基于PLC技术的水利刀闸及电缆自动化控制应用分析

林 琳

(深圳市东江水源工程管理处，广东 深圳 518000)

0 前言

传统水利电力控制系统中，多采用电能生产、传输、消耗等流程、相关一次、二次配电设备(变电站设备等)为主体构成单元，以实现产能、消耗均衡运行管理[1]。然而传统水利变电站控制系统运行、电缆控制管理中仍存在安全性、可靠性难以符合现代电力传输、能耗量大、实时自动化控制等缺点(如水利刀闸控系统制时效精准性不足等)。在此基础上，为提升水利变电站系统、设备质量安全、创新电力设备技术，本文以互联网大数据、自动化技术、实时监测基础为智能传控依据，应用PLC技术(综合控制设备)改建水利变电站110 kv刀闸工程。其相较于传统变电站控制技术，PLC技术在水利变电站控制中具备程序逻辑变更便捷、设备运转速度快、体积小且抗干扰能力出众等优势，不仅有效提升了电缆能量传输、消耗能力，而且有效保障了水利机电单元运行系统安全生产[2-3]。

依据 PLC 技术安全性、广泛性特征实现水利刀闸自动化改造极为关键，为此，本文以某区域泵站为例，综合论述分析PLC技术改造设计原则、方案、目标等，以探索水利刀闸改造设备实现原则及实现调试中存在的相关情况，进而合理性掌握PLC技术下水利变电站及控制电缆改建预期效果及安全效益。

1 自动化控制系统总体方案

1.1 设计总体目标与功能

由于传统泵站110 kv变电站设备在工作年限和质量中均存在一定约束性，为此，为提高区域内泵站供电、供水安全、稳定，避免非计划性停电，保障泵站用电安全、智能、可靠原则，本文以PLC技术设计改造区域泵站水利刀闸及控制电缆；其次，泵站110 kv刀闸经PLC智能化设计改造后，对电网系统操作隐患、水源工程安全运行、控制端信号传输稳定有稳步提升，使之即优化了泵站区域内水资源合理分配，又提升了区域用水安全。

在PLC技术设计总体目标下，本文分析隔离刀闸PLC技术功能，结果见表1所示。由表1可知，水利隔离刀闸功能多样，如结构为双柱水平旋转式、接地开关为单/双接地类型、操作方式为三相机械操作，自动化电控功能一方面降低了泵站运行养护成本，提高了刀闸性能，另一方面水利工程自动化控制功能提升了经济效益和社会效益[4]。

表1 110 kV隔离刀闸技术要求

1.2 自动化控制设计原则

为实现区域泵站内智能控制系统对变电站中水利刀闸等设备实时监测功能，本文以决策优先和控制优先分析PLC技术控制下水利刀闸情况，结果见图1所示。通过图1可知，决策优先时，PC远程控制中心通过PLC中控平台实时监测获取水利水位信息、变电站电参数、水利泵闸参数等指标，进而依据自动化监测指标数据分析、研判，以决策服务水利刀闸启停状态，以符合自动控制总体性原则，分层分布原则等；而当控制优先时，各控制单元能量层级由低往高，并形成自动控制与手动控制模式，实现了自动控制系统中可靠性、保护独立性原则，实现了泵站机电设备单元整体性控制、信息共享和共建原则。

图1 水利刀闸监控系统结构示意图

1.3 自动化控制技术方案

为确保区域泵站电网设备安全、稳定，本文在该泵站中水利刀闸自动化及控制电缆改造设计中，根据区域泵站110kv泵站检修状态提出点自动化控制技术方案：

1.3.1 技术方案主体思路

依据区域泵站水利刀闸及控制电缆改造工作范围，实现PLC自动化测控主机、CPU模块、网络屏等、控制电缆、泵站电力设备调试等工作技术升级改造。如设计改造110kV进线隔离刀闸及接地刀；设计改造110 kV变电站内主变对应的主变保护盘、110 kV隔离开关和接地刀之间控制电缆[5]。

1.3.2 技术方案规范

本次基于PLC技术下的泵站水利刀闸自动化控制及控制电缆改造中，各建设技术方案应遵循如下规范：《灌排泵站机电设备报废标准》-(SL 510-2011)、《电力系统继电保护及安全自动装置评价规程》-(DL/T 623-2010)、《泵站技术管理规程》-(SL255-2000)、《变压器用风扇》-(JB/T 9642-2013)等[6]。

1.3.3 自控方案设计改造内容

在自动化控制技术方案背景下，进一步设计PLC技术下泵站刀闸工程自动化控制系统，其部分自动化设计改造内容结果见表2。由表2可知，区域泵站刀闸自动化改造下，选取电源模块和CPU(CPU315-2PN/DP)模块，其中，CPU模块为PLC单元核心组件，其功能为统筹运算速度、下发功能指令，进而实现泵站刀闸安全、精准的自动化控制。

表2 部分PLC水利刀闸模块选型

2 控制系统设计实现

2.1 软/硬件设计实现

为实现水利刀闸自动化远程控制服务，本文以计算机PC端、网络通讯(5G/移动)和PLC控制可编程控制器(自动化控制技术)等多技术结合，设计构建区域泵站水利刀闸自动控制管理系统。该水利刀闸控制管理系统有效实现了泵站无人值守、远程控制、精准计算等。其中，在PLC控制系统中，搭配继电器、接触器、CPU、控制柜、视频监控平台等硬件设备，并在控制系统配套设计中，实现了控制柜网络管理、本地管理和手动模式管理，提高了水利刀闸设备使用安全性；而网络端视频监控中，通过远程摄像机、PC端相互协同，实现了水利刀闸设备故障报警、数据实时传输、监测等功能。

在水利刀闸PLC自动化控制系统下，本文设计软件功能为PLC程序编写、系统保护装置、动态组画、数据集中控制管理等。如在PLC程序编写中，通过变更控制方式编码，实现刀闸启停任意开度，有效降低了水利刀闸开启/关闭状态时系统误差；控制系统动态组画方面，不仅及时的编码解译泵站周边光、温、水、气等环境参数值，同时能在界面操作系统中实现对任意设备情况审查、控制、管理和调度，实现了自动化管理，设计构建了水利刀闸一体化控制模式。

2.2 装置结构设计

2.2.1 主变中性点接地装置设计实现

目前，在水利泵站变压装置中，多通过主变中性点接地装置降低变电站设备因电压升高所引起的系统故障，以保障水利刀闸运转安全性、控制电缆管理、传输稳定性。为进一步系统分析，本文通过表3以分析主变中性点接地装置参数特征。通过表3可知，主变中性点装置主体参数分为接地隔离开关、操作机构、辅助机构和荷载能力四部分，且该装置采用球形间隙方式，在结构设计中装置组配灵活，便捷使用；其次，接地装置各参数指标均具有最大阈值限程，表明当装置参数指标值处于阈值标准范围时，接地装置在运行时稳定性、安全性优质。

表3 110 kV主变中性点接地装置技术要求

2.2.2 电动接地刀闸正/反转装置

本文在泵站水利变电装置设计改造时，为实现水利刀闸远程控制交流、自动化操作和强化控制精准性，采用PLC控制交流器以完成水利电动闸门正/反转，其装置结构示意图见图2所示。通过图2可知，正/反接触器共计连接3组端口(正转端、公共端和反转端)，其中公共端相连常用电压，当公共端连接电源时，若变更电源连接线至正转或反转装置上，则能控制装置内马达转向，进而实现水利刀闸装置的自动化、安全化和精准化控制。

2.2.3 系统冷却装置

当通过PLC机电控制单元自动化控制水利刀闸时，其变电站装置内部、硬件设施、控制电缆装置均将部分电能转化为热能，致使自动化系统装置温度急剧上升，为此，本文在保障控制系统运行安全前提下，以冷却系统实现PLC水利刀闸自动控制装置稳定运行。例如，运行中变压器顶层油温或变压器负荷临近阈值时，辅助冷却器自动投入运行；当冷却器发生投切或冷却系统发生故障时，及时发送信息，提供干接点接口。最终，通过冷却保护装置实现PLC自动控制系统安全、可靠运行。

2.3 控制电缆设计实现

由于传统变电站控制电缆绝缘用聚乙烯或聚氯乙烯材料，虽然材质绝缘性能好但耐高温性能差；填充材料密度高但不吸水、耐高温性能差且铠装层钢带难以抵御外部磕碰，进而易损坏泵站变电站电缆设备，增大周边财产、生产和环境等造成安全隐患几率。在此背景下，为降低变电站刀闸控制应用安全隐患，本文设计更换新型控制电缆，该设计材质具备以下特征：(1)U0/U、450/750V水准的超绝缘水平，且材质本身耐高温性能好、不燃烧；(2)电缆导体符合GB/T 3956标准，表面光洁、无损伤绝缘的毛刺；(3)护套采用热塑性聚氯乙烯绝缘材料且厚度不小于GB/T 9330标准；(4)外部钢带铠装以双钢带间隙绕包，钢带绕包平整紧密，钢带接续焊接平整牢固；(5)电缆外部防护装置包在缆芯上，护层表面光洁、色泽均匀(控制电缆设计成品示意图见图3所示)。

注：1-铜导体 2-PVC绝缘 3-PP填充 4-PVC带绕包内衬层 5-铜带屏蔽层 6-PVC挤出内衬层 7-钢带铠装层 8-PVC挤出外护套

3 PLC技术的自动化控制系统运行与调试措施分析

3.1 自动化运行情况分析

本文以PLC为基础所设计改造的水利刀闸自动化装置运行状态稳定，控制功能完备，在自动化运行中满足以下具体特征。(1)PLC控制刀闸装置可靠性高。由于在运行中该装置故障率低，维护成本低且装置系统升级和扩容便捷；(2)装置对泵站变电站极端特殊环境中适应性强，抗干扰能力强，PLC装置控制、监测接收的刀闸数据结构稳定。但PLC水利刀闸控制装置对于水利水电系统工作环境要求较高，其浪涌抑制能力和装置质量规范需进一步加强，以保证生产作业安全、稳定。

3.2 自动化控制调试运行管控措施分析

3.2.1 质量控制措施及标准

1)基于PLC技术的水利刀闸设计应用质量控制措施

为保障自动化水利刀闸质量安全，本文通过以下两点控制措施调试管控分析：(1)刀闸连杆附件安装，首先通过三相联动隔离刀闸拐臂用圆头键装在中极，将主刀闸放至合闸位置，而横连杆安装时，将主刀置于分闸或合闸位置，以保障水利刀闸生产中的稳定性和规范管理性；(2)在跳线接线过程中，导线应放平不能弯曲，调试检查导线是否存在结扣、断股等问题，进而通过控制措施调试分析，加强PLC自动化控制技术下水利刀闸及变电站安全性。

2)中性点接地装置更换质量控制措施

在中性点接地装置调试、更换中，应满足以下质量控制措施，以管控装置设备应用安全性。(1)调试更换刀闸时，注意避免碰撞，严禁设备倾斜时而将设备吊起；(2)装置易观察区应位于同一侧；(3)校正互感器变化和准确度；(4)计数器指示三相统一，引线连接可靠。

3.2.2 调试运行预见问题及解决措施

基于PLC技术改造的水利刀闸自动化控制装置和电缆更换均需要在试运行阶段及时发现问题，布设整改措施，以保证自动化控制装置运行中安全性、稳定性和经济性。当在调试运行改造作业前，及时熟悉应急工程及应急准则，强化良好的组织协调和应变能力，以提高整体救援工作水平。

在出现问题处理过程中，应及时控制设备装置停止作业。如泵站变电站电网跳闸时，需防止设备伤害事故的再发生，停运设备损坏应做好设备保护措施，避免再影响其它运行设备，并及时上报，以保证人员、设备安全性。

4 结语

为保障泵站变电站水利设备装置供电稳定、安全和经济运转状态，本文以PLC技术综合互联网、网络通信和自动化控制技术于一体，构建安全、经济、可靠的水利刀闸自动化控制装置，并通过控制电缆优化改造，降低安全生产风险隐患，进而得到以下相关结论：

(1)经PLC技术改造，完善了水利刀闸软/硬件设计原则、应用质量控制措施和运行管控安全措施，实现了水利刀闸及控制电缆的体系化管理。

(2)经优化改造后，PLC技术装置下水利刀闸抗干扰能力、可靠性和安全性能力显著提升，有效助推了区域泵站经济效益和社会效益增值。