基于PLC技術(shù)的水利刀閘及電纜自動化控制應(yīng)用分析

林 琳

(深圳市東江水源工程管理處，廣東 深圳 518000)

0 前言

傳統(tǒng)水利電力控制系統(tǒng)中，多采用電能生產(chǎn)、傳輸、消耗等流程、相關(guān)一次、二次配電設(shè)備(變電站設(shè)備等)為主體構(gòu)成單元，以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)能、消耗均衡運(yùn)行管理[1]。然而傳統(tǒng)水利變電站控制系統(tǒng)運(yùn)行、電纜控制管理中仍存在安全性、可靠性難以符合現(xiàn)代電力傳輸、能耗量大、實(shí)時(shí)自動化控制等缺點(diǎn)(如水利刀閘控系統(tǒng)制時(shí)效精準(zhǔn)性不足等)。在此基礎(chǔ)上，為提升水利變電站系統(tǒng)、設(shè)備質(zhì)量安全、創(chuàng)新電力設(shè)備技術(shù)，本文以互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)、自動化技術(shù)、實(shí)時(shí)監(jiān)測基礎(chǔ)為智能傳控依據(jù)，應(yīng)用PLC技術(shù)(綜合控制設(shè)備)改建水利變電站110 kv刀閘工程。其相較于傳統(tǒng)變電站控制技術(shù)，PLC技術(shù)在水利變電站控制中具備程序邏輯變更便捷、設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)速度快、體積小且抗干擾能力出眾等優(yōu)勢，不僅有效提升了電纜能量傳輸、消耗能力，而且有效保障了水利機(jī)電單元運(yùn)行系統(tǒng)安全生產(chǎn)[2-3]。

依據(jù) PLC 技術(shù)安全性、廣泛性特征實(shí)現(xiàn)水利刀閘自動化改造極為關(guān)鍵，為此，本文以某區(qū)域泵站為例，綜合論述分析PLC技術(shù)改造設(shè)計(jì)原則、方案、目標(biāo)等，以探索水利刀閘改造設(shè)備實(shí)現(xiàn)原則及實(shí)現(xiàn)調(diào)試中存在的相關(guān)情況，進(jìn)而合理性掌握PLC技術(shù)下水利變電站及控制電纜改建預(yù)期效果及安全效益。

1 自動化控制系統(tǒng)總體方案

1.1 設(shè)計(jì)總體目標(biāo)與功能

由于傳統(tǒng)泵站110 kv變電站設(shè)備在工作年限和質(zhì)量中均存在一定約束性，為此，為提高區(qū)域內(nèi)泵站供電、供水安全、穩(wěn)定，避免非計(jì)劃性停電，保障泵站用電安全、智能、可靠原則，本文以PLC技術(shù)設(shè)計(jì)改造區(qū)域泵站水利刀閘及控制電纜；其次，泵站110 kv刀閘經(jīng)PLC智能化設(shè)計(jì)改造后，對電網(wǎng)系統(tǒng)操作隱患、水源工程安全運(yùn)行、控制端信號傳輸穩(wěn)定有穩(wěn)步提升，使之即優(yōu)化了泵站區(qū)域內(nèi)水資源合理分配，又提升了區(qū)域用水安全。

在PLC技術(shù)設(shè)計(jì)總體目標(biāo)下，本文分析隔離刀閘PLC技術(shù)功能，結(jié)果見表1所示。由表1可知，水利隔離刀閘功能多樣，如結(jié)構(gòu)為雙柱水平旋轉(zhuǎn)式、接地開關(guān)為單/雙接地類型、操作方式為三相機(jī)械操作，自動化電控功能一方面降低了泵站運(yùn)行養(yǎng)護(hù)成本，提高了刀閘性能，另一方面水利工程自動化控制功能提升了經(jīng)濟(jì)效益和社會效益[4]。

表1 110 kV隔離刀閘技術(shù)要求

1.2 自動化控制設(shè)計(jì)原則

為實(shí)現(xiàn)區(qū)域泵站內(nèi)智能控制系統(tǒng)對變電站中水利刀閘等設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測功能，本文以決策優(yōu)先和控制優(yōu)先分析PLC技術(shù)控制下水利刀閘情況，結(jié)果見圖1所示。通過圖1可知，決策優(yōu)先時(shí)，PC遠(yuǎn)程控制中心通過PLC中控平臺實(shí)時(shí)監(jiān)測獲取水利水位信息、變電站電參數(shù)、水利泵閘參數(shù)等指標(biāo)，進(jìn)而依據(jù)自動化監(jiān)測指標(biāo)數(shù)據(jù)分析、研判，以決策服務(wù)水利刀閘啟停狀態(tài)，以符合自動控制總體性原則，分層分布原則等；而當(dāng)控制優(yōu)先時(shí)，各控制單元能量層級由低往高，并形成自動控制與手動控制模式，實(shí)現(xiàn)了自動控制系統(tǒng)中可靠性、保護(hù)獨(dú)立性原則，實(shí)現(xiàn)了泵站機(jī)電設(shè)備單元整體性控制、信息共享和共建原則。

圖1 水利刀閘監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 自動化控制技術(shù)方案

為確保區(qū)域泵站電網(wǎng)設(shè)備安全、穩(wěn)定，本文在該泵站中水利刀閘自動化及控制電纜改造設(shè)計(jì)中，根據(jù)區(qū)域泵站110kv泵站檢修狀態(tài)提出點(diǎn)自動化控制技術(shù)方案：

1.3.1 技術(shù)方案主體思路

依據(jù)區(qū)域泵站水利刀閘及控制電纜改造工作范圍，實(shí)現(xiàn)PLC自動化測控主機(jī)、CPU模塊、網(wǎng)絡(luò)屏等、控制電纜、泵站電力設(shè)備調(diào)試等工作技術(shù)升級改造。如設(shè)計(jì)改造110kV進(jìn)線隔離刀閘及接地刀；設(shè)計(jì)改造110 kV變電站內(nèi)主變對應(yīng)的主變保護(hù)盤、110 kV隔離開關(guān)和接地刀之間控制電纜[5]。

1.3.2 技術(shù)方案規(guī)范

本次基于PLC技術(shù)下的泵站水利刀閘自動化控制及控制電纜改造中，各建設(shè)技術(shù)方案應(yīng)遵循如下規(guī)范：《灌排泵站機(jī)電設(shè)備報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)》-(SL 510-2011)、《電力系統(tǒng)繼電保護(hù)及安全自動裝置評價(jià)規(guī)程》-(DL/T 623-2010)、《泵站技術(shù)管理規(guī)程》-(SL255-2000)、《變壓器用風(fēng)扇》-(JB/T 9642-2013)等[6]。

1.3.3 自控方案設(shè)計(jì)改造內(nèi)容

在自動化控制技術(shù)方案背景下，進(jìn)一步設(shè)計(jì)PLC技術(shù)下泵站刀閘工程自動化控制系統(tǒng)，其部分自動化設(shè)計(jì)改造內(nèi)容結(jié)果見表2。由表2可知，區(qū)域泵站刀閘自動化改造下，選取電源模塊和CPU(CPU315-2PN/DP)模塊，其中，CPU模塊為PLC單元核心組件，其功能為統(tǒng)籌運(yùn)算速度、下發(fā)功能指令，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)泵站刀閘安全、精準(zhǔn)的自動化控制。

表2 部分PLC水利刀閘模塊選型

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

2.1 軟/硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

為實(shí)現(xiàn)水利刀閘自動化遠(yuǎn)程控制服務(wù)，本文以計(jì)算機(jī)PC端、網(wǎng)絡(luò)通訊(5G/移動)和PLC控制可編程控制器(自動化控制技術(shù))等多技術(shù)結(jié)合，設(shè)計(jì)構(gòu)建區(qū)域泵站水利刀閘自動控制管理系統(tǒng)。該水利刀閘控制管理系統(tǒng)有效實(shí)現(xiàn)了泵站無人值守、遠(yuǎn)程控制、精準(zhǔn)計(jì)算等。其中，在PLC控制系統(tǒng)中，搭配繼電器、接觸器、CPU、控制柜、視頻監(jiān)控平臺等硬件設(shè)備，并在控制系統(tǒng)配套設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)了控制柜網(wǎng)絡(luò)管理、本地管理和手動模式管理，提高了水利刀閘設(shè)備使用安全性；而網(wǎng)絡(luò)端視頻監(jiān)控中，通過遠(yuǎn)程攝像機(jī)、PC端相互協(xié)同，實(shí)現(xiàn)了水利刀閘設(shè)備故障報(bào)警、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸、監(jiān)測等功能。

在水利刀閘PLC自動化控制系統(tǒng)下，本文設(shè)計(jì)軟件功能為PLC程序編寫、系統(tǒng)保護(hù)裝置、動態(tài)組畫、數(shù)據(jù)集中控制管理等。如在PLC程序編寫中，通過變更控制方式編碼，實(shí)現(xiàn)刀閘啟停任意開度，有效降低了水利刀閘開啟/關(guān)閉狀態(tài)時(shí)系統(tǒng)誤差；控制系統(tǒng)動態(tài)組畫方面，不僅及時(shí)的編碼解譯泵站周邊光、溫、水、氣等環(huán)境參數(shù)值，同時(shí)能在界面操作系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)對任意設(shè)備情況審查、控制、管理和調(diào)度，實(shí)現(xiàn)了自動化管理，設(shè)計(jì)構(gòu)建了水利刀閘一體化控制模式。

2.2 裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2.1 主變中性點(diǎn)接地裝置設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

目前，在水利泵站變壓裝置中，多通過主變中性點(diǎn)接地裝置降低變電站設(shè)備因電壓升高所引起的系統(tǒng)故障，以保障水利刀閘運(yùn)轉(zhuǎn)安全性、控制電纜管理、傳輸穩(wěn)定性。為進(jìn)一步系統(tǒng)分析，本文通過表3以分析主變中性點(diǎn)接地裝置參數(shù)特征。通過表3可知，主變中性點(diǎn)裝置主體參數(shù)分為接地隔離開關(guān)、操作機(jī)構(gòu)、輔助機(jī)構(gòu)和荷載能力四部分，且該裝置采用球形間隙方式，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中裝置組配靈活，便捷使用；其次，接地裝置各參數(shù)指標(biāo)均具有最大閾值限程，表明當(dāng)裝置參數(shù)指標(biāo)值處于閾值標(biāo)準(zhǔn)范圍時(shí)，接地裝置在運(yùn)行時(shí)穩(wěn)定性、安全性優(yōu)質(zhì)。

表3 110 kV主變中性點(diǎn)接地裝置技術(shù)要求

2.2.2 電動接地刀閘正/反轉(zhuǎn)裝置

本文在泵站水利變電裝置設(shè)計(jì)改造時(shí)，為實(shí)現(xiàn)水利刀閘遠(yuǎn)程控制交流、自動化操作和強(qiáng)化控制精準(zhǔn)性，采用PLC控制交流器以完成水利電動閘門正/反轉(zhuǎn)，其裝置結(jié)構(gòu)示意圖見圖2所示。通過圖2可知，正/反接觸器共計(jì)連接3組端口(正轉(zhuǎn)端、公共端和反轉(zhuǎn)端)，其中公共端相連常用電壓，當(dāng)公共端連接電源時(shí)，若變更電源連接線至正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)裝置上，則能控制裝置內(nèi)馬達(dá)轉(zhuǎn)向，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)水利刀閘裝置的自動化、安全化和精準(zhǔn)化控制。

2.2.3 系統(tǒng)冷卻裝置

當(dāng)通過PLC機(jī)電控制單元自動化控制水利刀閘時(shí)，其變電站裝置內(nèi)部、硬件設(shè)施、控制電纜裝置均將部分電能轉(zhuǎn)化為熱能，致使自動化系統(tǒng)裝置溫度急劇上升，為此，本文在保障控制系統(tǒng)運(yùn)行安全前提下，以冷卻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)PLC水利刀閘自動控制裝置穩(wěn)定運(yùn)行。例如，運(yùn)行中變壓器頂層油溫或變壓器負(fù)荷臨近閾值時(shí)，輔助冷卻器自動投入運(yùn)行；當(dāng)冷卻器發(fā)生投切或冷卻系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，及時(shí)發(fā)送信息，提供干接點(diǎn)接口。最終，通過冷卻保護(hù)裝置實(shí)現(xiàn)PLC自動控制系統(tǒng)安全、可靠運(yùn)行。

2.3 控制電纜設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

由于傳統(tǒng)變電站控制電纜絕緣用聚乙烯或聚氯乙烯材料，雖然材質(zhì)絕緣性能好但耐高溫性能差；填充材料密度高但不吸水、耐高溫性能差且鎧裝層鋼帶難以抵御外部磕碰，進(jìn)而易損壞泵站變電站電纜設(shè)備，增大周邊財(cái)產(chǎn)、生產(chǎn)和環(huán)境等造成安全隱患幾率。在此背景下，為降低變電站刀閘控制應(yīng)用安全隱患，本文設(shè)計(jì)更換新型控制電纜，該設(shè)計(jì)材質(zhì)具備以下特征：(1)U0/U、450/750V水準(zhǔn)的超絕緣水平，且材質(zhì)本身耐高溫性能好、不燃燒；(2)電纜導(dǎo)體符合GB/T 3956標(biāo)準(zhǔn)，表面光潔、無損傷絕緣的毛刺；(3)護(hù)套采用熱塑性聚氯乙烯絕緣材料且厚度不小于GB/T 9330標(biāo)準(zhǔn)；(4)外部鋼帶鎧裝以雙鋼帶間隙繞包，鋼帶繞包平整緊密，鋼帶接續(xù)焊接平整牢固；(5)電纜外部防護(hù)裝置包在纜芯上，護(hù)層表面光潔、色澤均勻(控制電纜設(shè)計(jì)成品示意圖見圖3所示)。

注：1-銅導(dǎo)體 2-PVC絕緣 3-PP填充 4-PVC帶繞包內(nèi)襯層 5-銅帶屏蔽層 6-PVC擠出內(nèi)襯層 7-鋼帶鎧裝層 8-PVC擠出外護(hù)套

3 PLC技術(shù)的自動化控制系統(tǒng)運(yùn)行與調(diào)試措施分析

3.1 自動化運(yùn)行情況分析

本文以PLC為基礎(chǔ)所設(shè)計(jì)改造的水利刀閘自動化裝置運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定，控制功能完備，在自動化運(yùn)行中滿足以下具體特征。(1)PLC控制刀閘裝置可靠性高。由于在運(yùn)行中該裝置故障率低，維護(hù)成本低且裝置系統(tǒng)升級和擴(kuò)容便捷；(2)裝置對泵站變電站極端特殊環(huán)境中適應(yīng)性強(qiáng)，抗干擾能力強(qiáng)，PLC裝置控制、監(jiān)測接收的刀閘數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。但PLC水利刀閘控制裝置對于水利水電系統(tǒng)工作環(huán)境要求較高，其浪涌抑制能力和裝置質(zhì)量規(guī)范需進(jìn)一步加強(qiáng)，以保證生產(chǎn)作業(yè)安全、穩(wěn)定。

3.2 自動化控制調(diào)試運(yùn)行管控措施分析

3.2.1 質(zhì)量控制措施及標(biāo)準(zhǔn)

1)基于PLC技術(shù)的水利刀閘設(shè)計(jì)應(yīng)用質(zhì)量控制措施

為保障自動化水利刀閘質(zhì)量安全，本文通過以下兩點(diǎn)控制措施調(diào)試管控分析：(1)刀閘連桿附件安裝，首先通過三相聯(lián)動隔離刀閘拐臂用圓頭鍵裝在中極，將主刀閘放至合閘位置，而橫連桿安裝時(shí)，將主刀置于分閘或合閘位置，以保障水利刀閘生產(chǎn)中的穩(wěn)定性和規(guī)范管理性；(2)在跳線接線過程中，導(dǎo)線應(yīng)放平不能彎曲，調(diào)試檢查導(dǎo)線是否存在結(jié)扣、斷股等問題，進(jìn)而通過控制措施調(diào)試分析，加強(qiáng)PLC自動化控制技術(shù)下水利刀閘及變電站安全性。

2)中性點(diǎn)接地裝置更換質(zhì)量控制措施

在中性點(diǎn)接地裝置調(diào)試、更換中，應(yīng)滿足以下質(zhì)量控制措施，以管控裝置設(shè)備應(yīng)用安全性。(1)調(diào)試更換刀閘時(shí)，注意避免碰撞，嚴(yán)禁設(shè)備傾斜時(shí)而將設(shè)備吊起；(2)裝置易觀察區(qū)應(yīng)位于同一側(cè)；(3)校正互感器變化和準(zhǔn)確度；(4)計(jì)數(shù)器指示三相統(tǒng)一，引線連接可靠。

3.2.2 調(diào)試運(yùn)行預(yù)見問題及解決措施

基于PLC技術(shù)改造的水利刀閘自動化控制裝置和電纜更換均需要在試運(yùn)行階段及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，布設(shè)整改措施，以保證自動化控制裝置運(yùn)行中安全性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。當(dāng)在調(diào)試運(yùn)行改造作業(yè)前，及時(shí)熟悉應(yīng)急工程及應(yīng)急準(zhǔn)則，強(qiáng)化良好的組織協(xié)調(diào)和應(yīng)變能力，以提高整體救援工作水平。

在出現(xiàn)問題處理過程中，應(yīng)及時(shí)控制設(shè)備裝置停止作業(yè)。如泵站變電站電網(wǎng)跳閘時(shí)，需防止設(shè)備傷害事故的再發(fā)生，停運(yùn)設(shè)備損壞應(yīng)做好設(shè)備保護(hù)措施，避免再影響其它運(yùn)行設(shè)備，并及時(shí)上報(bào)，以保證人員、設(shè)備安全性。

4 結(jié)語

為保障泵站變電站水利設(shè)備裝置供電穩(wěn)定、安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，本文以PLC技術(shù)綜合互聯(lián)網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)通信和自動化控制技術(shù)于一體，構(gòu)建安全、經(jīng)濟(jì)、可靠的水利刀閘自動化控制裝置，并通過控制電纜優(yōu)化改造，降低安全生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)隱患，進(jìn)而得到以下相關(guān)結(jié)論：

(1)經(jīng)PLC技術(shù)改造，完善了水利刀閘軟/硬件設(shè)計(jì)原則、應(yīng)用質(zhì)量控制措施和運(yùn)行管控安全措施，實(shí)現(xiàn)了水利刀閘及控制電纜的體系化管理。

(2)經(jīng)優(yōu)化改造后，PLC技術(shù)裝置下水利刀閘抗干擾能力、可靠性和安全性能力顯著提升，有效助推了區(qū)域泵站經(jīng)濟(jì)效益和社會效益增值。