某水电站防水淹厂房控制系统解决方案介绍

一、方案背景

受地震、泥石流、极端暴雨等自然灾害的影响，电力行业水淹厂房事故也时常发生，对电站的安全运行造成了极大的阻碍，严重时甚至造成人员上网，对于一些“无人值守、少人值班”的水电站而言，建立一套完善的防水淹厂房控制系统是十分必要的。本方案将对某水电站项目防水淹厂房报警系统的实施与应用进行详细介绍。

二、项目水源分析

水电站水淹厂房的风险因素较多，按照风险源分析，将风险分为外部条件、机组或设备故障、水工建筑物缺陷、施工期的质量缺陷、电站运行中的误操作。
该水电站属于中小型电站电站结构简单，结合实际情况来分析，本次设计水淹厂房事故水源可能主要有以下几点：
(1)水轮机部分:蝶阀层蜗壳进人门、尾水管进人门、蜗壳排水阀崩裂造成压力钢管里的水迅速涌出导致水淹厂房:顶盖顶起，水从水车室涌出导致水淹厂房。
(2)汛山洪暴发，尾水水位过高，洪水从发电机层倒灌厂房。

三、系统方案设计

1、设计思路

总体设计方案要求该水电站防水淹厂房报警系统由蝶阀层水位采集柜、顶盖水位采集柜、防水淹厂房系统监测柜、声光报警器、远程报警模块、中央广播系统等几部分组成。水位采集柜采用3套水位传感器，水位传感器采用2种以上不同原理的传感器测量，水位传感器采用3选2报警触发方式，当有2只水位传感器同时发出报警时，启动防水淹厂房报警。

2、系统构成

1) 监控系统由以下三部分组成：
水位采集柜:
蝶阀层水位采集：采用磁感应液位计、磁性浮球开关、压阻式液位计组成，每个传感器输出两路开关信号和一路模拟量信号；
顶盖水位采集：采用磁感应液位计、磁性浮球开关、压阻式液位计组成，每个传感器输出两路开关信号和一路模拟量信号；
防水淹厂房系统控制柜
中央处理器：PLC控制器、8路模拟量采集模块、24路开关量输入模块；16路开关量输出模块；
显示单元：液晶显示器能够方便的进行各种控制、报警参数的设置，状态及故障查询等功能。液晶显示器采用TFT真彩，其尺寸不小于10.4英寸，具有汉化人机操作视窗界面及编程软件，具备防电磁干扰及防水、防油能力。
远程实时监控：由4G互联模块组成，采用4G或有线网络实现实时互联，可通过手机APP监测厂房各水位传感器的数据及报警状态。
中央广播系统：由预警主机、大功率广播、智能IP网络语音话筒组成，可通过IP话筒或内置应急预案循环播放应急处理措施等内容，与中央处理器联动，当发生事故时，自动启动语音广播。
报警输出单元
声光报警器：安装在中控室、厂房、水机层等地方，不低于3个声光报警器。
联动控制输出：可开出开关量信号至需要控制的设备。
通讯输出：可输出RS485信号给计算机监控系统。
视频联动：智能识别水淹点，进行视频自动跟踪。
3、设计原则
鉴于该水电站资源调度及量水自动化的发展趋势以及实际情况和要求，对自动化系统的选型应遵循以下原则：先进性、实用性、集成性、可扩展性、便利性、安全性、可靠性和经济性。

四、系统监测要求

1) 水位传感器的基本要求
压阻式液位变送控制器：测量范围：0-100米，输出5路控制继电器，1路4~20mA模拟量，1路RS485通讯信号，供电DC24V，防护等级IP68，铠装式和线缆投入式安装。
磁感应液位变送控制器：采用磁性霍尔元件，测量水位的高度，分辨率5mm，输出5路控制继电器，1路4~20mA模拟量，1路RS485通讯信号，供电DC24V，防护等级IP68，带防误碰装置和壁装支架。
磁性浮球开关：采用干簧管、磁性浮球组成，输出2路开关量，防护等级IP68，带防误碰装置和壁装支架。
超声波液位计：铝合金外壳，精度：0.25%，输出4~20mA，测量范围：0-15米（可调），法兰安装，防护等级：IP67.
平板雷达液位计：测量范围：0-40米，输出RS485和4~20mA,测量精度：小于等于1CM，分辨率：4mm，供电电压：6-30VDC，防护等级：IP66,产品尺寸：112*112*45，铝合金外壳，带万向安装支架。
2) 水位传感器布置
防水淹厂房报警系统不仅要求能够报警，还需要能告知水淹厂房事故水源出现位置，这就对水位传感器的布置地点提出要求，根据事故水源分析本次设计共有以下几个位置布置水位传感器:
该水电站主厂房蝶阀层：每台蝶阀旁装设一组水位传感器用来检测蝶阀层蜗壳进人门、尾水管进人门、蜗壳排水阀崩裂压力钢管水涌出导致的水淹厂房，数据信号经通讯电缆连接至水轮机层数据采集箱。
3) 摄像机布置
(1)该水电站主厂房蝶阀层：每台蝶阀旁装设一台摄像机用来实时监测蝶阀层蜗壳进人门、尾水管进人门、蜗壳排水阀崩裂压力钢管水涌出导致的水淹厂房的画面，视频信号经通讯电缆连接至水轮机层数据采集箱。
4) 数据采集箱布置
该水电站主厂房蝶阀层：装设一套在主厂房蝶阀层，用于采集每台蝶阀每组水位传感器数据信号及视频信号；将所有测量点的数据、监控画面经光纤传输至中控室数据处理中心。

五、系统控制策略

每个测量点装设三种类型的水位传感器向PLC传送三路信号，每一个传感器各整定水位过高告警和事故水位告警两个报警值，水位过高报警水位整定值低于事故告警水位整定值。
1) 水位过高报警策略
当一组传感器向 PLC输入三路水位过高信号后，PLC进行逻辑判断，首先是任意两个水位信号经过“与逻辑”运算得出三个信号，然后“与运算”后的三个信号又经过“或运算”动作输出，经过这样的信号处理保证了三个传感器中只要有任意两个传感器有水位过高信号时就会触发报警;
2) 事故水位报警策略
另外如果一组传感器中水位过高告警全部失灵，当该位置水位继续上涨至三个传感器的任意一个传感器的事故水位時 PLC也会开出信号触发报警。
3) 声光报警装置布置
该水电站主厂房：蝶阀层、发电机层、中控室

六、系统技术参数

• 工作环境温度： -20 ℃～ +60 ℃
• 工作环境湿度： 20 ～ 95%RH （20℃不结露）
• 工作电压：DC220V/AC220V ±10% F.S
• 继电器容量： AC220V 5A
• 整机功耗： ≤ 35W
• 报警音量： ≥ 60db
• 重量测量范围： 0～999.9T （可调）
• 重量系统精度： ±0.5%F.S
• 高度测量范围：-99.99～+99.9米
• 高度测量精度： ±0.1%*量程
• 高度分辨率： 1cm
• 系统动作误差： ±0.3%F.S
• 防护等级：室内部分IP44 室外部分IP67
• 绝缘能力：≥10MΩ

七、系统设计工艺

柜体

• 控制柜体结构为全钢制骨架。
• 柜体采用钢化玻璃门的威图形式，表面处理为喷塑工艺、防护等级可达IP54，框架零件及专用配套零件由本公司生产配套供货，以保证柜体的精度和质量。通用柜的零部件按模块原理设计，并有20模的安装孔，通用系数高。
• 设备的框架和外壳有足够的刚度和强度，采用304不锈钢钢板，其厚度：框架≥2.5mm；外壳≥2.0mm。除满足内部元器件的安装要求外，还能承受设备内外电路短路时的电动力和热效应，不因设备搬运、吊装、运输过程由于受潮、冷冻、撞击等因素而变形和损坏。
• 外壳的顶部应有盖板，防止异物、水滴落下造成母线短路。盖板的设置不会影响设备正常运行时的通风和散热。
• 采用正面和背面双开门设计制作，便于柜内的所有设备和部件(包括水平母线)的检修和安装。
• 结构不会因断路器或其他电气设备操作产生的振动而引起继电器等二次设备误动作。
• 所有外接导线端子的位置均同时对铜导线和铝导线都适用。外接导线端子的导电截面应与招标图中的导线（或电缆）截面相适应，且不小于开关柜短时耐受电流要求的截面，任何情况下端子均和外接导线可靠连接,3根及以上电缆进线的开关柜其下部设过渡铜板。
• 活动部件(如门)上若装有信号灯、操作开关、仪表，则用专用的保护铜软导线与柜内保护接地母线连接。
• 柜内导体及其他部件的温升符合国标《低压成套开关设备》GB7251－87的规定。
• 柜体的颜色为驼灰色。
• 乙方参与设备供货范围内的现场指导安装、调试、试验及交接工作。

二次接线

• 所有元件外接引线均经端子排接入或引出。所有端子额定电流不小于2.5A、500V，均为螺栓型，带有弹簧压板、隔板和标志排。供电流互感器接线用的端子排为电流型短接端子。每组端子排留有不少于总数的20％的备用端子。
• 控制导线采用铜导线，截面不小于1 mm2，用于电流互感器的单线截面不小于2.5mm2。单线为单芯、聚氯乙烯绝缘(阻燃型)，额定电压不低于450/750V。
• 断路器、接触器的合闸、跳闸(控制)回路除交流操作的中性线外，均设置熔断器或断路器作保护，规范按订货图。
• 柜内按技术文件要求配置仪表、指示灯、继电器、变送器及操作（切换）开关等二次设备。

标志
开关柜的电气元件，在尽可能靠近元件的上方标志文字符号；每个电路的导线端头及每一个端子均采用编码管标志相应的文字符号，文字符号用耐擦的颜料书写或打印，所有文字符号与接线图上的文字符号一致；每个开关柜外面板上都有明显的柜号标志及中文柜名标志。

防腐
外壳及其它外露铁质构件按规范采取措施进行处理，保证有良好耐久的防潮、防强腐蚀性能。
柜体尺寸
柜体尺寸800mm×600mm×1800mm（长×宽×高）。
绝缘
整套电气设备绝缘等级≥F级。
试验要求
采用GB1094.1-85、GB1094.5-85、ZBK41005-89、GB/T6451-1995、GB3906-91、OBY;500.507标准试验进行。

八、系统拓扑图