán)限調(diào)度功能等實(shí)現(xiàn)了泵站投運(yùn)、停運(yùn)操作過(guò)程中的自動(dòng)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(guò)程中由于值班人員的疏忽而導(dǎo)致越級(jí)、誤操作的可能。
3)通過(guò)先進(jìn)的微機(jī)測(cè)控保裝置提高了保護(hù)的速動(dòng)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。
通過(guò)對(duì)江都三站自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能、技術(shù)要求和系統(tǒng)特點(diǎn)的介紹,反應(yīng)了當(dāng)前大型泵站自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和特點(diǎn),為大型泵站建設(shè)人員和自動(dòng)化設(shè)計(jì)、管理人員提供技術(shù)參考。
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