基于“一拖多”高压变频器监控系统改进设计研究

2018-03-05

中国水能及电气化 2018年1期

(1.陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西西安 710001;2.陕西省计量科学研究院，陕西西安 710065)

大型供水工程具有供水水头高、供水线路长和供水量变化幅度大等特点。在传统设计中普遍采用含有高压变频器“一对一”系统的多级泵站设计方案。高压电动机有效解决了供水水头高的问题；多级泵站将供水线路分成几段有效解决了供水线路长的问题；采用变频器有效解决了供水量变化幅度大的问题。但这种设计方案存在着所需变频器多、变频器自身损耗大、运行工况单一等问题。

1 传统的含有高压变频器“一对一”系统

1.1 高压变频器“一对一”系统接线设计

高压变频器“一对一”(见图1)是指1台高压变频器独立对应1台高压电动机。此接线方案的优点是各变频电动机可独立运行，工况简单。不足之处有三点：一是所需数量多，梯级泵站电动机数量多，变频器数量也多；二是占地大，一台变频器需要约25m2独立空间；三是散热难，高压变频器由IGBT功率元件组成，运行过程中产生的热量大，需增加散热装置。

图1 高压变频器“一对一”系统接线

图2 高压变频器“一对一”监控系统

1.2 高压变频器“一对一”系统监控设计

高压变频器“一对一”监控系统具有控制过程简单、采集信号少等特点，仅需配置1台现地LCU控制单元，分别采集所有变频器信号、所有断路器信号，完成对变频器发出开停机、对断路器分合闸操作。以1号电动机为例，合Q′11断路器，发指令到变频器1BPQ开机，变频器准备就绪；合Q′12断路器，完成1号电动机的变频启动(见图2)。

2 高压变频器“一拖多”系统的改进设计

2.1 高压变频器“一拖多”系统接线设计

通过对高压变频器“一对一”电动机系统不足之处进行研究后，提出了高压变频器“一拖多”系统的改进方案。通过增加变频母线可使电动机在工频和变频之间自如切换，增加母联断路器可以使两台变频器互为热备用，提高了机组的安全性(图3)。

图3 高压变频器“一拖多”系统接线

2.2 高压变频器“一拖多”系统监控设计

基于“一拖多”高压变频器的控制系统复杂性高、控制对象多等特点，“一拖多”系统采取2台变频器互为备用的接线形式，且需进行工频与变频之间的相互切换，故为每台电动机单独设置一个现地控制单元LCU，设置一个公用LCU控制单元，来实现电动机变频与工频相互切换的控制指令。下面以1号电动机监控系统设计为例说明控制过程。首先需要判断1号变频器的断路器Q51位置信号，如果断路器Q51在合位，启动变频器，判断断路器Q22、 Q32、 Q42的位置；如果均处于分位，则合断路器Q12，完成1号电动机的变频启动；如果1号变频器故障，就需要判断Q52断路器位置，如果该断路器在合位，且2号变频器正常时，需合Q61母联断路器，将1号电动机的启动，交与2号变频器完成。如果1号、2号变频器均发生故障，可合Q11直接启动；在1号变频器拖动1号电动机变频工作时，如需启动2号电动机，需将1号电动机切换至工频状态下，1号变频器退出对1号电动机的控制，当上位机发出切换指令后，公用LCU接管对变频器的控制权，指令1号变频器提高频率至工频状态，并接受来自变频器的频率、相位、幅值信号，同时采集工频母线上频率、相位、幅值信号，当满足预设阈值时，向机组LCU发出合工频断路器，同时分变频断路器指令，完成变频向工频切换过程(见图4)。

图4 高压变频器“一拖多”系统监控系统

通过对比“一对一”系统和“一拖多”系统的设计方案，可得出“一拖多”系统在控制对象、控制设备的设置，软件难度要远高于“一对一”系统，但可靠性有所提高(见右表)。

2.2.1 上位机系统设计

控制复杂性对比表

计算机监控系统按分层分布式结构的理念设计，分为泵站监控层、现地控制层，监控层即为上位机系统，泵站现地控制层即为泵站现地控制单元LCU，上位机系统与现地控制单元的通信采用工业1000M单以太网络，采用完全开放的Modbus TCP/IP协议。现地控制单元通信采用现场总线或以太网通信方式。

为增加控制可靠性，设2台互为热备的操作员工作站，通过操作员工作站的操作，可实现对现地LCU和公用LCU、变频器的操作；工作站接受来自LCU的信号，完成数据采集和实时显示，并同时作出判断，通过语音进行故障报警。LCU对现场数据的采集及处理，是通过将现地变送器输出的4～20mA模拟量信号和开关输出的开关量信号分别送入PLC的模拟量输入模块或开关量输入模块，再由PLC的CPU作出判别后，通过数据总线传输至上位机中进行的。

2.2.2 现地控制单元系统设计

现地控制单元LCU采用单机独立配置的设计方式，实现对电动机组、工频断路器、变频断路器信号的采集和工频断路器、变频断路器的自动控制。通过人机联系工作站键盘或鼠标及LCD实现下列单台设备的人工操作：泵组就地/远方操作，泵组开、停机操作，阀门开、停操作，断路器的分合操作。

公用控制单元LCU的主要功能是LCU单元与变频器之间的通信，完成工频切换变频、变频切换工频的控制。当工频切换到变频时，上位机系统发出切换指令后，公用LCU发出启动变频器运行信号，当工频频率、相位、幅值接近80%时，变频器向公用LCU发出变频器连续模拟量信号，同时，可以再设置80%、85%、90%、95%、105%工频倍数等多个接点信号，此时变频器同时接受来自公用LCU的工频频率、相位、幅值，计算最佳转换时机。当达到设定的阈值后，完成工频切换变频的操作。

2.2.3 变频器控制系统设计

变频器的控制系统采用数字信号处理器(DSP)和可编程逻辑芯片(FPGA)来完成算法和逻辑控制。可实现全频段的转速自动跟踪启动，不论电机处在高低频段时,都能自动搜索跟踪电动机转速，按照设定加减速时间恢复正常运行状态，无须考虑电机的运行状态；可以实现高压电机的即时启动和停止控制，保证机组安全启动。变频器监控系统具有输入、输出电压、电流，输出频率，输出转矩，输出功率，运行累计时间，各功率单元母线电压，功率单元内部温度等参数及内置PID调节功能。

变频器监控系统采集启动、停止、急停、复位等信号；输出高压合闸允许、变频器就绪、变频器运行、变频器故障报警、变频器重故障、变频器停止、高压跳闸等信号；对频率调节(转速给定)；输出变频器的频率、电流、电压。采用本地面板控制和远方控制方式，完整的故障监测电路、精确的故障报警保护，能实现对环境温度的监控功能，当温度超过变频器所允许的环境温度时，提供报警。具有RS485通信接口，运用MODBUS通信协议或Profibus-DP协议或EtherNet/IP协议可与工程设备DCS系统或其他控制系统组网控制，经信号隔离与标准的接口和工程设备DCS系统连接。