抽水站主機泵控制保護開關(guān)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計

孫 寅 楊 磊

(1.江蘇禹衡工程質(zhì)量檢測有限公司，江蘇 鹽城 224000；2.鹽城粵海水務(wù)有限公司，江蘇 鹽城 224000)

控制保護開關(guān)采用模塊化的構(gòu)建形式，在集成接觸器、熔斷器、斷路器、隔離器、過載保護繼電器、啟動器等設(shè)備結(jié)構(gòu)體的同時，將過量的傳輸電子隔絕在應(yīng)用主機之外。相較于遠距離自動控制技術(shù)來說，控制保護開關(guān)的可控線程距離較短，能夠兼容硬件控制、軟件控制等多項應(yīng)用化執(zhí)行能力，且具有獨立的指示面板及機電信號主機，可在應(yīng)用電子過量堆積的情況下，直接向外傳輸報警信號，具備較強的電子過壓保護能力[1-2]。在抽水站主機泵處于兼性協(xié)調(diào)配合的情況下，控制保護開關(guān)能夠自動開啟與核心監(jiān)測主機的物理連接，并且可對所有傳輸電流進行三段式維系保護，所謂三段式是指傳輸應(yīng)用電流的定時限、瞬時限與反時限。根據(jù)主機泵占地空間的不同，控制保護開關(guān)所需配備的附件與功能模塊也不完全相同，可在各類電動機負載與配電負載元件的作用之下，進行自由的選型與配合。

在分布式應(yīng)用抽水站中，隨著主機泵工作壓力的不斷增加，控制保護開關(guān)所承擔的電子流通量也會持續(xù)增大。當電子量累積到一定數(shù)值水平后，極易因應(yīng)用電流或電壓過高，導致泵體主機的全面性擊穿。為避免上述情況的發(fā)生，傳統(tǒng)控制保護開關(guān)在電源低滲透作用的支持下，可借助電壓偏移均函數(shù)，確定泵體主機所承擔的最高電壓與電流數(shù)值，再分別討論不同電量傳輸情況下，各項系數(shù)差的實際變化情況。但此方法的電量配平能力相對較差，很難使抽水站主機泵控制開關(guān)得到良好的保護。為解決此問題，在原有控制保護開關(guān)模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計一種新型的抽水站主機泵控制保護開關(guān)的參數(shù)優(yōu)化方案，在控制層LCU柜模塊與數(shù)據(jù)采集傳感器的作用下，完成對控制單元的配置接線處理，并以此為基礎(chǔ)，建立與主機泵控制保護開關(guān)相關(guān)的目標優(yōu)化函數(shù)。

1 抽水站主機泵控制體系

抽水站主機泵控制體系可根據(jù)控制單元配置接線原理，實現(xiàn)對控制層LCU柜模塊與數(shù)據(jù)采集傳感器的應(yīng)用化連接。

1.1 控制層LCU柜模塊

LCU柜模塊位于抽水站主機泵控制體系的核心控制層中，由主機泵控制單元、抽水站數(shù)據(jù)采集單元等多個應(yīng)用結(jié)構(gòu)共同組成。在抽水站主機泵控制體系保持連續(xù)化供電輸出的運行狀態(tài)時，泵體電源模塊可迅速由斷開形式轉(zhuǎn)化為連接形式，并釋放主機內(nèi)暫存的傳輸應(yīng)用電子，以供下級通信模塊的直接調(diào)取與利用[3]。主機通信模塊位于泵體電源模塊與行為控制模塊之間，在整個抽水站主機泵控制體系中起到承上啟下的連接作用，簡單來說，該應(yīng)用結(jié)構(gòu)體處于控制層LCU柜模塊中部，可按照抽水站控制主機中的實際電量消耗情況，向電源模塊遞交適量的應(yīng)用控制指令，直至反饋回的傳輸電量能夠完全滿足主機泵控制體系的實際應(yīng)用需求。行為控制模塊位于抽水站主機泵LCU柜體的最下部，可感知抽水站主機泵的實際運轉(zhuǎn)行為，并隨之做出相應(yīng)的整改連接行為。主機泵控制單元與抽水站數(shù)據(jù)采集單元同時位于控制層LCU柜模塊上部，可在斷路器、繼電器等多個電子應(yīng)用設(shè)備的作用下，實現(xiàn)對供給用水輸出模塊的連續(xù)控制，當抽水站已存儲的應(yīng)用調(diào)度用水達到一定數(shù)值水平后，供水輸入模塊則會跟隨進入兼性連接狀態(tài)，直至將主機泵保護開關(guān)的電子承載狀態(tài)量控制在既定數(shù)值范圍之內(nèi)，使與模塊結(jié)構(gòu)體相連的應(yīng)用開關(guān)，能夠較好適應(yīng)主機泵的供水輸入行為[4]。模擬電流輸入模塊同時控制抽水站數(shù)據(jù)采集單元的溫度、壓力與開度，可在主機泵電氣量達到既定數(shù)值水平后，斷開模塊結(jié)構(gòu)體與抽水站控制體系之間的物理連接，從而實現(xiàn)對控制開關(guān)結(jié)構(gòu)的有效保護(見圖1)。

圖1 控制層LCU柜模塊結(jié)構(gòu)

1.2 數(shù)據(jù)采集傳感器

數(shù)據(jù)采集傳感器負責對抽水站主機泵進行合理化的應(yīng)用保護，在紅、黑、白三類控制電纜的作用下，解決因擊穿電流過大而造成的主機泵控制開關(guān)保護能力下降的問題(見表1)。一般情況下，黑色電纜同時負責抽水站主機泵的二線與三線連接，當前者的電源連接行為表現(xiàn)為“+”時，后者的電源連接行為也會隨之變更為“+”；紅色電纜直接控制抽水站主機泵的連接行為，并對控制保護開關(guān)參數(shù)起到適當?shù)膽?yīng)用化調(diào)試作用，其中二級接線直接伸入抽水站主機泵的電源負極，而三級接線伸入抽水站主機泵的電源正極，在實現(xiàn)控制保護開關(guān)參數(shù)優(yōu)化處理的過程中，二者都不會占據(jù)過長的主機泵連接時間，而是始終保持兼性化的連接轉(zhuǎn)換行為，直至保護開關(guān)所承受的擊穿電流與電壓量不再發(fā)生改變[5-6]。白色電纜的二級接線行為始終保持為空，而三級接線行為只能深入到公共端之中，當GND常量達到理想化數(shù)值標準后，抽水站主機泵控制保護開關(guān)所承擔的擊穿電子量開始逐漸趨于穩(wěn)定。

表1 數(shù)據(jù)采集傳感器連接原理

1.3 控制單元配置接線

控制單元處在抽水站主機泵之間，其基本控制作用在于優(yōu)化二級接口端與三級接口端之間的開關(guān)執(zhí)行系數(shù)。一般情況下，兩個主機泵控制保護開關(guān)之間會存在一個獨立的“門”類的結(jié)構(gòu)空間，隨著開關(guān)參數(shù)的不斷優(yōu)化，門結(jié)構(gòu)的實際跨度范圍也會逐漸發(fā)生改變，直至能夠完全適應(yīng)由抽水站主機泵運轉(zhuǎn)而帶來的電流傳輸壓力[7-8]。分析圖2所示的控制單元配置接線原理可知，在一個完整的抽水站主機泵控制體系中，至少存在11個完全獨立的控制保護開關(guān)結(jié)構(gòu)體(S1～S11)，這些物理部件始終保持同向、連續(xù)的排列行為，從而使二線接口端、三線接口端之間出現(xiàn)了10個完全相同的“門”類結(jié)構(gòu)空間(K1～K10)。當S1、S2、S3開關(guān)同時接入抽水站主機泵控制體系中，形成K1、K2門結(jié)構(gòu)時，控制保護開關(guān)進入“停事故門”與“落事故門”連接狀態(tài)，與之相關(guān)的參數(shù)優(yōu)化行為，也會圍繞此類配置接線進程而展開。當S10、S11開關(guān)同時接入抽水站主機泵控制體系中，形成獨立的K10門結(jié)構(gòu)時，控制保護開關(guān)相當于一個完整的主機泵開關(guān)，與之相關(guān)的參數(shù)優(yōu)化行為，也會轉(zhuǎn)換至此類接線進程下的連接作用形式(見圖2)。

圖2 控制單元配置接線原理

2 基于抽水站主機泵控制體系的保護開關(guān)參數(shù)優(yōu)化

以抽水站主機泵控制體系為基礎(chǔ)，通過保護開關(guān)參數(shù)建模、參數(shù)優(yōu)化域確定、目標優(yōu)化函數(shù)建立的處理流程，完成針對抽水站主機泵控制保護開關(guān)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計。

2.1 保護開關(guān)參數(shù)建模

在實際應(yīng)用過程中，抽水站主機泵數(shù)量并不唯一，且在向控制保護開關(guān)傳輸應(yīng)用電流的同時，會有一部分電量因未被完全消耗，而排放至主機體之外，從而使開關(guān)體所承受的擊穿電流量始終保持穩(wěn)定，其處置原理見圖3[9-10]。

圖3 抽水站主機泵的保護開關(guān)的等效控制原理

規(guī)定在保護開關(guān)參數(shù)建模的處理過程中，抽水站主機泵所承擔的應(yīng)用電壓數(shù)值始終保持為UR0，其中R0代表主機泵設(shè)備體的編碼類別號，該條通路中，可達到控制保護開關(guān)的傳輸電流最大值只能達到IR0，URn代表整個抽水站系統(tǒng)內(nèi)所有電力消耗設(shè)備兩端的物理電壓合值，Rn代表電力消耗設(shè)備的實際接入數(shù)量值，IRn代表整個抽水站系統(tǒng)內(nèi)流經(jīng)電力消耗設(shè)備的物理電流合值。聯(lián)立上述物理量，可將抽水站主機泵保護開關(guān)參數(shù)的建模公式定義為

(1)

式中ωc——與抽水站主機泵相關(guān)的電壓輸入系數(shù)；

c——電子消耗常量；

sc——與抽水站主機泵相關(guān)的電流輸入系數(shù)；

dc——與抽水站主機泵相關(guān)的電阻輸入系數(shù)。

2.2 參數(shù)優(yōu)化域確定

(2)

λ——與控制保護開關(guān)參數(shù)相關(guān)的優(yōu)化定義系數(shù)；

eR0、iR0——兩個不同的主機泵下限優(yōu)化常量；

eRn、iRn——兩個不同的主機泵上限優(yōu)化常量。

2.3 目標優(yōu)化函數(shù)

(3)

式中m1、m2——兩個不同的電壓擊穿系數(shù)；

ξ——參數(shù)優(yōu)化限制條件；

β——與處置開關(guān)相關(guān)聯(lián)的控制保護系數(shù)。

至此，完成各項應(yīng)用化系數(shù)的計算與處理，實現(xiàn)抽水站主機泵控制保護開關(guān)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計。

3 實驗結(jié)果分析

為驗證抽水站主機泵控制保護開關(guān)參數(shù)優(yōu)化方案的實際應(yīng)用價值，設(shè)計如下對比實驗。將實驗所用的抽水站主機泵調(diào)試至最佳應(yīng)用狀態(tài)，分別與傳統(tǒng)控制保護開關(guān)與新型控制保護開關(guān)相連，其中前者作為對照組、后者作為實驗組。在相同實驗環(huán)境下，分別記錄各時間節(jié)點處開關(guān)體所承受擊穿電壓與擊穿電流的實際數(shù)值水平。

已知開關(guān)體所承受擊穿電壓與擊穿電流均能描述抽水站主機泵的實際應(yīng)用能力，通常情況下，電壓與電流的數(shù)值記錄水平越大，抽水站主機泵的應(yīng)用執(zhí)行能力也就越強，反之則越弱。

以70min作為既定實驗時長，分別記錄在該段時間內(nèi)，應(yīng)用實驗組、對照組控制保護開關(guān)后，抽水站主機泵所承受擊穿電壓的具體數(shù)值水平(見圖4)。

圖4 擊穿電壓數(shù)值對比

分析圖4可知，隨實驗時間的延長，實驗組、對照組抽水站主機泵所承受的擊穿電壓均呈現(xiàn)先穩(wěn)定、再上升、最后下降的變化趨勢，在整個下降過程中，擊穿電壓會先后出現(xiàn)兩次數(shù)值穩(wěn)定狀態(tài)，與極限數(shù)值相比，最終結(jié)束值的下降幅度并不十分明顯。結(jié)合實驗記錄數(shù)值來看，對照組抽水站主機泵所承受擊穿電壓的最大值達到125V，而實驗組抽水站主機泵所承受擊穿電壓的最大值僅能達到80V，與對照組極值相比，下降了45V。綜上可知，隨著新型控制保護開關(guān)參數(shù)優(yōu)化方案的應(yīng)用，主機泵所承受的擊穿電壓數(shù)值確實出現(xiàn)了明顯的下降，對合理化保護抽水站主機泵的工作能力起到了極強的促進作用。表2反映了應(yīng)用實驗組、對照組控制保護開關(guān)后，抽水站主機泵所承受的擊穿電流具體數(shù)值水平。

表2 擊穿電流數(shù)值對比

分析表2可知，隨實驗時間的延長，實驗組、對照組抽水站主機泵所承受的擊穿電流數(shù)值基本都保持逐漸上升的變化趨勢，且在整個上升過程中，兩組記錄結(jié)果均會出現(xiàn)明顯的數(shù)值穩(wěn)定狀態(tài)。結(jié)合實驗記錄數(shù)值來看，實驗組最大值僅達到20.1A，且數(shù)值穩(wěn)定狀態(tài)基本出現(xiàn)在實驗的末尾階段。對照組最大值達到34.5A，與實驗組極值相比，上升了14.4A，數(shù)值穩(wěn)定狀態(tài)基本出現(xiàn)在實驗的中間階段，且隨著穩(wěn)定變動狀態(tài)的結(jié)束，記錄數(shù)值出現(xiàn)了大幅上升的變化趨勢。綜上可知，隨著新型控制保護開關(guān)參數(shù)優(yōu)化方案的應(yīng)用，主機泵所承受的擊穿電流數(shù)值確實出現(xiàn)了明顯的下降，可實現(xiàn)對抽水站主機泵工作能力的合理化保護。

4 結(jié) 語

新型控制保護開關(guān)參數(shù)優(yōu)化方案能夠同時抑制抽水站主機泵所承受擊穿電壓與擊穿電流的上升趨勢，且在LCU柜模塊與數(shù)據(jù)采集傳感器的作用下，整個抽水站主機泵控制體系可在短時間內(nèi)處于持續(xù)性穩(wěn)定狀態(tài)，不僅可實現(xiàn)對控制單元配置接線的目的性按需連接，也可使整個參數(shù)優(yōu)化域環(huán)境得到有效擴充。與傳統(tǒng)控制保護開關(guān)相比，新型參數(shù)優(yōu)化方案可對抽水站主機泵的工作能力進行合理化保護，且隨著保護開關(guān)參數(shù)建模的不斷完善，目標優(yōu)化函數(shù)的功能也會逐漸增強，滿足實際應(yīng)用過程中的電量處置需求。未來相關(guān)研究將從參數(shù)簡化方面入手，使新型控制保護開關(guān)的參數(shù)優(yōu)化方案不斷得到完善。