綜合自動化監(jiān)控系統(tǒng)在厄瓜多爾圣埃倫娜水利工程Chongón泵站改造中的應(yīng)用

孫建斌 歐萌波 胡洪森

摘 要：本次泵站改造包括泵站所屬變電站的改造和泵站機組改造，綜合自動化監(jiān)控系統(tǒng)由泵站變電站綜合自動化系統(tǒng)和泵站PLC控制系統(tǒng)兩部分組成。以"分層分布、技術(shù)先進、系統(tǒng)實用、結(jié)構(gòu)合理、產(chǎn)品主流、低成本、低維護量"作為系統(tǒng)改造設(shè)計原則，實現(xiàn)新系統(tǒng)的2臺泵機組與老系統(tǒng)2臺泵機組分組運行及相互切換運行，并及時將泵站設(shè)備運行信息通過SCADA系統(tǒng)傳遞到CHONGON集控中心，使本監(jiān)控系統(tǒng)得以可靠的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：泵站改造 綜合自動化 微機保護裝置 PLC 監(jiān)控系統(tǒng) 功能 應(yīng)用

1，引言

崇貢（Chongón）泵站（以下簡稱“泵站”）改造是中國水利電力對外有限公司承接的厄瓜多爾圣埃倫娜水利工程其中的重要的組成部分。

泵站的水泵機組負責從Chongón水庫取水，經(jīng)壓力鋼管、渠道、分支輸送管道等，將Chongón水庫的水送往AZúCAR和SAN VICENTE沿線用戶，用于居民灌溉莊園果園和居民生活用水。

泵站原設(shè)計4臺水泵機組，由于項目所在地政府經(jīng)濟等諸多原因，在2000年僅建設(shè)并投運了2臺機組。隨著社會經(jīng)濟發(fā)展，為滿足沿線居民用水需求，計劃在2018年進行泵站機組改造時，維修原有2臺泵組，新建設(shè)2臺泵組，以提升泵站供水的能力，滿足設(shè)計需求。

變電站的改造包括：維修檢修現(xiàn)有69KV變電站正在運行的一套間隔設(shè)備，新增加一套間隔設(shè)備，以確保泵站內(nèi)13.8KV的泵機組雙路電源供電。

泵站機組改造：包括原有2套泵機組設(shè)備的檢修維修，新建2套泵機組及配套設(shè)備管道等設(shè)施。其中包括新建2臺2.3m3/s離心水輪泵、2臺13.8KV 2350KW電機、配套的輔助液壓蝶閥和液壓油機設(shè)備等，以及長2.95KM直徑1600mm 工作壓力0.8MPa的壓力輸送鋼管管道等，以及配套的供電、控制、儀表自動化、通信設(shè)備等。

綜合自動化監(jiān)控系統(tǒng)由泵站變電站綜合自動化系統(tǒng)和泵站PLC控制系統(tǒng)兩部分組成。

綜合自動化監(jiān)控系統(tǒng)采取了一套以施耐德公司產(chǎn)品為主，以“分層分布、技術(shù)先進、系統(tǒng)實用、結(jié)構(gòu)合理、產(chǎn)品主流、低成本、低維護量”作為系統(tǒng)改造設(shè)計原則，實現(xiàn)新系統(tǒng)的2臺泵機組與老系統(tǒng)2臺泵機組分組運行及相互切換運行，并及時將泵站設(shè)備運行信息通過SCADA系統(tǒng)傳遞到Chongón集控中心，使本監(jiān)控系統(tǒng)得以可靠的應(yīng)用。

2，綜合自動化監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)按分層分布式，模塊化結(jié)構(gòu)組建，采用環(huán)狀拓撲網(wǎng)絡(luò)。

按照Chongón集控中心、泵站控制室層和就地控制層三級管理模式運行。

監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下圖1示。

2.1 Chongón集控中心：

通過本泵站新建的SCADA系統(tǒng)設(shè)備，利用微波傳輸技術(shù)，將改造的泵站及泵站變電站的各設(shè)備狀態(tài)信息，監(jiān)控參數(shù)等數(shù)據(jù)傳輸?shù)紺hongón集控中心。方便集控中心工作人員實時了解、指示、調(diào)配開啟Chongón泵站水泵數(shù)量，實現(xiàn)水泵供水信息集中掌控目的。

2.2 泵站控制室層：

控制室層內(nèi)設(shè)置監(jiān)控系統(tǒng)后臺設(shè)備有二套，每套配備CRT+主機設(shè)備，打印機、UPS等。其中一套為泵站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備，另一套為SCADA系統(tǒng)專配設(shè)備。

控制室層監(jiān)控設(shè)備包括有公共系統(tǒng)主站，3#水泵PLC主站+3#水泵繼電保護裝置，4#水泵PLC主站+4#水泵繼電保護裝置等。

監(jiān)控后臺設(shè)備與監(jiān)控PLC設(shè)備主要采用Modbus TCP 通訊協(xié)議通訊，通訊網(wǎng)絡(luò)交換機switch采用LU9GC3型，各微機保護裝置通過DNP3.0規(guī)約采用網(wǎng)絡(luò)通信方式，并與PLC設(shè)備實現(xiàn)通訊。

2.3 遠程站（就地控制層）：

在3#4#水泵機旁各設(shè)置一套PLC控制/操作柜，設(shè)置有就地/遠程操作選擇開關(guān)，并將水泵配套設(shè)備運行信息通過Modbus TCP 網(wǎng)絡(luò)通訊，與監(jiān)控后臺實現(xiàn)信息交換，方便維護人員設(shè)備管理。

3， 綜合自動化監(jiān)控系統(tǒng)配置

3.1. 后臺設(shè)備配置

泵站監(jiān)控系統(tǒng)后臺設(shè)備主要有主機、顯示器CRT、穩(wěn)壓電源UPS及打印機等。

主機 DELL CPU Intel（R）Core（TM）i7-7700 CPU @1.60GHz 3.60GHz 安裝內(nèi)存16.0GB，系統(tǒng)類型：64-bit Operating System， x64-based processor硬盤：2T 顯卡NVIDIA Quadro P400

CRT： Dell S2418H

UPS 6KVA

打印機：HP LaserJet Pro P1108

3.2 變電站綜合自動化系統(tǒng)配置

3.2.1 新增間隔配置

本次改造泵站變電站新增加間隔設(shè)備的綜合保護系統(tǒng)，其測量、保護、控制、通信等通過69kV線路保護柜內(nèi)微機保護裝置集成，通過戶外增加的間隔，經(jīng)電纜、網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控后臺設(shè)備一起完成。

69kV線路保護柜配置：

一臺施耐德公司的P632微機保護裝置，用于69/13.8KV 6.3MVA主變壓器的差動保護。

1臺施耐德的P143型微機保護裝置作為主變壓器的非電量（重瓦斯、輕瓦斯、壓力釋放、油溫、繞組溫度等）保護等。

1臺P127型微機保護裝置一套用于變壓器高壓側(cè)后備保護，具有相平衡和瞬時過電流保護，三段復合電壓閉鎖等。

隔離開關(guān)、SF6斷路器開關(guān)合閘狀態(tài)指示；

就地/遠程操作選擇；

3.2.213.8KV側(cè)微機保護裝置配置

13.8KV側(cè)其它微機保護裝置配置安裝在中壓室開關(guān)柜儀表門上。

線路進線柜和母聯(lián)柜配置選配施耐德的P922型微機保護裝置，具有三段反時限過流保護，接地保護，過負荷保護等。

站內(nèi)變壓器選配P127型微機保護裝置，具有三段復合電壓閉鎖過流保護、正序反時限保護、兩段定時限負序過流保護、接地保護、過負荷保護、低電壓保護、變壓器溫度等非電量保護。

水泵電機選配VIO 12AB+VAMP255微機保護裝置，具有兩段定時限過流保護、兩段定時限負序過流保護、過負荷保護、低電壓和過電壓保護以及電機溫度、振動等非電量保護。

3.3 泵站PLC控制系統(tǒng)配置

泵站PLC控制系統(tǒng)由繼電接觸器控制系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)和通訊網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。

為保證系統(tǒng)的完整性、合理性，確保系統(tǒng)自動運行，基礎(chǔ)繼電控制元件采用最新Schneider低壓元件，自動控制系統(tǒng)采用施耐德Modicon M580自動控制平臺系列產(chǎn)品，通訊網(wǎng)絡(luò)采用采用Modbus TCP 通訊協(xié)議通訊，通訊網(wǎng)絡(luò)交換機switch采用LU9GC3。

泵站PLC控制系統(tǒng)采用主站和遠程站控制方式。

根據(jù)改造設(shè)計原則，在控制室內(nèi)設(shè)置3#、4#水泵PLC主站控制柜各1面，其中公用系統(tǒng)PLC系統(tǒng)模塊安裝在3#水泵PLC主站控制柜內(nèi)。

在泵組設(shè)備機旁，就地設(shè)置3#/4#水泵水泵PLC遠程站控制柜各一面。

各柜的模塊配置按施耐德選配原則進行，DI/DO/AI模塊根據(jù)控制單元監(jiān)控點數(shù)確定。以3#水泵PLC主站模塊配置選型為例，見下表1。

各系統(tǒng)分開獨立，即3#水泵PLC控制系統(tǒng)完成對3#水泵機組的控制及相應(yīng)電機微機保護裝置的數(shù)據(jù)采集，4#水泵PLC控制系統(tǒng)完成對4#水泵機組的控制（包含旁通泵）及相應(yīng)電機微機保護裝置的數(shù)據(jù)采集。公用系統(tǒng)完成對進線柜、母聯(lián)柜、輔助變壓器、69KV新增間隔微機保護裝置的數(shù)據(jù)采集及對各斷路器狀態(tài)采集等功能。

在控制室內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)機柜安裝GPS時鐘裝置用于系統(tǒng)對時，并設(shè)置1臺UPS不間斷電源為PLC系統(tǒng)和監(jiān)控計算機供電。

4， 監(jiān)控對象

4.1主要監(jiān)控設(shè)備

6.3MVA主變壓器、69KV/13.8KV/220V進線及配電設(shè)備、直流電源裝置、3#/4#水泵（以下簡稱水泵）和電機、旁通泵和電機、冷卻水電磁閥、風機等。

4.2 監(jiān)控主要參數(shù)

電量監(jiān)測：

69KV側(cè)電壓、電流、頻率、功率；

13.8KV側(cè)電壓、電流、頻率、功率；

220V側(cè)電壓、電流、頻率、功率；

水泵的電機運行電流、電流、功率、功率因數(shù)等；

流量監(jiān)測

水泵單機流量、出水后壓力鋼管總流量；

水庫水位監(jiān)測

水泵取水攔污柵水位；

壓力監(jiān)測

水泵單管壓力，水泵壓力鋼管總壓力，旁通泵壓力；

溫度監(jiān)測

水泵油溫軸承油位導向軸承電機溫度滾動軸承電機溫度推力軸承圓柱滾動溫度

振動監(jiān)測

水泵推力軸承圓柱滾動軸承X/Y軸振動

設(shè)備狀態(tài)

隔離開關(guān)/SF6斷路器/變壓器/直流電源裝置/閥門電機/水泵電機等。

5，監(jiān)控系統(tǒng)功能

根據(jù)泵機組供水工藝技術(shù)要求，泵機組供水工藝流程組態(tài)畫面實現(xiàn)如下圖2示。

結(jié)合各系統(tǒng)的配置和監(jiān)控對象，通過系統(tǒng)組態(tài)、編程設(shè)計、控制能實現(xiàn)以下主要功能：

4.1 實時數(shù)據(jù)采集處理功能

遙測：泵站變電站新增間隔設(shè)備運行各種實時數(shù)據(jù)，69KV線路電壓、電流；6.3MVA變壓器溫度、線路頻率等；

遙信：隔離開關(guān)刀閘狀態(tài)、SF6斷路器設(shè)備狀態(tài)、瓦斯、氣壓信號等，根據(jù)CT/PT的采集信號計算出增加間隔單元的電流、電壓、有功、無功、功率因數(shù)及電度量等，可以顯示在CRT上，實時數(shù)據(jù)顯示處理功能如下圖3。

4.2 各類限值得監(jiān)控開機和報警處理功能

新增的2臺水泵機組的監(jiān)控開機分附機和水泵主機部分，將其條件準備就緒進線監(jiān)控，作為報警處理。

報警設(shè)置有報警級別，即告警方式和解除。

處理方式有事故報警，預(yù)告報警等。

4.2.1 附機部分

通風機啟動條件就緒：通風機故障報警、通風機遠程操控位置；

冷卻水電動閥啟動條件就緒：冷卻水流開關(guān)動作報警、冷卻水遠程操控位置；

旁通泵啟動條件就緒：旁通泵故障報警、旁通泵遠程操控位置；

蝶閥啟動條件就緒：蝶閥允許遠程、蝶閥非正常關(guān)報警、壓力低、油位低等

4.2.2 水泵機組主機部分

水庫水位

水泵故障報警

水泵緊急停止命令

水泵頂蓋壓力、氣孔壓力、出水口壓力值≤1.25MPa

水泵推力軸承處溫度、圓柱滾動軸承處溫度≤85℃

水泵推力球軸承處X/Y向振動、滾動軸承處X/Y向振動≤6.3mm/s

水泵推力軸承處油溫≤70℃

電機定子U1 V2 W1 U2 V2 W2繞組溫度≤130℃.

電機非驅(qū)動端推力軸承溫度≤85℃

電機驅(qū)動端軸向、徑向振動≤3.4mm/s

其中相關(guān)參數(shù)變量畫面截圖如下圖4示。

4.3 控制功能

在泵站控制室工程師站能通過終端鍵盤輸入操作命令，對各監(jiān)控設(shè)備有序進行操作控制。

4.4 管理功能

可以對變電站新增間隔設(shè)備、新增的水泵機組各設(shè)備工況、設(shè)備檔案進行編制調(diào)用。泵站運行人員或工程師可以修改、檢查、顯示、打印設(shè)備工況等。

對于集控中心人員可以設(shè)置管理權(quán)限。

4.5事件順序紀錄和事件追憶功能

所有信號動作順序以ms級紀錄，在CRT上顯示動作順序，能在打印機上打印。

4.6 在線統(tǒng)計計算功能

根據(jù)變電站新增間隔CT和原有PT，能計算新增系統(tǒng)電壓、電流、功率因數(shù)，變壓器負荷率及損耗，變壓器停用時間、次數(shù)等；

根據(jù)泵站13.8KV系統(tǒng)水泵開關(guān)柜內(nèi)的CT和PT實時數(shù)據(jù)，能計算新增系統(tǒng)和各水泵的電壓、電流、功率因數(shù)，停泵時間和次數(shù)等。

4.7 畫面顯示和打印功能

在控制室操作員站CRT上能顯示69KV主接線圖、13.8KV系統(tǒng)主接線圖、直流系統(tǒng)、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖、系統(tǒng)開關(guān)量狀態(tài)表、各種實時測量值表、歷史事件等；

4.8 與集控中心信號交換功能

新建設(shè)的泵站SCADA系統(tǒng)，通過微波技術(shù)將泵站所有信息傳輸?shù)紺hongón集控中心，并經(jīng)Chongón集控中心接受處理，接受執(zhí)行SCADA系統(tǒng)遙控命令。

4.9 GPS時鐘對正功能

在控制室內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)機柜安裝的GPS裝置，其天線安裝在泵站房屋屋頂，與GPS裝置對時接口，與各微機保護裝置對時。

4.10 維護功能

通過控制室工程師站對監(jiān)控系統(tǒng)進線診斷、管理、維護、擴充等工作，可以對數(shù)據(jù)庫進行修改增減，各能報表在線生成，畫面在線編輯等。

5，結(jié)論

通過中國水利電力對外有限公司厄瓜多爾圣埃倫娜水利工程項目部的精心組織，細化設(shè)計，充分運用泵站的保護、控制、監(jiān)視和通信網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，將泵站專屬變電站和泵站機組控制系統(tǒng)有機融合一起，成功地實現(xiàn)了測量、信號、控制、保護、自動裝置、遠動裝置的標準化、模塊化、網(wǎng)絡(luò)化、功能化等，使其綜合自動化監(jiān)控系統(tǒng)在Chongón泵站改造中成功地可靠得以運用，保證了新系統(tǒng)的安全性、完整性和可靠性。為中國水利電力對外有限公司在厄瓜多爾再次展示了公司技術(shù)精湛的一面，贏得了厄瓜多爾水利部的好評。

參考文獻：

[1]機械工業(yè)出版社《 電氣工程師手冊》；

[2]SR.JOAQUIN ALBERTO NEGRETE ARGENZIO初步設(shè)計資料；

[3]中華人民共和國水利行業(yè)標準SL583-2012 《泵站計算機監(jiān)控與信息系統(tǒng)技術(shù)導則》

Technical guide for computer monitoring system and information system of pumping station

[4]施耐德公司微機保護裝置及PLC選型資料及其設(shè)備供貨廠家出廠相關(guān)資料；