单机800kW泵站综合自动化I/O配置研究

陈洪伟,代永信（黄河水利水电开发总公司,河南 济源 454681）



单机800kW泵站综合自动化I/O配置研究

陈洪伟,代永信
（黄河水利水电开发总公司,河南 济源 454681）

摘 要：以单机容量800kW的泵站为研究对象，对泵站综合自动化的I/O配置进行了细化分析

关键词：泵站；自动化；I/O配置

0 引言

泵站是解决洪涝灾害、干旱缺水、水环境恶化当今三大水资源问题的有效工程措施之一。它们承担着区域性的防洪、除涝、灌溉、调水和供水的重任，主要用于农田排灌、城市给排水以及跨流域调水等。

水利部《泵站技术改造规程》及说明对采用计算机监控泵站运行，并不作为统一的规定。水利部《泵站设计规范》中对泵站计算机监控系统也没有相应的要求。现有的泵站计算机监控系统没有统一的技术规范，也没有主流的设备供应商。在具体的应用中着重于功能的要求，由设备厂商进行设计安装。为了提高泵站计算机监控系统的使用水平，也为了提高泵站的设计水平，对泵站综合自动化I/O配置进行研究很有必要。

1 单机800kW泵站综合自动化I/O配置研究原则

（1）泵站综合自动化系统涉及到配电、大型电动机的控制和保护，水泵的安全经济运行和管理，水工建筑物的安全稳定性监测，水情数据的收集和水资源的调度等方面的内容。泵站计算机监控系统应对全站泵组、电气系统、公用油、水、气系统、闸门控制系统、励磁系统及直流系统进行有效监视和控制，保证泵站更加安全、可靠、经济地运行。其I/O配置应涵盖上面所有系统。

（2）确定泵站计算机监控系统的水平。 现有泵站计算机监控系统水平参差不齐，除少数大型泵站采用完全自动化的分层分布式系统，大部分泵站仍处于使用计算机监控系统的初级阶段。目前典型的泵站自动化控制保护设备通常使用普通的可编程控制器PLC开发，系统集成和硬件及软件工程费用相当可观，而且现场二次接线量大且复杂。根据国外经验和我国其他行业计算机监控系统的应用情况，我们认为泵站计算机监控系统应采用完全自动化的先进技术，达到无人值守，优化运行，集中调度的水平。

我国电力系统在八十年代后期开始计算机监控系统的使用。开始阶段，也是单个设备使用各自的监控系统，系统之间使用硬接线进行数据交换，控制系统使用集中控制方式。在火电厂，电气设备仍使用继电保护方式进行控制。经过十年时间的应用，火电厂都使用分散控制系统（DCS）进行控制，机、炉、电全部由计算机控制，操作上不再使用盘台操作，而是使用鼠标、键盘在屏幕上进行操作。控制室常规仪表基本取消。而在电网方面，220KV变电站已基本实现无人值守。

从技术上讲，我国泵站实现全自动监控已经毫无问题，现在的问题是认识和经费上。随着我国水资源紧缺和能源紧缺问题日益凸现，实现泵站全自动控制，经济优化运行，大区域集中调度指日可待。

（3）确定研究原形。根据我国大、中型泵站的情况，特别是湖北省的泵站情况，我们确定研究对象为：主体工程由泵房、公路桥、浮体闸、拦污栅、灌溉闸、输变电工程及工程管理设施。泵站布置形式为堤身式肘形进水流道，虹吸式出水流道。设备为：N台800KW机组（同步电机含励磁系统）、双回路6KV供电、单母线分段、一台母联、两台主变、两台站变及辅机设备。

（4）国外如荷兰泵站，由于历史原因，采用的自动化仪表多为智能型，这种仪表很先进，如功率表、水位表、水位计等，它本身能长期进行自动记录，一般数据不存档。我国现在也开发了许多智能仪表，但考虑到现在计算机功能很强大，存储设备及辅助存储设备很大，我们认为使用计算机监控系统的泵站不必再使用智能化仪表。

2 单机800KW泵站综合自动化I/O配置研究

2.1 水泵机组系统（包括水力系统）

因为水泵机组的控制及调度和水力系统关系密切，所以将水力系统放在这部分考虑，而其他辅助设备另作一部分考虑。

水泵机组系统的综合自动化也包含三部分功能。

监测功能：水力系统的泵站进出口水位及水位差值、集水廊道水位、机组进水流道进口压力、出水流道驼峰压力、上下游拦污栅压差、快速闸门及闸门状态；主驱动电机的定子电流、功率、功率因数、定子线圈温度、励磁电流、励磁电压、断路器状态、绝缘状态；主机推力轴瓦及导向轴瓦温度、水泵叶轮前后压差、机组冷却水压力温度、润滑油压力温度、主机转速、叶片角度、主泵流量、主泵进出口压力。

控制功能：主机机组的启、停控制；励磁设备的自动调节与控制、水泵叶片角度的调节与控制、机组运行工况自动调节、上下游闸门与水利枢纽中的节制闸的控制。

保护功能：主电动机的差动保护及后备保护（过电流保护、过负荷保护、低电压保护、单相接地保护）；主机的推力轴瓦、导向轴瓦、定子线圈温度过高保护；辅助系统的供水、供油、供气系统异常保护。

综合以上分析，我们得出水泵机组系统的I/O配置应包含以下测点：

（1）开关量输入：叶片角度位置上限点、叶片角度位置下限点、机组主断路器合闸位置；

机组主断路器分闸位置；主断路器隔离状态位置；上油缸油位上限点；

上油缸油位下限点；下油缸油位上限点；下油缸油位下限点；填料密封润滑水示流器位置； 上油缸冷却水示流器位置；下油缸冷却水示流器位置；

水导润滑水示流器位置；励磁电源断路器位置；主机风机接触器位置；真空破坏阀机械接点位置；长柄闸阀上限点；长柄闸阀下限点；刹车管路压力表电接点位置；失磁保护接点；快熔熔断保护接点；机组开机；

机组停机；机组就地控制；机组远方控制；励磁装置已投入；辅机正常输入；

机组主保护动作；机组后备保护动作。

（2）模拟量输入：转速测量；叶片角度；主机角度；主机励磁电流。

驼峰真空压力（压力表位置） 进水流道压力（压力表）

（3）开关量输出：开机准备灯 断路器合闸 断路器分闸 叶片增 叶片减 励磁电源合闸

励磁电源分闸 打开刹车电磁空气阀 打开真空破坏阀 打开机组供水电磁阀

关闭机组供水电磁阀 主机风机合闸 主机风机分闸 励磁投入指示

主机风机运行指示 开机条件满足

（4）温度量输入：定子线圈温度传感器 推力瓦温度传感器上下导瓦温度传感器 上下油缸温度传感器

2.2 变电系统

现在一部分泵站，如湖北金口泵站已将降压站交电力部门管理。但本课题仍将其作为泵站的一部分进行研究。

变电系统的综合自动化包含三部分功能。

监测功能：主变、站变高低压侧三相电流、三相电压、频率、有功功率、无功功率、两段母线电压的频率、主变油温；高压进线柜断路器状态、母联的通断状态、电压互感器工作状态、两台站变高压侧断路器状态。

控制功能：降压站的主变压器、站用变压器等的投入、退出控制。

保护功能：主变压器系统的瓦斯保护、纵差保护、过流保护、过负荷保护、零序电流保护；高压进线线路的速断电流保护、PT断线保护、低电压保护、控制回路断线保护；站用变系统的电流速断保护、过流保护、过负荷保护、控制回路断线保护；母联装置的电流速断保护、控制回路断线保护。

综合以上分析，我们得出输变电系统的I/O配置应包含以下测点：

（1）开关量输入：进线柜断路合闸位置 进线柜断路分闸位置进线柜隔离状态 站变柜断路器合闸位置

站变柜断路器分闸位置 站变柜隔离状态 电压互感器柜隔离开关位置

主变风机 主变重瓦斯 主变本体油温上限 主变本体油温下限

（2）开关量输出：高压进线柜合闸 高压进线柜分闸 高压站变柜合闸 高压站变柜分闸

（3）模拟量输入：泵站进口内河水位 泵站出口外河水位集水廊道水位

2.3 辅助系统的水、油、气系统

泵站的水、油、气系统随泵站布置形式的不同及主机组的差别而不同。我们分析了各种辅助系统的配置形式，对应所研究的原形泵站而言，泵站技术供水采用直接供水方式，排水设置4台排水泵；油系统设置两台高压油泵；压缩空气系统设置高、低压系统各一套，各配两台空气压缩机，另外还有两台真空泵。辅助系统本身的自动控制比较简单，主要参数（供水母管压力、低压气母管压力、压力油罐压力、真空破坏阀状态）影响主机的运行。其I/O配置主要是设备开、关及备用状态，包括以下一些参数：

（1）开关量输入：排水泵自动位置 排水泵备用位置 低压气机自动位置 高压气机自动位置

高压气机备用位置 高压油泵自动位置 高压油泵备用位置 真空泵自动位置

真空泵备用位置 净油筒油位上限点 净油筒油位下限点 污油筒油位上限点

污油筒油位下限点 压力油罐油位 回油箱油位上限点 回油箱油位下限点

（2）开关量输出：排水泵自动 排水泵备用 低压气机自动高压气机自动 高压气机备用

高压油泵自动 高压油泵备用 真空泵自动 真空泵备用 开高压气机降压阀

开高压气机进水阀 关高压气机降压阀 关高压气机进水阀开真空泵供水阀

关真空泵供水阀 开排水泵进口电磁阀 关排水泵进口电磁阀

（3）模拟量输入：排水泵出口压力 供水总管压力 低压气母管压力 压力油罐压力

主厂房温度 主厂房湿度 厂变三相电流 厂变线电压

（4）温度量输入：高压气机出口温度 低压气机出口温度 厂变温度

3 结语

我们对泵站按系统进行划分，本文没有涉及综合调度中的外部指令输入问题，也没有涉及较大机组中考虑的振动问题，本文着重阐述了当今主流的单机800kW泵站，按综合自动化的要求，从功能上提出了最低的I/O配置要求。

参考文献：

［1］刘竹溪,冯广志主编.中国泵站工程［M］.北京：水利电力出版社,1993（02）.

［2］黄良勇.考察荷兰泵站工程的几点体会［M］.机电排灌,1997（03）.

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.12.225

作者简介：陈洪伟（1971-），男，吉林德惠人，工程硕士，高级工程师，主要从事水利水电工程建设管理工作。