水電站機(jī)組輔助設(shè)備電機(jī)控制中心一體化設(shè)計(jì)及應(yīng)用

李天毅，孫光超，楊春霞

（1.北京中水科水電科技開發(fā)有限公司，北京 100038；2.中國水利水電第十一工程局有限公司，河南 鄭州 450001）

0 引言

在水電站機(jī)組及輔助設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)中，輔機(jī)控制系統(tǒng)的控制對(duì)象一般包括：機(jī)組輔助設(shè)備（如油壓裝置、頂蓋排水系統(tǒng)等）、電站公用設(shè)備（如空壓機(jī)系統(tǒng)、滲漏排水系統(tǒng)等）、以及其余的生產(chǎn)輔助設(shè)備（如風(fēng)機(jī)、組合式空調(diào)等）。輔機(jī)設(shè)備控制柜一般都是按照“方便設(shè)備操作”原則，就近安裝在被控設(shè)備對(duì)象區(qū)域，以便于現(xiàn)場調(diào)試和投運(yùn)后的運(yùn)行巡檢?，F(xiàn)階段機(jī)組輔助設(shè)備控制系統(tǒng)雖然采用PLC 和觸摸屏來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，但各個(gè)控制系統(tǒng)與機(jī)組PLC 控制系統(tǒng)之間的信號(hào)連接依然普遍采用硬接線回路實(shí)現(xiàn)，也就是說機(jī)組輔助設(shè)備的現(xiàn)場信號(hào)需要先接入到機(jī)組輔助設(shè)備控制柜，再通過硬接線轉(zhuǎn)接到機(jī)組PLC 控制系統(tǒng)。這無形中增加了電纜敷設(shè)的任務(wù)量，造價(jià)高，盤柜內(nèi)接線復(fù)雜，設(shè)備的故障點(diǎn)多，不便于設(shè)備維護(hù)，以至于在設(shè)備投產(chǎn)后如需增加信號(hào)需要改動(dòng)的工作量大[1]。

本文提出一種在機(jī)組PLC 控制系統(tǒng)中新增機(jī)組輔助設(shè)備電機(jī)控制中心（MCC）接入機(jī)組輔助設(shè)備的一體化設(shè)計(jì)方案，弱化了機(jī)組輔助設(shè)備控制柜的功能，卻能很好地避免上述問題。因?yàn)闄C(jī)組輔助設(shè)備控制柜的安裝位置與機(jī)組LCU 的安裝位置基本都在同一區(qū)域，且機(jī)組PLC 控制系統(tǒng)也有多個(gè)遠(yuǎn)程子站控制柜安裝在機(jī)組的不同位置，能較方便地接入現(xiàn)場設(shè)備信號(hào)。取消機(jī)組輔助設(shè)備控制柜，將原接入到輔助設(shè)備控制柜的現(xiàn)場信號(hào)就近接入到機(jī)組PLC 遠(yuǎn)程子站控制柜或者接入到機(jī)組現(xiàn)場總線上，機(jī)組輔助設(shè)備的電動(dòng)機(jī)則直接接入到電機(jī)控制中心，由機(jī)組PLC 控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)控制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)和停止操作。這不僅有利于機(jī)組PLC 控制系統(tǒng)對(duì)機(jī)組輔助設(shè)備的全面監(jiān)視和控制，而且能讓機(jī)組的控制流程更靈活、更可靠。

1 機(jī)組輔助設(shè)備接入監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

1.1 機(jī)組輔助設(shè)備接入監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)狀

水電站監(jiān)控系統(tǒng)一般采用以計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)為基礎(chǔ)的集中監(jiān)控方案，在現(xiàn)地控制單元（LCU）配置有高性能的冗余PLC 作為主控制器，采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)和控制現(xiàn)場設(shè)備，而水電站輔機(jī)設(shè)備PLC 控制系統(tǒng)基本上采用分層分布式結(jié)構(gòu)接入到現(xiàn)地控制單元（LCU），數(shù)據(jù)處理后上送到監(jiān)控系統(tǒng)[2]。輔機(jī)設(shè)備PLC 控制系統(tǒng)基本能保持獨(dú)立運(yùn)行，幾乎不受監(jiān)控系統(tǒng)的影響。

以國外某水電站的機(jī)組PLC 控制系統(tǒng)為例，機(jī)組輔助控制系統(tǒng)包括：調(diào)速器油壓裝置控制系統(tǒng)、高壓油控制系統(tǒng)、頂蓋排水控制系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)輔助控制系統(tǒng)、主軸密封控制系統(tǒng)、上導(dǎo)潤滑油控制系統(tǒng)、下導(dǎo)潤滑油控制系統(tǒng)、機(jī)組技術(shù)供水系統(tǒng)和主變冷卻控制系統(tǒng)。在MCC 沒有引入之前，這些機(jī)組輔助系統(tǒng)均設(shè)置有相應(yīng)的機(jī)組輔助系統(tǒng)控制柜，負(fù)責(zé)現(xiàn)場傳感器信號(hào)的采集和設(shè)備控制，之后再將一些重要的設(shè)備信號(hào)通過硬接線或者通信方式發(fā)送到機(jī)組PLC 控制系統(tǒng)，參與到機(jī)組流程的控制過程中?，F(xiàn)場控制柜數(shù)量多、分布凌亂，眾多的箱柜給設(shè)計(jì)、安裝施工、以及投運(yùn)后的維護(hù)工作都帶來了不小的麻煩。

機(jī)組輔助設(shè)備接入機(jī)組PLC 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 機(jī)組輔助設(shè)備接入機(jī)組PLC 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 引入機(jī)組輔助設(shè)備電機(jī)控制中心的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

在引入機(jī)組輔助設(shè)備電機(jī)控制中心（MCC）后，取消了機(jī)組輔助設(shè)備控制柜和啟動(dòng)柜，將原機(jī)組輔助設(shè)備的現(xiàn)場信號(hào)就近接入到機(jī)組PLC 遠(yuǎn)程子站控制柜或者接入到機(jī)組現(xiàn)場總線上，機(jī)組輔助設(shè)備電動(dòng)機(jī)則接入到電機(jī)控制中心MCC，由機(jī)組PLC 控制系統(tǒng)根據(jù)機(jī)組狀態(tài)來實(shí)時(shí)控制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)和停止操作。

引入MCC 后，機(jī)組輔助設(shè)備接入機(jī)組PLC 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。

圖2 機(jī)組輔助設(shè)備接入機(jī)組PLC 控制系統(tǒng)和MCC 結(jié)構(gòu)圖

2 機(jī)組輔助設(shè)備電機(jī)控制中心與監(jiān)控系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)組輔助設(shè)備電機(jī)控制中心的硬件設(shè)計(jì)

機(jī)組輔助設(shè)備電機(jī)控制中心（MCC）是將原分散在各處的機(jī)組輔助設(shè)備啟動(dòng)柜和雙電源切換柜等集中在低壓開關(guān)柜內(nèi)，進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃布局。在MCC柜內(nèi)，安裝有機(jī)組PLC 控制系統(tǒng)的一個(gè)遠(yuǎn)程子站單元，配置有足量的開關(guān)量和模擬量模塊，用于采集MCC 柜內(nèi)的各種開關(guān)量和模擬量信號(hào)，控制電機(jī)的啟動(dòng)和停止操作。另外，在遠(yuǎn)程子站單元上也配置有通信模塊，用于與MCC 柜內(nèi)的各種保護(hù)監(jiān)視儀表通信，便于監(jiān)控系統(tǒng)獲取更多MCC 柜內(nèi)的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)[3]。

MCC 柜電氣主接線圖如圖3 所示。

圖3 MCC 柜電氣主接線圖

從圖3可知，在MCC柜內(nèi)有兩路動(dòng)力電源進(jìn)線，斷路器CB1 和CB2 分別從1qA 和2qA 廠用電配電柜引入動(dòng)力電源。具體來說，MCC 具有以下特性：

（1）配置有各種保護(hù)功能，比如欠壓保護(hù)、過流保護(hù)、短路保護(hù)等。

（2）盤柜配置有3 種控制模式：現(xiàn)地手動(dòng)模式、現(xiàn)地自動(dòng)模式和遠(yuǎn)方自動(dòng)模式，控制權(quán)切換是通過安裝在面板上的模式選擇按鈕手動(dòng)進(jìn)行操作。“現(xiàn)地手動(dòng)模式”時(shí)，運(yùn)行操作人員可以對(duì)CB1 和CB2斷路器進(jìn)行手動(dòng)分合操作；“現(xiàn)地自動(dòng)模式”時(shí)，MCC 柜內(nèi)的硬接線操作回路自動(dòng)完成CB1 和CB2斷路器的分合操作。“遠(yuǎn)方自動(dòng)模式”時(shí)，控制權(quán)切換到機(jī)組PLC 控制系統(tǒng)，PLC 程序控制CB1 和CB2斷路器的分合操作。當(dāng)機(jī)組PLC 控制系統(tǒng)發(fā)生故障停機(jī)時(shí)，控制權(quán)將自動(dòng)從“遠(yuǎn)方自動(dòng)模式”切換到“現(xiàn)地自動(dòng)模式”。

（3）在每一個(gè)電機(jī)操作面板上，均設(shè)置有現(xiàn)地遠(yuǎn)方選擇把手和啟動(dòng)停止按鈕，以便于電機(jī)的手動(dòng)操作。

（4）配置多種電氣測量儀表，采集柜內(nèi)的各種電量信息。通過通信總線將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集到監(jiān)控系統(tǒng)，便于設(shè)備維護(hù)人員對(duì)系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行狀況進(jìn)行跟蹤和統(tǒng)計(jì)。

（5）電機(jī)控制回路模塊化集成，抽屜式安裝，便于投運(yùn)后進(jìn)行維修更換。

另外，MCC 的安裝位置需要選擇合適，盡量保持MCC 與電機(jī)之間的距離最短。電機(jī)控制回路元器件的選型，也需要根據(jù)電機(jī)的額定功率確定，以避免電機(jī)控制回路與電機(jī)不匹配問題[4]。

2.2 機(jī)組輔助設(shè)備電機(jī)控制中心的軟件設(shè)計(jì)

在機(jī)組電機(jī)控制中心MCC 內(nèi)，安裝有機(jī)組PLC控制系統(tǒng)的一個(gè)遠(yuǎn)程子站單元，通過光纖通信與機(jī)組冗余PLC 控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，也就是說MCC成為了機(jī)組PLC 控制系統(tǒng)的一個(gè)控制子系統(tǒng)。機(jī)組PLC 控制系統(tǒng)不僅能夠全面監(jiān)視MCC 柜內(nèi)的開關(guān)設(shè)備信號(hào)，還能對(duì)進(jìn)線斷路器和電機(jī)的啟動(dòng)停止進(jìn)行控制操作。

總的來說，機(jī)組PLC 控制系統(tǒng)對(duì)MCC 的控制功能分成以下5 個(gè)部分：

（1）采集MCC 的各種開關(guān)信號(hào)和儀表實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀況進(jìn)行全面監(jiān)視和統(tǒng)計(jì)。

（2）進(jìn)線斷路器分合閘操作。包含3 種操作命令，即：CB1 斷路器的分合操作命令、CB2 斷路器的分合操作命令、進(jìn)線斷路器倒換操作命令。

（3）電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)停止操作。在機(jī)組PLC 程序中，每一臺(tái)電機(jī)均設(shè)置有3 種控制模式，即：現(xiàn)地手動(dòng)模式、遠(yuǎn)方自動(dòng)模式和遠(yuǎn)方手動(dòng)模式。電機(jī)切換把手切換到“現(xiàn)地”時(shí)，電機(jī)控制模式為“現(xiàn)地手動(dòng)模式”，擁有最高優(yōu)先權(quán)，維護(hù)人員可以在電機(jī)操作面板上進(jìn)行電機(jī)的啟動(dòng)和停止操作。電機(jī)切換把手切換到“遠(yuǎn)方”時(shí)，電機(jī)控制模式切換為“遠(yuǎn)方自動(dòng)模式”，PLC 程序?qū)﹄姍C(jī)進(jìn)行啟動(dòng)和停止操作。此時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)可以下發(fā)切換“遠(yuǎn)方手動(dòng)模式”命令，將電機(jī)控制模式切換到“遠(yuǎn)方手動(dòng)模式”。當(dāng)電機(jī)控制模式切換到“遠(yuǎn)方手動(dòng)模式”時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)才能對(duì)電機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)方手動(dòng)啟動(dòng)和停止操作。

（4）機(jī)組輔助設(shè)備控制系統(tǒng)操作。在機(jī)組PLC程序中，輔助設(shè)備控制系統(tǒng)均設(shè)置有2 種控制模式，即：手動(dòng)模式和自動(dòng)模式，控制模式的切換通過監(jiān)控系統(tǒng)下發(fā)模式切換命令進(jìn)行切換。在“手動(dòng)模式”時(shí)，如果輔助設(shè)備系統(tǒng)滿足啟動(dòng)或停止條件，控制模式將自動(dòng)從“手動(dòng)模式”切換到“自動(dòng)模式”，進(jìn)行輔助設(shè)備的啟動(dòng)或停止操作。

（5）電機(jī)輪換狀態(tài)計(jì)算。對(duì)有兩個(gè)或以上電機(jī)的輔助設(shè)備系統(tǒng)，進(jìn)行電機(jī)的主用備用狀態(tài)計(jì)算。

3 結(jié)語

水電站機(jī)組輔助設(shè)備電機(jī)控制中心與監(jiān)控系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)是一項(xiàng)重要的技術(shù)創(chuàng)新，它將機(jī)組輔助設(shè)備電機(jī)控制與監(jiān)控系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)了對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和遠(yuǎn)程控制，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理設(shè)備故障，提高設(shè)備的運(yùn)行效率和可靠性。通過對(duì)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的有效監(jiān)測和分析，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備的異常行為，并進(jìn)行預(yù)測性維護(hù)，避免設(shè)備故障對(duì)水電站發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行產(chǎn)生影響。