某水电厂渗漏排水控制系统智能化设计与改造

谢源强

（五凌电力有限公司，湖南 长沙410004）

碗米坡水电厂位于湖南沅水支流酉水的中游，湘西土家族苗族自治州保靖县境内。电站安装3台80MW机组，总装机容量240MW，1号～3号机组分别于2004年2月、5月和8月投产，设计年利用小时数3300h，多年设计平均发电量7.92亿kW·h，是湖南省湘西地区最大水力发电站，在系统中承担调峰、调频和事故备用的任务。

1 原渗漏排水控制系统概况及改进分析

1.1 原渗漏排控制系统概况

因厂房渗漏集水井来水较多，为保证其排水工作正常、可靠，共配置有3套控制信号，分别为模拟量、水位仪、浮子信号控制组；控制电源仅由渗漏排水泵动力电源供给；且机组水淹厂房保护为渗漏排水系统浮子信号（为渗漏集水井内水位过高浮子与水淹厂房浮子同时动作延时作为此保护的启动动作条件）单网通信至机组PLC实现。当其中任一个信号控制故障，均需将渗漏排水系统水泵切停，然后由专业人员检查及处理；处理期间需人为监测水位并手动抽水，增加了现场工作人员的工作量，增大了水淹厂房的可能性，不利于现场设备的安全、稳定、可靠运行；亦不利于“无人值班，少人值守”及“夜间关门”管控模式的实现。

1.2 智能化改造设计与升级分析

（1）电源系统改造为不间断电源，增加防雷设计，确保控制系统、网络传输工作的不间断性，提升稳定性、可靠性。

（2）与监控系统核心交换机连接的单网升级为双网，且针对现场环境恶劣的实际情况及支持设备国产化愿景的需要，将单网升级为双网并采用稳定可靠的国产工业级光电转换器。使其与上位机及机组LCU网络连接冗余、可靠，提升重要的水淹厂房保护的可靠性。

（3）对控制系统内启/停泵控制信号故障进行自动判断，故障后闭锁水泵所有的自动控制信号功能，以防水泵频繁启/停损坏设备，并上送监控系统上位机报警以提醒其立即应急处置与安排处理；新增3套启/停控制信号的上位机投/退闭锁逻辑，当其中任1套或2套控制信号故障情况下，均可由电厂或五凌集控中心上位机退出故障的控制信号参与自动控制；故障闭锁水泵所有的自动控制信号功能后，需人为正确判断并退出故障控制信号组后才能恢复水泵的自动启/停控制。实现上述功能后，使应急处置隔离更加迅速、高效，维护更加方便、快捷。

2 智能化设计与改进

2.1 供电系统优化设计与改进

由于电源干扰可能会造成现地控制设备复位不正确，进而造成程序失控；故新渗漏排水系统采用在线式UPS，在UPS功率足够的前题下，输出电源电压不受市电不稳定的影响。其进线电源一路采用DC220V，取自厂内直流电源系统；另一路进线电源采用AC220V，取自渗漏排水泵动力电源。经UPS内部稳压、滤波、整流后，输出稳定的DC24V控制电源供给渗漏排水控制系统（PLC工作、光电转换器、水位测控仪、I/O电源）。两路电源同时供电，以交流输入电源为主用，直流输入电源为热备用，能在倒闸操作或主用电源回路故障情况下，实现不间断供电，操作方便，彻底解决了原单一控制电源不稳定、不可靠的隐患。不间断电源进线端均安装有电源监视继电器，任一路进线电源消失，相应监视继电器常闭触点闭合将报警信号送至PLC输入模块进行报警；不间断电源交直流供电模块均自带有DC24V输出告警，任一路输出故障或消失，常闭接点闭合将报警信号送至PLC输入模块进行报警；可及时有效地发现电源故障，并针对性迅速处理正常，保障系统的长期稳定、可靠运行。另在UPS交/直流电源进线端均安装防雷器，可有效防止外部过电压对UPS的损害。在线式不间断电源参数详见表1。

表1 在线式不间断电源参数

2.2 网络部分优化设计与改进

新渗漏排水系统采用如下PLC配置（表2）。

表2 新渗漏排水系统PLC配置

新渗漏排水系统PLC配置有两个网口（网卡模块1个、CPU模块上集成有1个），将其配置为单CPU双网分别链路至监控系统0号、1号网核心交换机，即可双网运行无扰切换：主用网络（与上位机主采集服务器连接的任一网络，0号或1号网）故障断开后，渗漏排水PLC模组能自动切至备用网络与上位机系统连接正常；0号或1号网任一网络与上位机连接故障，上、下位机系统中均有相应报警，故障消除后亦能复归正常。较原控制系统通过MB+总线连接至公用LCU，稳定性、可靠性均大幅提升。

原福克斯多模光电转换器，因现场温湿度难以满足设备运行要求，致使上送上位机数据存在偶发性丢包现象，且故障、损坏率较高；且其工作电源为AC220V，因条件受限，本系统中此电源取自水泵工作电源，电源的稳定性、不间断性难以保证。经多方调研，将其更换为万唐工业级光电转换器，工作电源直接取自渗漏排水系统UPS电源输出的DC24V电源，且新光电转换器能长期运行于现场恶劣环境中，确保与新监控系统上位机及其他LCU的通信（机组水淹厂房保护）可靠。新光电转换器详细参数见表3。

表3 新光电转换器参数

2.3 控制信号组故障闭锁及远切控制逻辑功能设计及应用

因本次碗米坡电厂改造中选用的是施耐德PLC模组，本文中亦使用施耐德的“Unity Pro XL V10.0”PLC编程软件进行程序编辑，且本文中选用FBD语言进行PLC程序逻辑编辑。依据设计需求与改进分析的需要，可将控制信号组故障闭锁及远切控制逻辑功能逻辑分为3块进行设计。

2.3.1 下位机接收上位机投/退“渗漏排水水位计控制功能”设计

（1）设计思路：上位机令（五凌集控中心远方及碗米坡水电厂监控系统上位机均可下令操作）将相应下位机虚点投入动作（即将下位机此虚点置1），且一直保持直至上位机令将此虚点退出（即将下位机此虚点置0）；上位机令将相应下位机虚点退出动作（即将下位机此虚点置0），且一直保持直至上位机令将此虚点投入（即将下位机此虚点置1）；此虚点需上送上位机进行报警以使运行人员掌握渗漏排水控制系统相应控制功能的投/退情况。

（2）实际设计：依据上述所需实现的功能，可选用双稳功能块SR（设置优先），设计如图1框内所示。

SR双稳功能块释义：该功能块用作具有“设置优先”属性的SR存储器。在S1输入变为1时，输出Q1将变为1。即使输入S1恢复为0，此状态也保持不变。当输入R变为1时，输出Q1恢复为0。如果输入S1和R同时为1，则优先输入S1会将输出Q1设置为1。2.3.2 下位机“渗漏排水水位计控制功能”投/退状

态闭锁渗漏排水水位计控制组（共4个控制信号）设计

（1）设计思路：水位计控制组均为下位机实点输入信号，需要闭锁其信号不参与控制，可采用于下位机内新建相应虚点的方式，非直接使相应下位机实点直接参与水泵的启/停控制等，而使用受其闭锁输出的相应下位机虚点参与水泵的启/停控制等。当闭锁条件不满足（即相应的下位机实点输入信号参与控制无效），不论相应的下位机实点信号动作与否，一直闭锁相应虚点输出为0，从而达到闭锁的目的。当闭锁条件满足（即相应的下位机实点输入信号参与控制有效），相应的下位机实点信号动作为1，则此虚点输出为1；相应的下位机实点信号动作为0，则此虚点输出为0。

（2）实际设计：依据上述所需实现的功能，可选用与门功能块AND，设计如图1非框内所示。

AND与门功能块释义：该功能对输入处的位序列执行按位与运算，并将结果分配给输出。所有输入值和输出值的数据类型必须是相同的。输入最多可以增至32个。可以将EN和ENO配置为附加参数。

TON接通延时功能块释义：该功能块用作接通延迟。

（3）下位机接收上位机投/退“渗漏排水水位计控制功能”模拟动作情况：将渗漏排水水位计控制功能退出，上位机相应画面内下令，即将stop_water_kz_romate置为1（PLC内设定上位机下令将会在PLC内保持1s动作时间），SR功能块的置位端动作，使其输出端（stop_water_kz_bl）变为1，AND功能块中的IN2处为stop_water_kz_bl状态点取反，则此点变为0，从而使渗漏排水水位计启主用泵、备用泵、停泵、水位过高报警中间虚拟变量（start1_water_kz、Start2_water_kz、stop_water_kz、water_high_kz）均无法动作为 1，从而达到退出渗漏排水水位计控制功能的目的。

将渗漏排水水位计控制功能投入，上位机相应画面内下令，即将start_water_kz_romate置为1（PLC内设定上位机下令将会在PLC内保持1s动作时间），SR功能块的复位端动作，使其输出端（stop_water_kz_bl）变为 0，AND 功能块中的 IN2处为stop_water_kz_bl状态点取反，则此点变为1，达到解除闭锁的目的（此图1中的kzzgbs闭锁条件待2.3.3部分详述）；当此条件下，如渗漏排水水位计启主用泵、备用泵、停泵、水位过高报警水位信号持续动作30s（因渗漏排水水源较多，井内水位波动较大；为防止水位波动造成水泵的频繁动作，根据现场实际情况特设置30s延时动作开出），将使其相应中间变量动作为1，从而达到渗漏排水水位计控制功能正常投入参与逻辑控制功能的目的。

图1 渗漏排水水位计控制功能投退逻辑

图1中：

stop_water_kz_romate下位机虚点，变量属性选择“EBOOL”，变量地址为 %M2875（对应上位机渗漏排水LCU一般设备控制地址452的退出令）；释义为上位机“渗漏排水水位计控制退出”令。

start_water_kz_romate下位机虚点，变量属性选择“EBOOL”，变量地址为 %M2876（对应上位机渗漏排水LCU一般设备控制地址452的投入令）；释义为上位机“渗漏排水水位计控制投入”令。

stop_water_kz_bl下位机虚点，变量属性选择“EBOOL”，变量地址为 %M8001（对应上位机渗漏排水LCU扫查量第32点，上送上位机报警）；报警名称为渗漏排水水位计控制功能退出。

start1_water下位机实点，渗漏排水水位计水位升高启主用泵输入信号。

start1_water_kz下位机虚点，变量属性选择“EBOOL”，不上送上位机报警；渗漏排水水位计水位升高启主用泵中间变量。

start2_water下位机实点，渗漏排水水位计水位较高启备用泵输入信号。

Start2_water_kz下位机虚点，变量属性选择“EBOOL”，不上送上位机报警；渗漏排水水位计水位较高启备用泵中间变量。

stop_water下位机实点，渗漏排水水位计水位低停泵输入信号。

stop_water_kz下位机虚点，变量属性选择“EBOOL”，不上送上位机报警；渗漏排水水位计水位低停泵中间变量。

water_high下位机实点，渗漏排水水位计水位过高输入信号。

water_high_kz下位机虚点，变量属性选择“EBOOL”，不上送上位机报警；渗漏排水水位计水位过高报警中间变量。

t#30s 延时30s

（4）渗漏排水浮子控制功能投/退同理，如图2PLC逻辑所示。

（5）渗漏排水模拟量控制功能投/退同理，如图3PLC逻辑所示。

图2 渗漏排水浮子控制功能投退逻辑

图3 渗漏排水模拟量控制功能投退逻辑

2.3.3 控制信号组故障闭锁设计

（1）设计思路：渗漏排水系统共配置有3套控制信号，分别为水位仪模拟量（由水位仪输出模拟量至PLC，由PLC根据预设水位开出相应开关量进行相应控制）、水位仪开关量（由水位仪根据预设水位组开出相应开关量进行相应控制）、浮子信号控制组，每组控制信号均分为4个子控制信号，作用分别为水位低停泵（196m）、水位升高启主用泵（197m）、水位较高启备用泵（197.3m）、水位过高报警（197.5m）。因水位波动及来水过大等原因，启主用、备用泵及过高报警水位是可能会同时动作的，但是水位过低停泵与控制组内其他信号水位差至少为1m及以上，不存在同时动作的可能，如动作即测控系统肯定存在故障，需进行相应处理；且为避免测控部分故障而频繁启停水泵造成设备损坏，PLC控制系统内如检测到水位低停泵与其他信号同时动作产生报警的同时亦应同步闭锁所有控制输出；直至人为正确判断故障控制组并正确退出其控制功能后才能恢复正常控制组的正常启停功能。

（2）实际设计：依据上述所需实现的功能，可选用或门功能块OR与双稳功能块SR（设置优先）的组合设计，设计如图4所示。

OR或门功能块释义：该功能对输入处的位序列执行按位或运算，并在输出处返回结果。 所有输入值和输出值的数据类型必须相同。输入最多可以增至32个。可以将EN和ENO配置为附加参数。

（3）控制信号组故障闭锁功能模拟动作情况：当下位机检测到水位低中间变量任一信号（stop_water_float_kz、stop_water_kz、stop_ai_water_kz）动作将使图4中的第1个（从左往右数）OR功能块输出为1，使图4中的第2个OR功能块使能端为1，此时如果水位仪模拟量、水位仪开关量、浮子信号控制组中任何一个或多个非水位低停泵中间变量信号（water_high_kz、start1_water_kz、start2_water_kz、water_high_float_kz、start1_water_float_kz、start2_water_float_kz、ai_water_high_kz、start1_ai_water_kz、start2_ai_water_kz）动作将使图4中的第2个OR功能块输出为1，从而使SR功能块的置位端动作，其输出端（kzzgbs）将持续输出为1，使图1、图2、图3内AND功能块中的IN3处kzzgbs状态点取反，则此点变为0，从而使渗漏排水启主用泵、备用泵、停泵、水位过高报警中间虚拟变量均无法动作为1，达到闭锁渗漏排水所有自动控制功能的目的；直至上位机正确下令退出相应控制组后将输出重置为0使水泵其他正常控制组自动控制功能恢复正常。

如渗漏排水水位计控制组存在故障，如上所述闭锁渗漏排水所有自动控制功能后，当运行人员正确判断故障控制组别，于上位机下令退出渗漏排水水位计控制功能，即将图4中的stop_water_kz_romate置为1，图4中的SR功能块的复位端动作，使其输出端（kzzgbs）变为 0，且因 stop_water_kz_romate置为1的同时将使图1中的AND功能块中的IN2处为stop_water_kz_bl状态点取反，则此点变为0，从而使渗漏排水水位计启主用泵、备用泵、停泵、水位过高报警中间虚拟变量（start1_water_kz、Start2_water_kz、stop_water_kz、water_high_kz）均 无法动作为1，从而达到退出渗漏排水水位计控制功能的目的；而正常控制组则恢复正常控制功能。如果上位机退错了控制组别，虽置位端瞬时将SR复位为1（瞬时复位，在本PLC模组中为一个扫查周期75ms，而图5：渗漏排水启/停泵条件开出中设有延时5s动作时间，从而不会造成水泵的频繁启停），但因故障仍旧存在，故障控制组将依旧重走上述故障闭锁功能从而闭锁控制输出。

图4 渗漏排水水位计水位过高报警中间变量闭锁逻辑

图4中：

water_high_kz渗漏排水水位计水位过高报警中间变量。

start1_water_kz渗漏排水水位计水位升高启主用泵中间变量。

start2_water_kz渗漏排水水位计水位较高启备用泵中间变量。

stop_water_kz渗漏排水水位计水位低停泵中间变量。

water_high_float_kz渗漏排水水位过高浮子报警中间变量。

start1_water_float_kz渗漏排水水位升高浮子启主用泵中间变量。

start2_water_float_kz渗漏排水水位较高浮子启备用泵中间变量。

stop_water_float_kz渗漏排水水位低浮子停泵中间变量。

ai_water_high_kz渗漏排水模拟量水位过高报警中间变量。

start1_ai_water_kz渗漏排水模拟量水位升高启主用泵中间变量。

start2_ai_water_kz渗漏排水模拟量水位较高启备用泵中间变量。

stop_ai_water_kz渗漏排水模拟量水位低停泵中间变量。

kzzgbs渗漏排水启/停泵控制信号故障闭锁中间变量，并上送上位机报警。

图5 渗漏排水启/停泵条件开出

图5中：

start1_commands渗漏排水启主用泵开出。

start2_commands渗漏排水启备用泵开出。

stop_commands渗漏排水停泵开出（停所有处于自动运行状态的渗漏排水泵）。

3 结语

碗米坡水电厂根据现场运行实际，对渗漏排水控制系统智能化设计与改进。不仅有效的减轻了维护人员的工作强度，提高了运行人员应急处置隔离（操作）的迅速性与便利性、防汛设备的可靠性与稳定性，而且为电厂“夜间关门、无人值班、少人值守”模式转变和“智能化”建设提供了重要的技术保障。本项目实施运行3年来稳定、可靠，现已在碗米坡水电厂检修、厂区、大坝排水及消防供水系统推广应用。