高 璐，解 辰

（陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院,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”重點水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項目,工程年供水總量為8977 萬m3/a,設(shè)計引水流量為4.2 m3/s,梯級泵站總裝機功率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)二級泵站主廠房內(nèi)有安裝7 臺800 kW 水泵電動機組,機組運行方式為5 運2 備,運行容量4000 kW,總裝機容量5600 kW。

2 “一拖多”變頻控制方案

2.1 “一拖多”變頻控制接線

為匹配工程運行過程中的流量變化,泵站工藝要求每臺機組均具備變速運行的能力,通過變頻調(diào)速運行,實現(xiàn)不同供水工況的需求。同時兼顧節(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)二級泵站“一拖多”變頻控制接線圖

2.2 變頻器運行及切換功能

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,二級泵站工頻及變頻母線均按單母線分段運行。1#變頻器實現(xiàn)Ⅰ段母線的3 臺電機的逐臺啟動,自動旁路及同步投切功能,并實現(xiàn)對該變頻器所帶3 臺電動機中的任1 臺的變頻運行；2#變頻器實現(xiàn)Ⅱ段母線的4 臺電機的逐臺啟動,自動旁路及同步投切功能,并實現(xiàn)對該變頻器所帶4 臺電動機中的任一臺的變頻運行；當(dāng)有1 臺變頻器故障或檢修情況下,二級泵站工頻、變頻母線均按單母線運行。兩臺變頻器通過切換,實現(xiàn)任意一臺變頻器,對全站7 臺電動機中的任意一臺機組的啟動、變頻運行。

3 計算機監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

延水關(guān)二級泵站由于“一拖多”變頻控制方案的應(yīng)用,使得其自動化控制系統(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,不僅增加了泵站運行流程、操作流程設(shè)計的難度,同時也對運行人員的操作及管理水平提出了更高的要求。運行人員必須對泵站的管理調(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、變頻器與各機組LCU 通訊及各電機工頻、變頻母線側(cè)開關(guān)的控制交由邏輯控制屏完成,以此對泵站計算機監(jiān)控系統(tǒng)進行設(shè)計。

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

延水關(guān)二級泵站按照“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)計計算機監(jiān)控系統(tǒng)[2]。泵站設(shè)置站用控制級（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系統(tǒng),泵站現(xiàn)地層即為泵站現(xiàn)地機組LCU,主控層與現(xiàn)地層采用1000 M 工業(yè)以太網(wǎng)通訊?，F(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,運行人員通過中控室計算機監(jiān)控系統(tǒng)的鍵盤、鼠標(biāo)進行人機對話,實現(xiàn)對泵站主要設(shè)備的控制和監(jiān)視,當(dāng)操作員工作站運行出現(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,各現(xiàn)地機組LCU 均應(yīng)能獨立完成運行,實現(xiàn)設(shè)備的控制管理,從而確保泵站運行安全。延水關(guān)二級泵站計算機監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 延水關(guān)二級泵站計算機監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2 系統(tǒng)功能

泵站計算機監(jiān)控系統(tǒng)負責(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)實時采集,機組的啟停、變頻控制、有功及無功調(diào)節(jié),斷路器的分合閘和進出水閥門的啟閉等操作。泵站計算機監(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)、時鐘系統(tǒng)、維護與開發(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)星時鐘設(shè)備、1 套微機五防系統(tǒng)、1 臺便攜機、4 臺工業(yè)以太網(wǎng)交換機、1 臺通信管理機、2 臺打印機等?，F(xiàn)地層配置有微機保護裝置、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,其中每臺機組配置1套機組LCU（1～7JZLCU）,全站配置1 套公用LCU（GYLCU）,1面邏輯控制屏（LCP）。

4 變頻控制與計算機監(jiān)控系統(tǒng)的信息交互

計算機監(jiān)控系統(tǒng)可根據(jù)變頻控制系統(tǒng)的采集數(shù)據(jù)及各電機的運行情況,對7 臺電機的運行狀態(tài)進行自動調(diào)節(jié)。經(jīng)過系統(tǒng)運算來判斷電機的啟動數(shù)量及運行狀態(tài)（工頻運行/變頻運行）。變頻控制與計算機監(jiān)控系統(tǒng)的信息交互見圖3。

圖3 變頻控制與計算機監(jiān)控系統(tǒng)的信息交互圖

泵站在變頻啟動過程中及變頻運行模式下,5 GG、14 GG、1 BG、9 BG、2 BG～4 BG、10 BG～13 BG 均由LCP 控制。電機在同步切換過程中,電機所對應(yīng)的6 kV 工頻斷路器的合閘控制由LCP 負責(zé)完成。電機同步啟動過程完成后,電機已運行在工頻模式下,此時電機及其6 kV 工頻斷路器由機組LCU對其進行控制和保護。當(dāng)單臺變頻器故障時,2 臺變頻器進線側(cè)斷路器5 GG、14 GG 都分斷后,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 運行流程設(shè)計

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

（1）1#機組開機流程（工頻運行、變頻運行）

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

1）開機準(zhǔn)備檢查

機組開機前需對機組運行相關(guān)的各個控制設(shè)備狀態(tài)進行檢查,具備機組開機條件。包括：各電氣設(shè)備、變頻器、閥門無故障報警；各控制設(shè)備均處于遠方工作位；1#機泵前、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水位；機組電機軸承溫度、管道壓力、水位等監(jiān)測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確,滿足運行條件。

2）1#電機工作在軟啟模式的LCP 控制流程

首先LCP 向1 BPQ 發(fā)送1#電機軟啟動命令。同步切換柜控制6GG 斷路器處于分斷狀態(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 啟動運行并啟動1#電機至額定轉(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)電機電壓與電網(wǎng)電壓同步。當(dāng)同步切換柜確定1#電機同步狀態(tài)已鎖定時,先控制6 GG 斷路器閉合,再控制2 BG 斷路器斷開。此時1#電機進入工頻運行狀態(tài)。

3）1#電機工作在變頻模式的LCP 控制流程

首先LCP 向1 BPQ 變頻器發(fā)送1#電機變頻運行命令。同步切換柜控制6 GG 斷路器處于分斷狀態(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 啟動運行并啟動1#電機至設(shè)定轉(zhuǎn)速。此時1#電機進入變頻運行狀態(tài)。

（2）1#機組停機流程（正常停機）

根據(jù)泵站運行工藝,需要先將泵后液控蝶閥關(guān)閉,再停1#機組電機,停機流程見圖5。當(dāng)工頻運行停機時,LCP 不再參與控制,1#電機工頻斷路器6 GG 由1 JZLCU 進行控制分斷。當(dāng)變頻運行停機時,由LCP 停變頻器,控制斷路器5 GG 分斷。

圖5 1#機組工頻、變頻停機流程圖

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算機監(jiān)控系統(tǒng)中運行流程的設(shè)計難度。目前延安黃河引水工程延水關(guān)二級泵站已投入運行多年,運行效果一直良好?！耙煌隙唷弊冾l控制方案及計算機監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計得到了實際驗證,為泵站的運行管理、安全運行提供了有力的支撐和保證,其設(shè)計經(jīng)驗也為類似項目計算機監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計提供了借鑒。