沙坪水電站泄洪閘門的“無人值班”自動化改造研究

摘

要：針對沙坪水電站原泄洪閘門控制系統(tǒng)的設(shè)計缺陷，提出了相應(yīng)的改造方案，降低了人員操作強(qiáng)度，提高了電站整體自動化水平。關(guān)鍵詞：沙坪水電站；閘門；監(jiān)控；無人值班；改造0

引言沙坪水電站位于四川省甘孜藏族自治州九龍縣境內(nèi)，為九龍河“一庫五級”梯級開發(fā)方案中自上而下的第三梯級水電站。該電站采用引水式開發(fā)，總裝機(jī)容量162MW，正常蓄水位2186.50m，死水位2181m，庫容131.3萬m3，為日調(diào)節(jié)水庫。沙坪水電站主要泄水建筑物泄洪閘、沖砂閘布置于河床主流上，設(shè)有2孔泄洪閘弧形閘門和1孔沖砂閘弧形閘門，泄洪閘配置2臺QHLY-2×800kN液壓啟閉機(jī)，設(shè)有1套液壓泵站及電氣控制設(shè)備；沖砂閘配置1臺QHLY-800kN液壓啟閉機(jī)，設(shè)有1套液壓泵站及電氣控制設(shè)備。1

泄洪閘門控制系統(tǒng)存在的問題沙坪水電站自投產(chǎn)以來，汛期泄洪閘門操作頻繁，年均操作200次以上，沙坪水電站大壩閘門設(shè)計時實現(xiàn)了自動化遠(yuǎn)程監(jiān)視控制，但控制可靠性不高、精度及效率較低，隨著沙坪水電站接入九龍河集控中心遠(yuǎn)控系統(tǒng)，對其進(jìn)行改造迫在眉睫。泄洪閘門控制系統(tǒng)主要存在以下問題：（1）大壩LCU與電站主控級之間連接的雙以太網(wǎng)均基于大壩與廠區(qū)之間的SDH平臺進(jìn)行傳輸，當(dāng)平臺出現(xiàn)故障后會出現(xiàn)閘門無法監(jiān)控的情況。（2）閘門控制中未設(shè)計獨立于現(xiàn)地控制系統(tǒng)的緊急操作回路。閘門現(xiàn)地控制系統(tǒng)異?；蚴Э貢r不能及時進(jìn)行閘門停止操作。（3）閘門開度由泄洪閘門PLC通過Modbus通信上送大壩現(xiàn)地控制單元LCU，通信量不可靠且存在較大延時，閘門開度監(jiān)視不準(zhǔn)確及通信中斷后閘門開度無法監(jiān)視。（4）閘門未設(shè)置全開限位開關(guān)信號。在閘門開啟過程中，若閘門開度編碼器信號異常，PLC就不能正確判斷閘門所處的位置，不能及時停止閘門操作，這可能導(dǎo)致液壓系統(tǒng)持續(xù)工作而損壞或閘門過開度的情況。（5）閘門未設(shè)計水位警戒，當(dāng)大壩水位異?；蜷l門控制異常時，無法及時提醒大壩駐守人員進(jìn)行緊急操作或撤離。（6）閘門僅設(shè)計有單點（開啟、關(guān)閉、停止）“遙控”操作程序，運行人員操作閘門時不能精確控制閘門開度、大壩水位及泄洪流量，而且操作員在下發(fā)閘門“啟/閉門”指令后，若上下位機(jī)通信中斷，遠(yuǎn)方就無法下發(fā)“停止”命令，存在安全風(fēng)險。（7）閘門控制未設(shè)置啟閉速率保護(hù)。當(dāng)閘門開度信號異常時，液壓系統(tǒng)長時間操作可能導(dǎo)致閘門變形損壞及液壓機(jī)構(gòu)損壞。（8）閘門控制未設(shè)計防誤動保護(hù)。在閘門控制系統(tǒng)啟閉繼電器節(jié)點粘連，或因外部電磁干擾等原因?qū)е麻l門誤啟閉時，不能及時自動停門。2

泄洪閘門控制系統(tǒng)設(shè)計沙坪水電站泄洪閘門控制系統(tǒng)采用開放環(huán)境下的全分布式結(jié)構(gòu)，主要包含泄洪閘現(xiàn)地控制系統(tǒng)、沖砂閘現(xiàn)地控制系統(tǒng)、大壩現(xiàn)地控制單元LCU、電站主控層和集控中心控制層，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。2.1

電站主控層控制系統(tǒng)設(shè)計沙坪水電站主控層監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)有2臺主機(jī)及4臺通信服務(wù)器。2臺主機(jī)互為主備，構(gòu)成閘門控制系統(tǒng)的控制樞紐，可確保任意一臺服務(wù)器出現(xiàn)故障時，閘門控制系統(tǒng)仍可正常工作。主機(jī)采用Solaris10操作系統(tǒng)，監(jiān)控軟件采用南瑞的NC2000系統(tǒng)，通過上下位機(jī)數(shù)據(jù)交互，收集閘門相關(guān)信息；通過對象控制組態(tài)，對閘門開啟、關(guān)閉、停止等操作進(jìn)行閉鎖，防止誤操作。電站主控機(jī)通過104通信協(xié)議與集控中心進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，可接收集控中心的遠(yuǎn)方控制及調(diào)節(jié)命令，也可獨立于集控中心運行。2.2

大壩現(xiàn)地控制單元（LCU）設(shè)計大壩現(xiàn)地控制單元（LCU）完成對所屬設(shè)備的監(jiān)控，其主要由PLC控制器、人機(jī)界面、通信設(shè)備、電源設(shè)備及信號采集板件構(gòu)成。大壩LCU采用南瑞公司生產(chǎn)的SJ-500系列，CPU為雙機(jī)熱備架構(gòu)，采用MBPro編程軟件、梯形圖、流程圖結(jié)合編程語言，實現(xiàn)對泄洪閘控制系統(tǒng)、沖砂閘控制系統(tǒng)及大壩供配電等系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與控制，通過雙光纖以太網(wǎng)與電站主控層冗余連接實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，定時向主控級傳送現(xiàn)地采集的實時信息，隨時接收主控層下發(fā)的控制、調(diào)節(jié)命令，當(dāng)主控級出現(xiàn)異常時也可獨立運行。2.3

泄洪閘門現(xiàn)地控制系統(tǒng)設(shè)計泄洪閘門現(xiàn)地控制系統(tǒng)采用獨立的電氣控制系統(tǒng)及液壓操作站，主要包括PLC控制器、觸摸屏、閘門開度、液壓系統(tǒng)油位、油壓等測量傳感器和液壓站等，通過執(zhí)行預(yù)設(shè)的程序控制液壓站電機(jī)運行和電磁閥的得失電，實現(xiàn)對2孔泄洪閘門、1孔沖砂閘門的開啟、關(guān)閉、停止、糾偏操作、下滑過大控制等。PLC控制器采用法國施耐德公司生產(chǎn)的ModiconPremium系列，用UnityPro編程軟件和梯形圖LD、結(jié)構(gòu)化文本ST語言編程，對采集的閘門狀態(tài)、開度信號等進(jìn)行有效處理和判斷，并實現(xiàn)對泄洪閘門、沖砂閘門的控制。泄洪閘門現(xiàn)地控制系統(tǒng)與大壩LCU之間通過Modbus通信和信號、控制電纜實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換，既可接收大壩LCU的控制命令，又可現(xiàn)地獨立運行。3

泄洪閘門控制系統(tǒng)改造針對沙坪水電站閘門控制系統(tǒng)設(shè)計存在的問題，本文結(jié)合防洪度汛中對閘門控制的操作要求，進(jìn)行了如下改造。3.1

硬件改造方案（1）更改大壩LCU與電站主控級之間的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：將大壩LCU與主控級之間連接的其中一路改由光纖收發(fā)器轉(zhuǎn)光信號傳輸，且與SDH傳輸平臺選擇不同光纜，形成雙光纜雙路由通信。（2）增加獨立于閘門現(xiàn)地控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)方緊?？刂苹芈罚瑢⒁簤赫?臺油泵電源斷路器更換為帶有分勵脫扣器的斷路器，并在大壩LCU中增加閘門緊停操作程序。當(dāng)閘門現(xiàn)地控制系統(tǒng)失控或因特殊情況需緊急停止閘門操作時，由電站主控層或集控中心發(fā)遠(yuǎn)方緊停令分開油泵動力電源，緊急停門。（3）增加閘門開度信號模擬量接入，泄洪閘門PLC增加1個模出模件，用于將閘門開度信號通過模出模件并送入大壩LCU。大壩LCU程序中引用閘門開度信號時以模擬量為主，通信量為輔，保證閘門開度的準(zhǔn)確可靠。（4）增加閘門全開電氣限位開關(guān)，將常開節(jié)點接入泄洪閘門PLC控制器，作為閘門啟閉控制的閉鎖條件，防止閘門過開度。（5）增加閘門水位越限告警警鈴，大壩LCU實時監(jiān)測大壩水位變化，當(dāng)水位達(dá)到告警水位時發(fā)出預(yù)警信號，提醒電站及集控中心操作員及時操作泄洪閘門，同時啟動裝設(shè)在壩頂?shù)母婢彛嵝言诖髩喂ぷ骰蝰v守的人員進(jìn)行緊急處理。3.2

軟件改造方案（1）增加閘門開度“遙調(diào)”程序，在大壩LCU中增加閘門并按設(shè)定值調(diào)節(jié)程序，同時設(shè)置相應(yīng)的閉鎖操作條件。根據(jù)水庫來水流量及發(fā)電流量，集控中心調(diào)度人員計算需下泄流量對應(yīng)的閘門開度并設(shè)置，設(shè)定值以遙調(diào)令下發(fā)至大壩LCU，LCU啟動對應(yīng)的設(shè)值操作流程進(jìn)行閉環(huán)控制，當(dāng)閘門實際開度與設(shè)定值差值小于操作死區(qū)時，自動停止閘門操作。泄洪閘門“遙調(diào)”操作流程如圖2所示。（2）增加泄洪閘門動作速率保護(hù)程序，在泄洪閘門控制PLC和大壩LCU中增加程序段，實時計算和監(jiān)視閘門啟閉操作速率。當(dāng)閘門開度變化速率超過速率設(shè)定范圍時，自動停止閘門操作。（3）增加防閘門誤動保護(hù)程序，在大壩LCU中增加程序段，對閘門狀態(tài)實時監(jiān)視。當(dāng)閘門現(xiàn)地控制系統(tǒng)處于“遠(yuǎn)方/自動”方式且大壩LCU未接收到控制命令時，若閘門開啟或關(guān)閉信號動作或閘門開度產(chǎn)生變化，則大壩LCU程序自動下發(fā)停止令；若閘門仍未停止或停止后閘門開啟或關(guān)閉信號再次動作，則自動啟動閘門緊?；芈?，斷開油泵動力電源。4

結(jié)語沙坪水電站泄洪閘門控制系統(tǒng)在原有的“遙控”基礎(chǔ)上，新增了“遙調(diào)”功能，并完善了閘門控制過程的軟硬件設(shè)計功能。改造實施2年來，沙坪水電站閘門遠(yuǎn)控操作近500