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

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單機(jī)800kW泵站綜合自動(dòng)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(jì)源 454681）

摘 要：以單機(jī)容量800kW的泵站為研究對(duì)象，對(duì)泵站綜合自動(dòng)化的I/O配置進(jìn)行了細(xì)化分析

關(guān)鍵詞：泵站；自動(dòng)化；I/O配置

0 引言

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

水利部《泵站技術(shù)改造規(guī)程》及說明對(duì)采用計(jì)算機(jī)監(jiān)控泵站運(yùn)行，并不作為統(tǒng)一的規(guī)定。水利部《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》中對(duì)泵站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)也沒有相應(yīng)的要求?，F(xiàn)有的泵站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)沒有統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)范，也沒有主流的設(shè)備供應(yīng)商。在具體的應(yīng)用中著重于功能的要求，由設(shè)備廠商進(jìn)行設(shè)計(jì)安裝。為了提高泵站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的使用水平，也為了提高泵站的設(shè)計(jì)水平，對(duì)泵站綜合自動(dòng)化I/O配置進(jìn)行研究很有必要。

1 單機(jī)800kW泵站綜合自動(dòng)化I/O配置研究原則

（1）泵站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)涉及到配電、大型電動(dòng)機(jī)的控制和保護(hù)，水泵的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)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(diào)度等方面的內(nèi)容。泵站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)對(duì)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(lì)磁系統(tǒng)及直流系統(tǒng)進(jìn)行有效監(jiān)視和控制，保證泵站更加安全、可靠、經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行。其I/O配置應(yīng)涵蓋上面所有系統(tǒng)。

（2）確定泵站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的水平。 現(xiàn)有泵站計(jì)算機(jī)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(dòng)化的分層分布式系統(tǒng)，大部分泵站仍處于使用計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的初級(jí)階段。目前典型的泵站自動(dòng)化控制保護(hù)設(shè)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(fèi)用相當(dāng)可觀，而且現(xiàn)場二次接線量大且復(fù)雜。根據(jù)國外經(jīng)驗(yàn)和我國其他行業(yè)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用情況，我們認(rèn)為泵站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)采用完全自動(dòng)化的先進(jìn)技術(shù)，達(dá)到無人值守，優(yōu)化運(yùn)行，集中調(diào)度的水平。

我國電力系統(tǒng)在八十年代后期開始計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的使用。開始階段，也是單個(gè)設(shè)備使用各自的監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)之間使用硬接線進(jìn)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(shè)備仍使用繼電保護(hù)方式進(jìn)行控制。經(jīng)過十年時(shí)間的應(yīng)用，火電廠都使用分散控制系統(tǒng)（DCS）進(jìn)行控制，機(jī)、爐、電全部由計(jì)算機(jī)控制，操作上不再使用盤臺(tái)操作，而是使用鼠標(biāo)、鍵盤在屏幕上進(jìn)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(shí)現(xiàn)無人值守。

從技術(shù)上講，我國泵站實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)監(jiān)控已經(jīng)毫無問題，現(xiàn)在的問題是認(rèn)識(shí)和經(jīng)費(fèi)上。隨著我國水資源緊缺和能源緊缺問題日益凸現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)泵站全自動(dòng)控制，經(jīng)濟(jì)優(yōu)化運(yùn)行，大區(qū)域集中調(diào)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(duì)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(shè)施。泵站布置形式為堤身式肘形進(jìn)水流道，虹吸式出水流道。設(shè)備為：N臺(tái)800KW機(jī)組（同步電機(jī)含勵(lì)磁系統(tǒng)）、雙回路6KV供電、單母線分段、一臺(tái)母聯(lián)、兩臺(tái)主變、兩臺(tái)站變及輔機(jī)設(shè)備。

（4）國外如荷蘭泵站，由于歷史原因，采用的自動(dòng)化儀表多為智能型，這種儀表很先進(jìn)，如功率表、水位表、水位計(jì)等，它本身能長期進(jìn)行自動(dòng)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(jì)算機(jī)功能很強(qiáng)大，存儲(chǔ)設(shè)備及輔助存儲(chǔ)設(shè)備很大，我們認(rèn)為使用計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的泵站不必再使用智能化儀表。

2 單機(jī)800KW泵站綜合自動(dòng)化I/O配置研究

2.1 水泵機(jī)組系統(tǒng)（包括水力系統(tǒng)）

因?yàn)樗脵C(jī)組的控制及調(diào)度和水力系統(tǒng)關(guān)系密切，所以將水力系統(tǒng)放在這部分考慮，而其他輔助設(shè)備另作一部分考慮。

水泵機(jī)組系統(tǒng)的綜合自動(dòng)化也包含三部分功能。

監(jiān)測功能：水力系統(tǒng)的泵站進(jìn)出口水位及水位差值、集水廊道水位、機(jī)組進(jìn)水流道進(jìn)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(qū)動(dòng)電機(jī)的定子電流、功率、功率因數(shù)、定子線圈溫度、勵(lì)磁電流、勵(lì)磁電壓、斷路器狀態(tài)、絕緣狀態(tài)；主機(jī)推力軸瓦及導(dǎo)向軸瓦溫度、水泵葉輪前后壓差、機(jī)組冷卻水壓力溫度、潤滑油壓力溫度、主機(jī)轉(zhuǎn)速、葉片角度、主泵流量、主泵進(jìn)出口壓力。

控制功能：主機(jī)機(jī)組的啟、?？刂?；勵(lì)磁設(shè)備的自動(dòng)調(diào)節(jié)與控制、水泵葉片角度的調(diào)節(jié)與控制、機(jī)組運(yùn)行工況自動(dòng)調(diào)節(jié)、上下游閘門與水利樞紐中的節(jié)制閘的控制。

保護(hù)功能：主電動(dòng)機(jī)的差動(dòng)保護(hù)及后備保護(hù)（過電流保護(hù)、過負(fù)荷保護(hù)、低電壓保護(hù)、單相接地保護(hù)）；主機(jī)的推力軸瓦、導(dǎo)向軸瓦、定子線圈溫度過高保護(hù)；輔助系統(tǒng)的供水、供油、供氣系統(tǒng)異常保護(hù)。

綜合以上分析，我們得出水泵機(jī)組系統(tǒng)的I/O配置應(yīng)包含以下測點(diǎn)：

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

機(jī)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(diǎn)；

上油缸油位下限點(diǎn)；下油缸油位上限點(diǎn)；下油缸油位下限點(diǎn)；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(dǎo)潤滑水示流器位置；勵(lì)磁電源斷路器位置；主機(jī)風(fēng)機(jī)接觸器位置；真空破壞閥機(jī)械接點(diǎn)位置；長柄閘閥上限點(diǎn)；長柄閘閥下限點(diǎn)；剎車管路壓力表電接點(diǎn)位置；失磁保護(hù)接點(diǎn)；快熔熔斷保護(hù)接點(diǎn)；機(jī)組開機(jī)；

機(jī)組停機(jī)；機(jī)組就地控制；機(jī)組遠(yuǎn)方控制；勵(lì)磁裝置已投入；輔機(jī)正常輸入；

機(jī)組主保護(hù)動(dòng)作；機(jī)組后備保護(hù)動(dòng)作。

（2）模擬量輸入：轉(zhuǎn)速測量；葉片角度；主機(jī)角度；主機(jī)勵(lì)磁電流。

駝峰真空壓力（壓力表位置） 進(jìn)水流道壓力（壓力表）

（3）開關(guān)量輸出：開機(jī)準(zhǔn)備燈 斷路器合閘 斷路器分閘 葉片增 葉片減 勵(lì)磁電源合閘

勵(lì)磁電源分閘 打開剎車電磁空氣閥 打開真空破壞閥 打開機(jī)組供水電磁閥

關(guān)閉機(jī)組供水電磁閥 主機(jī)風(fēng)機(jī)合閘 主機(jī)風(fēng)機(jī)分閘 勵(lì)磁投入指示

主機(jī)風(fēng)機(jī)運(yùn)行指示 開機(jī)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(dǎo)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(jìn)行研究。

變電系統(tǒng)的綜合自動(dòng)化包含三部分功能。

監(jiān)測功能：主變、站變高低壓側(cè)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(jìn)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(tái)站變高壓側(cè)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(hù)功能：主變壓器系統(tǒng)的瓦斯保護(hù)、縱差保護(hù)、過流保護(hù)、過負(fù)荷保護(hù)、零序電流保護(hù)；高壓進(jìn)線線路的速斷電流保護(hù)、PT斷線保護(hù)、低電壓保護(hù)、控制回路斷線保護(hù)；站用變系統(tǒng)的電流速斷保護(hù)、過流保護(hù)、過負(fù)荷保護(hù)、控制回路斷線保護(hù)；母聯(lián)裝置的電流速斷保護(hù)、控制回路斷線保護(hù)。

綜合以上分析，我們得出輸變電系統(tǒng)的I/O配置應(yīng)包含以下測點(diǎn)：

（1）開關(guān)量輸入：進(jìn)線柜斷路合閘位置 進(jìn)線柜斷路分閘位置進(jìn)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(guān)位置

主變風(fēng)機(jī) 主變重瓦斯 主變本體油溫上限 主變本體油溫下限

（2）開關(guān)量輸出：高壓進(jìn)線柜合閘 高壓進(jìn)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(jìn)口內(nèi)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(jī)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(duì)應(yīng)所研究的原形泵站而言，泵站技術(shù)供水采用直接供水方式，排水設(shè)置4臺(tái)排水泵；油系統(tǒng)設(shè)置兩臺(tái)高壓油泵；壓縮空氣系統(tǒng)設(shè)置高、低壓系統(tǒng)各一套，各配兩臺(tái)空氣壓縮機(jī)，另外還有兩臺(tái)真空泵。輔助系統(tǒng)本身的自動(dòng)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(jī)的運(yùn)行。其I/O配置主要是設(shè)備開、關(guān)及備用狀態(tài)，包括以下一些參數(shù)：

（1）開關(guān)量輸入：排水泵自動(dòng)位置 排水泵備用位置 低壓氣機(jī)自動(dòng)位置 高壓氣機(jī)自動(dòng)位置

高壓氣機(jī)備用位置 高壓油泵自動(dòng)位置 高壓油泵備用位置 真空泵自動(dòng)位置

真空泵備用位置 凈油筒油位上限點(diǎn) 凈油筒油位下限點(diǎn) 污油筒油位上限點(diǎn)

污油筒油位下限點(diǎn) 壓力油罐油位 回油箱油位上限點(diǎn) 回油箱油位下限點(diǎn)

（2）開關(guān)量輸出：排水泵自動(dòng) 排水泵備用 低壓氣機(jī)自動(dòng)高壓氣機(jī)自動(dòng) 高壓氣機(jī)備用

高壓油泵自動(dòng) 高壓油泵備用 真空泵自動(dòng) 真空泵備用 開高壓氣機(jī)降壓閥

開高壓氣機(jī)進(jìn)水閥 關(guān)高壓氣機(jī)降壓閥 關(guān)高壓氣機(jī)進(jìn)水閥開真空泵供水閥

關(guān)真空泵供水閥 開排水泵進(jìn)口電磁閥 關(guān)排水泵進(jìn)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?nèi)嚯娏?廠變線電壓

（4）溫度量輸入：高壓氣機(jī)出口溫度 低壓氣機(jī)出口溫度 廠變溫度

3 結(jié)語

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

參考文獻(xiàn)：

［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(diǎn)體會(huì)［M］.機(jī)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(jí)工程師，主要從事水利水電工程建設(shè)管理工作。