电气自动化控制系统在江都三站改造工程中的应用

2020-04-02

中国水能及电气化 2020年2期

(江苏省江都水利工程管理处，江苏扬州 225000)

1 工程概况

江都三站更新改造工程是南水北调工程江都站改造的重要工程之一[1]。江都三站工程初建于1969年，所在地为江苏省扬州市江都区，是淮河入江水道的尾闾芒稻河和新通扬运河的汇合处。

江都三站最初装有10台ZLQ13.5-8型液压式全调节立式轴流泵，立式可逆电动发电机规格为1600kW、24P/48P，总安装容量16000kW，泵站设计扬程8m，出水流道型式为虹吸式并设有真空截止放空阀。油、气、水系统均在站内安装，且配有6kW及0.4kV的配电设备。泵站自建立起已运转了40多年，泵站内设施已经严重老化，水泵装置效率降低，因此，必须对江都三站进行改造[2]。

2 江都三站电气自动化控制系统改造核心

江都三站电气自动化控制系统改造工程应用开放结构，该结构型式为分层分布式，主要分为“远方、站控和现场”三个层次，主要有微机监控及测控保系统两方面，该系统可对泵站进行测量、控制、保护、管理，传输机组运行信号数据，同时，对水情数据进行采集与分析，集上述功能于一体[3]。采集到的数据首先汇集显示在系统中央控制室内，然后进行分析和处理。江都三站的机组运行状态和数据通过宽带在各级运行管理单位实时显示，而且主机、变频机组、设施可实现自动化控制[4]，其特点为“实行集中、分散控制”，在人员配备上可达到没有值班人员或减少值班人员的目的。同时，南水北调江都站调度控制管理中心的分支之一为江都三站电气自动化控制管理系统，两者之间通过网络进行系统连接，可实现遥感测量、远程控制、远程调整等功能。

江都三站计算机监控系统主要由计算机、UPS和打印机、环网交换机、投影仪、现场PLC和传感器[5]组成(见图1)。

图1 江都三站电气自动化控制系统的拓扑图

2.1 电气自动化控制系统

2.1.1 数据采集与处理

a.拟合值的采集与分析。江都三站电气自动化控制系统收集的主要拟合值为：水位(上游和下游水位以及排水走廊水位)、底板扬压力与流道内压力、真空度、泵房内温度和主机温度、主机的转速、振动频率和摆动幅度、主泵叶片角等。同时江都三站电气设备的相关特征参数(电流、电压、有功功率、无功功率、功率因数、频率)可以直接被采集并由数据传输端口传送至计算机。数据采集直接上传是该站内配备的微机测控保护设备的优势之一。

b.开关量的采集与处理。事故信号、断路器信号、相关性较强的继电保护信号等依次采取相应的应付措施和自动控制，针对各种故障信号，每隔一段时间扫描电子开关、给排水泵、空气压缩机、真空泵、风扇、油压装置等，并收集它们的数字信号进行相应的处理。

c.开关量的输出与处理。各种操作指示在输出前被确认，判断为正确后，发送给启动器。开关输出信号应避免与光电发生电接触，接点防抖动处理后发出，以此确保信号电气具有独立性和精度。

d.设定信号量值及状态。因机器自身发生故障而导致信号有误以及某些信号量不能被自动识别时，需要人工进行分析处理，对以上采集的信号量进行处理时应注意非正常采集的与正常采集的是没有区别的，因为系统可以自动识别并将正常采集的与非正常采集的信号量进行标记[6]。

2.1.2 运行监视和事故报警

a.实时监测运行状况。泵站内主要设备以及其他辅助设备、电气类设备的运转状况，能够通过屏幕画面实时传送给工作人员，各类设备的操作参数可实现实时显示。

b.警戒参数外溢记录。系统监测预先设置好温度、水情、机组功率等的界限值。当参数超过限制或限制被复位时，系统的警告和记录会作出相应的反应。

c.故障状态显示记录。系统会对每个信号状态进行等时间隔扫描，一旦设备有故障时会随即传送至监测屏幕上，同时将故障发生时间及故障原因进行记录并启动语音警报系统[7]。

2.1.3 控制与调节

江都三站控制和调节模式主要有两种：自动模式和手动模式。当系统执行自动控制模式时，系统人机界面会弹出，工作人员通过点击控制键，泵站机组会自动执行相应的操作命令，并且会将各项操作命令的执行状况在流程图中显示。如果执行某一命令中断，系统会自动查找出故障所在的位置和原因，指导工作人员消除故障，继续进行下一步自动控制操作。

2.2 微机综合保护系统

2.2.1 进线、站变测控保的基本配置

6kV进线、站变测控保配置的基本功能为遥信开入采集，装置变位，事故报警等；正常断路器遥测分合，小电流接地探测遥控分合；有功功率、无功功率、电流、电压、功率因数等9个模拟量的遥测；开关事故分合次数统计、事件顺序记录(SOE)及4路脉冲输入。6kV进线采用的保护为电流速断、过电流和过负荷等保护。站变采用的保护为电流速断、过电流、过负荷、单相接地、温度等保护。

2.2.2 主机测控保的基本配置

在电压和频率不同的发电工况下江都三站10台泵站主机组均可适应并正常运行，抽水和发电是这10台泵站机组主要的运行工况。当泵站处于抽水运行时，其各项工作参数如下：主机频率55Hz，电压8kV，单机容量1500kW；当泵站处于发电运行时，其各项工作参数如下：主机频率值为30Hz，电压5kV，单机容量460kW。

在其他因素相同的情况下，泵站机组的保护定值为发电工况小于抽水工况，因此江都三站主机监控设备由厂家专门设计，保证每一套保护装置能够被一台主机所配有。在不同的电压和频率下，在相应的区域将抽水和发电过程中的保护设置参数进行设定，并利用屏幕面板上的压力板对抽水或发电运行的模式进行自由切换。在每种不同的工作条件下，保护装置传输不同的工作条件信号。保护设定区域可由软件程序在自动遥控模式下进行更改，也可在现场手动模式下进行配置，10台主机的保护功能有电流断路、过流、过载、低压、过压、零序、失步、失磁、失温、无电保护。

2.2.3 变频机组的测控保功能

电流断路、纵向差异、负序电流、过流、过载、零序、低电压、过电压、失磁、低功耗、逆功率、温度和非电量保护等都为设定变频发电机(4000kW)测控保配置的基本功能。具有单独的启动CPU，作为整机的启动装置，该装置位于电子线路上，完全独立于保护CPU。可变频率发电机组的开关单元是测控设备的主要监控对象，主要监控参数为开关单元的电流、电压、功率、频率、功率因素、电度计算、15次谐波测量。16个遥控点被遥控输出，输出端口没有接点，闸开闭没有共同点，可以用计算机程序设定出口动作的保持时间，同时进行4路脉冲存储单元，空触点打开，远程事件记录和事件序列记录、单向检查和关闭。

3 江都三站电气自动化系统改造特点分析

3.1 使用技术领先的传感器

以往常规参数检测中没有对泵站主机组的转动速度、机组的振动频率及摆动幅度、出水流道的真空度进行检测，该技术增加了对以上参数的检测，实现了实时检测、制定检修计划，为泵站机组的安全运行提供了参考依据[5]。

3.2 冗余技术被应用于计算机、PLC中

主机设备和备用机同时运转，只是分工不同，主机的作用在于运行和输出，备用机则是连续地进行设备故障检测，主机如果出现故障，则启动备用机代替，以保证系统的安全。

3.3 系统应用智能化测温器

该测温器可以对24个温度通道进行数据采集，每个主机设备独立工作，对应一个温度通道，监控系统及其他仪器对主机设备没有影响；当单个温度通道测温器发生故障时，对其他主机设备影响区域不大，便于排除。同时主机设备具有显示和存储温度数据功能，因此，上传数据也可通过RS-485信号端口进行。

3.4 采用通信管理机技术

通信管理计算机连接在计算机与微机测控保护装置之间，17个测控保护装置的数据通过一个网络端口进行采集，通过其他的网络端口传送至计算机，这样既能保证数据上传成功，又增强了测控保护装置的安全性。

3.5 保护定值采用压板转换

在不同的工作条件下，保护装置采用相应的发电定值，依靠压板转换，改变电流继电保护整定值的麻烦可以被有效地避免。

3.6 系统自动运行恢复

在机组运行过程中设备发生故障时，系统会自动启动运行控制操作进行调节，避免设备故障发生连锁反应，同时系统会进行一定的自我修复。

3.7 系统优化运行

在确保装置安全运行的前提下，避免在汽蚀和振动中的单元操作，操作系统编译优化调度程序，基于调水量，上游和下游水位，泵站组运行效率曲线，并根据建立的单元优化运行数学模型自动分析并根据需水量启动能够有效降低能耗的最佳泵站机组，同时相应地调整泵叶片角度，使其运行在最大出水工况，提高泵站的经济价值。可以提前对处于经济运行的机组进行手动设置，计算机对是否处于经济运行的各机组进行自动识别，并采取相应的处理措施[8]。

4 电气自动化系统的应用效果

江都三站电气自动化系统在泵站抽水、发电两种工况下试运行，效果较好，运行稳定，已通过工程验收。

4.1 提高了工作效率

通过实时监控和自动报警系统，对值班人员的巡检和抄表发现问题的工作效率有了较大的提高，可利用丰富的操作经验判断问题。电气自动化系统能够收集和分析泵站机组振动频率、摆动幅度、温度、供水压力及其他的操作参数数据，以确定设备发生故障的原因，从而采取应对措施。该系统能够及早发现故障原因并及时排除故障，极大地提升了泵站机组运行效率。