抽水站主机泵控制保护开关参数优化设计

孙 寅 杨 磊

(1.江苏禹衡工程质量检测有限公司，江苏 盐城 224000；2.盐城粤海水务有限公司，江苏 盐城 224000)

控制保护开关采用模块化的构建形式，在集成接触器、熔断器、断路器、隔离器、过载保护继电器、启动器等设备结构体的同时，将过量的传输电子隔绝在应用主机之外。相较于远距离自动控制技术来说，控制保护开关的可控线程距离较短，能够兼容硬件控制、软件控制等多项应用化执行能力，且具有独立的指示面板及机电信号主机，可在应用电子过量堆积的情况下，直接向外传输报警信号，具备较强的电子过压保护能力[1-2]。在抽水站主机泵处于兼性协调配合的情况下，控制保护开关能够自动开启与核心监测主机的物理连接，并且可对所有传输电流进行三段式维系保护，所谓三段式是指传输应用电流的定时限、瞬时限与反时限。根据主机泵占地空间的不同，控制保护开关所需配备的附件与功能模块也不完全相同，可在各类电动机负载与配电负载元件的作用之下，进行自由的选型与配合。

在分布式应用抽水站中，随着主机泵工作压力的不断增加，控制保护开关所承担的电子流通量也会持续增大。当电子量累积到一定数值水平后，极易因应用电流或电压过高，导致泵体主机的全面性击穿。为避免上述情况的发生，传统控制保护开关在电源低渗透作用的支持下，可借助电压偏移均函数，确定泵体主机所承担的最高电压与电流数值，再分别讨论不同电量传输情况下，各项系数差的实际变化情况。但此方法的电量配平能力相对较差，很难使抽水站主机泵控制开关得到良好的保护。为解决此问题，在原有控制保护开关模型的基础上，设计一种新型的抽水站主机泵控制保护开关的参数优化方案，在控制层LCU柜模块与数据采集传感器的作用下，完成对控制单元的配置接线处理，并以此为基础，建立与主机泵控制保护开关相关的目标优化函数。

1 抽水站主机泵控制体系

抽水站主机泵控制体系可根据控制单元配置接线原理，实现对控制层LCU柜模块与数据采集传感器的应用化连接。

1.1 控制层LCU柜模块

LCU柜模块位于抽水站主机泵控制体系的核心控制层中，由主机泵控制单元、抽水站数据采集单元等多个应用结构共同组成。在抽水站主机泵控制体系保持连续化供电输出的运行状态时，泵体电源模块可迅速由断开形式转化为连接形式，并释放主机内暂存的传输应用电子，以供下级通信模块的直接调取与利用[3]。主机通信模块位于泵体电源模块与行为控制模块之间，在整个抽水站主机泵控制体系中起到承上启下的连接作用，简单来说，该应用结构体处于控制层LCU柜模块中部，可按照抽水站控制主机中的实际电量消耗情况，向电源模块递交适量的应用控制指令，直至反馈回的传输电量能够完全满足主机泵控制体系的实际应用需求。行为控制模块位于抽水站主机泵LCU柜体的最下部，可感知抽水站主机泵的实际运转行为，并随之做出相应的整改连接行为。主机泵控制单元与抽水站数据采集单元同时位于控制层LCU柜模块上部，可在断路器、继电器等多个电子应用设备的作用下，实现对供给用水输出模块的连续控制，当抽水站已存储的应用调度用水达到一定数值水平后，供水输入模块则会跟随进入兼性连接状态，直至将主机泵保护开关的电子承载状态量控制在既定数值范围之内，使与模块结构体相连的应用开关，能够较好适应主机泵的供水输入行为[4]。模拟电流输入模块同时控制抽水站数据采集单元的温度、压力与开度，可在主机泵电气量达到既定数值水平后，断开模块结构体与抽水站控制体系之间的物理连接，从而实现对控制开关结构的有效保护(见图1)。

图1 控制层LCU柜模块结构

1.2 数据采集传感器

数据采集传感器负责对抽水站主机泵进行合理化的应用保护，在红、黑、白三类控制电缆的作用下，解决因击穿电流过大而造成的主机泵控制开关保护能力下降的问题(见表1)。一般情况下，黑色电缆同时负责抽水站主机泵的二线与三线连接，当前者的电源连接行为表现为“+”时，后者的电源连接行为也会随之变更为“+”；红色电缆直接控制抽水站主机泵的连接行为，并对控制保护开关参数起到适当的应用化调试作用，其中二级接线直接伸入抽水站主机泵的电源负极，而三级接线伸入抽水站主机泵的电源正极，在实现控制保护开关参数优化处理的过程中，二者都不会占据过长的主机泵连接时间，而是始终保持兼性化的连接转换行为，直至保护开关所承受的击穿电流与电压量不再发生改变[5-6]。白色电缆的二级接线行为始终保持为空，而三级接线行为只能深入到公共端之中，当GND常量达到理想化数值标准后，抽水站主机泵控制保护开关所承担的击穿电子量开始逐渐趋于稳定。

表1 数据采集传感器连接原理

1.3 控制单元配置接线

控制单元处在抽水站主机泵之间，其基本控制作用在于优化二级接口端与三级接口端之间的开关执行系数。一般情况下，两个主机泵控制保护开关之间会存在一个独立的“门”类的结构空间，随着开关参数的不断优化，门结构的实际跨度范围也会逐渐发生改变，直至能够完全适应由抽水站主机泵运转而带来的电流传输压力[7-8]。分析图2所示的控制单元配置接线原理可知，在一个完整的抽水站主机泵控制体系中，至少存在11个完全独立的控制保护开关结构体(S1～S11)，这些物理部件始终保持同向、连续的排列行为，从而使二线接口端、三线接口端之间出现了10个完全相同的“门”类结构空间(K1～K10)。当S1、S2、S3开关同时接入抽水站主机泵控制体系中，形成K1、K2门结构时，控制保护开关进入“停事故门”与“落事故门”连接状态，与之相关的参数优化行为，也会围绕此类配置接线进程而展开。当S10、S11开关同时接入抽水站主机泵控制体系中，形成独立的K10门结构时，控制保护开关相当于一个完整的主机泵开关，与之相关的参数优化行为，也会转换至此类接线进程下的连接作用形式(见图2)。

图2 控制单元配置接线原理

2 基于抽水站主机泵控制体系的保护开关参数优化

以抽水站主机泵控制体系为基础，通过保护开关参数建模、参数优化域确定、目标优化函数建立的处理流程，完成针对抽水站主机泵控制保护开关参数的优化设计。

2.1 保护开关参数建模

在实际应用过程中，抽水站主机泵数量并不唯一，且在向控制保护开关传输应用电流的同时，会有一部分电量因未被完全消耗，而排放至主机体之外，从而使开关体所承受的击穿电流量始终保持稳定，其处置原理见图3[9-10]。

图3 抽水站主机泵的保护开关的等效控制原理

规定在保护开关参数建模的处理过程中，抽水站主机泵所承担的应用电压数值始终保持为UR0，其中R0代表主机泵设备体的编码类别号，该条通路中，可达到控制保护开关的传输电流最大值只能达到IR0，URn代表整个抽水站系统内所有电力消耗设备两端的物理电压合值，Rn代表电力消耗设备的实际接入数量值，IRn代表整个抽水站系统内流经电力消耗设备的物理电流合值。联立上述物理量，可将抽水站主机泵保护开关参数的建模公式定义为

(1)

式中ωc——与抽水站主机泵相关的电压输入系数；

c——电子消耗常量；

sc——与抽水站主机泵相关的电流输入系数；

dc——与抽水站主机泵相关的电阻输入系数。

2.2 参数优化域确定

(2)

λ——与控制保护开关参数相关的优化定义系数；

eR0、iR0——两个不同的主机泵下限优化常量；

eRn、iRn——两个不同的主机泵上限优化常量。

2.3 目标优化函数

(3)

式中m1、m2——两个不同的电压击穿系数；

ξ——参数优化限制条件；

β——与处置开关相关联的控制保护系数。

至此，完成各项应用化系数的计算与处理，实现抽水站主机泵控制保护开关参数的优化设计。

3 实验结果分析

为验证抽水站主机泵控制保护开关参数优化方案的实际应用价值，设计如下对比实验。将实验所用的抽水站主机泵调试至最佳应用状态，分别与传统控制保护开关与新型控制保护开关相连，其中前者作为对照组、后者作为实验组。在相同实验环境下，分别记录各时间节点处开关体所承受击穿电压与击穿电流的实际数值水平。

已知开关体所承受击穿电压与击穿电流均能描述抽水站主机泵的实际应用能力，通常情况下，电压与电流的数值记录水平越大，抽水站主机泵的应用执行能力也就越强，反之则越弱。

以70min作为既定实验时长，分别记录在该段时间内，应用实验组、对照组控制保护开关后，抽水站主机泵所承受击穿电压的具体数值水平(见图4)。

图4 击穿电压数值对比

分析图4可知，随实验时间的延长，实验组、对照组抽水站主机泵所承受的击穿电压均呈现先稳定、再上升、最后下降的变化趋势，在整个下降过程中，击穿电压会先后出现两次数值稳定状态，与极限数值相比，最终结束值的下降幅度并不十分明显。结合实验记录数值来看，对照组抽水站主机泵所承受击穿电压的最大值达到125V，而实验组抽水站主机泵所承受击穿电压的最大值仅能达到80V，与对照组极值相比，下降了45V。综上可知，随着新型控制保护开关参数优化方案的应用，主机泵所承受的击穿电压数值确实出现了明显的下降，对合理化保护抽水站主机泵的工作能力起到了极强的促进作用。表2反映了应用实验组、对照组控制保护开关后，抽水站主机泵所承受的击穿电流具体数值水平。

表2 击穿电流数值对比

分析表2可知，随实验时间的延长，实验组、对照组抽水站主机泵所承受的击穿电流数值基本都保持逐渐上升的变化趋势，且在整个上升过程中，两组记录结果均会出现明显的数值稳定状态。结合实验记录数值来看，实验组最大值仅达到20.1A，且数值稳定状态基本出现在实验的末尾阶段。对照组最大值达到34.5A，与实验组极值相比，上升了14.4A，数值稳定状态基本出现在实验的中间阶段，且随着稳定变动状态的结束，记录数值出现了大幅上升的变化趋势。综上可知，随着新型控制保护开关参数优化方案的应用，主机泵所承受的击穿电流数值确实出现了明显的下降，可实现对抽水站主机泵工作能力的合理化保护。

4 结 语

新型控制保护开关参数优化方案能够同时抑制抽水站主机泵所承受击穿电压与击穿电流的上升趋势，且在LCU柜模块与数据采集传感器的作用下，整个抽水站主机泵控制体系可在短时间内处于持续性稳定状态，不仅可实现对控制单元配置接线的目的性按需连接，也可使整个参数优化域环境得到有效扩充。与传统控制保护开关相比，新型参数优化方案可对抽水站主机泵的工作能力进行合理化保护，且随着保护开关参数建模的不断完善，目标优化函数的功能也会逐渐增强，满足实际应用过程中的电量处置需求。未来相关研究将从参数简化方面入手，使新型控制保护开关的参数优化方案不断得到完善。