水电站高可靠性排水控制系统设计研究

张 堃，周立成，黄真懿，谭 勇

（三峡水力发电厂，湖北省宜昌市 443000）

0 引言

排水系统是水电站的重要组成部分，主要包括检修排水系统、渗漏排水系统两大类，检修排水系统主要用于排出机组检修时蜗壳水，便于机组检修；渗漏排水系统主要用于将水电站厂房地面、廊道、坝体渗漏积水排出[1]。

当前水电站排水控制系统的电气控制原理图如图1所示，普遍存在以下问题：①排水泵动力电源采用单路电源供电，无冗余电源结构设计，可靠性不强；②控制电源回路采用220V电源结构设计，现地排水泵与控制系统距离长达1000m，容易产生感应电压出现系统紊乱，控制元器件维护不方便；③排水泵控制逻辑冗余结构设计简单，冗余回路元器件故障，排水系统将无法启泵，冗余程度不高；④水位值只通过现地控制系统计算后单一显示，控制系统故障后运行人员将无法实时监视水位，可能会产生水淹厂房的危险；⑤串联回路设计触点故障率高等。迫切需要设计研究高可靠性的排水控制系统，提高控制系统安全性与稳定性，降低工作维护难度与成本，确保排水控制系统现场出现任何故障情况时，集水井水位到达启泵水位时能正常启泵，到达停泵水位时能正常停泵，到达超高水位可用泵全部启泵、集水井检修时可将集水井水抽空，远方监控系统能实时监视现场水位数据和相关报警，实现智能化电站建设[2]。

1 系统设计

按照排水系统水位超过启泵水位时正常启泵，低于停泵水位时停止启泵，集水井检修时，可将集水井水位抽空便于检修，远方实时监控系统水位和相关报警信息的思路[3]，通过以下几个方面进行设计研究：

1.1 电源设计

电源高可靠性是排水系统正常运行的前提条件，电源包括动力电源和控制电源[4]，动力电源设计如图2所示，两路电源分别由两段母线供电，形成冗余结构，确保动力电源的可靠性；控制电源分别从Ⅰ段动力电源，Ⅱ段动力电源经过电源转换装置1、电源转换装置2，通过切换装置将24V电源形成冗余结构，确保控制电源的供电高可靠性，控制柜内均选用24V电源控制继电器，控制电源设计如图3所示。

图2 动力电源系统设计Figure 2 Power supply system design

图3 控制电源系统设计Figure 3 Control power system design

1.2 控制方式设计

排水系统操作实现智能化控制和人为手动操作方式[5]，将排水控制系统控制方式设自动、手动两种方式：

（1）自动方式下排水控制系统自动运行，当到达启泵水位时，启动工作泵，到达停泵水位时，停止工作泵；

（2）手动方式下可以通过控制按钮对排水系统进行启泵、停泵操作；

（3）如需抽空集水井水位时，只需将现地设置的连片投入LP1即可将集水井抽空，如图4和图5所示。

图4 排水系统开关量输入设计Figure 4 Switch input design of drainage system

1.3 控制回路设计

排水系统回路设计采用智能控制、仪表控制与硬接线回路控制三重冗余结构设计[7]，互为备用，智能控制通过PLC 模块结构化编程进行水位控制，仪表控制采用带显示功能的带隔离变送器智能控制仪表开出节点进行水位控制，硬接线回路采用现场布置的浮子开关量对水位进行控制，三种控制方式确保排水控制系统的可靠、稳定，电气控制回路启停继电器K4采用双线圈继电器，控制回路采用并联设计，有效避免了控制回路串联继电器触电异常带来故障风险，设计原理图如图5所示。

1.3.1 水位值设计

水位值进行设计时，由于水电站排水系统包括厂房检修排水系统、厂房渗漏排水系统、坝体渗漏排水系统，各个排水系统安装在不同的高程，集水井的水位考虑高程的原因，排水控制系统水位值由基准水位与集水井水位相加构成，基准水位是集水井的设计高程。集水井采用两路模拟量传感器[6]（一路用于现地PLC使用，二路直接用于远方监控）与浮子开关量冗余，浮子开关量作为模拟量的备用，包括启动、超高、停止三个浮子确保模拟量故障时到达启泵水位时能正常启泵运行。现地水位模拟量电源由现地提供，送远方监控模拟量电源由远方监控提供，现地与远方模拟量分离，确保两路模拟量信号冗余，远方监控能实时对现地水位进行监视，当两路相差50cm时，将会对模拟量报超差报警。

1.3.2 智能PLC控制

在自动控制方式下，现地水位模拟量电流值通过带显示功能的隔离变送器智能控制仪表送至智能控制系统PLC，PLC程序中对通过模拟量电流值计算集水井水位，当水位超过设定的启泵水位时，考虑水位的扰动延时5s启泵，通过PLC模块DO动作启泵继电器，排水泵启动运行，到达停泵水位时，为防止水锤扰动延时5s，PLC模块DO动作停止继电器，使排水泵停止运行，设计如图6所示。

图6 智能控制设计图Figure 6 Intelligent control design diagram

1.3.3 智能仪表控制

现地模拟量电流值通过隔离变送器带显示功能的智能控制仪表后进入智能控制系统PLC，排水系统自动控制方式下运行，智能控制系统出现故障时，通过PLC内部程序设计，系统可通过继电器KA9失磁自动切换智能仪表控制方式，数显表可显示当前模拟量水位值，设定启泵、停泵水位定值，当到达设定值时，可通过数显表开出节点，使排水系统正常启停泵，如图3、图5、图7所示。

图7 智能仪表控制设计图Figure 7 Smart instrument control design diagram

1.3.4 开关量控制

开关量控制是模拟量控制的后备保护，无论在自动还是手动方式下，排水系统启泵浮子开关量K3动作时，排水系统启泵运行，停泵浮子开关量K1动作时，排水系统停止运行，设计如图5所示。

图5 系统设计原理图Figure 5 System design schematic diagram

1.3.5 故障报警及指示灯设计

高可靠性排水控制系统出现故障，如断路器故障、电源故障等影响排水系统正常运行的故障现地设故障指示灯闪烁并配合声光报警引起工作人员注意，并将故障信号送至远方监控系统，发现后可以及时处理，在HMI面板上设置有报警记录区和当前报警记录条，运行人员可以清晰地看到当前故障信息以及设备运行状态[8]，设计如图4、图8、图9 所示。

图8 系统故障报警设计Figure 8 System failure alarm design

图9 指示灯设计Figure 9 Indicator light design

1.3.6 触摸屏设计

触摸屏功能丰富，面板设计包括系统监视、水位修改、故障报警、事件报警、点表画面、数据浏览、控制面板、网络结构等内容，画面可读性强，画面美观，内部结构完善，设计如图10所示。

图10 触摸屏画面设计Figure 10 Touch screen screen design

2 应用效果及系统特点

2.1 应用效果

2020年，根据以上方案设计的水电站高可靠性排水系统投入运行，原系统与新系统现场屏柜图如图11所示，新系统自投运以来运行稳定，未出现过一例系统性故障，电源回路供电可靠，启停泵正常，水位显示正常，触摸屏事件显示正常，再未出现原系统功能紊乱故障等事件。

图11 盘柜设计Figure 11 Enclosure design

2.2 系统特点

通过对水电站高可靠性排水系统设计后，控制回路实现了以下功能：

（1）动力电源和控制电源均设计为冗余电源结构，确保电源可靠、稳定；

（2）排水控制系统在设计时采用双线圈动作继电器，回路采用并联方式设计，有效避免了串联回路设计触点异常带来的故障风险；

（3）水位值可以通过触摸屏、智能控制仪表、远方监控系统三冗余显示设计；

（4）自动控制方式下，排水系统到达启泵水位时，工作泵自动运行，到达停泵水位，工作泵自动停泵；智能控制系统PLC系统故障，自动切换至智能仪表硬接线回路进行排水系统控制；工作泵在运行过程中，智能控制系统PLC系统故障，智能仪表故障，现场可通过开关量浮子对排水系统进行控制，三重冗余控制方式设计；

（5）故障报警实现了蜂鸣器声光报警及柜体指示灯闪烁提示功能。

3 结束语

本文设计了一套水电站高可靠性排水系统，该系统的电源回路采取冗余结构布置，控制系统采用三重冗余并联结构方式设计，水位数值显示采用现地与远方相结合的三冗余结构设计，故障报警采用蜂鸣器与故障指示灯闪烁相结合冗余设计，冗余设计从根本上确保了排水控制系统的安全、可靠、稳定运行，有效地防止了水淹厂房等重大安全事故的发生，也为相关控制系统的设计提供了借鉴意义。