丁淮波，潘衛(wèi)鋒，徐朝旺，蔡志剛

（1.江蘇省駱運(yùn)水利工程管理處/江蘇省南水北調(diào)泗陽(yáng)站工程建設(shè)處，江蘇 宿遷 223800；（2.國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院/南京南瑞集團(tuán)公司，江蘇 南京 210003；3.江蘇省駱運(yùn)水利工程管理處，江蘇 宿遷 223800）

基于 M60 保護(hù)裝置的泵站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

丁淮波1，潘衛(wèi)鋒1，徐朝旺2，蔡志剛3

（1.江蘇省駱運(yùn)水利工程管理處/江蘇省南水北調(diào)泗陽(yáng)站工程建設(shè)處，江蘇 宿遷 223800；（2.國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院/南京南瑞集團(tuán)公司，江蘇 南京 210003；3.江蘇省駱運(yùn)水利工程管理處，江蘇 宿遷 223800）

UR 系列 M60 電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置，具備可配置的多個(gè)輸入、輸出通道，可實(shí)現(xiàn)用戶個(gè)性化控制功能，故在泵站監(jiān)控系統(tǒng)中引入應(yīng)用。簡(jiǎn)要介紹泵站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，M60 電動(dòng)機(jī)保護(hù)的設(shè)計(jì)原理和功能，詳細(xì)闡述在南水北調(diào)泗陽(yáng)站中通過(guò) M60 與 PLC 結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)功能，實(shí)際應(yīng)用說(shuō)明，M60 為泵站監(jiān)控系統(tǒng)核心信號(hào)采集單元，PLC 輔助實(shí)現(xiàn)設(shè)備全自動(dòng)控制功能。

M60；泵站； 計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)；PLC；真空破壞閥；控制

0 引言

泵站是水利樞紐工程的主要設(shè)施，對(duì)城市防洪排澇、引水灌溉起到關(guān)鍵作用。泵站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)是利用計(jì)算機(jī)、通信、自動(dòng)控制等技術(shù)，以計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、智能設(shè)備及傳感器為硬件基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)泵站運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集與處理、主機(jī)及輔助設(shè)備的控制與調(diào)節(jié)、設(shè)備的運(yùn)行監(jiān)視與報(bào)警、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)泵站的“無(wú)人值班，少人值守”[1]。

繼電保護(hù)是利用電力系統(tǒng)中元件發(fā)生短路或異常時(shí)的電氣量（電流、電壓、功率、頻率等）的變化，在反應(yīng)、檢測(cè)的基礎(chǔ)上判斷電力系統(tǒng)故障的性質(zhì)和范圍，進(jìn)而做出相應(yīng)的反應(yīng)和處理（如發(fā)出警告信號(hào)或令斷路器跳閘等）。實(shí)現(xiàn)這種自動(dòng)化措施的成套設(shè)備，一般通稱為繼電保護(hù)裝置。UR 系列 M60是微機(jī)式電動(dòng)機(jī)保護(hù)系統(tǒng)，除了具備常用的設(shè)備保護(hù)功能，還具有數(shù)據(jù)采集、監(jiān)視和控制功能。根據(jù)M60 繼電保護(hù)的特殊性，針對(duì)泵站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的要求，將 M60 與泵站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行有效結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)泵站設(shè)備的監(jiān)視與控制功能。

1 M60 繼電保護(hù)原理和特點(diǎn)

1.1 設(shè)計(jì)原理

M60 通用型繼電保護(hù)是基于數(shù)字電路設(shè)計(jì)的裝置，包括 1 個(gè)能處理多種類型的輸入和輸出信號(hào)的中央處理單元（CPU），CPU 模塊包含了提供保護(hù)邏輯算法的軟件系統(tǒng)，以及用于實(shí)現(xiàn)控制功能的可編程邏輯門電路、定時(shí)器和鎖存器。輸入元件從現(xiàn)場(chǎng)接收多種模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào)，UR 系列 M60 隔離這些信號(hào)并將它們轉(zhuǎn)換成保護(hù)所使用的邏輯信號(hào)；輸出元件將保護(hù)產(chǎn)生的邏輯信號(hào)隔離，并變換成可用于控制現(xiàn)場(chǎng)裝置的數(shù)字信號(hào)或模擬信號(hào)。同時(shí) UR可以通過(guò)局域網(wǎng)（LAN）和控制器接口、可編程裝置或監(jiān)控軟件進(jìn)行通訊，原理框圖如圖1 所示（圖中 CT 為電流互感器，VT 為電壓互感器）。

1.2 保護(hù)特點(diǎn)

M60 具備先進(jìn)的保護(hù)與控制功能；具有可配置的離散、模擬 I/O 功能模塊，可用于監(jiān)視和控制電動(dòng)機(jī)或其他保護(hù)應(yīng)用中大量的輔助設(shè)備，通過(guò)配置可對(duì)異常情況做出適當(dāng)響應(yīng)。模擬輸出可用于從控制器到 SCADA 系統(tǒng)、可編程控器（PLC）或者到其他用戶接口裝置的硬線連接。M60 同時(shí)具有先進(jìn)的自動(dòng)化功能， 包括強(qiáng)大的 FlexLogicTM 可編程邏輯、用戶可編程的就地顯示屏、LED 和按鈕、通訊及 SCADA 能力[2]。使用 FlexLogicTM，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求實(shí)現(xiàn)用戶個(gè)性化保護(hù)與控制功能；M60 支持的規(guī)約包含 IEC61850，DNP 3.0，Modbus RTU，Modbus TCP/IP 和 IEC60870-5-104。使用這些規(guī)約很容易實(shí)現(xiàn)與自動(dòng)化系統(tǒng)的連接。

泵站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的核心處理單元 PLC，同樣由多個(gè)離散量輸入、輸出，由模擬量輸入和輸出、CPU、通訊等模塊共同實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，處理，控制，調(diào)節(jié)功能，以及與 SCADA 系統(tǒng)的連接。由此可見，M60 與 PLC 在設(shè)計(jì)原理與功能上有著許多共同之處。

圖1 繼電保護(hù)原理框圖

2 M60 保護(hù)裝置在泵站監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

2.1 工程簡(jiǎn)介

南水北調(diào)泗陽(yáng)站是南水北調(diào)東線工程江蘇境內(nèi)的第 4 梯級(jí)泵站之一，泵站規(guī)模為大（1）型。泵站裝機(jī)流量為 198 m3/s，安裝 6 臺(tái)套立式軸流泵，配3 000 kW 立式同步電機(jī) 6 臺(tái)，帶反轉(zhuǎn)發(fā)電功能。泗陽(yáng)站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)按“無(wú)人值班、少人值守”進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，主要對(duì)泵站主泵組、公用及輔機(jī)設(shè)備、變配電設(shè)備的運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)控，并提供設(shè)備運(yùn)行統(tǒng)計(jì)、操作指導(dǎo)等輔助功能。

2.2 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

泗陽(yáng)站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用全開放的分層分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，整個(gè)系統(tǒng)主要由主控級(jí)、現(xiàn)地控制單元組成，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。 系統(tǒng)內(nèi)操作員主機(jī)、工程師站、歷史服務(wù)器、通信服務(wù)器設(shè)備、保護(hù)測(cè)控裝置及各現(xiàn)地控制 PLC 通過(guò)交換機(jī)等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備構(gòu)成以太環(huán)網(wǎng)，PLC 通過(guò)智能設(shè)備同各種傳感器和自動(dòng)化設(shè)備等進(jìn)行數(shù)據(jù)通信[3]。

圖2 南水北調(diào)泗陽(yáng)站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

主控級(jí)各組成部分實(shí)現(xiàn)的功能如下：1）工程師站主要負(fù)責(zé)程序的綜合開發(fā)、計(jì)算，事故故障信號(hào)的分析處理，現(xiàn)地層數(shù)據(jù)采集、處理和數(shù)據(jù)庫(kù)管理；2）歷史服務(wù)器負(fù)責(zé)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)的生成、轉(zhuǎn)存，參數(shù)越復(fù)限記錄，測(cè)點(diǎn)定義，以及限值等數(shù)據(jù)的處理和管理；3）通訊服務(wù)器主要負(fù)責(zé)與上一級(jí)調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；4）操作員人機(jī)接口工作臺(tái)，負(fù)責(zé)運(yùn)行監(jiān)視、控制及調(diào)節(jié)命令發(fā)出，設(shè)定或變更工作方式，各圖表曲線的生成、打印、人機(jī)界面（MMI）功能；5）泵站實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)隔離裝置傳輸給 Web 發(fā)布服務(wù)器，以實(shí)現(xiàn)在辦公網(wǎng)絡(luò)對(duì)泵站的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)視；6）GPS 衛(wèi)星時(shí)鐘系統(tǒng)主要對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)的主控級(jí)計(jì)算機(jī)和各現(xiàn)地控制單元（LCU）、保護(hù)裝置進(jìn)行時(shí)鐘同步。

LCU 主要通過(guò)各種測(cè)量和控制裝置就地對(duì)泵站主泵組、公用及輔機(jī)設(shè)備、變配電設(shè)備、閘門設(shè)備及水工建筑物等對(duì)象進(jìn)行測(cè)量，監(jiān)視和控制。每臺(tái)泵組配置 1 套 M60 保護(hù)裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)泵組數(shù)據(jù)采集、控制、模擬量、溫度量的測(cè)量；公用協(xié)調(diào)現(xiàn)地控制單元用于送排水、通風(fēng)、技術(shù)供水、消防等系統(tǒng)的控制及泵站各泵組的協(xié)調(diào)控制；變電所 PLC 用于 35 kV 開關(guān)柜、站用變壓器、低壓系統(tǒng)等電氣設(shè)備的控制，負(fù)責(zé)采集有關(guān)的電量參數(shù)、開關(guān)量等，執(zhí)行與泵組有關(guān)的所有單步及順序控制操作。

2.3 M60 保護(hù)裝置的應(yīng)用

2.3.1 信息的采集

泵站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)于泵組數(shù)據(jù)的采集監(jiān)視、控制多采用 PLC 單獨(dú)完成，PLC 具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、編程簡(jiǎn)單、可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)；泵組線路保護(hù)則由繼電保護(hù)裝置獨(dú)立完成。M60保護(hù)裝置完成泵組主要數(shù)據(jù)的采集監(jiān)視、控制及線路保護(hù)功能，這樣不僅節(jié)約了項(xiàng)目成本，也減少了現(xiàn)場(chǎng)施工。但 M60 作為線路保護(hù)的核心，其數(shù)據(jù)采集、通訊和邏輯處理功能相對(duì)于 PLC 存在一定的局限性，M60 只能采集 4 個(gè)模擬量和溫度量信號(hào)，Modbus 通訊接口不可擴(kuò)展，邏輯處理最多只支持128 條邏輯語(yǔ)句的編輯能力。這意味著 M60 只能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的邏輯編程，對(duì)于泵組的全自動(dòng)控制邏輯，M60 則難以實(shí)現(xiàn)，為此由公用協(xié)調(diào) LCU 輔助 M60實(shí)現(xiàn)泵組的完整監(jiān)視和控制。一些重要的狀態(tài)量信息由 M60 采集；泵組輔機(jī)系統(tǒng)、外部開機(jī)條件等的信號(hào)由公用協(xié)調(diào)單元采集；Modbus 通訊信號(hào)由智能設(shè)備進(jìn)行集中采集，再以信文方式送給公用協(xié)調(diào)現(xiàn)地控制單元進(jìn)行綜合處理。

2.3.2 控制流程的實(shí)現(xiàn)

將 M60 與公用協(xié)調(diào) PLC 結(jié)合，各自完成泵組信號(hào)的處理工作，可達(dá)到自動(dòng)控制的目的。這種控制方式的實(shí)現(xiàn)，關(guān)鍵在于公用 PLC 與 M60 之間控制命令的可靠接受，為此采用硬接線與通訊方式并存的模式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。泵組開機(jī)過(guò)程主要流程如圖3所示。公用 PLC 采用 67160 CPU 處理器，該處理器具有出色的性能，先進(jìn)的編程方式，支持各種網(wǎng)絡(luò)[5]，在給 M60 發(fā)送硬接線信號(hào)的同時(shí)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)互取數(shù)據(jù)功能將同樣的控制命令發(fā)送給 M60，以達(dá)到控制的可靠性，具體配置如表1 所示。

圖3 泵組開機(jī)流程框圖

2.3.3 真空破壞閥的控制

真空破壞閥屬氣壓式閥門，安裝在虹吸式輸水管道的制高點(diǎn)，開機(jī)時(shí)幫助降低水泵啟動(dòng)揚(yáng)程，停機(jī)時(shí)斷流[4]，防止水流倒灌產(chǎn)生主機(jī)葉輪飛逸事件，是保護(hù)主機(jī)安全運(yùn)行不可缺少的重要設(shè)備。

真空破壞閥的打開、關(guān)閉控制與斷路器狀態(tài)直接聯(lián)動(dòng)。當(dāng)泵組啟動(dòng)時(shí)，真空破壞閥必須關(guān)閉；當(dāng)泵組停止時(shí)，真空破壞閥必須打開。在全自動(dòng)控制流程中兩者的聯(lián)動(dòng)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，但當(dāng)機(jī)組出現(xiàn)電氣事故、保護(hù)自動(dòng)跳閘時(shí)需要真空破壞閥自動(dòng)打開而不需手動(dòng)操作。泗陽(yáng)站泵組有發(fā)電和抽水 2 種工況，抽水狀態(tài)開機(jī)時(shí)斷路器合閘后延時(shí)關(guān)閉真空破壞閥，在發(fā)電狀態(tài)時(shí)需要先關(guān)閉真空破壞閥，待真空形成，機(jī)組開始轉(zhuǎn)動(dòng)之后，再進(jìn)行斷路器合閘操作，而這與斷路器分閘時(shí)真空破壞閥必須打開存在邏輯互斥。對(duì)于M60 而言，首先需要了解泵組的運(yùn)行工況，根據(jù)不同工況選擇真空破壞閥與機(jī)組斷路器的執(zhí)行程序，因此在開機(jī)之前由公用 PLC 先下發(fā)聯(lián)動(dòng)閉鎖指示標(biāo)志給 M60，M60 檢測(cè)到閉鎖標(biāo)志，將閉鎖聯(lián)動(dòng)程序，執(zhí)行先關(guān)閥后合斷路器程序，待斷路器合閘之后，自動(dòng)清除閉鎖標(biāo)志，聯(lián)動(dòng)程序?qū)?dòng)。因此不論手動(dòng)還是全自動(dòng)開機(jī)操作，M60 均能實(shí)現(xiàn)斷路器與真空破壞閥的正確聯(lián)動(dòng)，保證機(jī)組的正常運(yùn)行。

表1 公用 PLC 網(wǎng)絡(luò)互取數(shù)據(jù)配置

3 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，采用現(xiàn)代信息化技術(shù)提高對(duì)泵站設(shè)施的監(jiān)視、監(jiān)控已成為水利信息化的發(fā)展趨勢(shì)。通過(guò) M60 保護(hù)裝置在南水北調(diào)泗陽(yáng)站監(jiān)控系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用，可以看出這種系統(tǒng)模式由公用協(xié)調(diào) PLC 實(shí)現(xiàn)與多個(gè) M60 裝置的數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)監(jiān)視和控制，對(duì)公用協(xié)調(diào) PLC的穩(wěn)定性、可靠性、重要性有著特定的要求，其工作運(yùn)行狀況關(guān)系整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)功能的完善。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行考驗(yàn)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，可為其它水利計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。

[1] 龔玉棟，劉新泉.解臺(tái)泵站計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測(cè)，2007, 31 (4): 77-79.

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Computer Monitoring System for Pumping Station Based on M60 Protective Device

DING Huaibo1, PAN Weifeng1，XU Zhaowang2, CAI Zhigang3
(1.Jiangsu Provincial Luo Yun Water Management Department/Siyang Station Project Construction of South-to-North Water Diversion Project in Jiangsu Province, Suqian 223800, China;
2 .State Grid Electric Power Research Institute/Nanjing Nanrui Group Co.,LTD, Nanjing 210003, China;
3.Jiangsu Provincial Luo Yun Water Management Department, Suqian 223800, China)

With multiple input and output channels, M60 motor protection device of UR series can be configured to personalize control functions.So it is used in pumping station monitoring system.The structure of pumping station computer monitoring system, the design principle and function of M60 motor protection is introduced.It elaborates the computer monitoring system function in the South to North Water Diversion Siyang station by M60 combined with PLC.The actual application shows that M60 is the core signal acquisition and monitoring system and PLC unit auxiliary realizes automatic control.

M60; pumping station; computer monitoring system; PLC; vacuum breaker valve; control

TP308

A

1674-9405(2014)03-0036-04

2014-04-18

丁淮波（1955－），男，江蘇宿遷人，高級(jí)工程師，從事水利工程施工、建設(shè)和運(yùn)行管理等工作。