頂蓋液位微分濾波診斷與控制

楊張斌，夏建華，江詩(shī)宏，田源泉

（溪洛渡水力發(fā)電廠，云南省永善縣 657300）

頂蓋液位微分濾波診斷與控制

楊張斌，夏建華，江詩(shī)宏，田源泉

（溪洛渡水力發(fā)電廠，云南省永善縣 657300）

頂蓋排水是水輪發(fā)電機(jī)組最為重要的輔助系統(tǒng)之一，頂蓋排水系統(tǒng)的可靠運(yùn)行對(duì)電站安全有重大意義。采用混流式水輪機(jī)組的電站，頂蓋排水系統(tǒng)通常的設(shè)計(jì)方式有常規(guī)回路控制、現(xiàn)地可編程控制、遠(yuǎn)方后備控制，水位信號(hào)的采集也存在多種方式。本文針對(duì)不能完全依靠空心導(dǎo)葉自流排水，對(duì)頂蓋排水泵較為依賴的水輪機(jī)結(jié)構(gòu)，提出頂蓋排水系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方式，通過(guò)微分濾波對(duì)水位信號(hào)進(jìn)行處理，明晰現(xiàn)地控制單元與遠(yuǎn)方后備的關(guān)系，為同類結(jié)構(gòu)的頂蓋排水提供參考。

頂蓋排水；微分濾波；信號(hào)；控制

0 引言

水輪發(fā)電機(jī)組頂蓋多采用主軸密封加壓供水的方式防止尾水倒灌，即便采用空心導(dǎo)葉自流排水的水輪機(jī)結(jié)構(gòu)，也需要依靠潛水泵對(duì)積水進(jìn)行抽排，頂蓋水位根據(jù)主軸密封與抗磨環(huán)間隙大小有不同的上升速率，如果頂蓋排水系統(tǒng)失效，長(zhǎng)時(shí)間無(wú)水抽排會(huì)使?jié)撍脽龤?，高水位時(shí)抽排不及時(shí)會(huì)導(dǎo)致水淹水導(dǎo)，嚴(yán)重時(shí)水淹廠房。

水電站通常會(huì)設(shè)置雙重冗余的頂蓋排水系統(tǒng)，常見(jiàn)的方式有以下幾種：①繼電器常規(guī)回路與現(xiàn)地可編程控制；②繼電器常規(guī)回路與監(jiān)控遠(yuǎn)方控制；③現(xiàn)地可編程回路與監(jiān)控遠(yuǎn)方控制。在有些電站還存在常規(guī)回路、現(xiàn)地控制、遠(yuǎn)方控制的三重模式，頂蓋泵在多頭控制的方式下如何協(xié)調(diào)之間的關(guān)系，本文將以方式②為例進(jìn)行分析。

頂蓋水位信號(hào)的采集在各水電站存在相同的問(wèn)題：①測(cè)值不準(zhǔn)；②經(jīng)常發(fā)卡；③跳變導(dǎo)致控制異常。頂蓋水位測(cè)量的方式有多種，常見(jiàn)的有投入式水位傳感器（測(cè)壓）、浮球連桿液位傳感器（磁場(chǎng)感應(yīng)）、磁翻板液位計(jì)、機(jī)械式液位計(jì)、紅外式與超聲波等，頂蓋水質(zhì)渾濁，泥沙嚴(yán)重甚至有積油污染，環(huán)境也非常潮濕狹窄，紅外式與超聲波測(cè)量不適用，其他幾類傳感器各有利弊，因此典型的水位測(cè)量方式常采用模擬量與開(kāi)關(guān)量分離，現(xiàn)地與遠(yuǎn)方各自獨(dú)立的信號(hào)采集方式，來(lái)保證水位的正確性和有效性。

1 頂蓋排水控制系統(tǒng)簡(jiǎn)述

在頂蓋合適的位置設(shè)置3臺(tái)優(yōu)質(zhì)電動(dòng)潛水泵，在機(jī)坑內(nèi)合適位置設(shè)置1套射流泵，排水泵/射流泵的揚(yáng)程和排水量應(yīng)確保將積水排至集水井或尾水管，射流泵采用帶手柄的電動(dòng)球閥投切取自壓力鋼管的壓力水源。頂蓋原理見(jiàn)圖1。

電動(dòng)潛水泵其中一臺(tái)主用，一臺(tái)備用，一臺(tái)應(yīng)急，主備應(yīng)急關(guān)系按啟動(dòng)次數(shù)輪換，射流泵為潛水泵的備用，可自動(dòng)或手動(dòng)控制。其中1號(hào)泵與射流泵電源取自水輪機(jī)動(dòng)力柜Ⅰ段，2號(hào)泵與3號(hào)泵電源取自水輪機(jī)動(dòng)力柜Ⅱ段，以保證動(dòng)力系統(tǒng)的可靠性。控制回路采用24VDC電源系統(tǒng)，雙冗余配置，電動(dòng)機(jī)通過(guò)接觸器直接啟動(dòng)，配有斷路器過(guò)流保護(hù)和熱繼電器過(guò)熱保護(hù)。圖2為頂蓋泵布置圖，圖3為射流泵布置圖。

2 頂蓋液位信號(hào)處理

頂蓋液位測(cè)量使用4～20mA電流輸出型傳感器2套，分別送現(xiàn)地可編程控制器與遠(yuǎn)方監(jiān)控系統(tǒng)。使用帶5個(gè)開(kāi)關(guān)量接點(diǎn)輸出的液位開(kāi)關(guān)2套，分別送現(xiàn)地可編程控制器與遠(yuǎn)方監(jiān)控系統(tǒng)。

傳感器與液位開(kāi)關(guān)長(zhǎng)期使用過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)損壞斷線、抖動(dòng)跳變、發(fā)卡緩變等故障，影響實(shí)際水位的準(zhǔn)確判斷，進(jìn)而影響泵的有效控制。

2.1 斷線與跳變處理

在可編程控制器的軟件環(huán)境中定義模擬量信號(hào)處理綜合功能塊，該功能模塊具備診斷傳感器損壞、斷線、越限，模擬量采集模塊故障的功能。ST語(yǔ)言結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)如下：

模擬量源碼值不大于0或不小于8000時(shí)，進(jìn)行5個(gè)周期掃描，連續(xù)5個(gè)周期滿足故障條件，進(jìn)行模擬量越限報(bào)警。

連續(xù)5個(gè)采樣周期內(nèi)，當(dāng)前模擬量采樣與上一周期差值大于設(shè)定值，進(jìn)行跳變報(bào)警。

對(duì)正常的模擬量信號(hào)采用50ms濾波處理，且模擬量的計(jì)算值進(jìn)行上下量程的限定。

開(kāi)關(guān)量的處理采用簡(jiǎn)單有效的防抖動(dòng)延時(shí)處理，延時(shí)時(shí)間1～2s為宜。

2.2 發(fā)卡與緩變處理

在傳感器測(cè)量元件發(fā)生堵死、卡澀、脫落等故障的情況下，使用智能的方式進(jìn)行測(cè)值的有效值判斷，在水泵抽排到達(dá)動(dòng)態(tài)平衡或者頂蓋產(chǎn)生虹吸現(xiàn)象時(shí)，頂蓋水位在一段時(shí)間內(nèi)不發(fā)生明顯變化，同時(shí)在抽排過(guò)程中，泵的啟停前后水位呈現(xiàn)鋸齒形波動(dòng)，采用簡(jiǎn)單的方式對(duì)前后水位進(jìn)行判斷不能達(dá)到預(yù)期的效果，使用軟件內(nèi)部微分濾波器對(duì)頂蓋液位進(jìn)行處理，并限定緩變報(bào)警的環(huán)境區(qū)間，可以實(shí)現(xiàn)以上故障的精確判斷。

定義頂蓋液位緩變判斷功能塊，該功能塊的參數(shù)賦值是通過(guò)選擇微分單位的GAIN和輸出OUT將按其延遲的滯后時(shí)間常數(shù)LAG實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于非常短的采樣時(shí)間和IN輸入的單位跳轉(zhuǎn)（當(dāng)IN輸入為 0 到 1.0 時(shí)跳轉(zhuǎn)），OUT輸出將跳轉(zhuǎn)到GAIN值（理論值—實(shí)際上稍微小些，因?yàn)椴蓸訒r(shí)間并非無(wú)限小），以便將LAG時(shí)間常數(shù)返回到 0。

OUT的傳輸功能為：

計(jì)算公式為：

式中：IN（new）——來(lái)自當(dāng)前循環(huán)的輸入IN的值；

IN（old）——來(lái)自上一個(gè)循環(huán)的輸入IN的值；

IN（out）——來(lái)自上一個(gè)循環(huán)的輸出OUT的值；

dt——當(dāng)前循環(huán)和上一個(gè)循環(huán)之間的時(shí)間差分。

以LEAD 功能塊跳線的表示形式通過(guò)GAIN= 1 和LAG= 10s 做出響應(yīng)為例：

通過(guò)TR_S參數(shù)輸入可選擇兩種操作模式：TR_S為1時(shí)跟蹤值TR_I將直接傳輸?shù)捷敵鯫UT，TR_S為0時(shí)該功能塊將按參數(shù)設(shè)置中所述進(jìn)行處理。

以ST語(yǔ)言為例在可編程控制器中進(jìn)行緩變程序段的設(shè)計(jì)：

各變量的定義見(jiàn)表1.

用mat lab進(jìn)行仿真，仿真框圖見(jiàn)圖5，仿真曲線見(jiàn)圖6。

從仿真結(jié)果可以看出，頂蓋液位的動(dòng)態(tài)變化在OUT輸出端為跟隨的半波曲線，液位停止變化時(shí)，輸出經(jīng)過(guò)延時(shí)衰減后進(jìn)行緩變報(bào)警。

緩變報(bào)警值的選擇可以通過(guò)以下程序段來(lái)實(shí)現(xiàn)：

通過(guò)一定時(shí)間內(nèi)對(duì)最大最小輸出值的觀察，即可確定出具體工況下緩變的報(bào)警值，在溪洛渡水電站頂蓋系統(tǒng)中緩變報(bào)警的OUT越限設(shè)定值為不大于0.1。

在上述程序段中可以看出，緩變報(bào)警在模擬量通道故障或停泵液位以下時(shí)進(jìn)行閉鎖，避免了因通道故障或頂蓋產(chǎn)生虹吸現(xiàn)場(chǎng)時(shí)產(chǎn)生的信號(hào)誤報(bào)。圖7為溪洛渡水電站10F機(jī)組頂蓋的實(shí)際液位變化與微分濾波器輸出錄波情況，可以看出實(shí)際運(yùn)行情況較仿真情況更復(fù)雜，但微分濾波器輸出仍然有明顯的區(qū)分度。

3 頂蓋排水控制

頂蓋排水控制按照以下原則進(jìn)行設(shè)計(jì)：

（1）1號(hào)泵、2號(hào)泵、3號(hào)泵以啟動(dòng)次數(shù)決定主備用關(guān)系，啟動(dòng)次數(shù)最少的水泵作為主用泵，啟動(dòng)次數(shù)最多的水泵作為第二備用泵，啟動(dòng)次數(shù)居中的水泵作為第一備用泵。當(dāng)運(yùn)行過(guò)程中水泵因故障切除或者通過(guò)設(shè)置觸摸屏切除后，將對(duì)剩下的水泵按啟動(dòng)次數(shù)進(jìn)行重新排序并確定主備用關(guān)系。

（2）在自動(dòng)方式下，水泵啟停由水位模擬量信號(hào)和水位開(kāi)關(guān)輸入信號(hào)進(jìn)行控制（優(yōu)先使用模擬量信號(hào)）。由LCU監(jiān)控系統(tǒng)給出的啟動(dòng)控制信號(hào)可以直接啟動(dòng)排水泵，LCU給出的啟動(dòng)控制信號(hào)不經(jīng)過(guò)本柜內(nèi)的PLC，直接通過(guò)硬接線啟動(dòng)相應(yīng)水泵。

3.1 現(xiàn)地可編程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

頂蓋水位測(cè)量信號(hào)優(yōu)先選用模擬量信號(hào)（啟動(dòng)單泵時(shí)）：

（1）當(dāng)模擬量信號(hào)故障時(shí)，自動(dòng)切換至開(kāi)關(guān)量信號(hào)主用，此時(shí)不能影響頂蓋排水系統(tǒng)正常運(yùn)行；模擬量信號(hào)故障消除后，該故障能自動(dòng)復(fù)歸，并自動(dòng)選擇模擬量信號(hào)主用。

（2）模擬量故障判斷邏輯：①模擬量信號(hào)越限故障。測(cè)量值大于20mA或小于4.0mA觸發(fā)該故障。②模擬量信號(hào)突變故障。測(cè)量值在設(shè)定時(shí)間內(nèi)變化大于門檻值觸發(fā)該故障。③模擬量信號(hào)緩變故障。測(cè)量值在設(shè)定時(shí)間內(nèi)差分變化量小于門檻值且滿足（停泵液位開(kāi)關(guān)量動(dòng)作復(fù)歸或啟備一泵液位開(kāi)關(guān)量動(dòng)作或啟備二泵液位開(kāi)關(guān)量動(dòng)作）其一時(shí)觸發(fā)該故障。

（3）上述3個(gè)故障條件為“或”邏輯，當(dāng)任意一個(gè)或幾個(gè)條件都滿足時(shí)，觸發(fā)模擬量信號(hào)故障；當(dāng)3個(gè)故障條件都不滿足且延時(shí)10s，自動(dòng)復(fù)歸模擬量信號(hào)故障。將模擬量信號(hào)故障、模擬量信號(hào)越限故障、模擬量信號(hào)突變故障、模擬量信號(hào)緩變故障通過(guò)通信上送監(jiān)控系統(tǒng)及現(xiàn)地PLC 觸摸屏報(bào)警。

（4）啟動(dòng)多個(gè)頂蓋泵，各臺(tái)泵之間的啟泵延時(shí)為5s。

啟動(dòng)雙泵條件：

1）當(dāng)主泵和備一泵接點(diǎn)都接通時(shí)，啟動(dòng)兩臺(tái)泵；

2）當(dāng)模擬量故障和備二泵接點(diǎn)也接通時(shí)，啟動(dòng)兩臺(tái)泵；

3）當(dāng)模擬量正常時(shí)，水位到達(dá)啟備一泵啟動(dòng)兩臺(tái)泵。

啟動(dòng)三泵條件：

1）當(dāng)備一泵和備二泵接點(diǎn)都接通時(shí)，啟動(dòng)三臺(tái)泵；

2）當(dāng)主泵和備二泵接點(diǎn)都接通時(shí)，啟動(dòng)三臺(tái)泵；

3）當(dāng)模擬量故障和備二接點(diǎn)也接通時(shí)，啟動(dòng)三臺(tái)泵；

4）當(dāng)模擬量正常時(shí)，水位到達(dá)啟備二泵啟動(dòng)三臺(tái)泵。

3.2 遠(yuǎn)方后備控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)方后備控制系統(tǒng)是借助監(jiān)控系統(tǒng)LCU的強(qiáng)大功能，對(duì)頂蓋系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的一套后備控制功能。信號(hào)的采集和故障的判讀邏輯遠(yuǎn)方后備與現(xiàn)地可編程控制器一致，在頂蓋泵的實(shí)際控制時(shí)，兩者存在差異。

監(jiān)控LCU作為現(xiàn)地PLC后備直接啟動(dòng)三臺(tái)頂蓋泵，各臺(tái)泵之間的啟泵延時(shí)為5s。當(dāng)模擬量正常時(shí)水位到達(dá)啟備二泵，啟動(dòng)三臺(tái)泵；當(dāng)備一泵和備二泵接點(diǎn)都接通時(shí)，啟動(dòng)三臺(tái)泵；當(dāng)主泵和備二泵接點(diǎn)都接通時(shí)，啟動(dòng)三臺(tái)泵；當(dāng)模擬量故障和備二接點(diǎn)也接通時(shí)，啟動(dòng)三臺(tái)泵；水位模擬量或開(kāi)關(guān)量上升至極高水位時(shí)，LCU啟動(dòng)射流泵。圖8為遠(yuǎn)方后備控制頂蓋系統(tǒng)的操作界面。

4 結(jié)束語(yǔ)

頂蓋排水控制系統(tǒng)作為水電站最為重要的輔助系統(tǒng)之一，對(duì)電站的安全運(yùn)行有重要意義。通過(guò)對(duì)頂蓋水位與潛水泵運(yùn)行規(guī)律的摸索研究，得出一套從信號(hào)采集至對(duì)象控制的完整運(yùn)行體系，采用液位微分濾波診斷實(shí)現(xiàn)信號(hào)的精確測(cè)量，模擬量開(kāi)關(guān)量?jī)?yōu)先級(jí)設(shè)定保證了水泵的有效控制，經(jīng)過(guò)前期研究至后續(xù)運(yùn)行監(jiān)測(cè)，該系統(tǒng)成效明顯，大大降低頂蓋排水系統(tǒng)的不可靠性和故障率。

當(dāng)然，隨著水位測(cè)量的進(jìn)一步發(fā)展，在頂蓋排水的環(huán)境中如果能夠出現(xiàn)非常穩(wěn)定、精確、無(wú)故障的測(cè)量元件，以上的信號(hào)處理方式可以進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整和簡(jiǎn)化，同時(shí)以上水位信號(hào)和對(duì)象控制的設(shè)計(jì)思路和方式，也能為類似的系統(tǒng)提供參考，在行業(yè)內(nèi)進(jìn)行應(yīng)用推廣。

[1]歐小冬．PLC在水輪機(jī)頂蓋排水控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]． 中國(guó)水能及電氣化，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]程澤斌，陳剛．高壩洲水電廠水輪機(jī)頂蓋排水控制方式改進(jìn)[J]．湖北水力發(fā)電， 2004，（04）．CHENG Zebin，CHEN Gang．The improvement of head cover drainage control mode in Gaobazhou Hydropower Plant[J]． Hubei hydropower，2004（04）．

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2017-05-10

2017-09-15

楊張斌（1983—），男，工程師，主要研究方向：從事水電站自動(dòng)化技術(shù)研究工作。E-mail：yang_zhangbin@cypc．com．cn

夏建華（1977—），男，高級(jí)工程師，主要研究方向：從事水電站監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)研究工作。E-mail：xia_jianhua@cypc．com．cn

江詩(shī)宏（1984—），男，高級(jí)工程師，主要研究方向：從事水電站設(shè)備運(yùn)行研究工作。E-mail：jiang_shihong@cypc．com．cn

田源泉（1988—），男，助理工程師，主要研究方向：從事水電站自動(dòng)化技術(shù)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學(xué)科代碼：570．30

10．3969/j．issn．2096-093X．2017．05．014