基于 M60 保护装置的泵站计算机监控系统

丁淮波，潘卫锋，徐朝旺，蔡志刚

（1.江苏省骆运水利工程管理处/江苏省南水北调泗阳站工程建设处，江苏 宿迁 223800；（2.国网电力科学研究院/南京南瑞集团公司，江苏 南京 210003；3.江苏省骆运水利工程管理处，江苏 宿迁 223800）

基于 M60 保护装置的泵站计算机监控系统

丁淮波1，潘卫锋1，徐朝旺2，蔡志刚3

（1.江苏省骆运水利工程管理处/江苏省南水北调泗阳站工程建设处，江苏 宿迁 223800；（2.国网电力科学研究院/南京南瑞集团公司，江苏 南京 210003；3.江苏省骆运水利工程管理处，江苏 宿迁 223800）

UR 系列 M60 电动机保护装置，具备可配置的多个输入、输出通道，可实现用户个性化控制功能，故在泵站监控系统中引入应用。简要介绍泵站计算机监控系统结构，M60 电动机保护的设计原理和功能，详细阐述在南水北调泗阳站中通过 M60 与 PLC 结合的方式实现计算机监控系统功能，实际应用说明，M60 为泵站监控系统核心信号采集单元，PLC 辅助实现设备全自动控制功能。

M60；泵站； 计算机监控系统；PLC；真空破坏阀；控制

0 引言

泵站是水利枢纽工程的主要设施，对城市防洪排涝、引水灌溉起到关键作用。泵站计算机监控系统是利用计算机、通信、自动控制等技术，以计算机、网络、智能设备及传感器为硬件基础，实现泵站运行数据的采集与处理、主机及辅助设备的控制与调节、设备的运行监视与报警、数据存储，实现泵站的“无人值班，少人值守”[1]。

继电保护是利用电力系统中元件发生短路或异常时的电气量（电流、电压、功率、频率等）的变化，在反应、检测的基础上判断电力系统故障的性质和范围，进而做出相应的反应和处理（如发出警告信号或令断路器跳闸等）。实现这种自动化措施的成套设备，一般通称为继电保护装置。UR 系列 M60是微机式电动机保护系统，除了具备常用的设备保护功能，还具有数据采集、监视和控制功能。根据M60 继电保护的特殊性，针对泵站计算机监控系统的要求，将 M60 与泵站监控系统设备进行有效结合，可以实现泵站设备的监视与控制功能。

1 M60 继电保护原理和特点

1.1 设计原理

M60 通用型继电保护是基于数字电路设计的装置，包括 1 个能处理多种类型的输入和输出信号的中央处理单元（CPU），CPU 模块包含了提供保护逻辑算法的软件系统，以及用于实现控制功能的可编程逻辑门电路、定时器和锁存器。输入元件从现场接收多种模拟信号或数字信号，UR 系列 M60 隔离这些信号并将它们转换成保护所使用的逻辑信号；输出元件将保护产生的逻辑信号隔离，并变换成可用于控制现场装置的数字信号或模拟信号。同时 UR可以通过局域网（LAN）和控制器接口、可编程装置或监控软件进行通讯，原理框图如图1 所示（图中 CT 为电流互感器，VT 为电压互感器）。

1.2 保护特点

M60 具备先进的保护与控制功能；具有可配置的离散、模拟 I/O 功能模块，可用于监视和控制电动机或其他保护应用中大量的辅助设备，通过配置可对异常情况做出适当响应。模拟输出可用于从控制器到 SCADA 系统、可编程控器（PLC）或者到其他用户接口装置的硬线连接。M60 同时具有先进的自动化功能， 包括强大的 FlexLogicTM 可编程逻辑、用户可编程的就地显示屏、LED 和按钮、通讯及 SCADA 能力[2]。使用 FlexLogicTM，可根据现场实际需求实现用户个性化保护与控制功能；M60 支持的规约包含 IEC61850，DNP 3.0，Modbus RTU，Modbus TCP/IP 和 IEC60870-5-104。使用这些规约很容易实现与自动化系统的连接。

泵站计算机监控系统的核心处理单元 PLC，同样由多个离散量输入、输出，由模拟量输入和输出、CPU、通讯等模块共同实现数据的采集，处理，控制，调节功能，以及与 SCADA 系统的连接。由此可见，M60 与 PLC 在设计原理与功能上有着许多共同之处。

图1 继电保护原理框图

2 M60 保护装置在泵站监控系统中的应用

2.1 工程简介

南水北调泗阳站是南水北调东线工程江苏境内的第 4 梯级泵站之一，泵站规模为大（1）型。泵站装机流量为 198 m3/s，安装 6 台套立式轴流泵，配3 000 kW 立式同步电机 6 台，带反转发电功能。泗阳站计算机监控系统按“无人值班、少人值守”进行总体设计，主要对泵站主泵组、公用及辅机设备、变配电设备的运行进行监控，并提供设备运行统计、操作指导等辅助功能。

2.2 监控系统结构

泗阳站计算机监控系统采用全开放的分层分布式系统结构，整个系统主要由主控级、现地控制单元组成，系统网络结构如图2 所示。 系统内操作员主机、工程师站、历史服务器、通信服务器设备、保护测控装置及各现地控制 PLC 通过交换机等网络设备构成以太环网，PLC 通过智能设备同各种传感器和自动化设备等进行数据通信[3]。

图2 南水北调泗阳站计算机监控系统网络结构图

主控级各组成部分实现的功能如下：1）工程师站主要负责程序的综合开发、计算，事故故障信号的分析处理，现地层数据采集、处理和数据库管理；2）历史服务器负责历史数据库的生成、转存，参数越复限记录，测点定义，以及限值等数据的处理和管理；3）通讯服务器主要负责与上一级调度系统进行数据传输；4）操作员人机接口工作台，负责运行监视、控制及调节命令发出，设定或变更工作方式，各图表曲线的生成、打印、人机界面（MMI）功能；5）泵站实时运行数据通过网络隔离装置传输给 Web 发布服务器，以实现在办公网络对泵站的运行参数进行监视；6）GPS 卫星时钟系统主要对监控系统的主控级计算机和各现地控制单元（LCU）、保护装置进行时钟同步。

LCU 主要通过各种测量和控制装置就地对泵站主泵组、公用及辅机设备、变配电设备、闸门设备及水工建筑物等对象进行测量，监视和控制。每台泵组配置 1 套 M60 保护装置，实现对泵组数据采集、控制、模拟量、温度量的测量；公用协调现地控制单元用于送排水、通风、技术供水、消防等系统的控制及泵站各泵组的协调控制；变电所 PLC 用于 35 kV 开关柜、站用变压器、低压系统等电气设备的控制，负责采集有关的电量参数、开关量等，执行与泵组有关的所有单步及顺序控制操作。

2.3 M60 保护装置的应用

2.3.1 信息的采集

泵站计算机监控系统对于泵组数据的采集监视、控制多采用 PLC 单独完成，PLC 具有可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、可扩展性强等特点；泵组线路保护则由继电保护装置独立完成。M60保护装置完成泵组主要数据的采集监视、控制及线路保护功能，这样不仅节约了项目成本，也减少了现场施工。但 M60 作为线路保护的核心，其数据采集、通讯和逻辑处理功能相对于 PLC 存在一定的局限性，M60 只能采集 4 个模拟量和温度量信号，Modbus 通讯接口不可扩展，逻辑处理最多只支持128 条逻辑语句的编辑能力。这意味着 M60 只能实现简单的逻辑编程，对于泵组的全自动控制逻辑，M60 则难以实现，为此由公用协调 LCU 辅助 M60实现泵组的完整监视和控制。一些重要的状态量信息由 M60 采集；泵组辅机系统、外部开机条件等的信号由公用协调单元采集；Modbus 通讯信号由智能设备进行集中采集，再以信文方式送给公用协调现地控制单元进行综合处理。

2.3.2 控制流程的实现

将 M60 与公用协调 PLC 结合，各自完成泵组信号的处理工作，可达到自动控制的目的。这种控制方式的实现，关键在于公用 PLC 与 M60 之间控制命令的可靠接受，为此采用硬接线与通讯方式并存的模式进行数据交换。泵组开机过程主要流程如图3所示。公用 PLC 采用 67160 CPU 处理器，该处理器具有出色的性能，先进的编程方式，支持各种网络[5]，在给 M60 发送硬接线信号的同时，通过网络互取数据功能将同样的控制命令发送给 M60，以达到控制的可靠性，具体配置如表1 所示。

图3 泵组开机流程框图

2.3.3 真空破坏阀的控制

真空破坏阀属气压式阀门，安装在虹吸式输水管道的制高点，开机时帮助降低水泵启动扬程，停机时断流[4]，防止水流倒灌产生主机叶轮飞逸事件，是保护主机安全运行不可缺少的重要设备。

真空破坏阀的打开、关闭控制与断路器状态直接联动。当泵组启动时，真空破坏阀必须关闭；当泵组停止时，真空破坏阀必须打开。在全自动控制流程中两者的联动相对比较简单，但当机组出现电气事故、保护自动跳闸时需要真空破坏阀自动打开而不需手动操作。泗阳站泵组有发电和抽水 2 种工况，抽水状态开机时断路器合闸后延时关闭真空破坏阀，在发电状态时需要先关闭真空破坏阀，待真空形成，机组开始转动之后，再进行断路器合闸操作，而这与断路器分闸时真空破坏阀必须打开存在逻辑互斥。对于M60 而言，首先需要了解泵组的运行工况，根据不同工况选择真空破坏阀与机组断路器的执行程序，因此在开机之前由公用 PLC 先下发联动闭锁指示标志给 M60，M60 检测到闭锁标志，将闭锁联动程序，执行先关阀后合断路器程序，待断路器合闸之后，自动清除闭锁标志，联动程序将启动。因此不论手动还是全自动开机操作，M60 均能实现断路器与真空破坏阀的正确联动，保证机组的正常运行。

表1 公用 PLC 网络互取数据配置

3 结语

随着我国经济建设及计算机技术的快速发展，采用现代信息化技术提高对泵站设施的监视、监控已成为水利信息化的发展趋势。通过 M60 保护装置在南水北调泗阳站监控系统中的实际应用，可以看出这种系统模式由公用协调 PLC 实现与多个 M60 装置的数据交换，实现监视和控制，对公用协调 PLC的稳定性、可靠性、重要性有着特定的要求，其工作运行状况关系整个监控系统功能的完善。通过现场长时间的运行考验，系统运行稳定，可为其它水利计算机监控系统的设计提供参考。

[1] 龚玉栋，刘新泉.解台泵站计算机自动控制系统设计[J].水电自动化与大坝监测，2007, 31 (4): 77-79.

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

[3] 方辉钦.现代水电厂计算机监控技术与试验[M].北京：中国电力出版社，2004: 12.

[4] 张海胜，倪波.PLC 在虹吸式泵站真空破坏阀自动控制中的应用[J].南水北调与水利科技，2006, 4 (4): 69-71.

[5] 胡荣卓.基于 PLC 的变频调速系统研究[J].工业技术，2010 (36): 13.

[6] 宋厚清，于国安.大型泵站调度运行管理系统设计研究[J].山东水利，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，江苏宿迁人，高级工程师，从事水利工程施工、建设和运行管理等工作。