“一拖多”變頻控制模式下的泵站監控系統設計要點及應用

高 璐，解 辰

（陜西省水利電力勘測設計研究院,陜西 西安 710001）

1 工程概況

延安黃河引水工程位于延安市東北部,是以黃河為主要取水水源的長距離引水工程。工程建設目的是解決延安市及周邊縣區的長期缺水問題,屬延安市“十二五”重點水利基礎設施建設項目,工程年供水總量為8977 萬m3/a,設計引水流量為4.2 m3/s,梯級泵站總裝機功率48.1 MW,該工程為Ⅲ等中型供水工程。工程主要建筑包括取水樞紐、提水泵站、輸水管（洞）線、泥沙處理、調蓄及應急水庫、凈水廠等六部分[1]。其中,延水關二級泵站主廠房內有安裝7 臺800 kW 水泵電動機組,機組運行方式為5 運2 備,運行容量4000 kW,總裝機容量5600 kW。

2 “一拖多”變頻控制方案

2.1 “一拖多”變頻控制接線

為匹配工程運行過程中的流量變化,泵站工藝要求每臺機組均具備變速運行的能力,通過變頻調速運行,實現不同供水工況的需求。同時兼顧節能和設備投資的因素,泵站采用了“一拖多”變頻控制方案,接線圖見圖1。

圖1 延水關二級泵站“一拖多”變頻控制接線圖

2.2 變頻器運行及切換功能

變頻控制系統由變頻器、同步切換柜以及邏輯控制屏組成。正常情況下,二級泵站工頻及變頻母線均按單母線分段運行。1#變頻器實現Ⅰ段母線的3 臺電機的逐臺啟動,自動旁路及同步投切功能,并實現對該變頻器所帶3 臺電動機中的任1 臺的變頻運行；2#變頻器實現Ⅱ段母線的4 臺電機的逐臺啟動,自動旁路及同步投切功能,并實現對該變頻器所帶4 臺電動機中的任一臺的變頻運行；當有1 臺變頻器故障或檢修情況下,二級泵站工頻、變頻母線均按單母線運行。兩臺變頻器通過切換,實現任意一臺變頻器,對全站7 臺電動機中的任意一臺機組的啟動、變頻運行。

3 計算機監控系統設計

延水關二級泵站由于“一拖多”變頻控制方案的應用,使得其自動化控制系統相較于常規泵站要復雜的多。如果將各電機工頻、變頻母線側開關的合分、變頻器的選擇全部按照常規泵站監控系統控制,不僅增加了泵站運行流程、操作流程設計的難度,同時也對運行人員的操作及管理水平提出了更高的要求。運行人員必須對泵站的管理調度、控制流程以及需要具備的條件做到充分的了解。

考慮到上述問題,此次變頻控制增加了1 面邏輯控制屏,將變頻器的選擇、變頻器與各機組LCU 通訊及各電機工頻、變頻母線側開關的控制交由邏輯控制屏完成,以此對泵站計算機監控系統進行設計。

3.1 系統結構

延水關二級泵站按照“無人值班”（少人值守）的監控模式、分層分布開放式體系結構設計計算機監控系統[2]。泵站設置站用控制級（主控層）和就地監控（現地層）兩層,網絡采用冗余交換式以太網。主控層為全站設備監視、測量、控制、管理的中心,通過光纜或屏蔽雙絞線與現地層相連。泵站主控層即為上位機系統,泵站現地層即為泵站現地機組LCU,主控層與現地層采用1000 M 工業以太網通訊。現地控制單元通信采用現場總線或以太網通信方式。

正常情況,運行人員通過中控室計算機監控系統的鍵盤、鼠標進行人機對話,實現對泵站主要設備的控制和監視,當操作員工作站運行出現故障退出或者操作員工作站與現地控制單元之間的通信中斷時,各現地機組LCU 均應能獨立完成運行,實現設備的控制管理,從而確保泵站運行安全。延水關二級泵站計算機監控系統結構見圖2。

圖2 延水關二級泵站計算機監控系統結構圖

3.2 系統功能

泵站計算機監控系統負責完成泵站所有設備的監視、控制和調節,包括機組及附屬設備等的開關量、電量及非電量的數據實時采集,機組的啟停、變頻控制、有功及無功調節,斷路器的分合閘和進出水閥門的啟閉等操作。泵站計算機監控系統具有數據采集與處理、控制與調節、人機接口、數據通信、系統自診斷、培訓仿真和軟件開發、時鐘系統、維護與開發等功能。

3.3 系統配置

泵站主控層配置有2 套操作員工作站、1 套衛星時鐘設備、1 套微機五防系統、1 臺便攜機、4 臺工業以太網交換機、1 臺通信管理機、2 臺打印機等。現地層配置有微機保護裝置、智能儀表,根據泵站現地控制單元功能結構和現場設備分布情況,站內共配置9 套現地控制單元,其中每臺機組配置1套機組LCU（1～7JZLCU）,全站配置1 套公用LCU（GYLCU）,1面邏輯控制屏（LCP）。

4 變頻控制與計算機監控系統的信息交互

計算機監控系統可根據變頻控制系統的采集數據及各電機的運行情況,對7 臺電機的運行狀態進行自動調節。經過系統運算來判斷電機的啟動數量及運行狀態（工頻運行/變頻運行）。變頻控制與計算機監控系統的信息交互見圖3。

圖3 變頻控制與計算機監控系統的信息交互圖

泵站在變頻啟動過程中及變頻運行模式下,5 GG、14 GG、1 BG、9 BG、2 BG～4 BG、10 BG～13 BG 均由LCP 控制。電機在同步切換過程中,電機所對應的6 kV 工頻斷路器的合閘控制由LCP 負責完成。電機同步啟動過程完成后,電機已運行在工頻模式下,此時電機及其6 kV 工頻斷路器由機組LCU對其進行控制和保護。當單臺變頻器故障時,2 臺變頻器進線側斷路器5 GG、14 GG 都分斷后,由LCP 鎖定相應的變頻器,才可由LCP 控制變頻母聯斷路器6 BG 合閘。

5 運行流程設計

泵站運行流程的設計既要考慮單臺機組的運行工況,也要顧及不同工況下其他機組的運行狀態。同時采用“一拖多”變頻控制方案也增加了泵站運行流程的復雜程度。運行流程設計要標準化、規范化,以便運行人員運維管理。以1#機組為例,對1#機組的開機流程（工頻運行、變頻運行）、停機流程（正常停機）進行分析設計。

（1）1#機組開機流程（工頻運行、變頻運行）

根據泵站運行工藝,需要先將1#機組電機啟動后再控制泵后液控蝶閥開啟,開機流程見圖4。其中,1#機組電機由變頻轉工頻運行的切換條件是由變頻控制系統中同步切換柜實現的。同步切換柜通過檢測網側和電機側電壓,調節電機電壓與電網電壓同步。由LCP完成1、2#BPQ的選擇及電機工頻、變頻母線側開關的控制。

1）開機準備檢查

機組開機前需對機組運行相關的各個控制設備狀態進行檢查,具備機組開機條件。包括：各電氣設備、變頻器、閥門無故障報警；各控制設備均處于遠方工作位；1#機泵前、泵后檢修閥全開；泵后液控蝶閥全關；出水母管檢修閥全開,吸水池水位不低于開機水位；機組電機軸承溫度、管道壓力、水位等監測數據準確,滿足運行條件。

2）1#電機工作在軟啟模式的LCP 控制流程

首先LCP 向1 BPQ 發送1#電機軟啟動命令。同步切換柜控制6GG 斷路器處于分斷狀態,2 BG 斷路器處于閉合狀態。然后LCP 控制5 GG 斷路器閉合,1 BPQ 啟動運行并啟動1#電機至額定轉速。變頻器和同步切換柜通過檢測輸入及輸出電壓,調節電機電壓與電網電壓同步。當同步切換柜確定1#電機同步狀態已鎖定時,先控制6 GG 斷路器閉合,再控制2 BG 斷路器斷開。此時1#電機進入工頻運行狀態。

3）1#電機工作在變頻模式的LCP 控制流程

首先LCP 向1 BPQ 變頻器發送1#電機變頻運行命令。同步切換柜控制6 GG 斷路器處于分斷狀態,2 BG 斷路器處于閉合狀態。LCP 控制5 GG 斷路器閉合,1 BPQ 啟動運行并啟動1#電機至設定轉速。此時1#電機進入變頻運行狀態。

（2）1#機組停機流程（正常停機）

根據泵站運行工藝,需要先將泵后液控蝶閥關閉,再停1#機組電機,停機流程見圖5。當工頻運行停機時,LCP 不再參與控制,1#電機工頻斷路器6 GG 由1 JZLCU 進行控制分斷。當變頻運行停機時,由LCP 停變頻器,控制斷路器5 GG 分斷。

圖5 1#機組工頻、變頻停機流程圖

6 結語

泵站中“一拖多”變頻控制方案的成功應用較好地解決了梯級泵站流量匹配難題,在變頻控制系統中邏輯控制屏的增加,有效地降低了泵站計算機監控系統中運行流程的設計難度。目前延安黃河引水工程延水關二級泵站已投入運行多年,運行效果一直良好。“一拖多”變頻控制方案及計算機監控系統的設計得到了實際驗證,為泵站的運行管理、安全運行提供了有力的支撐和保證,其設計經驗也為類似項目計算機監控系統設計提供了借鑒。