顶盖液位微分滤波诊断与控制

杨张斌，夏建华，江诗宏，田源泉

（溪洛渡水力发电厂，云南省永善县 657300）

顶盖液位微分滤波诊断与控制

杨张斌，夏建华，江诗宏，田源泉

（溪洛渡水力发电厂，云南省永善县 657300）

顶盖排水是水轮发电机组最为重要的辅助系统之一，顶盖排水系统的可靠运行对电站安全有重大意义。采用混流式水轮机组的电站，顶盖排水系统通常的设计方式有常规回路控制、现地可编程控制、远方后备控制，水位信号的采集也存在多种方式。本文针对不能完全依靠空心导叶自流排水，对顶盖排水泵较为依赖的水轮机结构，提出顶盖排水系统的优化设计方式，通过微分滤波对水位信号进行处理，明晰现地控制单元与远方后备的关系，为同类结构的顶盖排水提供参考。

顶盖排水；微分滤波；信号；控制

0 引言

水轮发电机组顶盖多采用主轴密封加压供水的方式防止尾水倒灌，即便采用空心导叶自流排水的水轮机结构，也需要依靠潜水泵对积水进行抽排，顶盖水位根据主轴密封与抗磨环间隙大小有不同的上升速率，如果顶盖排水系统失效，长时间无水抽排会使潜水泵烧毁，高水位时抽排不及时会导致水淹水导，严重时水淹厂房。

水电站通常会设置双重冗余的顶盖排水系统，常见的方式有以下几种：①继电器常规回路与现地可编程控制；②继电器常规回路与监控远方控制；③现地可编程回路与监控远方控制。在有些电站还存在常规回路、现地控制、远方控制的三重模式，顶盖泵在多头控制的方式下如何协调之间的关系，本文将以方式②为例进行分析。

顶盖水位信号的采集在各水电站存在相同的问题：①测值不准；②经常发卡；③跳变导致控制异常。顶盖水位测量的方式有多种，常见的有投入式水位传感器（测压）、浮球连杆液位传感器（磁场感应）、磁翻板液位计、机械式液位计、红外式与超声波等，顶盖水质浑浊，泥沙严重甚至有积油污染，环境也非常潮湿狭窄，红外式与超声波测量不适用，其他几类传感器各有利弊，因此典型的水位测量方式常采用模拟量与开关量分离，现地与远方各自独立的信号采集方式，来保证水位的正确性和有效性。

1 顶盖排水控制系统简述

在顶盖合适的位置设置3台优质电动潜水泵，在机坑内合适位置设置1套射流泵，排水泵/射流泵的扬程和排水量应确保将积水排至集水井或尾水管，射流泵采用带手柄的电动球阀投切取自压力钢管的压力水源。顶盖原理见图1。

电动潜水泵其中一台主用，一台备用，一台应急，主备应急关系按启动次数轮换，射流泵为潜水泵的备用，可自动或手动控制。其中1号泵与射流泵电源取自水轮机动力柜Ⅰ段，2号泵与3号泵电源取自水轮机动力柜Ⅱ段，以保证动力系统的可靠性。控制回路采用24VDC电源系统，双冗余配置，电动机通过接触器直接启动，配有断路器过流保护和热继电器过热保护。图2为顶盖泵布置图，图3为射流泵布置图。

2 顶盖液位信号处理

顶盖液位测量使用4～20mA电流输出型传感器2套，分别送现地可编程控制器与远方监控系统。使用带5个开关量接点输出的液位开关2套，分别送现地可编程控制器与远方监控系统。

传感器与液位开关长期使用过程中，会出现损坏断线、抖动跳变、发卡缓变等故障，影响实际水位的准确判断，进而影响泵的有效控制。

2.1 断线与跳变处理

在可编程控制器的软件环境中定义模拟量信号处理综合功能块，该功能模块具备诊断传感器损坏、断线、越限，模拟量采集模块故障的功能。ST语言结构实现如下：

模拟量源码值不大于0或不小于8000时，进行5个周期扫描，连续5个周期满足故障条件，进行模拟量越限报警。

连续5个采样周期内，当前模拟量采样与上一周期差值大于设定值，进行跳变报警。

对正常的模拟量信号采用50ms滤波处理，且模拟量的计算值进行上下量程的限定。

开关量的处理采用简单有效的防抖动延时处理，延时时间1～2s为宜。

2.2 发卡与缓变处理

在传感器测量元件发生堵死、卡涩、脱落等故障的情况下，使用智能的方式进行测值的有效值判断，在水泵抽排到达动态平衡或者顶盖产生虹吸现象时，顶盖水位在一段时间内不发生明显变化，同时在抽排过程中，泵的启停前后水位呈现锯齿形波动，采用简单的方式对前后水位进行判断不能达到预期的效果，使用软件内部微分滤波器对顶盖液位进行处理，并限定缓变报警的环境区间，可以实现以上故障的精确判断。

定义顶盖液位缓变判断功能块，该功能块的参数赋值是通过选择微分单位的GAIN和输出OUT将按其延迟的滞后时间常数LAG实现的。对于非常短的采样时间和IN输入的单位跳转（当IN输入为 0 到 1.0 时跳转），OUT输出将跳转到GAIN值（理论值—实际上稍微小些，因为采样时间并非无限小），以便将LAG时间常数返回到 0。

OUT的传输功能为：

计算公式为：

式中：IN（new）——来自当前循环的输入IN的值；

IN（old）——来自上一个循环的输入IN的值；

IN（out）——来自上一个循环的输出OUT的值；

dt——当前循环和上一个循环之间的时间差分。

以LEAD 功能块跳线的表示形式通过GAIN= 1 和LAG= 10s 做出响应为例：

通过TR_S参数输入可选择两种操作模式：TR_S为1时跟踪值TR_I将直接传输到输出OUT，TR_S为0时该功能块将按参数设置中所述进行处理。

以ST语言为例在可编程控制器中进行缓变程序段的设计：

各变量的定义见表1.

用mat lab进行仿真，仿真框图见图5，仿真曲线见图6。

从仿真结果可以看出，顶盖液位的动态变化在OUT输出端为跟随的半波曲线，液位停止变化时，输出经过延时衰减后进行缓变报警。

缓变报警值的选择可以通过以下程序段来实现：

通过一定时间内对最大最小输出值的观察，即可确定出具体工况下缓变的报警值，在溪洛渡水电站顶盖系统中缓变报警的OUT越限设定值为不大于0.1。

在上述程序段中可以看出，缓变报警在模拟量通道故障或停泵液位以下时进行闭锁，避免了因通道故障或顶盖产生虹吸现场时产生的信号误报。图7为溪洛渡水电站10F机组顶盖的实际液位变化与微分滤波器输出录波情况，可以看出实际运行情况较仿真情况更复杂，但微分滤波器输出仍然有明显的区分度。

3 顶盖排水控制

顶盖排水控制按照以下原则进行设计：

（1）1号泵、2号泵、3号泵以启动次数决定主备用关系，启动次数最少的水泵作为主用泵，启动次数最多的水泵作为第二备用泵，启动次数居中的水泵作为第一备用泵。当运行过程中水泵因故障切除或者通过设置触摸屏切除后，将对剩下的水泵按启动次数进行重新排序并确定主备用关系。

（2）在自动方式下，水泵启停由水位模拟量信号和水位开关输入信号进行控制（优先使用模拟量信号）。由LCU监控系统给出的启动控制信号可以直接启动排水泵，LCU给出的启动控制信号不经过本柜内的PLC，直接通过硬接线启动相应水泵。

3.1 现地可编程控制系统设计

顶盖水位测量信号优先选用模拟量信号（启动单泵时）：

（1）当模拟量信号故障时，自动切换至开关量信号主用，此时不能影响顶盖排水系统正常运行；模拟量信号故障消除后，该故障能自动复归，并自动选择模拟量信号主用。

（2）模拟量故障判断逻辑：①模拟量信号越限故障。测量值大于20mA或小于4.0mA触发该故障。②模拟量信号突变故障。测量值在设定时间内变化大于门槛值触发该故障。③模拟量信号缓变故障。测量值在设定时间内差分变化量小于门槛值且满足（停泵液位开关量动作复归或启备一泵液位开关量动作或启备二泵液位开关量动作）其一时触发该故障。

（3）上述3个故障条件为“或”逻辑，当任意一个或几个条件都满足时，触发模拟量信号故障；当3个故障条件都不满足且延时10s，自动复归模拟量信号故障。将模拟量信号故障、模拟量信号越限故障、模拟量信号突变故障、模拟量信号缓变故障通过通信上送监控系统及现地PLC 触摸屏报警。

（4）启动多个顶盖泵，各台泵之间的启泵延时为5s。

启动双泵条件：

1）当主泵和备一泵接点都接通时，启动两台泵；

2）当模拟量故障和备二泵接点也接通时，启动两台泵；

3）当模拟量正常时，水位到达启备一泵启动两台泵。

启动三泵条件：

1）当备一泵和备二泵接点都接通时，启动三台泵；

2）当主泵和备二泵接点都接通时，启动三台泵；

3）当模拟量故障和备二接点也接通时，启动三台泵；

4）当模拟量正常时，水位到达启备二泵启动三台泵。

3.2 远方后备控制系统设计

远方后备控制系统是借助监控系统LCU的强大功能，对顶盖系统实现的一套后备控制功能。信号的采集和故障的判读逻辑远方后备与现地可编程控制器一致，在顶盖泵的实际控制时，两者存在差异。

监控LCU作为现地PLC后备直接启动三台顶盖泵，各台泵之间的启泵延时为5s。当模拟量正常时水位到达启备二泵，启动三台泵；当备一泵和备二泵接点都接通时，启动三台泵；当主泵和备二泵接点都接通时，启动三台泵；当模拟量故障和备二接点也接通时，启动三台泵；水位模拟量或开关量上升至极高水位时，LCU启动射流泵。图8为远方后备控制顶盖系统的操作界面。

4 结束语

顶盖排水控制系统作为水电站最为重要的辅助系统之一，对电站的安全运行有重要意义。通过对顶盖水位与潜水泵运行规律的摸索研究，得出一套从信号采集至对象控制的完整运行体系，采用液位微分滤波诊断实现信号的精确测量，模拟量开关量优先级设定保证了水泵的有效控制，经过前期研究至后续运行监测，该系统成效明显，大大降低顶盖排水系统的不可靠性和故障率。

当然，随着水位测量的进一步发展，在顶盖排水的环境中如果能够出现非常稳定、精确、无故障的测量元件，以上的信号处理方式可以进行相应的调整和简化，同时以上水位信号和对象控制的设计思路和方式，也能为类似的系统提供参考，在行业内进行应用推广。

[1]欧小冬．PLC在水轮机顶盖排水控制系统中的应用[J]． 中国水能及电气化，2013，（06）．OU Xiaodong． The application of PLC in head cover drainage control system of hydraulic turbine[J]． Hydropower and electrification in China，2013，（06）．

[2]程泽斌，陈刚．高坝洲水电厂水轮机顶盖排水控制方式改进[J]．湖北水力发电， 2004，（04）．CHENG Zebin，CHEN Gang．The improvement of head cover drainage control mode in Gaobazhou Hydropower Plant[J]． Hubei hydropower，2004（04）．

[3]王焕茂，覃大清，魏显著，赵越，陈元林．哈电混流式水泵水轮机长短叶片转轮水力研发及进展[J]．水电与抽水蓄能，2016，2（3）：38-43．WANG Huanmao，QIN Daqing，WEI Xianzhu，ZHAO Yue，CHEN Yuanlin． Hydraulic Research and Development of Splitter Runner of Francis Pump Turbine in Hec[J]． Hydropower and Pumped Storage，2016，2（3）：38-43．

[4]杜荣幸，王庆，榎本保之，陈泓宇．长短叶片转轮水泵水轮机在清远抽水蓄能电站中的应用[J]．水电与抽水蓄能，2016，2（5）：39-44．DU Rongxing，WANG Qing，ENOMOTO Yasuyuki，CHEN Hongyu． Application of Splitter Blades Runner Pump Turbine in QingYuan Pump Storage Station[J]． Hydropower and Pumped Storage，2016，2（5）：39-44．

2017-05-10

2017-09-15

杨张斌（1983—），男，工程师，主要研究方向：从事水电站自动化技术研究工作。E-mail：yang_zhangbin@cypc．com．cn

夏建华（1977—），男，高级工程师，主要研究方向：从事水电站监控系统技术研究工作。E-mail：xia_jianhua@cypc．com．cn

江诗宏（1984—），男，高级工程师，主要研究方向：从事水电站设备运行研究工作。E-mail：jiang_shihong@cypc．com．cn

田源泉（1988—），男，助理工程师，主要研究方向：从事水电站自动化技术研究工作。E-mail：tian_yuanquan@cypc．com．cn

Diagnosis and Control of Turbine Set Top Cover Liquid Level with Differential Filter

YANG Zhangbin， XIA Jianhua， JIANG Shihong， TIAN Yuanquan
（Xiluodu Hydropower Plant， Yongshan 657300， China）

Top cover drainage system is one of the most important hydro-generating unit auxiliary systems. The reliable operation of the top cover drainage system has great significance for the safety of the power plant. In the power plant which has Francis turbines，top cover drainage systems are usually designed with a conventional loop control mode， local programmable control， remote back-up control， whose collection level signal also exist a variety of ways.In this paper we optimization design approach proposed the top cover drainage systems， filter water through the differential signal processing， clear local control unit and remote back-up relationship in the turbine structure which can not completely rely on gravity drainage hollow vanes， the more dependent on the cover of the drain pump， and providing a reference for the top cover drainage with the similar structure.

top cover drainage system；differential filtering；signal；control

TV735

A学科代码：570．30

10．3969/j．issn．2096-093X．2017．05．014