沙坪水電站泄洪閘門的“無人值班”自動化改造研究

熊 磊

（四川久隆水電開發有限公司，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，為九龍河“一庫五級”梯級開發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，總裝機容量162 MW，正常蓄水位2 186.50 m，死水位2 181 m，庫容131.3萬m3，為日調節水庫。

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-2×800 kN液壓啟閉機，設有1套液壓泵站及電氣控制設備；沖砂閘配置1臺QHLY-800 kN液壓啟閉機，設有1套液壓泵站及電氣控制設備。

1 泄洪閘門控制系統存在的問題

沙坪水電站自投產以來，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計時實現了自動化遠程監視控制，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控系統，對其進行改造迫在眉睫。泄洪閘門控制系統主要存在以下問題：

（1）大壩LCU與電站主控級之間連接的雙以太網均基于大壩與廠區之間的SDH平臺進行傳輸，當平臺出現故障后會出現閘門無法監控的情況。

（2）閘門控制中未設計獨立于現地控制系統的緊急操作回路。閘門現地控制系統異?；蚴Э貢r不能及時進行閘門停止操作。

（3）閘門開度由泄洪閘門PLC通過Modbus通信上送大壩現地控制單元LCU，通信量不可靠且存在較大延時，閘門開度監視不準確及通信中斷后閘門開度無法監視。

（4）閘門未設置全開限位開關信號。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，這可能導致液壓系統持續工作而損壞或閘門過開度的情況。

（5）閘門未設計水位警戒，當大壩水位異?；蜷l門控制異常時，無法及時提醒大壩駐守人員進行緊急操作或撤離。

（6）閘門僅設計有單點（開啟、關閉、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，而且操作員在下發閘門“啟/閉門”指令后，若上下位機通信中斷，遠方就無法下發“停止”命令，存在安全風險。

（7）閘門控制未設置啟閉速率保護。當閘門開度信號異常時，液壓系統長時間操作可能導致閘門變形損壞及液壓機構損壞。

（8）閘門控制未設計防誤動保護。在閘門控制系統啟閉繼電器節點粘連，或因外部電磁干擾等原因導致閘門誤啟閉時，不能及時自動停門。

2 泄洪閘門控制系統設計

沙坪水電站泄洪閘門控制系統采用開放環境下的全分布式結構，主要包含泄洪閘現地控制系統、沖砂閘現地控制系統、大壩現地控制單元（LCU）、電站主控層和集控中心控制層，系統結構如圖1所示。

圖1 沙坪水電站泄洪閘門監控系統結構

2.1 電站主控層控制系統設計

沙坪水電站主控層監控系統設有2臺主機及4臺通信服務器。2臺主機互為主備，構成閘門控制系統的控制樞紐，可確保任意一臺服務器出現故障時，閘門控制系統仍可正常工作。主機采用Solaris10操作系統，監控軟件采用南瑞的NC2000系統，通過上下位機數據交互，收集閘門相關信息；通過對象控制組態，對閘門開啟、關閉、停止等操作進行閉鎖，防止誤操作。電站主控機通過104通信協議與集控中心進行數據交互，可接收集控中心的遠方控制及調節命令，也可獨立于集控中心運行。

2.2 大壩現地控制單元（LCU）設計

大壩現地控制單元（LCU）完成對所屬設備的監控，其主要由PLC控制器、人機界面、通信設備、電源設備及信號采集板件構成。大壩LCU采用南瑞公司生產的SJ-500系列，CPU為雙機熱備架構，采用MBPro編程軟件、梯形圖、流程圖結合編程語言，實現對泄洪閘控制系統、沖砂閘控制系統及大壩供配電等系統的數據采集與控制，通過雙光纖以太網與電站主控層冗余連接實現數據交互，定時向主控級傳送現地采集的實時信息，隨時接收主控層下發的控制、調節命令，當主控級出現異常時也可獨立運行。

2.3 泄洪閘門現地控制系統設計

泄洪閘門現地控制系統采用獨立的電氣控制系統及液壓操作站，主要包括PLC控制器、觸摸屏、閘門開度、液壓系統油位、油壓等測量傳感器和液壓站等，通過執行預設的程序控制液壓站電機運行和電磁閥的得失電，實現對2孔泄洪閘門、1孔沖砂閘門的開啟、關閉、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的Modicon Premium系列，用Unity Pro編程軟件和梯形圖LD、結構化文本ST語言編程，對采集的閘門狀態、開度信號等進行有效處理和判斷，并實現對泄洪閘門、沖砂閘門的控制。泄洪閘門現地控制系統與大壩LCU之間通過Modbus通信和信號、控制電纜實現數據的交換，既可接收大壩LCU的控制命令，又可現地獨立運行。

3 泄洪閘門控制系統改造

針對沙坪水電站閘門控制系統設計存在的問題，本文結合防洪度汛中對閘門控制的操作要求，進行了如下改造。

3.1 硬件改造方案

（1）更改大壩LCU與電站主控級之間的網絡結構：將大壩LCU與主控級之間連接的其中一路改由光纖收發器轉光信號傳輸，且與SDH傳輸平臺選擇不同光纜，形成雙光纜雙路由通信。

（2）增加獨立于閘門現地控制系統的遠方緊停控制回路，將液壓站2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。當閘門現地控制系統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遠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，保證閘門開度的準確可靠。

（4）增加閘門全開電氣限位開關，將常開節點接入泄洪閘門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實時監測大壩水位變化，當水位達到告警水位時發出預警信號，提醒電站及集控中心操作員及時操作泄洪閘門，同時啟動裝設在壩頂的告警警鈴，提醒在大壩工作或駐守的人員進行緊急處理。

3.2 軟件改造方案

（1）增加閘門開度“遙調”程序，在大壩LCU中增加閘門并按設定值調節程序，同時設置相應的閉鎖操作條件。根據水庫來水流量及發電流量，集控中心調度人員計算需下泄流量對應的閘門開度并設置，設定值以遙調令下發至大壩LCU，LCU啟動對應的設值操作流程進行閉環控制，當閘門實際開度與設定值差值小于操作死區時，自動停止閘門操作。泄洪閘門“遙調”操作流程如圖2所示。

（2）增加泄洪閘門動作速率保護程序，在泄洪閘門控制PLC和大壩LCU中增加程序段，實時計算和監視閘門啟閉操作速率。當閘門開度變化速率超過速率設定范圍時，自動停止閘門操作。

（3）增加防閘門誤動保護程序，在大壩LCU中增加程序段，對閘門狀態實時監視。當閘門現地控制系統處于“遠方/自動”方式且大壩LCU未接收到控制命令時，若閘門開啟或關閉信號動作或閘門開度產生變化，則大壩LCU程序自動下發停止令；若閘門仍未停止或停止后閘門開啟或關閉信號再次動作，則自動啟動閘門緊?；芈罚瑪嚅_油泵動力電源。

4 結語

沙坪水電站泄洪閘門控制系統在原有的“遙控”基礎上，新增了“遙調”功能，并完善了閘門控制過程的軟硬件設計功能。改造實施兩年來，沙坪水電站閘門遠控操作近500次，操作成功率大于99%，實現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改造的設計思想及技術，對沙坪水電站實行“無人值班、遠方集控”運行模式起到至關重要的作用，提高了大壩和廠房設備運行的安全性，對同類型水電站泄洪閘門控制系統設計及改造具有借鑒作用。

圖2 泄洪閘門“遙調”控制流程