微机自动化在水利泵站中的应用

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摘要：本文阐述了微机自动化在芦新河泵站的实施与应用，并详细地对其系统组成进行了介绍。该泵站在大容量异步电机启动、微机监控及保护等方面有一定的代表性。泵站基本上能够实现无人值班或少人值守。设计时考虑将来发展要求，泵站运行主要参数可以通过光纤远传至中心调度室或上级调度部门，为实现联合调度打下了良好基础。
　　关键字：计算机监控系统　主控制级层　现地控制层　微机保护　直流电源系统
　　
　　1、概况
　　从上世纪10年代起，计算机监控在国外一些大、中型水电站取得了实质性的进展。但最初由于计算机成本较高、性能有限等原因，水电站只采用一台计算机实现对主要工况的监视和操作，而且不能实现闭环调节控制。进入21世纪以后，计算机和通讯技术发展日新月异，性能日趋完善，价格日益下降，这为取代常规布线的逻辑型自动装置提供了良好的物质基础。
　　芦新河泵站位于天津市北辰区姚庄子西侧永定新河北岸，设计流量30m3/s，泵房为湿室式，设置10台1000ZLB-1型立式轴流泵，该泵站主要担负排除杨村空、陆军基地雨、污水，同时兼顾排泄武清、北郊农田沥水。为了保证实现泵站“无人值班、少人值守”原则，泵站采用“计算机监控为主、常规控制为辅”的监控方式及微机保护，组成泵站微机综合自动化系统。泵站使用分布式计算机监控技术，各种微机监控装置之间的连接采用以太网结构，其通讯规约满足TCP/TP标准，通讯速度可达到100Mbps。各设备的微机监控装置独立完成其监控功能，完全不依赖于通讯网络；当某监控装置发生故障时，也不会影响到其它微机监控设备的功能。
　　
　　2、自动化系统结构组成
　　2.1微机监控系统
　　泵站采用开放式全分布计算机监控系统，保证系统中选用不同计算机时的互操作性，系统扩展和设备更新时的可移植性。开放式环境包括应用开发环境、用户接口环境和系统互联环境，并符合国际开放系统组织推荐的开放环境规范。网络结构采用环形网络，系统结构从功能上分为主控制级层和现地控制层。
　　主控制级层由操作员工作站、通信工作站、工程师工作站、数据服务器、打印机、GPS、UPS及中控室有关设备组成，是泵站的实时监控中心，负责全站的自动化操作、历史数据处理、图像监视及全站的人机对话等。
　　现地控制层设有机组控制单元，公用控制单元和闸门控制单元，监控全站所有水泵机组、闸门及辅助设备。现地控制单元能对所管辖的运行过程进行完善的监控，它们经过输入、输出接口与运行过程相连，通过通信接口与微机保护设备交换信息，在上位机画面上实时反映所测的电气参数及保护动作信息，同时通过以太网与泵站控制层交换信息。现地控制单元对泵站控制层有相对独立性，它们能脱离泵站控制层独立核算并完成运行过程的实时数据采集处理、单元设备状态监视、调整和控制等功能。
　　
　　2.2微机保护系统
　　微机保护采用分布式单元机箱结构，各保护单元均相对独立，通过站内现场总线互联。在功能分配上，采用能下放尽量下放的原则，保护单元箱能完成的功能绝不依赖通信网，各保护单元箱上均配有操作面板和必要的手动操作开关及信号灯，运行人员可通过单元箱上的操作面板或人机接口，对相应电气设备进行操作。各保护单元故障或退出运行时，不影响其它单元及上层监控。
　　
　　2.3直流电源系统
　　芦新河泵站的直流系统采用单母线接线，额定电压为直流220V，采用一组阀控式密封免维护铅酸蓄电池。蓄电池组正常以全浮充电方式运行。直流系统充电／浮充电装置采用智能高频开关电源模块并联组成，主要由充电模块、监控模块、交直流采样单元、降压单元、绝缘监测装置、防雷装置等组成。
　　
　　2.4图像监视系统
　　为配合监控系统的运行，泵站配置一套图像监视系统，通过多媒体监视设施，使运行人员能够对现场的设备的运行状态进行观察了解。图像监视系统通过以太网与监控系统相连，实现信号传输，做到远方监视泵站各设备，为泵站实现无人值班(少人值守)提供技术保障。
　　图像监视系统为彩色，黑白摄像机系统，在泵站中控室配置一台图像工作站，通过以太网交换机与各摄像机相连。系统可对厂房、泵组设备、高低压配电室、重要行人通道、闸前后等位置进行全面实时观察，并通过云台转动、可变镜头的调整，扩展监视范围。
　　
　　3、各系统的功能
　　3.1微机监控系统功能
　　泵站计算机监控系统采用三种控制方式：
　　
　　3.1.1远方调度级控制方式
　　中心调度控制人员可以通过调度计算机系统，在远程对泵站的计算机系统实施遥测、遥信、遥控。
　　
　　3.1.2泵站中央控制室控制方式
　　通过监控系统对泵站设备实施监视控制，有以下两种方式：
　　(1)泵站自动控制：泵站主控级计算机按预先给定的水流量要求和其它限制条件，在上位机用一个指令完成对泵站泵组的启停控制。
　　(2)手动控制：在控制台上，操作人员通过显示器、键盘、鼠标等设备进行操作。可实现分步按顺序组执行的方式，即每一步或每一顺序组完成后需经操作人员确认，才能进行下一步或下一顺序组的操作。
　　
　　3.1.3LCU现地控制方式
　　上位计算机故障或必要时，可由值班员通过设在LCu屏上的控制按钮及仪表等实现对泵站设备的控制、调节、值班运行。
　　以上三种值班运行控制方式选择中，现地控制方式级别最高，其次为中控室和远方调度。
　　计算机监控系统能迅速、准确、有效地对全站所有带微机接口的机电设备进行控制和监视。泵站控制层能实现数据采集和处理，实时控制和调节，安全运行监视，事故处理和恢复操作指导，维护管理，系统诊断等功能。
　　监控系统实时采集泵站主要电气和非电气量及相关过程参数，包括模拟量、开关状态量、报警量和脉冲量。模拟量主要为电压、电流、频率、功率因素、有功功率、无功功率、水位及温度等；开关状态量包括机组及其附属设备、各断路器和隔离开关、泵站公用设备的有关状态、位置以及机组过程控制顺序的各状态；报警量采集主要指泵站运行的故障、事故信号以及参数越限报警信号的采集；脉冲量采集指的是接收有功电度和无功电度脉冲量或与电子式电度表通信，将电度量累加，具有对有功、无功电度按电网峰、平、谷时段累计的功能。
　　实时控制与调节指的是操作员可借助监控系统的软件界面，通过鼠标可控制保护测控装置、机组LCU等智能设备。其主要的控制与操作包括：各种保护定值、控制数据的远方修改及查阅；泵站内所有断路器、隔离刀闸、其它压力信号、瓦斯信号等，机组的开停操作，进水闸闸门的启闭操作。
　　安全运行检视包括状态监视、越限监视、过程监视和计算机监控系统设备故障监视。
　　微机监控系统同时还具有统计与制表、人机接口、记录打印、报警及通信等功能。
　　
　　3.2微机保护系统功能
　　泵站继电保护采用微处理器构成的全数字式继电保护系统，保护装置采用标准化的机箱和插件板设计，所有组件通过标准机箱组装在保护单元箱内。保护单元箱内包含规定的保护功能、跳闸组件、监视、信号、检测、人机对话、通讯接口部件等，并能实现事故记录等功能。
　　保护装置上设有液晶屏作为人机接口设备，用于运行监视、保护系统的调试、整定值的设定及记录、事故显示、确认以及对保护系统的电流、电压、功率、相位等实测值进行显示与记录。人机接口设备适应于缺乏程序设计知识的人使用。人机对话时自动闭锁保护出口回路，使人机对话中出现的错误不影响保护系统。
　　
　　3.3图像监视系统功能
　　泵站图像监视系统具有多分屏、定时切换、图像存盘、视频捕捉、云台控制、镜头控制、遥控开关、冻结视频、行动输出、视频报警布防、视频报警、检索、网络图像传输与控制、定时启动等功能，这些功能的实现保证了系统的先进性、可靠性以及实用性。同时整个系统采用标准的硬件技术接口，具有良好的开放性，为今后系统的扩展、互连及设备更新打下良好基础。
　　
　　4、结语
　　芦新河泵站采用先进的设备和技术，利用微机监控保护系统大大提高了泵站运行的自动化程度，减少了运行人员的劳动强度，同时也减少了人为干扰及误操作的几率，从而提高了整个工程运行的安全性、可靠性。先进完善的微机监控系统，在保证本工程安全有效运行的前提下，很容易通过微机联网，实现多水源联合调度，这是将来泵站的发展方向，也是必然趋势，应大力推广发展。            
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