水電站高可靠性排水控制系統(tǒng)設(shè)計研究

張 堃，周立成，黃真懿，譚 勇

（三峽水力發(fā)電廠，湖北省宜昌市 443000）

0 引言

排水系統(tǒng)是水電站的重要組成部分，主要包括檢修排水系統(tǒng)、滲漏排水系統(tǒng)兩大類，檢修排水系統(tǒng)主要用于排出機組檢修時蝸殼水，便于機組檢修；滲漏排水系統(tǒng)主要用于將水電站廠房地面、廊道、壩體滲漏積水排出[1]。

當(dāng)前水電站排水控制系統(tǒng)的電氣控制原理圖如圖1所示，普遍存在以下問題：①排水泵動力電源采用單路電源供電，無冗余電源結(jié)構(gòu)設(shè)計，可靠性不強；②控制電源回路采用220V電源結(jié)構(gòu)設(shè)計，現(xiàn)地排水泵與控制系統(tǒng)距離長達1000m，容易產(chǎn)生感應(yīng)電壓出現(xiàn)系統(tǒng)紊亂，控制元器件維護不方便；③排水泵控制邏輯冗余結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單，冗余回路元器件故障，排水系統(tǒng)將無法啟泵，冗余程度不高；④水位值只通過現(xiàn)地控制系統(tǒng)計算后單一顯示，控制系統(tǒng)故障后運行人員將無法實時監(jiān)視水位，可能會產(chǎn)生水淹廠房的危險；⑤串聯(lián)回路設(shè)計觸點故障率高等。迫切需要設(shè)計研究高可靠性的排水控制系統(tǒng)，提高控制系統(tǒng)安全性與穩(wěn)定性，降低工作維護難度與成本，確保排水控制系統(tǒng)現(xiàn)場出現(xiàn)任何故障情況時，集水井水位到達啟泵水位時能正常啟泵，到達停泵水位時能正常停泵，到達超高水位可用泵全部啟泵、集水井檢修時可將集水井水抽空，遠方監(jiān)控系統(tǒng)能實時監(jiān)視現(xiàn)場水位數(shù)據(jù)和相關(guān)報警，實現(xiàn)智能化電站建設(shè)[2]。

1 系統(tǒng)設(shè)計

按照排水系統(tǒng)水位超過啟泵水位時正常啟泵，低于停泵水位時停止啟泵，集水井檢修時，可將集水井水位抽空便于檢修，遠方實時監(jiān)控系統(tǒng)水位和相關(guān)報警信息的思路[3]，通過以下幾個方面進行設(shè)計研究：

1.1 電源設(shè)計

電源高可靠性是排水系統(tǒng)正常運行的前提條件，電源包括動力電源和控制電源[4]，動力電源設(shè)計如圖2所示，兩路電源分別由兩段母線供電，形成冗余結(jié)構(gòu)，確保動力電源的可靠性；控制電源分別從Ⅰ段動力電源，Ⅱ段動力電源經(jīng)過電源轉(zhuǎn)換裝置1、電源轉(zhuǎn)換裝置2，通過切換裝置將24V電源形成冗余結(jié)構(gòu)，確?？刂齐娫吹墓╇姼呖煽啃裕刂乒駜?nèi)均選用24V電源控制繼電器，控制電源設(shè)計如圖3所示。

圖2 動力電源系統(tǒng)設(shè)計Figure 2 Power supply system design

圖3 控制電源系統(tǒng)設(shè)計Figure 3 Control power system design

1.2 控制方式設(shè)計

排水系統(tǒng)操作實現(xiàn)智能化控制和人為手動操作方式[5]，將排水控制系統(tǒng)控制方式設(shè)自動、手動兩種方式：

（1）自動方式下排水控制系統(tǒng)自動運行，當(dāng)?shù)竭_啟泵水位時，啟動工作泵，到達停泵水位時，停止工作泵；

（2）手動方式下可以通過控制按鈕對排水系統(tǒng)進行啟泵、停泵操作；

（3）如需抽空集水井水位時，只需將現(xiàn)地設(shè)置的連片投入LP1即可將集水井抽空，如圖4和圖5所示。

圖4 排水系統(tǒng)開關(guān)量輸入設(shè)計Figure 4 Switch input design of drainage system

1.3 控制回路設(shè)計

排水系統(tǒng)回路設(shè)計采用智能控制、儀表控制與硬接線回路控制三重冗余結(jié)構(gòu)設(shè)計[7]，互為備用，智能控制通過PLC 模塊結(jié)構(gòu)化編程進行水位控制，儀表控制采用帶顯示功能的帶隔離變送器智能控制儀表開出節(jié)點進行水位控制，硬接線回路采用現(xiàn)場布置的浮子開關(guān)量對水位進行控制，三種控制方式確保排水控制系統(tǒng)的可靠、穩(wěn)定，電氣控制回路啟停繼電器K4采用雙線圈繼電器，控制回路采用并聯(lián)設(shè)計，有效避免了控制回路串聯(lián)繼電器觸電異常帶來故障風(fēng)險，設(shè)計原理圖如圖5所示。

1.3.1 水位值設(shè)計

水位值進行設(shè)計時，由于水電站排水系統(tǒng)包括廠房檢修排水系統(tǒng)、廠房滲漏排水系統(tǒng)、壩體滲漏排水系統(tǒng)，各個排水系統(tǒng)安裝在不同的高程，集水井的水位考慮高程的原因，排水控制系統(tǒng)水位值由基準(zhǔn)水位與集水井水位相加構(gòu)成，基準(zhǔn)水位是集水井的設(shè)計高程。集水井采用兩路模擬量傳感器[6]（一路用于現(xiàn)地PLC使用，二路直接用于遠方監(jiān)控）與浮子開關(guān)量冗余，浮子開關(guān)量作為模擬量的備用，包括啟動、超高、停止三個浮子確保模擬量故障時到達啟泵水位時能正常啟泵運行。現(xiàn)地水位模擬量電源由現(xiàn)地提供，送遠方監(jiān)控模擬量電源由遠方監(jiān)控提供，現(xiàn)地與遠方模擬量分離，確保兩路模擬量信號冗余，遠方監(jiān)控能實時對現(xiàn)地水位進行監(jiān)視，當(dāng)兩路相差50cm時，將會對模擬量報超差報警。

1.3.2 智能PLC控制

在自動控制方式下，現(xiàn)地水位模擬量電流值通過帶顯示功能的隔離變送器智能控制儀表送至智能控制系統(tǒng)PLC，PLC程序中對通過模擬量電流值計算集水井水位，當(dāng)水位超過設(shè)定的啟泵水位時，考慮水位的擾動延時5s啟泵，通過PLC模塊DO動作啟泵繼電器，排水泵啟動運行，到達停泵水位時，為防止水錘擾動延時5s，PLC模塊DO動作停止繼電器，使排水泵停止運行，設(shè)計如圖6所示。

圖6 智能控制設(shè)計圖Figure 6 Intelligent control design diagram

1.3.3 智能儀表控制

現(xiàn)地模擬量電流值通過隔離變送器帶顯示功能的智能控制儀表后進入智能控制系統(tǒng)PLC，排水系統(tǒng)自動控制方式下運行，智能控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，通過PLC內(nèi)部程序設(shè)計，系統(tǒng)可通過繼電器KA9失磁自動切換智能儀表控制方式，數(shù)顯表可顯示當(dāng)前模擬量水位值，設(shè)定啟泵、停泵水位定值，當(dāng)?shù)竭_設(shè)定值時，可通過數(shù)顯表開出節(jié)點，使排水系統(tǒng)正常啟停泵，如圖3、圖5、圖7所示。

圖7 智能儀表控制設(shè)計圖Figure 7 Smart instrument control design diagram

1.3.4 開關(guān)量控制

開關(guān)量控制是模擬量控制的后備保護，無論在自動還是手動方式下，排水系統(tǒng)啟泵浮子開關(guān)量K3動作時，排水系統(tǒng)啟泵運行，停泵浮子開關(guān)量K1動作時，排水系統(tǒng)停止運行，設(shè)計如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)設(shè)計原理圖Figure 5 System design schematic diagram

1.3.5 故障報警及指示燈設(shè)計

高可靠性排水控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障，如斷路器故障、電源故障等影響排水系統(tǒng)正常運行的故障現(xiàn)地設(shè)故障指示燈閃爍并配合聲光報警引起工作人員注意，并將故障信號送至遠方監(jiān)控系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)后可以及時處理，在HMI面板上設(shè)置有報警記錄區(qū)和當(dāng)前報警記錄條，運行人員可以清晰地看到當(dāng)前故障信息以及設(shè)備運行狀態(tài)[8]，設(shè)計如圖4、圖8、圖9 所示。

圖8 系統(tǒng)故障報警設(shè)計Figure 8 System failure alarm design

圖9 指示燈設(shè)計Figure 9 Indicator light design

1.3.6 觸摸屏設(shè)計

觸摸屏功能豐富，面板設(shè)計包括系統(tǒng)監(jiān)視、水位修改、故障報警、事件報警、點表畫面、數(shù)據(jù)瀏覽、控制面板、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等內(nèi)容，畫面可讀性強，畫面美觀，內(nèi)部結(jié)構(gòu)完善，設(shè)計如圖10所示。

圖10 觸摸屏畫面設(shè)計Figure 10 Touch screen screen design

2 應(yīng)用效果及系統(tǒng)特點

2.1 應(yīng)用效果

2020年，根據(jù)以上方案設(shè)計的水電站高可靠性排水系統(tǒng)投入運行，原系統(tǒng)與新系統(tǒng)現(xiàn)場屏柜圖如圖11所示，新系統(tǒng)自投運以來運行穩(wěn)定，未出現(xiàn)過一例系統(tǒng)性故障，電源回路供電可靠，啟停泵正常，水位顯示正常，觸摸屏事件顯示正常，再未出現(xiàn)原系統(tǒng)功能紊亂故障等事件。

圖11 盤柜設(shè)計Figure 11 Enclosure design

2.2 系統(tǒng)特點

通過對水電站高可靠性排水系統(tǒng)設(shè)計后，控制回路實現(xiàn)了以下功能：

（1）動力電源和控制電源均設(shè)計為冗余電源結(jié)構(gòu)，確保電源可靠、穩(wěn)定；

（2）排水控制系統(tǒng)在設(shè)計時采用雙線圈動作繼電器，回路采用并聯(lián)方式設(shè)計，有效避免了串聯(lián)回路設(shè)計觸點異常帶來的故障風(fēng)險；

（3）水位值可以通過觸摸屏、智能控制儀表、遠方監(jiān)控系統(tǒng)三冗余顯示設(shè)計；

（4）自動控制方式下，排水系統(tǒng)到達啟泵水位時，工作泵自動運行，到達停泵水位，工作泵自動停泵；智能控制系統(tǒng)PLC系統(tǒng)故障，自動切換至智能儀表硬接線回路進行排水系統(tǒng)控制；工作泵在運行過程中，智能控制系統(tǒng)PLC系統(tǒng)故障，智能儀表故障，現(xiàn)場可通過開關(guān)量浮子對排水系統(tǒng)進行控制，三重冗余控制方式設(shè)計；

（5）故障報警實現(xiàn)了蜂鳴器聲光報警及柜體指示燈閃爍提示功能。

3 結(jié)束語

本文設(shè)計了一套水電站高可靠性排水系統(tǒng)，該系統(tǒng)的電源回路采取冗余結(jié)構(gòu)布置，控制系統(tǒng)采用三重冗余并聯(lián)結(jié)構(gòu)方式設(shè)計，水位數(shù)值顯示采用現(xiàn)地與遠方相結(jié)合的三冗余結(jié)構(gòu)設(shè)計，故障報警采用蜂鳴器與故障指示燈閃爍相結(jié)合冗余設(shè)計，冗余設(shè)計從根本上確保了排水控制系統(tǒng)的安全、可靠、穩(wěn)定運行，有效地防止了水淹廠房等重大安全事故的發(fā)生，也為相關(guān)控制系統(tǒng)的設(shè)計提供了借鑒意義。