沙坪水電站泄洪閘門的“無人值班”自動(dòng)化改造研究

熊 磊

（四川久隆水電開發(fā)有限公司，四川成都610041）

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(jí)”梯級(jí)開發(fā)方案中自上而下的第三梯級(jí)水電站。該電站采用引水式開發(fā)，總裝機(jī)容量162 MW，正常蓄水位2 186.50 m，死水位2 181 m，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(tái)QHLY-2×800 kN液壓?jiǎn)㈤]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(tái)QHLY-800 kN液壓?jiǎn)㈤]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(jì)時(shí)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)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(duì)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(jí)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(tái)進(jìn)行傳輸，當(dāng)平臺(tái)出現(xiàn)故障后會(huì)出現(xiàn)閘門無法監(jiān)控的情況。

（2）閘門控制中未設(shè)計(jì)獨(dú)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(shí)不能及時(shí)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(shí)，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(hào)。在閘門開啟過程中，若閘門開度編碼器信號(hào)異常，PLC就不能正確判斷閘門所處的位置，不能及時(shí)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(jì)水位警戒，當(dāng)大壩水位異?；蜷l門控制異常時(shí)，無法及時(shí)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(jì)有單點(diǎn)（開啟、關(guān)閉、停止）“遙控”操作程序，運(yùn)行人員操作閘門時(shí)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(xiǎn)。

（7）閘門控制未設(shè)置啟閉速率保護(hù)。當(dāng)閘門開度信號(hào)異常時(shí)，液壓系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)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(jì)防誤動(dòng)保護(hù)。在閘門控制系統(tǒng)啟閉繼電器節(jié)點(diǎn)粘連，或因外部電磁干擾等原因?qū)е麻l門誤啟閉時(shí)，不能及時(shí)自動(dòng)停門。

2 泄洪閘門控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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。

圖1 沙坪水電站泄洪閘門監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 電站主控層控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

沙坪水電站主控層監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)有2臺(tái)主機(jī)及4臺(tái)通信服務(wù)器。2臺(tái)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(tái)服務(wù)器出現(xiàn)故障時(shí)，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(duì)象控制組態(tài)，對(duì)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(dú)立于集控中心運(yùn)行。

2.2 大壩現(xiàn)地控制單元（LCU）設(shè)計(jì)

大壩現(xiàn)地控制單元（LCU）完成對(duì)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(hào)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，定時(shí)向主控級(jí)傳送現(xiàn)地采集的實(shí)時(shí)信息，隨時(shí)接收主控層下發(fā)的控制、調(diào)節(jié)命令，當(dāng)主控級(jí)出現(xiàn)異常時(shí)也可獨(dú)立運(yùn)行。

2.3 泄洪閘門現(xiàn)地控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

泄洪閘門現(xiàn)地控制系統(tǒng)采用獨(dú)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(cè)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(yùn)行和電磁閥的得失電，實(shí)現(xiàn)對(duì)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Modicon Premium系列，用Unity Pro編程軟件和梯形圖LD、結(jié)構(gòu)化文本ST語言編程，對(duì)采集的閘門狀態(tài)、開度信號(hào)等進(jìn)行有效處理和判斷，并實(shí)現(xiàn)對(duì)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(hào)、控制電纜實(shí)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(dú)立運(yùn)行。

3 泄洪閘門控制系統(tǒng)改造

針對(duì)沙坪水電站閘門控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)存在的問題，本文結(jié)合防洪度汛中對(duì)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(jí)之間的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：將大壩LCU與主控級(jí)之間連接的其中一路改由光纖收發(fā)器轉(zhuǎn)光信號(hào)傳輸，且與SDH傳輸平臺(tái)選擇不同光纜，形成雙光纜雙路由通信。

（2）增加獨(dú)立于閘門現(xiàn)地控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)方緊停控制回路，將液壓站2臺(tái)油泵電源斷路器更換為帶有分勵(lì)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(shí)，由電站主控層或集控中心發(fā)遠(yuǎn)方緊停令分開油泵動(dòng)力電源，緊急停門。

（3）增加閘門開度信號(hào)模擬量接入，泄洪閘門PLC增加1個(gè)模出模件，用于將閘門開度信號(hào)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(hào)時(shí)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(diǎn)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)大壩水位變化，當(dāng)水位達(dá)到告警水位時(shí)發(fā)出預(yù)警信號(hào)，提醒電站及集控中心操作員及時(shí)操作泄洪閘門，同時(shí)啟動(dòng)裝設(shè)在壩頂?shù)母婢?，提醒在大壩工作或駐守的人員進(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(shí)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(jì)算需下泄流量對(duì)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(dòng)對(duì)應(yīng)的設(shè)值操作流程進(jìn)行閉環(huán)控制，當(dāng)閘門實(shí)際開度與設(shè)定值差值小于操作死區(qū)時(shí)，自動(dòng)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(dòng)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(shí)時(shí)計(jì)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(shí)，自動(dòng)停止閘門操作。

（3）增加防閘門誤動(dòng)保護(hù)程序，在大壩LCU中增加程序段，對(duì)閘門狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)視。當(dāng)閘門現(xiàn)地控制系統(tǒng)處于“遠(yuǎn)方/自動(dòng)”方式且大壩LCU未接收到控制命令時(shí)，若閘門開啟或關(guān)閉信號(hào)動(dòng)作或閘門開度產(chǎn)生變化，則大壩LCU程序自動(dòng)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(hào)再次動(dòng)作，則自動(dòng)啟動(dòng)閘門緊?；芈罚瑪嚅_油泵動(dòng)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(jì)功能。改造實(shí)施兩年來，沙坪水電站閘門遠(yuǎn)控操作近500次，操作成功率大于99%，實(shí)現(xiàn)了下泄流量的精確控制，該改造方案已在同流域偏橋、鐵廠河、踏卡、斜卡、溪古電站推廣使用。沙坪水電站泄洪閘門控制系統(tǒng)改造的設(shè)計(jì)思想及技術(shù)，對(duì)沙坪水電站實(shí)行“無人值班、遠(yuǎn)方集控”運(yùn)行模式起到至關(guān)重要的作用，提高了大壩和廠房設(shè)備運(yùn)行的安全性，對(duì)同類型水電站泄洪閘門控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及改造具有借鑒作用。

圖2 泄洪閘門“遙調(diào)”控制流程