南水北調(diào)東線工程江蘇段大型泵站非電量保護(hù)研究與應(yīng)用

沈昌榮，杜鵬程

（南水北調(diào)東線江蘇水源有限責(zé)任公司淮安分公司，江蘇 淮安 223001）

1 概述

洪澤站是南水北調(diào)東線第一期工程的第3級(jí)抽水泵站，位于入江水道和洪澤湖之間，具有調(diào)水、發(fā)電、擋洪和改善水環(huán)境等功能，工程主要由泵站、擋洪閘、進(jìn)水閘及引河等組成，安裝立式全調(diào)節(jié)混流泵5 臺(tái)（含備機(jī)1 臺(tái)），單機(jī)設(shè)計(jì)流量37.5 m3/s，配套10 kV同步電機(jī)，單機(jī)功率3550 kW。

洪澤站自2013年建成投運(yùn)以來(lái)，工程發(fā)揮了應(yīng)有的效益。為更好推進(jìn)大型泵站群“遠(yuǎn)程集控、少人值守”工作，2020年以來(lái)對(duì)洪澤站工程監(jiān)控系統(tǒng)軟硬件進(jìn)行了試點(diǎn)改造，針對(duì)原泵站工程存在保護(hù)不全面、不可靠等問(wèn)題，選用基于全國(guó)產(chǎn)自主可控的現(xiàn)地控制單元（PLC）、操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件和數(shù)據(jù)庫(kù)等。在認(rèn)真分析設(shè)備運(yùn)行現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)在數(shù)據(jù)處理、模型構(gòu)建、邏輯完善［1］、定值管理方面開(kāi)展研究，逐步形成大型泵站非電量保護(hù)［2］類(lèi)型、設(shè)備保護(hù)配置等體系成果并試點(diǎn)應(yīng)用，經(jīng)3年多不斷完善，切實(shí)保障了泵站主輔設(shè)備的運(yùn)行安全，工程效益得到有效發(fā)揮，取得了良好效果。

2 洪澤站非電量保護(hù)總體分析

2.1 主要設(shè)備情況

洪澤站主機(jī)組具備正向抽水、反向發(fā)電功能，通過(guò)變頻發(fā)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)反向變速發(fā)電。主要設(shè)備包括主電機(jī)、主水泵、高低壓設(shè)備、工程監(jiān)控系統(tǒng)（含視頻）、油氣水系統(tǒng)以及配套閘門(mén)、啟閉機(jī)等。原工程監(jiān)控系統(tǒng)主要由現(xiàn)場(chǎng)傳感器、現(xiàn)地控制單元（PLC）及上位機(jī)組成，相互之間通過(guò)線纜或交換機(jī)連接。現(xiàn)場(chǎng)傳感器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)測(cè)量，PLC 負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集與處理，上位機(jī)負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能并提供人機(jī)界面。

洪澤站原工程監(jiān)控系統(tǒng)PLC 選用國(guó)外設(shè)備，上位機(jī)安裝windows 操作系統(tǒng)和Intouch 組態(tài)軟件，配主從機(jī)2 臺(tái)。國(guó)外PLC 主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和控制，上位機(jī)安裝的Intouch組態(tài)軟件，自帶少量非電量如溫度、壓力等保護(hù)功能。

2.2 存在問(wèn)題

（1）保護(hù)邏輯單一。洪澤站原少數(shù)非電量保護(hù)功能簡(jiǎn)單，均為上下限值閾值保護(hù)，存在一定的保護(hù)死區(qū)，在泵站工況發(fā)生變化時(shí)易造成保護(hù)誤動(dòng)或拒動(dòng)，且缺少相應(yīng)的保護(hù)閉鎖，保護(hù)可靠性較差。

（2）保護(hù)配置不完整。因上位機(jī)組態(tài)軟件非電量功能簡(jiǎn)單，目前僅對(duì)泵站部分參數(shù)可以設(shè)置一定的非電量保護(hù)，未針對(duì)主機(jī)組、供水系統(tǒng)、油壓系統(tǒng)等對(duì)象進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的非電量保護(hù)配置。與電力系統(tǒng)繼電保護(hù)相比，保護(hù)配置不完整，且泵站非電量保護(hù)目前尚無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。

（3）定值管理不便。隨著設(shè)備更新、工況改變、運(yùn)行數(shù)據(jù)積累，根據(jù)實(shí)際管理需要，部分保護(hù)定值需要調(diào)整、優(yōu)化，功能需投退，原保護(hù)定值及功能一般固化在PLC 或上位機(jī)系統(tǒng)程序中，泵站現(xiàn)場(chǎng)人員難以及時(shí)修改，給定值管理帶來(lái)較大難度。

（4）保護(hù)運(yùn)行不可靠。國(guó)外PLC 一般算力不足，少量的保護(hù)功能需要在上位機(jī)實(shí)現(xiàn)，存在以下2 個(gè)方面問(wèn)題：一是傳感器異常、受電磁干擾、非正常波動(dòng)等，采集數(shù)據(jù)不能得到有效處理，造成數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，產(chǎn)生誤報(bào)警；二是上位機(jī)Windows為多任務(wù)操作系統(tǒng)，經(jīng)多年實(shí)踐證明，雖采用主從機(jī)配置，長(zhǎng)期運(yùn)行會(huì)大量占用內(nèi)存，經(jīng)常出現(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)運(yùn)行速度變慢或死機(jī)，導(dǎo)致保護(hù)不可靠。

3 洪澤站非電量保護(hù)研究

3.1 非電量保護(hù)范圍

經(jīng)對(duì)洪澤站各類(lèi)技術(shù)參數(shù)梳理分析，除電氣量外，有溫度、液位、壓力、流量、振擺、時(shí)間、速度、圖像等，涉及的主要設(shè)備包括主電機(jī)、主水泵、供排水、抽真空、葉調(diào)裝置、啟閉機(jī)、電力電纜等，上述設(shè)備運(yùn)行安全對(duì)泵站效益發(fā)揮具有直接影響，應(yīng)統(tǒng)一納入非電量保護(hù)范圍。

3.2 設(shè)備更新改造

針對(duì)上述泵站非電量保護(hù)存在的問(wèn)題，在滿足“遠(yuǎn)程集控、少人值守”技術(shù)要求下，提高非電量保護(hù)可靠性，將原以上位機(jī)為核心的部分非電量保護(hù)統(tǒng)一改由PLC 實(shí)現(xiàn)，同時(shí)提高PLC 邊緣計(jì)算能力，上位機(jī)僅作為人機(jī)交互接口。在充分論證基礎(chǔ)上，本次改造選用的PLC 全部使用國(guó)產(chǎn)自主可控N500系列，上位機(jī)選用Linux 操作系統(tǒng)、IMC 一體化應(yīng)用平臺(tái)。另外主從上位機(jī)采用負(fù)載均衡技術(shù)、互相監(jiān)測(cè)技術(shù)等，3年多運(yùn)行一直穩(wěn)定。

3.3 采集數(shù)據(jù)處理

洪澤站現(xiàn)場(chǎng)采集的所有非電量數(shù)據(jù)統(tǒng)一由PLC處理，除振擺以外的大部分非電量數(shù)據(jù)不會(huì)在短期內(nèi)發(fā)生較大變化，為提高采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，采取以下措施對(duì)其進(jìn)行處理：一是對(duì)數(shù)據(jù)品質(zhì)進(jìn)行判斷，避免“假數(shù)據(jù)”超限造成報(bào)警，如測(cè)量元件損壞或斷線、接觸不良等；二是對(duì)突變數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選和分離，減小信號(hào)干擾帶來(lái)的數(shù)據(jù)跳變，使獲取的數(shù)據(jù)更加合理，如紅外測(cè)溫、壓力數(shù)據(jù)等；三是對(duì)周期變化數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾，取一定周期內(nèi)平均值，如機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中油缸油位等；四是采用不同策略合理確定存儲(chǔ)周期，既保留數(shù)據(jù)完整性，又避免大量正常數(shù)據(jù)占用存儲(chǔ)資源，降低數(shù)據(jù)抽取難度；五是對(duì)影響工程安全運(yùn)行較大的數(shù)據(jù)，采用不同設(shè)備、不同原理、不同電源的雙套采集裝置，并相互比較。

3.4 保護(hù)類(lèi)型總結(jié)劃分

根據(jù)泵站非電量數(shù)據(jù)劃分，洪澤站非電量保護(hù)種類(lèi)分為溫度、液位、壓力、流量、振擺、時(shí)間、速度、圖像等，見(jiàn)圖1。

圖1 非電量保護(hù)類(lèi)型

3.4.1 溫度保護(hù)

溫度保護(hù)是泵站非電量保護(hù)中應(yīng)用最廣泛的保護(hù)，主要應(yīng)用于主電機(jī)軸瓦、油缸、定子繞組、碳刷、變壓器、冷卻水以及填料函等多種設(shè)備或部件。按照保護(hù)的重要性、可靠性和靈敏性要求，不同設(shè)備或部件所采用的保護(hù)不完全相同。以洪澤站為例，根據(jù)多年運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，軸瓦作為主電機(jī)薄弱部件，僅僅采用溫度閾值保護(hù)，還不能完全預(yù)防燒瓦事故的發(fā)生，因此增加了溫度變化率、加速趨勢(shì)保護(hù)模型，并提前發(fā)出分類(lèi)信號(hào)。

（1）變化率保護(hù)。以主電機(jī)推力瓦溫度保護(hù)為例，上限運(yùn)行溫度設(shè)定為55 ℃，正常運(yùn)行溫度約為30 ℃，根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，若推力瓦或機(jī)組冷卻系統(tǒng)出現(xiàn)故障，瓦溫緩慢上升到上限溫度也需要數(shù)分鐘甚至數(shù)小時(shí)。為盡早發(fā)現(xiàn)推力瓦故障，機(jī)組軸瓦設(shè)置變化率保護(hù)，以設(shè)定的單位時(shí)間計(jì)算溫度上升的幅度，當(dāng)變化率超過(guò)設(shè)定值時(shí)觸發(fā)相應(yīng)動(dòng)作。

（2）加速趨勢(shì)保護(hù)。若機(jī)組異常振動(dòng)、電機(jī)推力瓦機(jī)械緊固（支撐）件發(fā)生異常松動(dòng)脫落，軸瓦出現(xiàn)瞬時(shí)性故障，如果接觸面潤(rùn)滑油膜被破壞，瓦溫會(huì)呈加速度上升趨勢(shì)，如保護(hù)不及時(shí)動(dòng)作，短時(shí)間在主電機(jī)瓦面極有可能受損。

針對(duì)此類(lèi)情況，通過(guò)計(jì)算一段時(shí)間內(nèi)溫升變化加速趨勢(shì)概率可以判斷瓦溫是否快速上升，見(jiàn)圖2。該方法引用了Mann-Kendall 單調(diào)趨勢(shì)檢驗(yàn)法，其算法程序如下：

圖2 溫度隨時(shí)間上升幾種情況

對(duì)保存的最近10 個(gè)時(shí)間序列樣本TΔ，進(jìn)行如下計(jì)算：

其原理是，如果出現(xiàn)趨勢(shì)，符號(hào)值將趨向于不斷增加，或不斷減少。將每個(gè)值與時(shí)間序列中之前每個(gè)值進(jìn)行比較，這將給出總共n（n-1）/2 對(duì)數(shù)據(jù)，其中“n”是集合中的觀測(cè)數(shù)。變化率加速遞增趨勢(shì)概率α=S/［n（n-1）/2］。

通過(guò)越限保護(hù)、變化率保護(hù)、加速趨勢(shì)保護(hù)3種不同的保護(hù)邏輯算法，形成對(duì)機(jī)組軸瓦溫度常規(guī)越限、勻速上升、加速上升的互補(bǔ)保護(hù)，可有效避免燒瓦現(xiàn)象發(fā)生。

3.4.2 液位保護(hù)

液位包括水位和油位，正常情況下，設(shè)備液位不會(huì)迅速變化，故液位一般采用閾值保護(hù)，如油缸（箱）油位，高位水箱、廊道、上下游水位等。其中，油缸（箱）油位、廊道水位、上下游水位采用上、下限值保護(hù)，高位水箱水位采用下限值保護(hù)。

3.4.3 壓力保護(hù)

壓力保護(hù)分為正壓和負(fù)壓。其中，葉片調(diào)節(jié)壓力油系統(tǒng)為正壓，工作壓力范圍為3.6～4.0 MPa，采用上、下限值保護(hù)；抽真空系統(tǒng)為負(fù)壓，壓力小于-30 kPa，采用上限值保護(hù)。

3.4.4 流量保護(hù)

洪澤泵站流量參數(shù)包括技術(shù)供水、填料潤(rùn)滑水、稀油站供油流量等。為確保設(shè)備冷卻潤(rùn)滑效果和經(jīng)濟(jì)性，實(shí)際工作流量通過(guò)設(shè)備操作調(diào)整，因此流量保護(hù)一般只設(shè)下限保護(hù)，少量設(shè)置上限保護(hù)。如水泵填料函供水流量需要設(shè)置上限，目的是防止填料供水流量大會(huì)溢出至頂蓋，增加管理工作量。

3.4.5 振擺保護(hù)

振動(dòng)擺度保護(hù)是泵站旋轉(zhuǎn)機(jī)械的主保護(hù)，用于監(jiān)測(cè)主電機(jī)機(jī)架、水泵葉輪外殼兩方向或三方向振動(dòng)以及主泵軸擺度，振擺保護(hù)采用上限值保護(hù)。

3.4.6 時(shí)間保護(hù)

洪澤站非電量參數(shù)均為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，如溫度、壓力、液位等。本次首次引入時(shí)間保護(hù)，時(shí)間保護(hù)對(duì)象分為2 種：一是周期性工作的設(shè)備，如液壓站、排水泵，屬于具備周期性規(guī)律的工作設(shè)備，通過(guò)對(duì)多次運(yùn)行時(shí)間統(tǒng)計(jì)，設(shè)置時(shí)間保護(hù)上限；二是閘門(mén)啟閉機(jī)，對(duì)閘門(mén)上升、下降啟閉機(jī)運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行正負(fù)值累計(jì)，并結(jié)合實(shí)際閘門(mén)的上升（下降）安全時(shí)間余量，合理設(shè)置閘門(mén)保護(hù)上限值，防止閘門(mén)超出正常行程范圍。

3.4.7 速度保護(hù)

主要用于閘門(mén)保護(hù)，防止閘門(mén)異常墜落。一是監(jiān)測(cè)閘門(mén)在未操作情況下是否存在下滑現(xiàn)象；二是閘門(mén)運(yùn)行時(shí)若啟閉機(jī)發(fā)生故障，閘門(mén)快速下滑、墜落時(shí)可以接通低壓電源，使電機(jī)進(jìn)入反饋制動(dòng)狀態(tài)，牽制閘門(mén)下滑、降低速度，減小閘門(mén)下滑對(duì)底板造成的損傷。速度保護(hù)設(shè)置上下限值。

3.4.8 圖像保護(hù)

為滿足“遠(yuǎn)程集控、少人值守”泵站運(yùn)行需要，首次提出圖像保護(hù)應(yīng)用于工程設(shè)備保護(hù)，圖像保護(hù)與以上使用閾值或其他數(shù)據(jù)形式作為判據(jù)的保護(hù)方式不同，它使用視頻AI 識(shí)別技術(shù)，通過(guò)不同類(lèi)型的算法實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能，主要應(yīng)用于閘門(mén)設(shè)置限位、填料涵溢水等場(chǎng)景。

3.5 保護(hù)閉鎖及動(dòng)作

3.5.1 保護(hù)閉鎖

（1）狀態(tài)閉鎖。洪澤泵站設(shè)備狀態(tài)分為運(yùn)行、停運(yùn)和檢修3 種，非電量保護(hù)主要在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中發(fā)揮作用。對(duì)這3 種設(shè)備狀態(tài)，采集數(shù)據(jù)是不相同的，如不采取措施，就會(huì)產(chǎn)生誤動(dòng)作。采取的保護(hù)策略：增加狀態(tài)閉鎖功能，當(dāng)設(shè)備停運(yùn)時(shí)，相應(yīng)非電量保護(hù)自動(dòng)閉鎖［3］，不發(fā)任何信號(hào)。當(dāng)設(shè)備檢修時(shí)，根據(jù)工作票要求，在上位機(jī)界面上完成安全措施后，相應(yīng)非電量保護(hù)自動(dòng)退出，檢修完成后，恢復(fù)安全措施后，保護(hù)功能自動(dòng)恢復(fù)。

（2）延時(shí)閉鎖。在泵站設(shè)備運(yùn)行全過(guò)程中，有部分非電量數(shù)據(jù)仍會(huì)造成誤動(dòng)作，一是在設(shè)備運(yùn)行初期或啟停瞬間，有些設(shè)備運(yùn)行尚不穩(wěn)定，參數(shù)有時(shí)會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)；二是設(shè)備有時(shí)會(huì)出現(xiàn)偶發(fā)性故障，運(yùn)行數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)較大震蕩，如振擺值。同時(shí)還要考慮不能對(duì)真實(shí)故障造成影響，因此采用延時(shí)閉鎖，通過(guò)設(shè)置一定合理延時(shí)，當(dāng)采集數(shù)據(jù)與延時(shí)閉鎖同時(shí)滿足條件時(shí)，保護(hù)功能再啟動(dòng)，進(jìn)一步增加保護(hù)的可靠性與設(shè)備運(yùn)行的連續(xù)性。

3.5.2 動(dòng)作信號(hào)

為確保保護(hù)策略運(yùn)用的可靠性，針對(duì)各種不同功能的保護(hù)，按照故障嚴(yán)重程度不同，進(jìn)行分類(lèi)分級(jí)管理，保護(hù)動(dòng)作后，發(fā)出的信號(hào)分為提醒、報(bào)警、調(diào)節(jié)和跳閘，報(bào)警設(shè)定值比跳閘值低。

（1）報(bào)警。對(duì)于任意一點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)發(fā)生異常時(shí)均發(fā)出提醒信號(hào)，以便及時(shí)維護(hù)。當(dāng)滿足相應(yīng)閉鎖條件，且保護(hù)功能投入時(shí)，PLC 發(fā)出語(yǔ)音報(bào)警信號(hào)，上位機(jī)采用彈窗推出，及時(shí)提醒值班人員。

（2）調(diào)節(jié)。為最大能力保證泵站連續(xù)發(fā)揮效益，充分利用設(shè)備的潛在能力，發(fā)生某些故障時(shí)，可以通過(guò)調(diào)節(jié)相關(guān)運(yùn)行狀態(tài)，消除短時(shí)故障。如當(dāng)水泵工況變差或有異物進(jìn)入時(shí)，泵殼振動(dòng)數(shù)據(jù)變化最明顯。當(dāng)泵殼兩點(diǎn)越限時(shí)，在滿足前置條件的前提下，按照預(yù)先設(shè)置調(diào)節(jié)水泵葉角，改善機(jī)組運(yùn)行工況，可使故障消失。

（3）跳閘。故障嚴(yán)重，影響設(shè)備安全運(yùn)行時(shí)，根據(jù)不同設(shè)備、同類(lèi)參數(shù)采集量等實(shí)際情況，按照既最大程度保護(hù)、又不耽誤動(dòng)作的原則，采用單點(diǎn)或多參數(shù)聯(lián)合，迅速發(fā)出跳閘信號(hào)停運(yùn)設(shè)備，并對(duì)故障參數(shù)自動(dòng)記錄。

3.6 定值管理

為解決現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維人員難以靈活修改非電量保護(hù)定值的問(wèn)題，洪澤站非電量保護(hù)以現(xiàn)地控制單元為核心，所有保護(hù)定值及功能全部存儲(chǔ)在現(xiàn)地控制單元，計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)提供人機(jī)交互平臺(tái)，遠(yuǎn)程集控中心和現(xiàn)地泵站上位機(jī)同時(shí)與現(xiàn)地PLC 通訊，共享一套非電量保護(hù)數(shù)據(jù)。

洪澤站保護(hù)定值及功能，可以根據(jù)運(yùn)行情況和實(shí)際需要，通過(guò)工程監(jiān)控系統(tǒng)，登錄相應(yīng)權(quán)限的賬戶，即可根據(jù)需求優(yōu)化、調(diào)整存儲(chǔ)在PLC 中的非電量保護(hù)定值或?qū)ζ涔δ苓M(jìn)行投退，運(yùn)用管理高效便捷。

3.7 保護(hù)配置

根據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況和需求，洪澤站非電量保護(hù)總體按照以下要求配置［4］：（1）主機(jī)組，包括主電機(jī)和水泵，配置的非電量保護(hù)包括溫度保護(hù)、流量保護(hù)、壓力保護(hù)、振擺保護(hù)、液位保護(hù)、圖像保護(hù)；（2）輔機(jī)系統(tǒng)，主要包括供水系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、抽真空系統(tǒng)、葉片調(diào)節(jié)系統(tǒng)、稀油站等，配置的非電量保護(hù)包括溫度保護(hù)、流量保護(hù)、壓力保護(hù)、液位保護(hù)、時(shí)間保護(hù)；（3）變配電系統(tǒng)，主要包括主變壓器、站（所）用變壓器、變頻機(jī)組及配套高低壓電氣柜，配置的非電量保護(hù)類(lèi)型包括溫度保護(hù)、液位保護(hù)；（4）水閘設(shè)備，主要包括閘門(mén)、啟閉機(jī)，配備的非電量保護(hù)主要包括時(shí)間保護(hù)、速度保護(hù)、圖像保護(hù)。

4 結(jié)語(yǔ)

洪澤站非電量保護(hù)現(xiàn)已成為泵站保護(hù)系統(tǒng)重要組成部分，為全站設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行提供保障，也為行業(yè)發(fā)展提供了借鑒與思路。考慮到各泵站保護(hù)對(duì)象的廣泛性、多樣性，泵站非電量保護(hù)仍需持續(xù)深入研究。