泵站系统监控自动化设计与分析

2011-05-10郭琳

电网与清洁能源 2011年3期

郭琳

（陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西西安 710001）

泵站是电厂排水和工农业中供水的重要设施。刘集总站是东雷二期抽黄灌区的泵站之一。设计泵站37座，主变42台，总装机容量178 720 kV·A安装抽水机组169台（套），总装机容量11.44万kW，分8级抽水。设计灌溉保证率为75%，是陕西省最大的电力提水灌区[1]。刘集总站作为一个控制节点，结合泵站的运行实际，对运行监控系统进行了设计与分析。

刘集总站计算机监控系统的设计包括对刘集全站以及南阳、邢家、褚王等3座泵站的水泵机组、辅机系统以及公用设备进行有效监测和控制，保证泵站更加安全、可靠、经济地运行。

系统接受上级调度中心的调度指令，结合全线泵站运行状况，实现站内经济运行，实现远方调度中心及站内闭环运行、自动监测和控制，提高泵站运行经济效益，提高泵站安全运行水平。配合全站计算机自动化系统，实现以水力量测、水情测报和建筑物安全监测为基础，以通信和计算机网络为平台，以计算机监控系统和调度管理应用为核心，以管理信息化、办公自动化为标志的高水平的综合自动化系统。

1 泵站的控制对象

大型泵站自动化的主要监控对象包括对机组的控制、对公用辅机的控制、对励磁的控制、对保护的控制[2-5]。

1）对机组的控制。水泵机组分电动机、水泵以及传动机构3部分，控制系统应根据要求调整水泵抽水叶片角度，加大或减少抽水量，调整机组的运行状态，使机组工作在预定的工作状态。系统应不断监视机组的各部分工作点，以便及时调整和报警。

2）对公用辅机系统的控制。所谓公用辅机系统是指为水泵机组运行提供所需运行条件的设备系统，具体指泵站内的油、气、水系统。控制系统对这些设备的控制是一种自动的闭环控制，即油、气、水3个动态量在正常运行状态下不断检测，当缺少任何一项时系统自动启动进行补给，当加到标准值时，自动停止。

3）对励磁系统的控制。大型泵站一般使用的是同步电动机，励磁是同步电动机运行的必要条件。励磁电流调节在最佳状态，即其功率因数为最佳值，所以控制系统应对励磁系统进行自动调节使励磁系统工作在恒功率因数状态、恒电流状态、恒电压工作状态和恒角度工作状态。

4）对保护系统的控制。泵站设有各种保护装置，变压器保护、电动机保护、非电量保护等。且是一套独立的闭环保护控制系统，它的各种电参数和非电量参数都是自己采集判断动作，只有这样才能保证不会因被控制系统的误指令而发生误动作。保护控制系统是泵站监控系统的一个相对独立的部分，它的保护判断值和工作值可以由泵站控制系统下达（为了安全，一般由特定人员下达或在现场设定），在保护控制系统工作时，它就不断地将其工作状态上传给主机，当机组及其他部件发生问题时及时告警主机。当发生严重故障时，保护系统将发生停机跳闸动作，并将发生问题的原因、部位和跳闸顺序上传给主机，以便进行事故分析。

2 泵站计算机监控系统设计原则

1）满足安全可靠运行的需要,实现“无人值班”（少人值守）[4]既可实现站内监控，又能实现富平调度中心的远程监控。

2）泵站计算机监控系统采用成熟、可靠、标准化的硬件、软件、网络结构，确保响应速度快，可靠性和可利用率高，可维护性好，先进、经济、灵活和便于扩充，且有长期的备品和技术服务支持[6]。泵站计算机监控系统采用开放分布式系统结构。

3）为提高监控系统可靠性，系统具有冗余容错设计，重要的单元或模件采取冗余配置的方式。对于每台机组，各LCU监控范围明确且相对独立，不会因主控级发生故障而影响各LCU承担的监控功能。各LCU以可编程控制器(PLC)为基础构成，与现地各仪器仪表采用D/A输入、输出及成熟的现场总线方式进行通信。

4）泵站自动化监控技术具有功能综合化、设备操作监视微机化、结构分布分层化、通信网络光缆化及运行管理智能化等特点。

3 梯级泵站刘集系统计算机监控系统的设计

刘集泵站计算机监控系统兼做刘集总站调度中心，其计算机系统采用开放式分层分布式系统，系统分为调度与泵站集中控制层、现地控制单元层和网络层3层。泵站内部采用以太网进行数据的传输，保证传输的可靠性；泵站之间采用广域网连接，满足开放式分布系统标准，网络介质采用光纤电缆，通信规约采用TCP/IP，网络的传输速率为10/100 Mb/ps。

在广域网通信正常情况下，富平管理局调度控制中心通过刘集总站计算机监控系统，实现对刘集系统下的南阳、刑家、刘集和褚王这4个泵站的机电设备以及水工建筑物的实时监控，完成输水调度和运行管理。同时，通过网络实现和渭南总局的通讯，对管辖的泵站进行实时的调度监视。

刘集总站的计算机监控系统应具有以下控制方式：LCU、RTU现地控制、中央控制室集中控制（刘集调度控制中心）、富平调度中心远方控制。

此时，刘集总站计算机监控系统主要承担刘集系统的监控任务，同时采集其他3个泵站LCU（包括远方RTU）的信息，进行数据处理，同时负责与富平调度控制中心进行通信及通道监视。当富平调度控制中心由于通道中断或设备故障失去功能时，刘集总站计算机监控系统可在脱离调度端的情况下，自主完成对刘集系统的实时监控、输水调度和运行管理功能。集控（刘集调度中心）/现地方式转换开关设在LCU、RTU处。富平调度中心远方/刘集集中控制方式转换开关设在中控室。

计算机监控系统各LCU设有“现地/远方”切换开关。在现地控制方式下，各LCU只接受通过现地层人机界面、现地操作开关、按钮等发布的控制及调节命令，泵站层设备及远方调度中心只能采集、监视来自现地的运行信息和数据，而不能直接对各LCU的受控对象进行远方控制与调节[7]。

在泵站计算机监控系统厂站层应能进行“泵站控制调节/调度中心控制调节”软切换操作。当计算机监控系统处于“电站调节”方式且相应LCU处于“远方控制”方式时，厂站层可对泵站主辅设备下发控制和调节命令，上级调度中心则处于监视状态；当计算机监控系统处于“调度中心调节”方式且相应LCU处于“远方控制”方式时，泵站层可作为上级调度中心的子单元根据调度中心的调节指令对电站主辅设备发布控制和调节命令。控制、调节方式的优先级依次为现地层、厂站层和调度中心。

监控系统网络如图1。

图1 刘集总站计算机监控系统网络结构图

3.1 刘集总站主控级

刘集总站主控级既是刘集系统的调度中心，又作为刘集泵站计算机监控系统的中枢，负责执行统一控制操作。主控级设备主要包括操作员工作站、工程师工作站、通讯员工作站、GPS卫星对时装置、UPS电源以及打印机等设备。

泵站中央控制室配置操作员工作站，用于负责全厂自动化的运行及管理。工程师工作站用于系统开发、编辑和修改应用软件、建数据库、系统初始化和管理、检索历史记录、系统故障诊断及培训等工作。通讯工作站用于与泵站的视频系统、继电保护系统等的通信以及与上级调度控制中心的通信，完成信息的交换，实现监控的功能。GPS时钟同步系统与主控级计算机及各个现地LCU进行时钟同步，并满足微机保护装置、微机自动装置等的对时所需。主控级配置2套在线式不间断逆变型UPS电源，采用双UPS电源并机方案。本系统设置打印机作为报表以及操作票、事故记录打印等功能。总站设有语音报警设备，能够及时的对事故和故障采取不同的语音报警，以方便运行人员及时发现，并采取处理。

3.2 现地控制（LCU）级

监控系统的现地控制层在分布式控制系统中是非常重要的环节之一，是针对某一特定的控制对象而设置的LCU，负责完成现场设备各种数据的采集、处理及事件的记录，信息传输，设备控制、保护等工作，并通过以太网通讯协议与主控级计算机相连，传送运行设备的实时数据[8]。

考虑到泵站需要监控的对象以及泵站的规模，因此在泵站内部不设置计算机，只运用可编程控制器实现对泵站的控制。

泵站内部通过现场总线从被监控对象获取原始数据信号传送至LCU，LCU同时执行上层下达的操作命令。现场总线网络，配置为单主站结构，LCU通过高速串行线同分散的现场设备（如智能仪表，智能控制器，调速系统，励磁系统，继电保护）进行通信。位于刘集总站的上位机周期性的读取现地系统的输入信息并周期性的向现地系统发送输出信息，数据通讯由上位机和现地系统进行监控。

LCU直接监控被监控设备的运行过程，不仅可以作为分布系统中的现地智能终端，还可以作为独立装置单独运行。各LCU还分别设有其监控范围内完整的实时数据和历史数据。当与上位机系统通信中断时，能保存一定时间历史数据，并能在通信正常后响应上位机系统的命令将中断期间的历史数据信息传输到上位机系统，以便恢复上位机的历史数据库。

3.3 网络层

网络层负责传输“现地控制单元（LCU）”层和“主控级”层之间的数据及控制信息。网络层主要由交换机、光纤等数据传输设备组成，网络采用双总线交换式光纤工业以太网，构成高可靠的网络结构。系统软硬件均采用模块化、结构化设计，具有高度的可靠性、安全性、实时性、实用性、灵活性和便于扩充。另外，通信网络传输层协议采用TCP/IP协议，保证了系统的开放性和通用性，并具有更强的系统扩展和功能分布性。

4 刘集系统计算机监控系统的特点

刘集总站计算机监控系统按“无人值班”(少人值守)的原则设计。既可实现泵站集中监视控制，又能实现调度中心远程监控。泵站计算机监控系统可以保证泵站安全、可靠和经济运行，满足泵站防洪、灌溉等的调度要求，改善运行人员工作条件，提高泵站的运行管理水平[9]。

刘集总站采用全计算机控制的分层分布开放式系统结构。系统由主控层、现地控制（LCU）层及连接它们的网络层组成。系统整体安全可靠、实用经济、技术先进，易于维护。具体设计特点说明如下。

4.1 系统的可靠性

为达到“无人值班”，监控系统具有极高的可靠性，采用成熟可靠的、标准化的硬件、软件、网络结构以及汉化操作系统。各单元相互独立，不互相影响，功能上不依赖于监控计算机，增强了整个系统的可靠性和可用性[10]。

本系统中多数计算机节点的应用软件配置是完全相同的，如系统操作员工作站、工程师工作站以及通讯工作站，相同的软件配置根据不同的功能授权实现不同的功能。当其中任何一个计算机节点出现故障时，可通过功能授权调整实现功能的重新分配。

现地控制单元使用的PLC可以实现直接上网的功能，减少了很多中间环节，提高了LCU的整体可靠性。各个LCU也不会因主控级发生故障而影响LCU各自承担的监控功能。

4.2 系统的开放性与可扩性

系统主要硬件设备选型符合计算机技术发展迅速的特点，采用全分布开放式系统，网络通信上均采用开放的TCP/IP以太网协议，能在泵站环境下长期连续稳定运行。

系统中的各工作站计算机及其系统软件均符合开放系统要求，便于功能和硬件的扩充和升级。

4.3 功能的完善性

本系统按“无人值班及少人值守”的原则设计，整个系统配备完善的应用功能，特别是泵站远方调度控制功能，能稳定可靠地与上级调度中心进行数据通信，实现上级调度自动化系统对泵站的遥测、遥信、遥控、遥调功能，实现远方调度控制功能。

监控系统能与泵站水情测报系统、水质监测系统、火灾消防报警系统、工业视频监控系统、泵站信息管理系统、综合保护自动化系统及将来可能出现的其他系统进行可靠的通信。

4.4 系统的安全性

该系统功能完善并按照模块化进行设计，具有确保硬件及软件的安全性措施，防止监控系统硬件或软件的故障或缺陷对现场设备的危害。针对泵站集中监控的特点，在保证安全的操作和通讯方面也采用了一定的可靠性措施。系统网络采用光纤技术，避免了不同设备之间的电信号连接造成的干扰[11]。现地控制单元的人机界面接口单元配置独立的液晶显示屏，避免了现地电磁场的干扰。