沙沱水電站升船機(jī)控制系統(tǒng)研究與應(yīng)用

摘要：烏江沙沱水電站作為第二批“西電東送”項(xiàng)目之一，其通航建筑物采用全平衡鋼絲繩卷?yè)P(yáng)式垂直升船機(jī)，隨主體工程同步建設(shè)，它的建成對(duì)烏江黃金水道的全線復(fù)航具有重大的戰(zhàn)略意義。文中介紹了沙沱升船機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和研究的總體情況，主要對(duì)主拖動(dòng)系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、通航信號(hào)及廣播系統(tǒng)和工業(yè)電視系統(tǒng)的等進(jìn)行了詳細(xì)闡述。經(jīng)過(guò)工程實(shí)踐驗(yàn)證，此控制方案設(shè)計(jì)合理、功能完善、運(yùn)行穩(wěn)定、安全可靠，滿(mǎn)足通航建筑物的正常運(yùn)行要求，可供有關(guān)類(lèi)似的通航工程借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：沙沱水電站;垂直升船機(jī);控制系統(tǒng)

中國(guó)分類(lèi)號(hào)：TP29，U642 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B ? ? ? 文章編號(hào)：xxxx-xxxx（2020）

沙沱水電站位于貴州省沿河縣城上游約7km的烏江干流上，是烏江干流水電規(guī)劃的第9個(gè)梯級(jí)電站。工程開(kāi)發(fā)任務(wù)以發(fā)電為主，其次為航運(yùn)兼防洪灌溉。樞紐工程主要由碾壓混凝土重力壩、壩身溢流表孔、左岸壩后廠房及右岸垂直升船機(jī)等建筑物組成。通航建筑物級(jí)別為Ⅳ級(jí)，按一次通過(guò)500t級(jí)的機(jī)動(dòng)單船設(shè)計(jì)，采用全平衡鋼絲繩卷?yè)P(yáng)式垂直升船機(jī)型式。通航建筑物由上游引航道、過(guò)壩渠道（上閘首）、升船機(jī)本體段、下閘首、下游引航道等組成，總長(zhǎng)約806m。船舶過(guò)壩時(shí)，通過(guò)上、下閘首駛?cè)胙b有水的鋼質(zhì)承船廂內(nèi)。承船廂由多根鋼絲繩懸吊，通過(guò)設(shè)于承重塔柱頂部機(jī)房?jī)?nèi)的主拖動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，使之沿承重塔柱導(dǎo)軌垂直升降運(yùn)行，運(yùn)送船只過(guò)壩。沙沱水電站升船機(jī)控制系統(tǒng)主要由主拖動(dòng)系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、通航信號(hào)及廣播系統(tǒng)、工業(yè)電視系統(tǒng)等組成。

1主拖動(dòng)系統(tǒng)

升船機(jī)主拖動(dòng)系統(tǒng)主要包括電動(dòng)機(jī)、電氣主傳動(dòng)裝置、傳動(dòng)控制站等設(shè)備。

升船機(jī)主提升機(jī)構(gòu)有四個(gè)驅(qū)動(dòng)單元，每個(gè)驅(qū)動(dòng)單元由一臺(tái)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，四個(gè)驅(qū)動(dòng)單元之間采用矩形封閉式機(jī)械軸剛性聯(lián)接，組成機(jī)械軸同步多電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)。

1.1 主拖動(dòng)系統(tǒng)的組成及控制方式

（1）主拖動(dòng)系統(tǒng)為雙閉環(huán)交流變頻調(diào)速系統(tǒng)，每臺(tái)交流電動(dòng)機(jī)由一套單獨(dú)的高性能的全數(shù)字式矢量控制交流變頻無(wú)級(jí)調(diào)速系統(tǒng)控制（一拖一控制）。

（2）每套交流變頻傳動(dòng)裝置由功率單元和變頻傳動(dòng)控制單元兩部分組成。功率單元的結(jié)構(gòu)形式為：交—直—交變頻。整流器、逆變器功率元件均為IGBT，整流/回饋單元選用ALM（有源整流）系統(tǒng)，主動(dòng)前端、自換向結(jié)構(gòu)形式，能將各機(jī)構(gòu)作業(yè)中產(chǎn)生的再生能量回饋至電網(wǎng)，不采用能耗制動(dòng)。系統(tǒng)功率因數(shù)高于0.98，總諧波失真THD小于3%。實(shí)現(xiàn)機(jī)械特性的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和速度精確度、頻繁制動(dòng)和四象限運(yùn)行。

（3）變頻傳動(dòng)控制采用直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC， Direct Torque Control）技術(shù)。

（4）四套交流變頻傳動(dòng)裝置由一套傳動(dòng)控制站進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。為保證各個(gè)提升電機(jī)的速度、位置的同步性，各機(jī)構(gòu)變頻器采用同一個(gè)集成邏輯控制和運(yùn)動(dòng)控制于一體的基于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制器進(jìn)行直接控制，該控制器既具有邏輯控制功能，運(yùn)動(dòng)控制功能，同時(shí)該控制器也可以直接控制變頻器，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制、邏輯和變頻器控制在一個(gè)CPU 中執(zhí)行。

（5）四套交流變頻傳動(dòng)裝置均有各自的速度環(huán)和電流/轉(zhuǎn)矩環(huán)，當(dāng)組成升船機(jī)主拖動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，采用兩種控制方案：

①四個(gè)速度外環(huán)加出力控制;

②一個(gè)公共的速度外環(huán)加轉(zhuǎn)矩同步控制。

方案①作為正常運(yùn)行方案;方案②為應(yīng)急運(yùn)行方案。只改變控制軟件就可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方案的互相切換。

在方案①中，采用主-從控制方式，四套交流變頻傳動(dòng)裝置的一套設(shè)為主傳動(dòng)，另外三套設(shè)為從傳動(dòng)，在三套從傳動(dòng)中，設(shè)置力矩均衡控制環(huán)節(jié)，通過(guò)從傳動(dòng)的力矩輸出信號(hào)與主傳動(dòng)的力矩輸出信號(hào)的比較，調(diào)節(jié)從傳動(dòng)速度調(diào)節(jié)器的力矩輸出信號(hào)，實(shí)現(xiàn)四套交流變頻傳動(dòng)之間的出力均衡控制。

在方案②中，同樣采用主-從控制方式，將主傳動(dòng)速度調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)，同時(shí)作為三套從傳動(dòng)的轉(zhuǎn)矩給定輸入信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩同步控制。

電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)（傳動(dòng)裝置控制器）設(shè)置無(wú)擾主從切換控制功能，即：多電機(jī)同步傳動(dòng)協(xié)調(diào)控制邏輯中，設(shè)置1#/2#交流變頻傳動(dòng)裝置的主/從熱備無(wú)擾切換功能，在正常運(yùn)行時(shí)，1#為主交流變頻傳動(dòng)裝置，1#故障后，2#自動(dòng)升格為主交流變頻傳動(dòng)裝置，當(dāng)4套交流變頻傳動(dòng)裝置中有1套或2套（對(duì)角）損壞（異步電機(jī)或變頻裝置），其余3套或2套（對(duì)角）仍能不間斷驅(qū)動(dòng)船廂運(yùn)行一個(gè)航次，切換速度擾動(dòng)小于額定速度的2%。此時(shí)，負(fù)荷自動(dòng)地重新在正常工作的傳動(dòng)裝置中分配，系統(tǒng)仍能保證出力均衡，仍滿(mǎn)足任意兩臺(tái)電機(jī)間的轉(zhuǎn)矩差小于當(dāng)時(shí)兩臺(tái)電機(jī)平均輸出轉(zhuǎn)矩3%的要求。

（6）四套交流變頻傳動(dòng)裝置組成具有電流/轉(zhuǎn)矩環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)三閉環(huán)全數(shù)字無(wú)極調(diào)速控制的升船機(jī)主拖動(dòng)控制系統(tǒng)。位置閉環(huán)方式采用半閉環(huán)方式，位置閉環(huán)調(diào)節(jié)器采用P調(diào)節(jié)器，同時(shí)，采用速度前饋和加速度前饋結(jié)構(gòu)來(lái)提高速度給定信號(hào)的響應(yīng)速度，并消除速度跟蹤控制的穩(wěn)態(tài)誤差。

（7）主拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行速度給定信號(hào)由集成在傳動(dòng)控制站中的斜坡發(fā)生器生成，根據(jù)行程實(shí)現(xiàn)五階段速度圖控制。

（8）傳動(dòng)裝置控制器之間采用Profibus工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線環(huán)網(wǎng)通信，通過(guò)傳動(dòng)裝置控制器間的環(huán)網(wǎng)通信，快速、精確和周期性地對(duì)過(guò)程數(shù)據(jù)（控制信息、設(shè)定值、實(shí)際值和狀態(tài)信息）進(jìn)行交換，實(shí)現(xiàn)四套電氣傳動(dòng)裝置之間的數(shù)據(jù)傳送和協(xié)調(diào)控制。傳動(dòng)控制站與上級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)通信，實(shí)現(xiàn)整個(gè)升船機(jī)系統(tǒng)的集中監(jiān)控。

1.2 主拖動(dòng)系統(tǒng)設(shè)備選型

主拖動(dòng)系統(tǒng)各電動(dòng)機(jī)及其交流變頻傳動(dòng)裝置采用ABB公司原廠成套設(shè)備。電動(dòng)機(jī)采用ABB M3BP355SMC8型交流變頻電動(dòng)機(jī)，主要技術(shù)參數(shù)為：Pe=200kW，Ue=380V、50Hz，ne=739r/min，TN=2570N·m，cosφ=0.80。變頻器型號(hào)為ABB ACS800-17-0390-3，主要技術(shù)參數(shù)為：UN=400V，Icont.max=565A，Imax=773A;無(wú)過(guò)載應(yīng)用Pcont.max=315kW;輕過(guò)載應(yīng)用IN=542A，PN=315kW;重載應(yīng)用Ihd=423A，Phd=250kW。傳動(dòng)控制站采用AB FlexLogix可編程序控制器（PLC），熱備冗余配置，CPU模塊型號(hào)為1756-L71。

2檢測(cè)系統(tǒng)

檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)備是升船機(jī)控制系統(tǒng)中控制參數(shù)和狀態(tài)信息的來(lái)源。升船機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，各檢測(cè)裝置能按預(yù)定程序向現(xiàn)地控制子站發(fā)送一系列相關(guān)的被控參數(shù)和狀態(tài)信息。計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和比對(duì)分析，實(shí)時(shí)對(duì)各類(lèi)數(shù)據(jù)的可信度作出評(píng)價(jià)，擇優(yōu)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，并能及時(shí)發(fā)現(xiàn)、處理和預(yù)防各種可能出現(xiàn)的故障，從而保證升船機(jī)準(zhǔn)確、有序、穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行。

升船機(jī)的檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)備主要包括下列幾種：水位測(cè)量、水深測(cè)量、行程測(cè)量、位置測(cè)量、開(kāi)度測(cè)量、船廂靜態(tài)調(diào)平檢測(cè)、船廂動(dòng)態(tài)水平檢測(cè)、船舶探測(cè)裝置、船廂減速停位檢測(cè)和監(jiān)護(hù)檢測(cè)等。

3計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

3.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用全開(kāi)放的分層分布式冗余環(huán)型100/1000M工業(yè)以太網(wǎng)，分為主控制級(jí)和現(xiàn)地控制級(jí)兩層。主控制級(jí)按功能分散設(shè)置不同的服務(wù)器及工作站，現(xiàn)地控制級(jí)按對(duì)象分散設(shè)置不同的現(xiàn)地控制子站。主控制級(jí)設(shè)備之間通過(guò)100/1000M單工業(yè)以太網(wǎng)連接。主控制級(jí)和現(xiàn)地控制級(jí)設(shè)備之間采用100Mbps冗余環(huán)型工業(yè)以太網(wǎng)連接。當(dāng)監(jiān)控系統(tǒng)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)，各現(xiàn)地控制子站之間可通過(guò)電氣硬接線進(jìn)行可靠、必要的閉鎖，確保在網(wǎng)絡(luò)故障狀態(tài)下能進(jìn)行正常操作運(yùn)行。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)詳見(jiàn)圖2《計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖》。

3.2 配置及功能

3.2.1主控制級(jí)

主控制級(jí)負(fù)責(zé)升船機(jī)所有機(jī)電設(shè)備的集中監(jiān)控（包括數(shù)據(jù)采集與處理、數(shù)據(jù)記錄與監(jiān)視、事件順序記錄及事故追憶、流程控制與操作）、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信、系統(tǒng)時(shí)鐘同步、系統(tǒng)自診斷及自恢復(fù)、升船機(jī)維護(hù)管理及模擬培訓(xùn)等。主控制級(jí)設(shè)備的具體配置和功能如下：

①主控制級(jí)設(shè)備主要由兩臺(tái)操作員工作站、兩臺(tái)數(shù)據(jù)服務(wù)器、一臺(tái)工程師兼培訓(xùn)工作站、一臺(tái)多媒體工作站、一臺(tái)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、一套冗余UPS裝置和一套GPS時(shí)鐘同步系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)及組網(wǎng)設(shè)備等組成。其中工作站型號(hào)為HP Z230，服務(wù)器型號(hào)為HP ML350pT08 E5-2620。

②操作員工作站負(fù)責(zé)完成升船機(jī)中控室運(yùn)行值班人員與監(jiān)控系統(tǒng)人機(jī)對(duì)話以及實(shí)時(shí)監(jiān)視和控制等功能。

③數(shù)據(jù)服務(wù)器以全硬件冗余熱備方式工作，主要負(fù)責(zé)主控制級(jí)高級(jí)應(yīng)用軟件的運(yùn)行及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集和處理，并兼做歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、歸檔和檢索，數(shù)據(jù)庫(kù)生成及管理，運(yùn)行管理文檔的保存和檢索等。

④網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器負(fù)責(zé)主控制級(jí)網(wǎng)絡(luò)通信管理以及對(duì)外通信管理等，預(yù)留與通航調(diào)度系統(tǒng)、電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)及升船機(jī)火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的接口，并設(shè)置有二次安全防護(hù)措施。

⑤工程師兼培訓(xùn)工作站用于修改定值、增加和修改畫(huà)面、系統(tǒng)維護(hù)、軟件開(kāi)發(fā)及遠(yuǎn)程診斷，還可以離線設(shè)置，仿真培訓(xùn)。

⑥多媒體工作站負(fù)責(zé)工業(yè)電視系統(tǒng)和廣播系統(tǒng)的控制及管理。

⑦時(shí)鐘同步系統(tǒng)（GPS）用于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備的時(shí)間同步校正。

3.2.2現(xiàn)地控制級(jí)

現(xiàn)地控制級(jí)主要負(fù)責(zé)監(jiān)控對(duì)象范圍內(nèi)有關(guān)機(jī)電設(shè)備的現(xiàn)地監(jiān)控（包括數(shù)據(jù)采集與處理、數(shù)據(jù)記錄與監(jiān)視、事件順序記錄及事故追憶、流程控制與操作）及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信等，每套現(xiàn)地控制級(jí)設(shè)備均具備獨(dú)立運(yùn)行能力，在脫離主控制級(jí)時(shí)能夠獨(dú)立完成其監(jiān)控范圍內(nèi)相關(guān)設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)視與控制。

現(xiàn)地控制級(jí)共包括9個(gè)現(xiàn)地控制子站，分別實(shí)現(xiàn)對(duì)上閘首、上閘首臥倒小門(mén)、主提升機(jī)房、承船廂1#泵站、承船廂2#泵站、主提升傳動(dòng)系統(tǒng)、下閘首、下閘首臥倒小門(mén)及升船機(jī)滲漏排水設(shè)備等的監(jiān)視和控制。

在升船機(jī)中控室控制臺(tái)上設(shè)置有正常停機(jī)按鈕、快速停機(jī)按鈕、緊急停機(jī)按鈕按鈕和強(qiáng)制關(guān)閉臥倒門(mén)按鈕。

4通航信號(hào)及廣播系統(tǒng)

4.1 通航信號(hào)系統(tǒng)

在升船機(jī)上、下閘首設(shè)置通航信號(hào)燈、中心線燈和邊界字符;在承船廂設(shè)置通航信號(hào)燈和邊界字符。通航指揮信號(hào)燈由升船機(jī)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)控制，信號(hào)燈斷絲、換絲、開(kāi)路、過(guò)流等故障情況能輸出無(wú)源接點(diǎn)報(bào)警信號(hào)，送入升船機(jī)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，通知運(yùn)行人員發(fā)現(xiàn)和排除故障。

4.2 廣播系統(tǒng)

升船機(jī)設(shè)置一套廣播系統(tǒng)。廣播系統(tǒng)有自動(dòng)、人工兩種播音方式，自動(dòng)方式下根據(jù)升船機(jī)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)指令播放多媒體服務(wù)器的語(yǔ)音信號(hào)輸出，并具有分區(qū)廣播、廣播監(jiān)聽(tīng)等功能。廣播系統(tǒng)設(shè)備由1套擴(kuò)音設(shè)備和若干現(xiàn)場(chǎng)揚(yáng)聲器組成，擴(kuò)音設(shè)備布置在升船機(jī)集控室內(nèi)，現(xiàn)場(chǎng)揚(yáng)聲器分別布置在上閘首、主機(jī)房、承船廂和下閘首等部位。

5工業(yè)電視系統(tǒng)

升船機(jī)設(shè)置1套工業(yè)電視系統(tǒng)，對(duì)整個(gè)升船機(jī)的運(yùn)行過(guò)程和設(shè)備運(yùn)行情況以及各控制站點(diǎn)工作情況進(jìn)行監(jiān)視，主要由前端設(shè)備（包括各類(lèi)攝像機(jī)、云臺(tái)、解碼器等）、監(jiān)控中心設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及系統(tǒng)軟件組成。主要監(jiān)視的部位包括：上游引航道、上閘首、主機(jī)房、各電氣設(shè)備室、集控室、承船廂、滲漏排水泵房、下閘首等。

6結(jié)語(yǔ)

沙沱水電站升船機(jī)控制系統(tǒng)按照“技術(shù)先進(jìn)、安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理、管理方便”的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，系統(tǒng)配置和設(shè)備選型考慮了技術(shù)發(fā)展迅速的特點(diǎn)，充分利用計(jì)算機(jī)信息和通信領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)，整個(gè)電氣控制系統(tǒng)由西安航天自動(dòng)化股份有限公司集成實(shí)現(xiàn)，達(dá)到了國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平。沙沱升船機(jī)自2016年試航以來(lái)，運(yùn)行良好，滿(mǎn)足航道系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運(yùn)行要求，為確保烏江全線通航奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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作者簡(jiǎn)介：孫高龍（1987—），男，河南靈寶人，工程師，主要從事水利水電工程控制及保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作。