水电站机组辅助设备电机控制中心一体化设计及应用

李天毅，孙光超，杨春霞

（1.北京中水科水电科技开发有限公司，北京 100038；2.中国水利水电第十一工程局有限公司，河南 郑州 450001）

0 引言

在水电站机组及辅助设备自动控制系统中，辅机控制系统的控制对象一般包括：机组辅助设备（如油压装置、顶盖排水系统等）、电站公用设备（如空压机系统、渗漏排水系统等）、以及其余的生产辅助设备（如风机、组合式空调等）。辅机设备控制柜一般都是按照“方便设备操作”原则，就近安装在被控设备对象区域，以便于现场调试和投运后的运行巡检。现阶段机组辅助设备控制系统虽然采用PLC 和触摸屏来实现自动化，但各个控制系统与机组PLC 控制系统之间的信号连接依然普遍采用硬接线回路实现，也就是说机组辅助设备的现场信号需要先接入到机组辅助设备控制柜，再通过硬接线转接到机组PLC 控制系统。这无形中增加了电缆敷设的任务量，造价高，盘柜内接线复杂，设备的故障点多，不便于设备维护，以至于在设备投产后如需增加信号需要改动的工作量大[1]。

本文提出一种在机组PLC 控制系统中新增机组辅助设备电机控制中心（MCC）接入机组辅助设备的一体化设计方案，弱化了机组辅助设备控制柜的功能，却能很好地避免上述问题。因为机组辅助设备控制柜的安装位置与机组LCU 的安装位置基本都在同一区域，且机组PLC 控制系统也有多个远程子站控制柜安装在机组的不同位置，能较方便地接入现场设备信号。取消机组辅助设备控制柜，将原接入到辅助设备控制柜的现场信号就近接入到机组PLC 远程子站控制柜或者接入到机组现场总线上，机组辅助设备的电动机则直接接入到电机控制中心，由机组PLC 控制系统负责控制电动机的启动和停止操作。这不仅有利于机组PLC 控制系统对机组辅助设备的全面监视和控制，而且能让机组的控制流程更灵活、更可靠。

1 机组辅助设备接入监控系统的网络结构

1.1 机组辅助设备接入监控系统现状

水电站监控系统一般采用以计算机监控系统为基础的集中监控方案，在现地控制单元（LCU）配置有高性能的冗余PLC 作为主控制器，采集现场数据和控制现场设备，而水电站辅机设备PLC 控制系统基本上采用分层分布式结构接入到现地控制单元（LCU），数据处理后上送到监控系统[2]。辅机设备PLC 控制系统基本能保持独立运行，几乎不受监控系统的影响。

以国外某水电站的机组PLC 控制系统为例，机组辅助控制系统包括：调速器油压装置控制系统、高压油控制系统、顶盖排水控制系统、发电机辅助控制系统、主轴密封控制系统、上导润滑油控制系统、下导润滑油控制系统、机组技术供水系统和主变冷却控制系统。在MCC 没有引入之前，这些机组辅助系统均设置有相应的机组辅助系统控制柜，负责现场传感器信号的采集和设备控制，之后再将一些重要的设备信号通过硬接线或者通信方式发送到机组PLC 控制系统，参与到机组流程的控制过程中。现场控制柜数量多、分布凌乱，众多的箱柜给设计、安装施工、以及投运后的维护工作都带来了不小的麻烦。

机组辅助设备接入机组PLC 控制系统结构图如图1 所示。

图1 机组辅助设备接入机组PLC 控制系统结构图

1.2 引入机组辅助设备电机控制中心的网络结构

在引入机组辅助设备电机控制中心（MCC）后，取消了机组辅助设备控制柜和启动柜，将原机组辅助设备的现场信号就近接入到机组PLC 远程子站控制柜或者接入到机组现场总线上，机组辅助设备电动机则接入到电机控制中心MCC，由机组PLC 控制系统根据机组状态来实时控制电动机的启动和停止操作。

引入MCC 后，机组辅助设备接入机组PLC 控制系统结构图如图2 所示。

图2 机组辅助设备接入机组PLC 控制系统和MCC 结构图

2 机组辅助设备电机控制中心与监控系统一体化设计

2.1 机组辅助设备电机控制中心的硬件设计

机组辅助设备电机控制中心（MCC）是将原分散在各处的机组辅助设备启动柜和双电源切换柜等集中在低压开关柜内，进行统一规划布局。在MCC柜内，安装有机组PLC 控制系统的一个远程子站单元，配置有足量的开关量和模拟量模块，用于采集MCC 柜内的各种开关量和模拟量信号，控制电机的启动和停止操作。另外，在远程子站单元上也配置有通信模块，用于与MCC 柜内的各种保护监视仪表通信，便于监控系统获取更多MCC 柜内的实时运行数据[3]。

MCC 柜电气主接线图如图3 所示。

图3 MCC 柜电气主接线图

从图3可知，在MCC柜内有两路动力电源进线，断路器CB1 和CB2 分别从1qA 和2qA 厂用电配电柜引入动力电源。具体来说，MCC 具有以下特性：

（1）配置有各种保护功能，比如欠压保护、过流保护、短路保护等。

（2）盘柜配置有3 种控制模式：现地手动模式、现地自动模式和远方自动模式，控制权切换是通过安装在面板上的模式选择按钮手动进行操作。“现地手动模式”时，运行操作人员可以对CB1 和CB2断路器进行手动分合操作；“现地自动模式”时，MCC 柜内的硬接线操作回路自动完成CB1 和CB2断路器的分合操作。“远方自动模式”时，控制权切换到机组PLC 控制系统，PLC 程序控制CB1 和CB2断路器的分合操作。当机组PLC 控制系统发生故障停机时，控制权将自动从“远方自动模式”切换到“现地自动模式”。

（3）在每一个电机操作面板上，均设置有现地远方选择把手和启动停止按钮，以便于电机的手动操作。

（4）配置多种电气测量仪表，采集柜内的各种电量信息。通过通信总线将实时数据采集到监控系统，便于设备维护人员对系统设备运行状况进行跟踪和统计。

（5）电机控制回路模块化集成，抽屉式安装，便于投运后进行维修更换。

另外，MCC 的安装位置需要选择合适，尽量保持MCC 与电机之间的距离最短。电机控制回路元器件的选型，也需要根据电机的额定功率确定，以避免电机控制回路与电机不匹配问题[4]。

2.2 机组辅助设备电机控制中心的软件设计

在机组电机控制中心MCC 内，安装有机组PLC控制系统的一个远程子站单元，通过光纤通信与机组冗余PLC 控制器进行数据交换，也就是说MCC成为了机组PLC 控制系统的一个控制子系统。机组PLC 控制系统不仅能够全面监视MCC 柜内的开关设备信号，还能对进线断路器和电机的启动停止进行控制操作。

总的来说，机组PLC 控制系统对MCC 的控制功能分成以下5 个部分：

（1）采集MCC 的各种开关信号和仪表实时数据，对设备运行状况进行全面监视和统计。

（2）进线断路器分合闸操作。包含3 种操作命令，即：CB1 断路器的分合操作命令、CB2 断路器的分合操作命令、进线断路器倒换操作命令。

（3）电动机启动停止操作。在机组PLC 程序中，每一台电机均设置有3 种控制模式，即：现地手动模式、远方自动模式和远方手动模式。电机切换把手切换到“现地”时，电机控制模式为“现地手动模式”，拥有最高优先权，维护人员可以在电机操作面板上进行电机的启动和停止操作。电机切换把手切换到“远方”时，电机控制模式切换为“远方自动模式”，PLC 程序对电机进行启动和停止操作。此时，监控系统可以下发切换“远方手动模式”命令，将电机控制模式切换到“远方手动模式”。当电机控制模式切换到“远方手动模式”时，监控系统才能对电机进行远方手动启动和停止操作。

（4）机组辅助设备控制系统操作。在机组PLC程序中，辅助设备控制系统均设置有2 种控制模式，即：手动模式和自动模式，控制模式的切换通过监控系统下发模式切换命令进行切换。在“手动模式”时，如果辅助设备系统满足启动或停止条件，控制模式将自动从“手动模式”切换到“自动模式”，进行辅助设备的启动或停止操作。

（5）电机轮换状态计算。对有两个或以上电机的辅助设备系统，进行电机的主用备用状态计算。

3 结语

水电站机组辅助设备电机控制中心与监控系统一体化设计是一项重要的技术创新，它将机组辅助设备电机控制与监控系统有机地结合在一起，实现了对设备运行状态的实时监测和远程控制，及时发现和处理设备故障，提高设备的运行效率和可靠性。通过对设备运行数据的有效监测和分析，可以及时发现设备的异常行为，并进行预测性维护，避免设备故障对水电站发电机组的安全运行产生影响。