淺談納金電站集控改造中前池閘門控制系統設計

摘 要：西藏納金電站是老電站，裝機容量小，自動化程度低，前池快速閘門控制系統為常規手動控制，故障率高，文章主要介紹了系統改造過程中的施工經驗、新系統與流域集控中心連接方式和控制策略，該方案經濟合理，系統運行以來，運行可靠性高，維護量少，滿足了電廠安全生產要求。

關鍵詞：閘門控制；編碼器；主令開關；PLC；遠方操作

1 項目背景及目的

納金電站為西藏國網直孔公司下屬電站，距西藏拉薩市18公里，電站為順拉薩河建設的土石混合堤壩引水式電站，岸邊式廠房，電站于1965年建成投運，電站裝機7800千瓦（6×13000千瓦）。2015年直孔公司計劃將納金電站接入拉薩集控中心，實現遠方集中控制，但是由于納金站機組工作閘門控制方式是純手動控制方式（由開關按鈕、繼電器和接觸器等簡易元件組成），沒有遠方控制及監視功能，此系統還經常出現回路及元器件故障，給安全生產帶來很大的安全隱患，已經不能滿足生產要求，需要進行改造。

2 具體的問題及分析

納金電站機組前池閘門控制設備從2007年投運以來，至今已運行8年之久，故障率高，自動化程度低，維護工作量大且相關備件難采購，不能滿足現在的安全生產要求和遠方集控的技術要求，存在的安全隱患分析匯總如下：

（1）啟閉控制系統為傳統的常規手動控制方式，且元器件嚴重老化，全是硬接點信號上送。原閘門現地控制系統雖然留有遠方接口，但未接線，閘門開度和限位開關動作的不可靠，閘門啟閉仍由運行人員現場操作，而機組開機需要的信號也需要在控制柜內短接送出，運行人員無法全面系統掌控啟閉機的實時工作狀態，使全站設備監控功能存在“死角”，不滿足水電站“少人值班、無人值守”集控要求。

（2）動力電源系統沒有零線接入，零線直接采用接地代替，導致電壓降極度不穩定，有時達到280VAV，嚴重影響設備安全。

（3）由于啟閉機投入年限長，且為老式啟閉機，未考慮荷重的檢測功能，沒有過載保護功能，本次改造中需要增加此功能，利用檢測電機電流方式間接測量啟閉機荷重。

（4）原系統中上升下降等位置信號均由開度率定值控制，主令開關不但做冗余位置保護同時也是啟閉機極限保護的最后一道關口，作用十分重要，原主令開關為通過傳動系統采用碰撞行程開關方式工作，經勘測行程開關受氣候溫差大的影響損壞嚴重、觸點老化，機械機構動作不靈敏，存在安全隱患。

（5）原開度檢測儀是采集增量式編碼器信號經行處理后以硬布線形式直接上送閘門LCU的方式，由于增量式編碼器本身存在的“無記憶”缺陷，使得裝置掉電后，無法準確反映開度，使得閘門存在極大的安全隱患。

3 閘門控制系統改造方案

3.1 閘門控制系統組成及遠方控制策略

閘門控制系統由控制箱、控制模塊、編碼器、主令控制器及通訊電纜組成，控制箱為壁掛式控制箱，內部裝設滿足采集、現地控制、遠方集控、通訊等功能，箱體面板設大尺寸、真彩人機交互設備。

新設計方案下，閘門控制系統與機組LCU通訊，參與到整個電站監控系統中，在通過站控層通信網關與拉薩集控中心實現連接。系統投入運行后，閘門控制系統及時將各類故障信息、遙測遙信量上送機組PLC，遠方正常開機令下達后，通過監控網絡，最終由現地機組LCU執行開機指令，先自檢前池閘門的工作狀態，若前池閘門為“全關”狀態，機組LCU會下達提閘門的指令，閘門“全開”后，會自動進入下面的開機流程，若出現提閘門不成功等各類故障，機組LCU會將故障信息上送到遠方集控中心，集控中心運行人員會通知現場維護人員進行檢查，及時消除缺陷。在機組過速事故情況下，機組機械保護動作，會自動下達落閘指令，切斷水流，確保機組安全。如圖1所示。

3.2 主要設備選型

根據西藏高海拔氣候特點及電站多年運維經驗，主要電氣設備的選型需要滿足該控制系統的技術性能及參數指標的要求，還須高海拔可靠性的要求，主設備及系統內中所安裝的中間繼電器、開關、按鈕、指示燈等選用進口或合資產品。

新方案采用的PLC為AB Micro850控制器，該控制器具有嵌入式輸入和輸出的經濟型集成式控制器。根據控制器類型，它可以容納2到5個功能性插件模塊。Micro850控制器具有可擴展特性，能額外支持四個擴展I/O模塊，支持嵌入式以太網。

開度編碼器采用絕對值多圈編碼器EAMS58系列，編碼唯一不重復，無需記憶。測量范圍大，安裝時不必要費勁找零點，簡化安裝調試難度。

原裝置主令開關采用的DXZ型主令開關，該型號主令開關采用塑料凸輪，在西藏地區溫差變化極大的情況下極容易暴裂損壞。現采用QGX-A-40絲桿主令控制器，能與絕對值光電編碼器組裝成套。這種絲桿式主令控制器，安裝方便，從測量工作原理上克服了傳統凸輪式主令開關的缺點，調整方便，重復精度誤差小，在技術指標上全面超越原凸輪式主令控制器。

3.3 安裝注意事項

由于編碼器和主令開關的更換，原控制柜已不適用，須進行更換。更換后的控制柜仍采用常規控制方式，開度儀表采用SSI開度儀對編碼器信號進行處理，荷重信號也采用電流間接方式反映，全開、全關信號為硬接點方式，而閘門開度、荷重則采用通訊上送，充分利用LCU現有資源。

硬接點上送電纜已布置，但遠方控制電纜和通訊電纜需要重新布置，布置起止位置為閘門現地控制柜至相應機組LCU屏，現機組LCU通訊預留接口有4個，而模擬量接口已用完，因而采用通訊上送。納金站本次擬改造的機組設備較多，擬將進水口閘門、調速器油壓、頂蓋排水裝置采用一根RS485總線方式上送至機組LCU、通訊協議采用MODBUS RTU。

4 結束語

納金電站閘門控制系統改造安裝調試完成后，實現了現場執行單位、機組控制單元、電廠站控層、集控中心四個層級的設備組成整體的控制網絡，提高了電站管理水平和自動化水平，目前系統運行良好，此方案具有技術合理、經濟性好的優點，通過本次改造，不僅解決了閘門控制系統存在的安全隱患，而且提供了電站接入集控中心的技術可能性。