沈昌榮，杜鵬程

（南水北調(diào)東線江蘇水源有限責任公司淮安分公司，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、進水閘及引河等組成，安裝立式全調(diào)節(jié)混流泵5 臺（含備機1 臺），單機設計流量37.5 m3/s，配套10 kV同步電機，單機功率3550 kW。

洪澤站自2013年建成投運以來，工程發(fā)揮了應有的效益。為更好推進大型泵站群“遠程集控、少人值守”工作，2020年以來對洪澤站工程監(jiān)控系統(tǒng)軟硬件進行了試點改造，針對原泵站工程存在保護不全面、不可靠等問題，選用基于全國產(chǎn)自主可控的現(xiàn)地控制單元（PLC）、操作系統(tǒng)、應用軟件和數(shù)據(jù)庫等。在認真分析設備運行現(xiàn)狀的基礎上，重點在數(shù)據(jù)處理、模型構(gòu)建、邏輯完善［1］、定值管理方面開展研究，逐步形成大型泵站非電量保護［2］類型、設備保護配置等體系成果并試點應用，經(jīng)3年多不斷完善，切實保障了泵站主輔設備的運行安全，工程效益得到有效發(fā)揮，取得了良好效果。

2 洪澤站非電量保護總體分析

2.1 主要設備情況

洪澤站主機組具備正向抽水、反向發(fā)電功能，通過變頻發(fā)電機組實現(xiàn)反向變速發(fā)電。主要設備包括主電機、主水泵、高低壓設備、工程監(jiān)控系統(tǒng)（含視頻）、油氣水系統(tǒng)以及配套閘門、啟閉機等。原工程監(jiān)控系統(tǒng)主要由現(xiàn)場傳感器、現(xiàn)地控制單元（PLC）及上位機組成，相互之間通過線纜或交換機連接?，F(xiàn)場傳感器負責數(shù)據(jù)測量，PLC 負責數(shù)據(jù)的采集與處理，上位機負責實現(xiàn)保護功能并提供人機界面。

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

2.2 存在問題

（1）保護邏輯單一。洪澤站原少數(shù)非電量保護功能簡單，均為上下限值閾值保護，存在一定的保護死區(qū)，在泵站工況發(fā)生變化時易造成保護誤動或拒動，且缺少相應的保護閉鎖，保護可靠性較差。

（2）保護配置不完整。因上位機組態(tài)軟件非電量功能簡單，目前僅對泵站部分參數(shù)可以設置一定的非電量保護，未針對主機組、供水系統(tǒng)、油壓系統(tǒng)等對象進行標準化的非電量保護配置。與電力系統(tǒng)繼電保護相比，保護配置不完整，且泵站非電量保護目前尚無統(tǒng)一標準。

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

（4）保護運行不可靠。國外PLC 一般算力不足，少量的保護功能需要在上位機實現(xiàn)，存在以下2 個方面問題：一是傳感器異常、受電磁干擾、非正常波動等，采集數(shù)據(jù)不能得到有效處理，造成數(shù)據(jù)不準確，產(chǎn)生誤報警；二是上位機Windows為多任務操作系統(tǒng)，經(jīng)多年實踐證明，雖采用主從機配置，長期運行會大量占用內(nèi)存，經(jīng)常出現(xiàn)應用系統(tǒng)運行速度變慢或死機，導致保護不可靠。

3 洪澤站非電量保護研究

3.1 非電量保護范圍

經(jīng)對洪澤站各類技術(shù)參數(shù)梳理分析，除電氣量外，有溫度、液位、壓力、流量、振擺、時間、速度、圖像等，涉及的主要設備包括主電機、主水泵、供排水、抽真空、葉調(diào)裝置、啟閉機、電力電纜等，上述設備運行安全對泵站效益發(fā)揮具有直接影響，應統(tǒng)一納入非電量保護范圍。

3.2 設備更新改造

針對上述泵站非電量保護存在的問題，在滿足“遠程集控、少人值守”技術(shù)要求下，提高非電量保護可靠性，將原以上位機為核心的部分非電量保護統(tǒng)一改由PLC 實現(xiàn)，同時提高PLC 邊緣計算能力，上位機僅作為人機交互接口。在充分論證基礎上，本次改造選用的PLC 全部使用國產(chǎn)自主可控N500系列，上位機選用Linux 操作系統(tǒng)、IMC 一體化應用平臺。另外主從上位機采用負載均衡技術(shù)、互相監(jiān)測技術(shù)等，3年多運行一直穩(wěn)定。

3.3 采集數(shù)據(jù)處理

洪澤站現(xiàn)場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)不會在短期內(nèi)發(fā)生較大變化，為提高采集數(shù)據(jù)準確性，采取以下措施對其進行處理：一是對數(shù)據(jù)品質(zhì)進行判斷，避免“假數(shù)據(jù)”超限造成報警，如測量元件損壞或斷線、接觸不良等；二是對突變數(shù)據(jù)進行篩選和分離，減小信號干擾帶來的數(shù)據(jù)跳變，使獲取的數(shù)據(jù)更加合理，如紅外測溫、壓力數(shù)據(jù)等；三是對周期變化數(shù)據(jù)進行過濾，取一定周期內(nèi)平均值，如機組運行過程中油缸油位等；四是采用不同策略合理確定存儲周期，既保留數(shù)據(jù)完整性，又避免大量正常數(shù)據(jù)占用存儲資源，降低數(shù)據(jù)抽取難度；五是對影響工程安全運行較大的數(shù)據(jù)，采用不同設備、不同原理、不同電源的雙套采集裝置，并相互比較。

3.4 保護類型總結(jié)劃分

根據(jù)泵站非電量數(shù)據(jù)劃分，洪澤站非電量保護種類分為溫度、液位、壓力、流量、振擺、時間、速度、圖像等，見圖1。

圖1 非電量保護類型

3.4.1 溫度保護

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

（1）變化率保護。以主電機推力瓦溫度保護為例，上限運行溫度設定為55 ℃，正常運行溫度約為30 ℃，根據(jù)運行經(jīng)驗，若推力瓦或機組冷卻系統(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。為盡早發(fā)現(xiàn)推力瓦故障，機組軸瓦設置變化率保護，以設定的單位時間計算溫度上升的幅度，當變化率超過設定值時觸發(fā)相應動作。

（2）加速趨勢保護。若機組異常振動、電機推力瓦機械緊固（支撐）件發(fā)生異常松動脫落，軸瓦出現(xiàn)瞬時性故障，如果接觸面潤滑油膜被破壞，瓦溫會呈加速度上升趨勢，如保護不及時動作，短時間在主電機瓦面極有可能受損。

針對此類情況，通過計算一段時間內(nèi)溫升變化加速趨勢概率可以判斷瓦溫是否快速上升，見圖2。該方法引用了Mann-Kendall 單調(diào)趨勢檢驗法，其算法程序如下：

圖2 溫度隨時間上升幾種情況

對保存的最近10 個時間序列樣本TΔ，進行如下計算：

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

通過越限保護、變化率保護、加速趨勢保護3種不同的保護邏輯算法，形成對機組軸瓦溫度常規(guī)越限、勻速上升、加速上升的互補保護，可有效避免燒瓦現(xiàn)象發(fā)生。

3.4.2 液位保護

液位包括水位和油位，正常情況下，設備液位不會迅速變化，故液位一般采用閾值保護，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，高位水箱水位采用下限值保護。

3.4.3 壓力保護

壓力保護分為正壓和負壓。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；抽真空系統(tǒng)為負壓，壓力小于-30 kPa，采用上限值保護。

3.4.4 流量保護

洪澤泵站流量參數(shù)包括技術(shù)供水、填料潤滑水、稀油站供油流量等。為確保設備冷卻潤滑效果和經(jīng)濟性，實際工作流量通過設備操作調(diào)整，因此流量保護一般只設下限保護，少量設置上限保護。如水泵填料函供水流量需要設置上限，目的是防止填料供水流量大會溢出至頂蓋，增加管理工作量。

3.4.5 振擺保護

振動擺度保護是泵站旋轉(zhuǎn)機械的主保護，用于監(jiān)測主電機機架、水泵葉輪外殼兩方向或三方向振動以及主泵軸擺度，振擺保護采用上限值保護。

3.4.6 時間保護

洪澤站非電量參數(shù)均為實時數(shù)據(jù)，如溫度、壓力、液位等。本次首次引入時間保護，時間保護對象分為2 種：一是周期性工作的設備，如液壓站、排水泵，屬于具備周期性規(guī)律的工作設備，通過對多次運行時間統(tǒng)計，設置時間保護上限；二是閘門啟閉機，對閘門上升、下降啟閉機運行時間進行正負值累計，并結(jié)合實際閘門的上升（下降）安全時間余量，合理設置閘門保護上限值，防止閘門超出正常行程范圍。

3.4.7 速度保護

主要用于閘門保護，防止閘門異常墜落。一是監(jiān)測閘門在未操作情況下是否存在下滑現(xiàn)象；二是閘門運行時若啟閉機發(fā)生故障，閘門快速下滑、墜落時可以接通低壓電源，使電機進入反饋制動狀態(tài)，牽制閘門下滑、降低速度，減小閘門下滑對底板造成的損傷。速度保護設置上下限值。

3.4.8 圖像保護

為滿足“遠程集控、少人值守”泵站運行需要，首次提出圖像保護應用于工程設備保護，圖像保護與以上使用閾值或其他數(shù)據(jù)形式作為判據(jù)的保護方式不同，它使用視頻AI 識別技術(shù)，通過不同類型的算法實現(xiàn)保護功能，主要應用于閘門設置限位、填料涵溢水等場景。

3.5 保護閉鎖及動作

3.5.1 保護閉鎖

（1）狀態(tài)閉鎖。洪澤泵站設備狀態(tài)分為運行、停運和檢修3 種，非電量保護主要在設備運行過程中發(fā)揮作用。對這3 種設備狀態(tài)，采集數(shù)據(jù)是不相同的，如不采取措施，就會產(chǎn)生誤動作。采取的保護策略：增加狀態(tài)閉鎖功能，當設備停運時，相應非電量保護自動閉鎖［3］，不發(fā)任何信號。當設備檢修時，根據(jù)工作票要求，在上位機界面上完成安全措施后，相應非電量保護自動退出，檢修完成后，恢復安全措施后，保護功能自動恢復。

（2）延時閉鎖。在泵站設備運行全過程中，有部分非電量數(shù)據(jù)仍會造成誤動作，一是在設備運行初期或啟停瞬間，有些設備運行尚不穩(wěn)定，參數(shù)有時會出現(xiàn)波動；二是設備有時會出現(xiàn)偶發(fā)性故障，運行數(shù)據(jù)會出現(xiàn)較大震蕩，如振擺值。同時還要考慮不能對真實故障造成影響，因此采用延時閉鎖，通過設置一定合理延時，當采集數(shù)據(jù)與延時閉鎖同時滿足條件時，保護功能再啟動，進一步增加保護的可靠性與設備運行的連續(xù)性。

3.5.2 動作信號

為確保保護策略運用的可靠性，針對各種不同功能的保護，按照故障嚴重程度不同，進行分類分級管理，保護動作后，發(fā)出的信號分為提醒、報警、調(diào)節(jié)和跳閘，報警設定值比跳閘值低。

（1）報警。對于任意一點采集的數(shù)據(jù)發(fā)生異常時均發(fā)出提醒信號，以便及時維護。當滿足相應閉鎖條件，且保護功能投入時，PLC 發(fā)出語音報警信號，上位機采用彈窗推出，及時提醒值班人員。

（2）調(diào)節(jié)。為最大能力保證泵站連續(xù)發(fā)揮效益，充分利用設備的潛在能力，發(fā)生某些故障時，可以通過調(diào)節(jié)相關運行狀態(tài)，消除短時故障。如當水泵工況變差或有異物進入時，泵殼振動數(shù)據(jù)變化最明顯。當泵殼兩點越限時，在滿足前置條件的前提下，按照預先設置調(diào)節(jié)水泵葉角，改善機組運行工況，可使故障消失。

（3）跳閘。故障嚴重，影響設備安全運行時，根據(jù)不同設備、同類參數(shù)采集量等實際情況，按照既最大程度保護、又不耽誤動作的原則，采用單點或多參數(shù)聯(lián)合，迅速發(fā)出跳閘信號停運設備，并對故障參數(shù)自動記錄。

3.6 定值管理

為解決現(xiàn)場運維人員難以靈活修改非電量保護定值的問題，洪澤站非電量保護以現(xiàn)地控制單元為核心，所有保護定值及功能全部存儲在現(xiàn)地控制單元，計算機監(jiān)控系統(tǒng)提供人機交互平臺，遠程集控中心和現(xiàn)地泵站上位機同時與現(xiàn)地PLC 通訊，共享一套非電量保護數(shù)據(jù)。

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

3.7 保護配置

根據(jù)工程現(xiàn)場實際情況和需求，洪澤站非電量保護總體按照以下要求配置［4］：（1）主機組，包括主電機和水泵，配置的非電量保護包括溫度保護、流量保護、壓力保護、振擺保護、液位保護、圖像保護；（2）輔機系統(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，配置的非電量保護包括溫度保護、流量保護、壓力保護、液位保護、時間保護；（3）變配電系統(tǒng)，主要包括主變壓器、站（所）用變壓器、變頻機組及配套高低壓電氣柜，配置的非電量保護類型包括溫度保護、液位保護；（4）水閘設備，主要包括閘門、啟閉機，配備的非電量保護主要包括時間保護、速度保護、圖像保護。

4 結(jié)語

洪澤站非電量保護現(xiàn)已成為泵站保護系統(tǒng)重要組成部分，為全站設備安全穩(wěn)定運行提供保障，也為行業(yè)發(fā)展提供了借鑒與思路?？紤]到各泵站保護對象的廣泛性、多樣性，泵站非電量保護仍需持續(xù)深入研究。