水電站高可靠性排水控制系統設計研究

張 堃，周立成，黃真懿，譚 勇

（三峽水力發電廠，湖北省宜昌市 443000）

0 引言

排水系統是水電站的重要組成部分，主要包括檢修排水系統、滲漏排水系統兩大類，檢修排水系統主要用于排出機組檢修時蝸殼水，便于機組檢修；滲漏排水系統主要用于將水電站廠房地面、廊道、壩體滲漏積水排出[1]。

當前水電站排水控制系統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，無冗余電源結構設計，可靠性不強；②控制電源回路采用220V電源結構設計，現地排水泵與控制系統距離長達1000m，容易產生感應電壓出現系統紊亂，控制元器件維護不方便；③排水泵控制邏輯冗余結構設計簡單，冗余回路元器件故障，排水系統將無法啟泵，冗余程度不高；④水位值只通過現地控制系統計算后單一顯示，控制系統故障后運行人員將無法實時監視水位，可能會產生水淹廠房的危險；⑤串聯回路設計觸點故障率高等。迫切需要設計研究高可靠性的排水控制系統，提高控制系統安全性與穩定性，降低工作維護難度與成本，確保排水控制系統現場出現任何故障情況時，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，遠方監控系統能實時監視現場水位數據和相關報警，實現智能化電站建設[2]。

1 系統設計

按照排水系統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，遠方實時監控系統水位和相關報警信息的思路[3]，通過以下幾個方面進行設計研究：

1.1 電源設計

電源高可靠性是排水系統正常運行的前提條件，電源包括動力電源和控制電源[4]，動力電源設計如圖2所示，兩路電源分別由兩段母線供電，形成冗余結構，確保動力電源的可靠性；控制電源分別從Ⅰ段動力電源，Ⅱ段動力電源經過電源轉換裝置1、電源轉換裝置2，通過切換裝置將24V電源形成冗余結構，確保控制電源的供電高可靠性，控制柜內均選用24V電源控制繼電器，控制電源設計如圖3所示。

圖2 動力電源系統設計Figure 2 Power supply system design

圖3 控制電源系統設計Figure 3 Control power system design

1.2 控制方式設計

排水系統操作實現智能化控制和人為手動操作方式[5]，將排水控制系統控制方式設自動、手動兩種方式：

（1）自動方式下排水控制系統自動運行，當到達啟泵水位時，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進行啟泵、停泵操作；

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

圖4 排水系統開關量輸入設計Figure 4 Switch input design of drainage system

1.3 控制回路設計

排水系統回路設計采用智能控制、儀表控制與硬接線回路控制三重冗余結構設計[7]，互為備用，智能控制通過PLC 模塊結構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點進行水位控制，硬接線回路采用現場布置的浮子開關量對水位進行控制，三種控制方式確保排水控制系統的可靠、穩定，電氣控制回路啟停繼電器K4采用雙線圈繼電器，控制回路采用并聯設計，有效避免了控制回路串聯繼電器觸電異常帶來故障風險，設計原理圖如圖5所示。

1.3.1 水位值設計

水位值進行設計時，由于水電站排水系統包括廠房檢修排水系統、廠房滲漏排水系統、壩體滲漏排水系統，各個排水系統安裝在不同的高程，集水井的水位考慮高程的原因，排水控制系統水位值由基準水位與集水井水位相加構成，基準水位是集水井的設計高程。集水井采用兩路模擬量傳感器[6]（一路用于現地PLC使用，二路直接用于遠方監控）與浮子開關量冗余，浮子開關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。現地水位模擬量電源由現地提供，送遠方監控模擬量電源由遠方監控提供，現地與遠方模擬量分離，確保兩路模擬量信號冗余，遠方監控能實時對現地水位進行監視，當兩路相差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PLC，PLC程序中對通過模擬量電流值計算集水井水位，當水位超過設定的啟泵水位時，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，設計如圖6所示。

圖6 智能控制設計圖Figure 6 Intelligent control design diagram

1.3.3 智能儀表控制

現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PLC，排水系統自動控制方式下運行，智能控制系統出現故障時，通過PLC內部程序設計，系統可通過繼電器KA9失磁自動切換智能儀表控制方式，數顯表可顯示當前模擬量水位值，設定啟泵、停泵水位定值，當到達設定值時，可通過數顯表開出節點，使排水系統正常啟停泵，如圖3、圖5、圖7所示。

圖7 智能儀表控制設計圖Figure 7 Smart instrument control design diagram

1.3.4 開關量控制

開關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，排水系統啟泵浮子開關量K3動作時，排水系統啟泵運行，停泵浮子開關量K1動作時，排水系統停止運行，設計如圖5所示。

圖5 系統設計原理圖Figure 5 System design schematic diagram

1.3.5 故障報警及指示燈設計

高可靠性排水控制系統出現故障，如斷路器故障、電源故障等影響排水系統正常運行的故障現地設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控系統，發現后可以及時處理，在HMI面板上設置有報警記錄區和當前報警記錄條，運行人員可以清晰地看到當前故障信息以及設備運行狀態[8]，設計如圖4、圖8、圖9 所示。

圖8 系統故障報警設計Figure 8 System failure alarm design

圖9 指示燈設計Figure 9 Indicator light design

1.3.6 觸摸屏設計

觸摸屏功能豐富，面板設計包括系統監視、水位修改、故障報警、事件報警、點表畫面、數據瀏覽、控制面板、網絡結構等內容，畫面可讀性強，畫面美觀，內部結構完善，設計如圖10所示。

圖10 觸摸屏畫面設計Figure 10 Touch screen screen design

2 應用效果及系統特點

2.1 應用效果

2020年，根據以上方案設計的水電站高可靠性排水系統投入運行，原系統與新系統現場屏柜圖如圖11所示，新系統自投運以來運行穩定，未出現過一例系統性故障，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，再未出現原系統功能紊亂故障等事件。

圖11 盤柜設計Figure 11 Enclosure design

2.2 系統特點

通過對水電站高可靠性排水系統設計后，控制回路實現了以下功能：

（1）動力電源和控制電源均設計為冗余電源結構，確保電源可靠、穩定；

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

（3）水位值可以通過觸摸屏、智能控制儀表、遠方監控系統三冗余顯示設計；

（4）自動控制方式下，排水系統到達啟泵水位時，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PLC系統故障，自動切換至智能儀表硬接線回路進行排水系統控制；工作泵在運行過程中，智能控制系統PLC系統故障，智能儀表故障，現場可通過開關量浮子對排水系統進行控制，三重冗余控制方式設計；

（5）故障報警實現了蜂鳴器聲光報警及柜體指示燈閃爍提示功能。

3 結束語

本文設計了一套水電站高可靠性排水系統，該系統的電源回路采取冗余結構布置，控制系統采用三重冗余并聯結構方式設計，水位數值顯示采用現地與遠方相結合的三冗余結構設計，故障報警采用蜂鳴器與故障指示燈閃爍相結合冗余設計，冗余設計從根本上確保了排水控制系統的安全、可靠、穩定運行，有效地防止了水淹廠房等重大安全事故的發生，也為相關控制系統的設計提供了借鑒意義。