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摘要：针对目前普遍在泵站智能控制中使用的基于PLC的LCU方案，本文介绍了基于先进的集高压继电保护、电力参数检测、PLC为一体的智能可编程保护管理单元的一体化泵站智能控制系统。
关键词：智能可编程保护泵站智能控制
一般的泵站智能控制系统基本结构
泵站自动智能控制系统面向新建、扩建或改建的大、中、小型灌溉、排水及工业、城镇供水泵站的自动化智能控制，实现泵站的无人值班、远程智能控制、优化调度及经济运行。
泵站自动智能控制系统对全站泵组、电气系统、公用油、水、气系统、闸门控制系统、励磁系统及直流系统进行有效监视和控制，保证泵站更加安全、可靠、经济的运行，实现泵站无人值班（无人值守）的目标。
1、1泵站智能控制系统由以下组成：
上位机
泵站自动智能控制系统的上位机智能控制软件可选用力控、(i)FIX、WinCC、InTouch、组态王等组态软件。
现地控制单元LCU
现地控制单元可选用可编程控制器（PLC）为主并配以各种专用功能装置，国内采用较为流行的PLC主要有Siemens公司的S7系列，GE公司的90-30系列、90-70系列，MODICON公司的TSX QuantuPowerSafe、PremiuPowerSafe，以及AB公司的SLC500系列和ABB公司的MODECELL系列。
1、2系统典型配置
系统由主机、工控机、UPS、打印机、PLC、配电柜、传感器以及相应的应用软件和系统软件等组成。主机（操作员站）可采用PC机或服务器，通讯机采用PC机，当地工控机采用一体化PC工控机。
系统中PLC负责控制泵组的启停、闸门的启闭和开度、变电站和泵用电开关的分合、辅助设备油、气、水的自动控制。监视电机、电路故障；监视水位、水质、电量、温度及压力等是否有越限，并随时将这些信息报告给工控机。工控机对接收的数据和格式进行合理性校验，按数据类别进行分类、格式化，对水文数据进行时段处理，建立数据库，并用图形、图表及文字等形式将这些信息显示在显示器上。
系统通过各类传感器、智能仪表采集水位、流量、压力、温度、电量等模拟量、开关量、脉冲量和温度量
系统的配置和设备选型符合计算机技术发展迅速的特点，充分利用计算机领域的先进技术，并结合泵站自动化程度要求高的特点，使泵站运行管理智能化，并能方便地完成与其他管理信息计算机系统的连接。系统软硬件均采用模块化、结构化设计，具有高度的可靠性、安全性、实时性、实用性、灵活性和便于扩充。智能控制系统保证与泵站同步投运。
但是从以上的描述可以看出，除了泵站智能控制系统的PLC、LCU等设备以外，泵站的电力仍然需要配备完善的微机继电保护单元、智能配电仪表。并且在泵站的运行中占据了很重要的地位。
泵站智能控制中的LCU的组成
在泵站智能控制系统中，LCU（现地控制单元）典型的功能如下：
变电站LCU通过Modbus 网络实现与EP2013E继保单元、QP550,QP450测量单元、多功能电度表、micrologic5.0p低压400V智能测控单元、220V直流电源装置的通讯。主变、站变、35kV和6kV母线PT等设备的部分信号通过硬布线接入变电站LCU的I/O模块，以满足供电部门的要求和事件顺序记录（SOE）分辨率的需要，便于故障的分析和处理。如下图：
LCU实现了PLC的控制功能，通过与微机继电保护通讯实现了对电力的保护，通过与智能配电仪表的实现了对电力的智能控制。但是，这样的实现方案有以下的缺点：
可靠性低：由于组成的部件多，连接线多，出错的可能性大。
安装困难，占空间大
成本高
调试复杂，时间长，费用大：多个不同的产品互联，很难调试。
PowerSafe智能全可编程保护管理单元
随着计算机技术的发展，微机继电保护发展到了一个崭新的高度，新一代的可编程保护管理单元能够涵盖继电保护、PLC、电力智能控制的全部功能。
以美国电气控制公司（ELECON）系列可编程保护管理单元为例：
PowerSafe是ELECON研发的成套新一代可编程保护管理单元。产品采用大容量、资源冗余设计，适用于110KV及以下电压等级电网的保护、控制、测量和监视。
可编程保护管理单元具备PLC的逻辑可编程功能
POWERSAFE提供支持IEC-61131-3图形可编程标准的PLC逻辑可编程功能。通过配套的SafeLogic软件包就可以在Windows®环境下用逻辑图形符号对保护元件、输入信号、继电器出口、指示灯、故障录波触发等资源进行简单的编程，形象直观。PLC功能使泵站监控系统所需要的自动化功能和顺序逻辑控制功能集成到一个装置中。
可编程保护管理单元具备多总线通信
POWERSAFE支持RS485总线、光纤、CAN现场总线或以太网通信网络形态，以满足不同用户、不同工业现场、不同网络环境、不同规模的系统对通信和网络结构的要求。支持双网模式，并行或以热备用方式工作。从而进一步提高了通信的可靠性。可以使用IEC60870-5-103规约 或者Modbus RTU规约实现与上层设备的通信。
可编程保护管理单元具备丰富的接口资源
POWERSAFE提供的接口资源包括：8个交流电流、4个交流电压输入；3个4-20mA/0-5V RTD输入信号；16路或32路开关量输入（交直流两用）、11路或16路开关量输出；通信接口有1个RS485，1对光纤，1个RS232调试口，1个CAN，以及2个以太网。
高可靠性设计
POWERSAFE本着稳定可靠、经久耐用的设计原则，全部采用工业级元器件、所有与外界的连接均做到了充分的电气隔离，并内置抗雷击保护电路和电源滤波器。专业的EMC设计。对装置输入电源、模拟和数字电源进行实时监测，配合完善的在线自检测试程序，从根本上保证了其运行的可靠性。对输入电源的监视使得POWERSAFE在停电之前将重要数据及时保存。
全面的事故分析記录
POWERSAFE能为用户提供的用于事故分析诊断的信息有8次故障录波和100条SOE。其中，每次故障录波的长度为故障前4后24共28个周波，每周波32点采样，实时记录包括9个交流量、32个开入、16个开出量、所有保护模块的状态；SOE除了记录各种保护动作信息外，还记录经过滤波的开入变位，以及其它有助于事故分析的信息，包括装置上电、装置掉电、装置复位、信号复归、遥控操作、就地操作、修改保护定值、装置自检错误、装置超温等信息。借助于SafeLogic软件包可以对故障录波进行详尽直观的分析。
高精度测量
POWERSAFE的测量功能包括对IA、IB、IC、I0、UA、UB、UC、UAB（UAB1）、UBC（UBC1）、UCA（UCA1）、U0、UAB2、UBC2、UCA2、P、Q、f、fs、PF的精准测量，以及对正向kWh、反向kWh、正向kVarh、反向kVarh的计量。其中电压、电流和功率因数的测量精度达到了0.2级，功率、电度的精度达到了0.5级，测频偏差最大±0.01Hz。采用频率跟踪技术，实时监视系统频率的变化，实时调整数据采样的时间间隔，可以彻底消除基频波动引起的计算误差，能保证在基频偏离工频50Hz很大的情况下准确计算出当时系统的基频分量、谐波分量和序分量。并且，POWERSAFE的测频通道可以自动切换，只要有交流电输入，就有频率值。
精准的校时
POWERSAFE的校时有三种：人工装置面板校时，通信校时和IRIG-B码校时。其中，人工装置面板校时为粗校时，无精度可言，一般用于调试；通信校时的精度小于±100ms；而IRIG-B码校时的精度小于或等于±1ms。精准的校时保证了故障录波和SOE信息的可信度，提升了它们在事故分析中的价值。尤其，即使POWERSAFE发生复位或短暂掉电，也不影响它的时钟精度。
功能齐全、使用方便的面板
POWERSAFE的面板设计美观、简洁，使用方便、简单。大液晶显示屏上可以显示主接线图，开关和隔刀、地刀的实时位置，也可以同时显示测量实时值。使用4个用于设备控制的按键（对象选择、分、合、就地控制）就可以对主接线图中的设备进行分或合操作。POWERSAFE的面板显示有两个由用户定义的主画面（包括泵的运行状态画面），用户可根据需要，在SafeLogic上将常用的信息定义在两个主画面上，查看起来极其方便。此外，POWERSAFE的面板还包括8个可以编程的3色LED指示灯，1个用于就地/远方控制切换的按键和对应的3个位置指示灯，1个信号复归按键和一套由上、下、左、右4个按键、1个退出、1个确认按键组成的人机交互键。人机界面有两个用户级别，浏览级和控制级。浏览级用于日常的测量和监视，而控制级可用于设定参数和保护定值、就地操作。
POWERSAFE的人机交互有充分的提示信息，易学易会。
智能可编程保护管理单元在泵站智能控制中的应用
由于智能可编程保护管理单元具备PLC、LCU、继电保护、电力仪表等全部的功能，完全可以应用在泵站智能控制中。
每个PowerSafe可编程保护管理单元具备以下设备的功能：
完善的继电保护功能;
全面的电力测量功能，完全取代智能配电仪表
模拟输入，可接入温度变送器，取代温度巡检仪。
最多可扩展32DI,16DO的可编程节点，取代PLC
可以组态的大屏幕液晶显示，取代显示面板。
多总线通信，不需要其他的通讯辅助设备。
结论
采用全新的泵站智能智能控制系统可以达到简洁、安全、可靠和经济的目的。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：智能可编程保护泵站智能控制
一般的泵站智能控制系统基本结构
泵站自动智能控制系统面向新建、扩建或改建的大、中、小型灌溉、排水及工业、城镇供水泵站的自动化智能控制，实现泵站的无人值班、远程智能控制、优化调度及经济运行。
泵站自动智能控制系统对全站泵组、电气系统、公用油、水、气系统、闸门控制系统、励磁系统及直流系统进行有效监视和控制，保证泵站更加安全、可靠、经济的运行，实现泵站无人值班（无人值守）的目标。
1、1泵站智能控制系统由以下组成：
上位机
泵站自动智能控制系统的上位机智能控制软件可选用力控、(i)FIX、WinCC、InTouch、组态王等组态软件。
现地控制单元LCU
现地控制单元可选用可编程控制器（PLC）为主并配以各种专用功能装置，国内采用较为流行的PLC主要有Siemens公司的S7系列，GE公司的90-30系列、90-70系列，MODICON公司的TSX QuantuPowerSafe、PremiuPowerSafe，以及AB公司的SLC500系列和ABB公司的MODECELL系列。
1、2系统典型配置
系统由主机、工控机、UPS、打印机、PLC、配电柜、传感器以及相应的应用软件和系统软件等组成。主机（操作员站）可采用PC机或服务器，通讯机采用PC机，当地工控机采用一体化PC工控机。
系统中PLC负责控制泵组的启停、闸门的启闭和开度、变电站和泵用电开关的分合、辅助设备油、气、水的自动控制。监视电机、电路故障；监视水位、水质、电量、温度及压力等是否有越限，并随时将这些信息报告给工控机。工控机对接收的数据和格式进行合理性校验，按数据类别进行分类、格式化，对水文数据进行时段处理，建立数据库，并用图形、图表及文字等形式将这些信息显示在显示器上。
系统通过各类传感器、智能仪表采集水位、流量、压力、温度、电量等模拟量、开关量、脉冲量和温度量
系统的配置和设备选型符合计算机技术发展迅速的特点，充分利用计算机领域的先进技术，并结合泵站自动化程度要求高的特点，使泵站运行管理智能化，并能方便地完成与其他管理信息计算机系统的连接。系统软硬件均采用模块化、结构化设计，具有高度的可靠性、安全性、实时性、实用性、灵活性和便于扩充。智能控制系统保证与泵站同步投运。
但是从以上的描述可以看出，除了泵站智能控制系统的PLC、LCU等设备以外，泵站的电力仍然需要配备完善的微机继电保护单元、智能配电仪表。并且在泵站的运行中占据了很重要的地位。
泵站智能控制中的LCU的组成
在泵站智能控制系统中，LCU（现地控制单元）典型的功能如下：
变电站LCU通过Modbus 网络实现与EP2013E继保单元、QP550,QP450测量单元、多功能电度表、micrologic5.0p低压400V智能测控单元、220V直流电源装置的通讯。主变、站变、35kV和6kV母线PT等设备的部分信号通过硬布线接入变电站LCU的I/O模块，以满足供电部门的要求和事件顺序记录（SOE）分辨率的需要，便于故障的分析和处理。如下图：
LCU实现了PLC的控制功能，通过与微机继电保护通讯实现了对电力的保护，通过与智能配电仪表的实现了对电力的智能控制。但是，这样的实现方案有以下的缺点：
可靠性低：由于组成的部件多，连接线多，出错的可能性大。
安装困难，占空间大
成本高
调试复杂，时间长，费用大：多个不同的产品互联，很难调试。
PowerSafe智能全可编程保护管理单元
随着计算机技术的发展，微机继电保护发展到了一个崭新的高度，新一代的可编程保护管理单元能够涵盖继电保护、PLC、电力智能控制的全部功能。
以美国电气控制公司（ELECON）系列可编程保护管理单元为例：
PowerSafe是ELECON研发的成套新一代可编程保护管理单元。产品采用大容量、资源冗余设计，适用于110KV及以下电压等级电网的保护、控制、测量和监视。
可编程保护管理单元具备PLC的逻辑可编程功能
POWERSAFE提供支持IEC-61131-3图形可编程标准的PLC逻辑可编程功能。通过配套的SafeLogic软件包就可以在Windows®环境下用逻辑图形符号对保护元件、输入信号、继电器出口、指示灯、故障录波触发等资源进行简单的编程，形象直观。PLC功能使泵站监控系统所需要的自动化功能和顺序逻辑控制功能集成到一个装置中。
可编程保护管理单元具备多总线通信
POWERSAFE支持RS485总线、光纤、CAN现场总线或以太网通信网络形态，以满足不同用户、不同工业现场、不同网络环境、不同规模的系统对通信和网络结构的要求。支持双网模式，并行或以热备用方式工作。从而进一步提高了通信的可靠性。可以使用IEC60870-5-103规约 或者Modbus RTU规约实现与上层设备的通信。
可编程保护管理单元具备丰富的接口资源
POWERSAFE提供的接口资源包括：8个交流电流、4个交流电压输入；3个4-20mA/0-5V RTD输入信号；16路或32路开关量输入（交直流两用）、11路或16路开关量输出；通信接口有1个RS485，1对光纤，1个RS232调试口，1个CAN，以及2个以太网。
高可靠性设计
POWERSAFE本着稳定可靠、经久耐用的设计原则，全部采用工业级元器件、所有与外界的连接均做到了充分的电气隔离，并内置抗雷击保护电路和电源滤波器。专业的EMC设计。对装置输入电源、模拟和数字电源进行实时监测，配合完善的在线自检测试程序，从根本上保证了其运行的可靠性。对输入电源的监视使得POWERSAFE在停电之前将重要数据及时保存。
全面的事故分析記录
POWERSAFE能为用户提供的用于事故分析诊断的信息有8次故障录波和100条SOE。其中，每次故障录波的长度为故障前4后24共28个周波，每周波32点采样，实时记录包括9个交流量、32个开入、16个开出量、所有保护模块的状态；SOE除了记录各种保护动作信息外，还记录经过滤波的开入变位，以及其它有助于事故分析的信息，包括装置上电、装置掉电、装置复位、信号复归、遥控操作、就地操作、修改保护定值、装置自检错误、装置超温等信息。借助于SafeLogic软件包可以对故障录波进行详尽直观的分析。
高精度测量
POWERSAFE的测量功能包括对IA、IB、IC、I0、UA、UB、UC、UAB（UAB1）、UBC（UBC1）、UCA（UCA1）、U0、UAB2、UBC2、UCA2、P、Q、f、fs、PF的精准测量，以及对正向kWh、反向kWh、正向kVarh、反向kVarh的计量。其中电压、电流和功率因数的测量精度达到了0.2级，功率、电度的精度达到了0.5级，测频偏差最大±0.01Hz。采用频率跟踪技术，实时监视系统频率的变化，实时调整数据采样的时间间隔，可以彻底消除基频波动引起的计算误差，能保证在基频偏离工频50Hz很大的情况下准确计算出当时系统的基频分量、谐波分量和序分量。并且，POWERSAFE的测频通道可以自动切换，只要有交流电输入，就有频率值。
精准的校时
POWERSAFE的校时有三种：人工装置面板校时，通信校时和IRIG-B码校时。其中，人工装置面板校时为粗校时，无精度可言，一般用于调试；通信校时的精度小于±100ms；而IRIG-B码校时的精度小于或等于±1ms。精准的校时保证了故障录波和SOE信息的可信度，提升了它们在事故分析中的价值。尤其，即使POWERSAFE发生复位或短暂掉电，也不影响它的时钟精度。
功能齐全、使用方便的面板
POWERSAFE的面板设计美观、简洁，使用方便、简单。大液晶显示屏上可以显示主接线图，开关和隔刀、地刀的实时位置，也可以同时显示测量实时值。使用4个用于设备控制的按键（对象选择、分、合、就地控制）就可以对主接线图中的设备进行分或合操作。POWERSAFE的面板显示有两个由用户定义的主画面（包括泵的运行状态画面），用户可根据需要，在SafeLogic上将常用的信息定义在两个主画面上，查看起来极其方便。此外，POWERSAFE的面板还包括8个可以编程的3色LED指示灯，1个用于就地/远方控制切换的按键和对应的3个位置指示灯，1个信号复归按键和一套由上、下、左、右4个按键、1个退出、1个确认按键组成的人机交互键。人机界面有两个用户级别，浏览级和控制级。浏览级用于日常的测量和监视，而控制级可用于设定参数和保护定值、就地操作。
POWERSAFE的人机交互有充分的提示信息，易学易会。
智能可编程保护管理单元在泵站智能控制中的应用
由于智能可编程保护管理单元具备PLC、LCU、继电保护、电力仪表等全部的功能，完全可以应用在泵站智能控制中。
每个PowerSafe可编程保护管理单元具备以下设备的功能：
完善的继电保护功能;
全面的电力测量功能，完全取代智能配电仪表
模拟输入，可接入温度变送器，取代温度巡检仪。
最多可扩展32DI,16DO的可编程节点，取代PLC
可以组态的大屏幕液晶显示，取代显示面板。
多总线通信，不需要其他的通讯辅助设备。
结论
采用全新的泵站智能智能控制系统可以达到简洁、安全、可靠和经济的目的。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。