珊溪電廠溢洪道閘門電氣控制系統升級改造

樂可定，鄢仁成，許慧，崔柏昱

（1.溫州市珊溪水利樞紐管理局，浙江溫州325300；2.浙江省溫州市珊溪水力發電廠，浙江溫州325304；3.浙江珊溪經濟發展有限責任公司，浙江溫州325300）

0 引言

珊溪水力發電廠系國家重點建設工程——飛云江干流控制性大型綜合利用工程珊溪水利樞紐工程主要組成部分，距溫州市117 km。珊溪電廠正常蓄水位為142.00 m，水庫總庫容為18.24億m3，調節庫容6.96億m3，防洪庫容2.12億m3，正常運行水頭范圍為67～100.88 m。

珊溪水庫泄洪建筑物由溢洪道和泄洪洞組成。溢洪道泄流設備有5扇表孔弧形工作閘門，外形尺寸為12 m×16 m（寬×高），設計水頭16 m，可動水啟閉，每孔工作閘門用2×1600 kN液壓啟閉機啟閉。泄洪時可以單獨開啟一孔，也可以同時對稱開啟兩孔。設計洪水時最大下泄流量為10801.6 m3/s,液壓啟閉機油缸由武進液壓啟閉機廠制造，油缸內徑400 mm,工作行程8940 mm。液壓啟閉機液壓系統由依頓·威格士公司制造，包括一套液壓站、兩套油缸鎖定閥。油缸采用德國進口的磁致線性位移傳感器，測量精度達到0.01 mm。

1 原閘門控制系統存在問題

液壓啟閉機閘門原電氣控制部分由常州明園電子有限公司提供，共由兩只電柜（接觸器屏、控制屏）組成。采用GE 9030 PLC負責采集和處理閘門液壓啟閉機的各種信號實現自動控制。由于運行多年，存在以下問題：

（1）現地閘門室夏季高溫，原閘門電氣控制系統PLC和網絡設備等電子設備已運行近十年，故障率逐步上升，成為制約電廠防汛安全的瓶頸，到了更新換代的周期。

（2）原閘門控制系統為單扇控制，操作人員無法保證閘門成組同步對稱啟閉，不利于大壩水工設施安全。

（3）閘門開度、狀態和閘門油泵運行狀況無法在遠方進行實時監控。

珊溪水庫每年臺汛期均受臺風影響，水庫防汛抗臺任務艱巨，溢洪道閘門時有啟閉，要求閘門和電氣控制絕對可靠，因此要解決上述問題，對其進行改造勢在必行。

2 改造后的系統結構和配置

此次閘門電氣控制系統改造本著“安全、可靠、先進”的原則，首要目標是提高控制系統的可靠性和安全性，以滿足防汛安全的需要，同時通過選用功能強大的上位機軟件，通過通訊技術，實時監控閘門狀態，監視人員無需到現場即可準確掌握閘門的狀況，提高工作效率和監視的實時性。改造后的電氣控制系統介紹如下。

2.1 系統結構

PLC具有可靠性高、功能完善、易于編程等特點，因此珊溪電廠閘門控制系統采用SIEMENS PLC為現地電氣控制核心，通過以太網交換機、MOAX交換機等網絡設備構成的分布式計算機數據采集與監控網絡，開放式全分布結構，分設現地控制層、集中控制層和遠程監視站。改造后閘門控制系統結構見圖1。

圖1 改造后閘門控制系統圖Fig.1 Renovated electric control system for the spillway gate

2.2 現地控制層

每孔閘門采用獨立的現地電氣控制系統實現閘門啟閉全過程控制以及油泵組的自動啟停控制，并實現閘門啟閉過程中各狀態的數據采集、監視和報警等。每孔閘門的現地啟閉、泵站控制等由一套SIEMENS PLC300及常規電器完成。開度傳感器的SSI信號由轉換模塊通過通信口進入PLC。PLC完成開度數據/閘門狀態采集和比例閥控制。

每孔閘門前安裝一只10.4 in的LCD觸摸屏取代大量的按鈕及指示，完成相應的開關操作及現地/遠方切換，顯示閘門狀態及油泵運行信息，并配有繼電器回路用于檢修和緊急時啟動油泵。

2.3 集中控制層

采用一臺DELL服務器作為主控計算機（SCA?DA服務器），安裝在壩頂配電室，該服務器具備電源冗余和以太網冗余，它與各個現地控制層子站的連接采用工業總線方式，用于顯示每道閘門開度及油泵狀態信號。

考慮到珊溪水庫是多年調節水庫，每年開啟次數不多，但啟閉成功率要求達到100%，因此目前將現地控制層控制和集中控制系統作為各站的主要控制方式，通過SCADA系統，閘門控制系統現地監控工作站可對整個閘門系統進行集中控制、監視和管理。

2.4 遠程監視站

采用一臺DELL服務器作為主控計算機（SCA?DA服務器），安裝在電廠中控室，通過光纖連接到壩頂配電室的MOAX交換機，與各個現地控制層子站相通訊，它與集中控制層的主控計算機互為冗余，同樣具備監視和控制全部功能，考慮到安全系數，目前操作方式禁止，只監不控。它主要負責處理、存儲、管理各個站點傳送來的實時數據，同時又為網絡中的其他工作站提供實時數據。實時數據存放在Citect的專用實時數據庫中，該服務器具備海量數據存儲功能。SCADA實時數據服務器運行通信管理軟件可完成與各遠程站點的通信鏈接、網絡服務等任務。

3 控制和監控方式

閘門共有現地操作（包括自動方式和純手動方式）、集控操作和遠方監視三種控制方式。

3.1 閘門啟閉機操作方式

現地操作方式分自動方式和純手動方式。在現地控制柜上有手動/自動/集控選擇把手，工作人員能對設備的控制方式進行設置。

（1）自動方式：在現地控制柜觸摸屏上設定給定閘門高度，通過PLC進行自動操作。當控制系統工作時，裝在油缸上的線性位移傳感器將油缸的行程變化以SSI信號輸出，現地PLC采集后進行比較分析，根據試驗過程中建立的油缸行程和弧形閘門實際開度關系曲線（兩者為非線性）來判斷閘門位置，決定是否做相應的動作（如：上升、下降、停止及相應保護）或需要進行左右糾偏（輸出電流信號給比例閥），同時，PLC通過掃描系統所有的保護信號，一旦有異常啟動保護功能。

（2）純手動方式：為純繼電器回路操作，是一種應急人工方式（或調試維修時使用），使工作人員能獨立于PLC直接對閘門和油泵進行操作。

在各個閘門現地控制柜能監視自身閘門的開度及相關數據，也可監視到其他閘門的操作數據和閘門狀態。

3.2 集控操作

工作人員在集控服務器選擇好受控單孔或成組閘門后，在集控室進行啟閉操作。

為確保大壩溢洪道消力池等水工建筑物的運行安全，對閘門進行成組設置，3號閘門獨立，2、4號閘門為一組，1、5號閘門為一組。集控對成組閘門操作過程中，能確保閘門對稱、均勻、同步啟閉。

3.3 遠方監視

中控室遠程監視站具備集控操作功能，但由于不能排除閘門控制系統中接觸器“打火”及觸點粘連等小概率事件，出于安全性考慮，中控室遠程監視站只監不控，監視記錄各站點設備數據，進行異常報警。

4 現地閘門控制層功能（各閘門電氣控制柜）

現地控制柜對泵站主要設備、液壓系統、動力屏、閘門系統、水庫運行狀態等實時運行參數和設備運行狀態進行實時監視。

4.1 啟閉控制

當閘門實際開度小于給定開度并超過允許誤差要求時，進行閘門開啟控制。閘門實際開度大于給定開度并超過允許誤差要求時，進行閘門關閉控制。當閘門實際開度與給定開度之差小于運行誤差（目前整定值為1 cm）時，閘門開度控制停止。

4.2 糾偏控制

由于珊溪閘門有左右雙油缸，需要防止左右油缸運行不平衡而導致的閘門偏轉卡死，因此控制系統需根據左右油缸接力器位移差自動糾偏，注入左右油缸的壓力油量，使差值始終保持在允許范圍內（目前設置值為5 cm）。

4.3 持住控制

當閘門開啟到設置的開度停止后，控制系統自動監測閘門實際開度，當閘門實際開度下滑達一設定值時（目前設置值為20 cm），自動啟動閘門開啟控制，恢復閘門原設定位置。

4.4 保護功能

現地控制層具有防止閘門偏轉卡阻保護、防止液壓系統失壓保護和防止液壓系統過壓保護。

4.5 故障報警功能

現地控制層能及時檢測出閘門系統性能的降低和故障，如油壓力的變化、閘門操作糾偏量的變化、油路堵塞、濾油器堵塞、油泵及電機停運、活塞卡澀等。

4.6 油泵自動切換功能

對閘門泵組的兩臺電機進行主備自動切換、手動切換及手動啟動。

4.7 其他改進

現地控制柜內電氣元件更換為施奈德產品。柜體為高防護等級的威圖柜體（IP56），增加防潮防濕元件。柜內二次電源采用雙電源自動切換回路，確保了電源的安全。

5 系統軟件功能（集中控制層和遠程監視站服務器）

集中控制層和遠程監視站作為控制網絡上的I/O server,同時又是控制網絡的Trend Server、Re?port Server，負責處理、存儲、管理各現地控制系統傳送過來的實時數據，是本系統的數據處理中心和數據集散地。服務器的操作系統為Windows 2000 Server操作系統，安裝CCitectsCADA5.5 Server監控軟件和Miscrosoft SQL數據庫管理軟件，具備以下功能。

5.1 數據采集與處理功能

通過以太網總線自動周期性采集各扇閘門和油泵實時運行參數。以上數據實時計入數據庫，整點保存，能對實時數據和歷史數據進行整理，并根據需要生成相關性曲線，便于進行系統分析。

5.2 安全運行監視

安全運行監視包括各設備運行實時監視及參數在線修改、狀變監視、越線檢查、過程監視、趨勢分析和控制系統異常監視。

5.3 報警提示

對整個閘門系統、壩頂電氣設備和控制系統的故障信號進行及時的聲光報警。

5.4 記錄和報告

將所有監控對象的操作、報警及實時參數報表等記錄下來，可設置為定時打印、故障打印、操作打印及召喚打印等方式。

5.5 屏幕顯示

畫面調用具備自動和召喚兩種方式。自動方式指當有事故發生或進行某些操作時有關畫面能自動推出，召喚方式則指操作某些功能鍵或以菜單方式調用所需畫面。畫面種類包括各種系統圖、棒行圖、曲線、表格等。

6 結語

作為防汛啟閉設備的控制系統，最關鍵的要求就是可靠性。升級改造后的系統采用高可靠性的硬件，增加了控制元件的冗余，采用模塊化結構，兼容性強，具有良好的數據存儲和分析功能，增加了集中控制模式和遠程監視模式，充分考慮系統的安全性和可靠性，同時較好地結合珊溪電廠特點和現地情況，為珊溪電廠防汛安全奠定了良好的基礎。■

[1]方輝欽.現代水電廠計算機監控系統技術與試驗[M].北京：中國電力出版社.2004.