丁淮波，潘衛(wèi)鋒，徐朝旺，蔡志剛

（1.江蘇省駱運水利工程管理處/江蘇省南水北調(diào)泗陽站工程建設(shè)處，江蘇 宿遷 223800；（2.國網(wǎng)電力科學(xué)研究院/南京南瑞集團(tuán)公司，江蘇 南京 210003；3.江蘇省駱運水利工程管理處，江蘇 宿遷 223800）

基于 M60 保護(hù)裝置的泵站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

丁淮波1，潘衛(wèi)鋒1，徐朝旺2，蔡志剛3

（1.江蘇省駱運水利工程管理處/江蘇省南水北調(diào)泗陽站工程建設(shè)處，江蘇 宿遷 223800；（2.國網(wǎng)電力科學(xué)研究院/南京南瑞集團(tuán)公司，江蘇 南京 210003；3.江蘇省駱運水利工程管理處，江蘇 宿遷 223800）

UR 系列 M60 電動機(jī)保護(hù)裝置，具備可配置的多個輸入、輸出通道，可實現(xiàn)用戶個性化控制功能，故在泵站監(jiān)控系統(tǒng)中引入應(yīng)用。簡要介紹泵站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，M60 電動機(jī)保護(hù)的設(shè)計原理和功能，詳細(xì)闡述在南水北調(diào)泗陽站中通過 M60 與 PLC 結(jié)合的方式實現(xiàn)計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)功能，實際應(yīng)用說明，M60 為泵站監(jiān)控系統(tǒng)核心信號采集單元，PLC 輔助實現(xiàn)設(shè)備全自動控制功能。

M60；泵站； 計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)；PLC；真空破壞閥；控制

0 引言

泵站是水利樞紐工程的主要設(shè)施，對城市防洪排澇、引水灌溉起到關(guān)鍵作用。泵站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)是利用計算機(jī)、通信、自動控制等技術(shù)，以計算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、智能設(shè)備及傳感器為硬件基礎(chǔ)，實現(xiàn)泵站運行數(shù)據(jù)的采集與處理、主機(jī)及輔助設(shè)備的控制與調(diào)節(jié)、設(shè)備的運行監(jiān)視與報警、數(shù)據(jù)存儲，實現(xiàn)泵站的“無人值班，少人值守”[1]。

繼電保護(hù)是利用電力系統(tǒng)中元件發(fā)生短路或異常時的電氣量（電流、電壓、功率、頻率等）的變化，在反應(yīng)、檢測的基礎(chǔ)上判斷電力系統(tǒng)故障的性質(zhì)和范圍，進(jìn)而做出相應(yīng)的反應(yīng)和處理（如發(fā)出警告信號或令斷路器跳閘等）。實現(xiàn)這種自動化措施的成套設(shè)備，一般通稱為繼電保護(hù)裝置。UR 系列 M60是微機(jī)式電動機(jī)保護(hù)系統(tǒng)，除了具備常用的設(shè)備保護(hù)功能，還具有數(shù)據(jù)采集、監(jiān)視和控制功能。根據(jù)M60 繼電保護(hù)的特殊性，針對泵站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的要求，將 M60 與泵站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行有效結(jié)合，可以實現(xiàn)泵站設(shè)備的監(jiān)視與控制功能。

1 M60 繼電保護(hù)原理和特點

1.1 設(shè)計原理

M60 通用型繼電保護(hù)是基于數(shù)字電路設(shè)計的裝置，包括 1 個能處理多種類型的輸入和輸出信號的中央處理單元（CPU），CPU 模塊包含了提供保護(hù)邏輯算法的軟件系統(tǒng)，以及用于實現(xiàn)控制功能的可編程邏輯門電路、定時器和鎖存器。輸入元件從現(xiàn)場接收多種模擬信號或數(shù)字信號，UR 系列 M60 隔離這些信號并將它們轉(zhuǎn)換成保護(hù)所使用的邏輯信號；輸出元件將保護(hù)產(chǎn)生的邏輯信號隔離，并變換成可用于控制現(xiàn)場裝置的數(shù)字信號或模擬信號。同時 UR可以通過局域網(wǎng)（LAN）和控制器接口、可編程裝置或監(jiān)控軟件進(jìn)行通訊，原理框圖如圖1 所示（圖中 CT 為電流互感器，VT 為電壓互感器）。

1.2 保護(hù)特點

M60 具備先進(jìn)的保護(hù)與控制功能；具有可配置的離散、模擬 I/O 功能模塊，可用于監(jiān)視和控制電動機(jī)或其他保護(hù)應(yīng)用中大量的輔助設(shè)備，通過配置可對異常情況做出適當(dāng)響應(yīng)。模擬輸出可用于從控制器到 SCADA 系統(tǒng)、可編程控器（PLC）或者到其他用戶接口裝置的硬線連接。M60 同時具有先進(jìn)的自動化功能， 包括強大的 FlexLogicTM 可編程邏輯、用戶可編程的就地顯示屏、LED 和按鈕、通訊及 SCADA 能力[2]。使用 FlexLogicTM，可根據(jù)現(xiàn)場實際需求實現(xiàn)用戶個性化保護(hù)與控制功能；M60 支持的規(guī)約包含 IEC61850，DNP 3.0，Modbus RTU，Modbus TCP/IP 和 IEC60870-5-104。使用這些規(guī)約很容易實現(xiàn)與自動化系統(tǒng)的連接。

泵站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的核心處理單元 PLC，同樣由多個離散量輸入、輸出，由模擬量輸入和輸出、CPU、通訊等模塊共同實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，處理，控制，調(diào)節(jié)功能，以及與 SCADA 系統(tǒng)的連接。由此可見，M60 與 PLC 在設(shè)計原理與功能上有著許多共同之處。

圖1 繼電保護(hù)原理框圖

2 M60 保護(hù)裝置在泵站監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

2.1 工程簡介

南水北調(diào)泗陽站是南水北調(diào)東線工程江蘇境內(nèi)的第 4 梯級泵站之一，泵站規(guī)模為大（1）型。泵站裝機(jī)流量為 198 m3/s，安裝 6 臺套立式軸流泵，配3 000 kW 立式同步電機(jī) 6 臺，帶反轉(zhuǎn)發(fā)電功能。泗陽站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)按“無人值班、少人值守”進(jìn)行總體設(shè)計，主要對泵站主泵組、公用及輔機(jī)設(shè)備、變配電設(shè)備的運行進(jìn)行監(jiān)控，并提供設(shè)備運行統(tǒng)計、操作指導(dǎo)等輔助功能。

2.2 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

泗陽站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用全開放的分層分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，整個系統(tǒng)主要由主控級、現(xiàn)地控制單元組成，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。 系統(tǒng)內(nèi)操作員主機(jī)、工程師站、歷史服務(wù)器、通信服務(wù)器設(shè)備、保護(hù)測控裝置及各現(xiàn)地控制 PLC 通過交換機(jī)等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備構(gòu)成以太環(huán)網(wǎng)，PLC 通過智能設(shè)備同各種傳感器和自動化設(shè)備等進(jìn)行數(shù)據(jù)通信[3]。

圖2 南水北調(diào)泗陽站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

主控級各組成部分實現(xiàn)的功能如下：1）工程師站主要負(fù)責(zé)程序的綜合開發(fā)、計算，事故故障信號的分析處理，現(xiàn)地層數(shù)據(jù)采集、處理和數(shù)據(jù)庫管理；2）歷史服務(wù)器負(fù)責(zé)歷史數(shù)據(jù)庫的生成、轉(zhuǎn)存，參數(shù)越復(fù)限記錄，測點定義，以及限值等數(shù)據(jù)的處理和管理；3）通訊服務(wù)器主要負(fù)責(zé)與上一級調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；4）操作員人機(jī)接口工作臺，負(fù)責(zé)運行監(jiān)視、控制及調(diào)節(jié)命令發(fā)出，設(shè)定或變更工作方式，各圖表曲線的生成、打印、人機(jī)界面（MMI）功能；5）泵站實時運行數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)隔離裝置傳輸給 Web 發(fā)布服務(wù)器，以實現(xiàn)在辦公網(wǎng)絡(luò)對泵站的運行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)視；6）GPS 衛(wèi)星時鐘系統(tǒng)主要對監(jiān)控系統(tǒng)的主控級計算機(jī)和各現(xiàn)地控制單元（LCU）、保護(hù)裝置進(jìn)行時鐘同步。

LCU 主要通過各種測量和控制裝置就地對泵站主泵組、公用及輔機(jī)設(shè)備、變配電設(shè)備、閘門設(shè)備及水工建筑物等對象進(jìn)行測量，監(jiān)視和控制。每臺泵組配置 1 套 M60 保護(hù)裝置，實現(xiàn)對泵組數(shù)據(jù)采集、控制、模擬量、溫度量的測量；公用協(xié)調(diào)現(xiàn)地控制單元用于送排水、通風(fēng)、技術(shù)供水、消防等系統(tǒng)的控制及泵站各泵組的協(xié)調(diào)控制；變電所 PLC 用于 35 kV 開關(guān)柜、站用變壓器、低壓系統(tǒng)等電氣設(shè)備的控制，負(fù)責(zé)采集有關(guān)的電量參數(shù)、開關(guān)量等，執(zhí)行與泵組有關(guān)的所有單步及順序控制操作。

2.3 M60 保護(hù)裝置的應(yīng)用

2.3.1 信息的采集

泵站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)對于泵組數(shù)據(jù)的采集監(jiān)視、控制多采用 PLC 單獨完成，PLC 具有可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單、可擴(kuò)展性強等特點；泵組線路保護(hù)則由繼電保護(hù)裝置獨立完成。M60保護(hù)裝置完成泵組主要數(shù)據(jù)的采集監(jiān)視、控制及線路保護(hù)功能，這樣不僅節(jié)約了項目成本，也減少了現(xiàn)場施工。但 M60 作為線路保護(hù)的核心，其數(shù)據(jù)采集、通訊和邏輯處理功能相對于 PLC 存在一定的局限性，M60 只能采集 4 個模擬量和溫度量信號，Modbus 通訊接口不可擴(kuò)展，邏輯處理最多只支持128 條邏輯語句的編輯能力。這意味著 M60 只能實現(xiàn)簡單的邏輯編程，對于泵組的全自動控制邏輯，M60 則難以實現(xiàn)，為此由公用協(xié)調(diào) LCU 輔助 M60實現(xiàn)泵組的完整監(jiān)視和控制。一些重要的狀態(tài)量信息由 M60 采集；泵組輔機(jī)系統(tǒng)、外部開機(jī)條件等的信號由公用協(xié)調(diào)單元采集；Modbus 通訊信號由智能設(shè)備進(jìn)行集中采集，再以信文方式送給公用協(xié)調(diào)現(xiàn)地控制單元進(jìn)行綜合處理。

2.3.2 控制流程的實現(xiàn)

將 M60 與公用協(xié)調(diào) PLC 結(jié)合，各自完成泵組信號的處理工作，可達(dá)到自動控制的目的。這種控制方式的實現(xiàn)，關(guān)鍵在于公用 PLC 與 M60 之間控制命令的可靠接受，為此采用硬接線與通訊方式并存的模式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。泵組開機(jī)過程主要流程如圖3所示。公用 PLC 采用 67160 CPU 處理器，該處理器具有出色的性能，先進(jìn)的編程方式，支持各種網(wǎng)絡(luò)[5]，在給 M60 發(fā)送硬接線信號的同時，通過網(wǎng)絡(luò)互取數(shù)據(jù)功能將同樣的控制命令發(fā)送給 M60，以達(dá)到控制的可靠性，具體配置如表1 所示。

圖3 泵組開機(jī)流程框圖

2.3.3 真空破壞閥的控制

真空破壞閥屬氣壓式閥門，安裝在虹吸式輸水管道的制高點，開機(jī)時幫助降低水泵啟動揚程，停機(jī)時斷流[4]，防止水流倒灌產(chǎn)生主機(jī)葉輪飛逸事件，是保護(hù)主機(jī)安全運行不可缺少的重要設(shè)備。

真空破壞閥的打開、關(guān)閉控制與斷路器狀態(tài)直接聯(lián)動。當(dāng)泵組啟動時，真空破壞閥必須關(guān)閉；當(dāng)泵組停止時，真空破壞閥必須打開。在全自動控制流程中兩者的聯(lián)動相對比較簡單，但當(dāng)機(jī)組出現(xiàn)電氣事故、保護(hù)自動跳閘時需要真空破壞閥自動打開而不需手動操作。泗陽站泵組有發(fā)電和抽水 2 種工況，抽水狀態(tài)開機(jī)時斷路器合閘后延時關(guān)閉真空破壞閥，在發(fā)電狀態(tài)時需要先關(guān)閉真空破壞閥，待真空形成，機(jī)組開始轉(zhuǎn)動之后，再進(jìn)行斷路器合閘操作，而這與斷路器分閘時真空破壞閥必須打開存在邏輯互斥。對于M60 而言，首先需要了解泵組的運行工況，根據(jù)不同工況選擇真空破壞閥與機(jī)組斷路器的執(zhí)行程序，因此在開機(jī)之前由公用 PLC 先下發(fā)聯(lián)動閉鎖指示標(biāo)志給 M60，M60 檢測到閉鎖標(biāo)志，將閉鎖聯(lián)動程序，執(zhí)行先關(guān)閥后合斷路器程序，待斷路器合閘之后，自動清除閉鎖標(biāo)志，聯(lián)動程序?qū)?。因此不論手動還是全自動開機(jī)操作，M60 均能實現(xiàn)斷路器與真空破壞閥的正確聯(lián)動，保證機(jī)組的正常運行。

表1 公用 PLC 網(wǎng)絡(luò)互取數(shù)據(jù)配置

3 結(jié)語

隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)及計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，采用現(xiàn)代信息化技術(shù)提高對泵站設(shè)施的監(jiān)視、監(jiān)控已成為水利信息化的發(fā)展趨勢。通過 M60 保護(hù)裝置在南水北調(diào)泗陽站監(jiān)控系統(tǒng)中的實際應(yīng)用，可以看出這種系統(tǒng)模式由公用協(xié)調(diào) PLC 實現(xiàn)與多個 M60 裝置的數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)監(jiān)視和控制，對公用協(xié)調(diào) PLC的穩(wěn)定性、可靠性、重要性有著特定的要求，其工作運行狀況關(guān)系整個監(jiān)控系統(tǒng)功能的完善。通過現(xiàn)場長時間的運行考驗，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，可為其它水利計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計提供參考。

[1] 龔玉棟，劉新泉.解臺泵站計算機(jī)自動控制系統(tǒng)設(shè)計[J].水電自動化與大壩監(jiān)測，2007, 31 (4): 77-79.

[2] M60 motor protection system UR series instruction manual [R].GE Multilin, 2009: 7-9.

[3] 方輝欽.現(xiàn)代水電廠計算機(jī)監(jiān)控技術(shù)與試驗[M].北京：中國電力出版社，2004: 12.

[4] 張海勝，倪波.PLC 在虹吸式泵站真空破壞閥自動控制中的應(yīng)用[J].南水北調(diào)與水利科技，2006, 4 (4): 69-71.

[5] 胡榮卓.基于 PLC 的變頻調(diào)速系統(tǒng)研究[J].工業(yè)技術(shù)，2010 (36): 13.

[6] 宋厚清，于國安.大型泵站調(diào)度運行管理系統(tǒng)設(shè)計研究[J].山東水利，2010 (4): 5-7.

Computer Monitoring System for Pumping Station Based on M60 Protective Device

DING Huaibo1, PAN Weifeng1，XU Zhaowang2, CAI Zhigang3
(1.Jiangsu Provincial Luo Yun Water Management Department/Siyang Station Project Construction of South-to-North Water Diversion Project in Jiangsu Province, Suqian 223800, China;
2 .State Grid Electric Power Research Institute/Nanjing Nanrui Group Co.,LTD, Nanjing 210003, China;
3.Jiangsu Provincial Luo Yun Water Management Department, Suqian 223800, China)

With multiple input and output channels, M60 motor protection device of UR series can be configured to personalize control functions.So it is used in pumping station monitoring system.The structure of pumping station computer monitoring system, the design principle and function of M60 motor protection is introduced.It elaborates the computer monitoring system function in the South to North Water Diversion Siyang station by M60 combined with PLC.The actual application shows that M60 is the core signal acquisition and monitoring system and PLC unit auxiliary realizes automatic control.

M60; pumping station; computer monitoring system; PLC; vacuum breaker valve; control

TP308

A

1674-9405(2014)03-0036-04

2014-04-18

丁淮波（1955－），男，江蘇宿遷人，高級工程師，從事水利工程施工、建設(shè)和運行管理等工作。