天生橋一級水電站溢洪道工作閘門控制系統(tǒng)改造優(yōu)化

楊紅江 王夢浩

摘要：本文介紹了天生橋一級水電站溢洪道工作閘門控制系統(tǒng)的改造情況，總結(jié)了改造后系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)配置和功能優(yōu)化，對同類型的改造項(xiàng)目有借鑒意義。

關(guān)鍵詞：溢洪道工作閘門;改造;優(yōu)化;智能化水電廠

Abstract： This paper introduces the reconstruction of the working gate control system of the spillway of Tianshengqiao-I Hydropower Station， summarizes the structural configuration and functional optimization of the system after the reconstruction， which is of reference significance for the same type of reconstruction projects.

Key words： working gate of spillway; reconstruction; optimization; intelligent hydropower plant

一、概況

天生橋一級水電站裝機(jī)容量為1200MW（4×300MW）。水庫總庫容102.6億立方米，調(diào)節(jié)庫容57.96億立方米，為不完全多年調(diào)節(jié)水庫，在防洪削峰中有重要意義。溢洪道布置在水庫的右岸，設(shè)有5扇表孔弧形工作閘門。每扇閘門采用一套2×3500kN的液壓啟閉機(jī)操作。液壓泵站設(shè)有兩臺互為備用的油泵電動(dòng)機(jī)組。液壓啟閉機(jī)的全套設(shè)備由德國力士樂公司引進(jìn)。每扇工作閘門配置有1個(gè)操作臺，采用AB PLC完成閘門開啟、關(guān)閉等控制操作，使用觸摸屏顯示閘門開度、故障報(bào)警、其他信息等。5扇工作閘門配置1套集中控制臺，用于集中操作和信號集中及信號遠(yuǎn)傳。

溢洪道工作閘門控制系統(tǒng)自1998年投運(yùn)以來，已運(yùn)行20多年，大部分器件老化嚴(yán)重，備品備件采購困難，嚴(yán)重影響閘門正常運(yùn)行與維護(hù)。2020年，電站完成了溢洪道工作閘門控制系統(tǒng)改造，解決了原系統(tǒng)存在問題;同時(shí)對控制系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化升級，為后續(xù)智能化水電廠建設(shè)提供了硬件條件。

二、系統(tǒng)改造前存在問題

溢洪道工作閘門控制系統(tǒng)改造前，存在的主要問題有：

（1）設(shè)備老化，備品備件采購困難，不利于閘門的安全運(yùn)行與維護(hù)。

（2）系統(tǒng)功能缺陷。主要有以下幾點(diǎn)：①控制系統(tǒng)只能通過PLC控制閘門，無純手動(dòng)控制回路。當(dāng)PLC故障時(shí)，需通過短接繼電器操作閘門，有觸電和誤操作的安全風(fēng)險(xiǎn)。②無軟起功能，啟動(dòng)過程中，對電源系統(tǒng)的沖擊較大。③人機(jī)交互功能較差，不能根據(jù)用戶需求修改相應(yīng)參數(shù)。④控制系統(tǒng)未配置UPS，而電廠有經(jīng)常性倒閘的運(yùn)行工況[1]，導(dǎo)致系統(tǒng)頻繁掉電多次出現(xiàn)PLC程序丟失的情況;

（3）通信接口少，通信功能弱。集中控制臺與現(xiàn)地控制臺采用串口通信，因距離較遠(yuǎn)經(jīng)常出現(xiàn)通信異常情況。不支持modbusTCP協(xié)議，未與監(jiān)控系統(tǒng)通信，不能通過監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控閘門狀態(tài);也不支持IEC61850通信標(biāo)準(zhǔn)，無法通過該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行智能化水電廠組網(wǎng)。

三、改造后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和配置

3.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

此次溢洪道閘門電氣控制系統(tǒng)改造本著“安全、可靠、 先進(jìn)”的原則，在原系統(tǒng)的基礎(chǔ)上重新設(shè)計(jì)了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：增加系統(tǒng)感知元件，優(yōu)化系統(tǒng)內(nèi)部通信，加強(qiáng)人機(jī)交互;同時(shí)，為下一步的智能化水電廠建設(shè)預(yù)留通信接口。改造后的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖：

3.2系統(tǒng)配置

新的溢洪道閘門控制系統(tǒng)主要包含：集中控制柜、現(xiàn)地控制柜、現(xiàn)地動(dòng)力柜。

（1）集中控制柜配置：集中控制柜配置有西門子S7-1500 PLC 1套、15”平板PC 1臺、UPS、光口交換機(jī)、協(xié)議轉(zhuǎn)換器及其他相關(guān)器件。

（2）現(xiàn)地控制柜配置：新系統(tǒng)為電站每扇溢洪道工作門設(shè)置1臺現(xiàn)地控制柜，共5臺，現(xiàn)地控制柜中配置有S7-1500 PLC控制器1套、UPS、光口交換機(jī)、觸摸屏、常規(guī)繼電器、比例閥放大板、開度儀表、主令操作器件等。

（3）現(xiàn)地動(dòng)力柜配置：每扇溢洪道工作閘門設(shè)置1臺動(dòng)力柜，共5臺，每臺動(dòng)力柜配有2臺油泵的供電回路、動(dòng)力主回路控制器件等，包含斷路器、軟起動(dòng)器、旁路接觸器等。

四、控制系統(tǒng)優(yōu)化升級

此次改造解決了原系統(tǒng)設(shè)備老化及功能缺陷問題，完成了控制系統(tǒng)優(yōu)化升級。主要優(yōu)化升級之處如下：

（1）控制方式的優(yōu)化

閘門控制方式?？蓪?shí)現(xiàn)閘門的遠(yuǎn)方控制（集控臺和計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)）、現(xiàn)地控制。兩種操作控制方式相互閉鎖。具備現(xiàn)地手動(dòng)、現(xiàn)地自動(dòng)、遠(yuǎn)方自動(dòng)三種控制方式。增加遠(yuǎn)方計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)控制功能。各閘門控制系統(tǒng)與電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)通過光纖通信，傳送泵站和閘門設(shè)備運(yùn)行信息，并接受遠(yuǎn)方監(jiān)控系統(tǒng)的控制指令。

油泵的控制方式。動(dòng)力柜為2臺油泵各配置一個(gè)控制轉(zhuǎn)換開關(guān)，控制轉(zhuǎn)換開關(guān)均有“自動(dòng)”、“手動(dòng)”、“旁路”和“切除”四個(gè)位置。每一種控制方式均采用獨(dú)立的控制回路實(shí)現(xiàn)[2]。

當(dāng)處于“自動(dòng)”位置時(shí)，由PLC控制流程啟停;自動(dòng)通過軟啟動(dòng)器啟動(dòng)油泵。

當(dāng)處于“手動(dòng)”位置時(shí)，手動(dòng)通過軟啟動(dòng)器啟動(dòng)油泵。

當(dāng)處于“旁路”位置時(shí)，手動(dòng)通過旁路接觸器啟動(dòng)油泵。

當(dāng)處于“切除”位置時(shí)，該臺油泵退出運(yùn)行。

新增油泵軟啟動(dòng)功能，可減小啟動(dòng)瞬間對電源系統(tǒng)的沖擊，提高了系統(tǒng)的安全性;設(shè)計(jì)油泵“旁路”啟動(dòng)功能，可以在軟啟動(dòng)器故障應(yīng)急情況下保證油泵可靠啟動(dòng)。當(dāng)油泵為自動(dòng)控制時(shí)，系統(tǒng)可統(tǒng)計(jì)油泵的累計(jì)運(yùn)行時(shí)間和運(yùn)行次數(shù);兩臺泵的啟動(dòng)采取輪換方式，降低了長期使用一臺泵導(dǎo)致?lián)p壞的風(fēng)險(xiǎn)。

（2）電源系統(tǒng)的優(yōu)化

本次系統(tǒng)改造為了提高系統(tǒng)的可靠性，控制系統(tǒng)均采用雙電源供電;且

控制部分配置了UPS，解決了廠用電倒閘時(shí)對PLC的影響。同時(shí)考慮系統(tǒng)油泵功率較大，通過采用分時(shí)啟動(dòng)方式躲避同時(shí)啟動(dòng)造成對供電系統(tǒng)、設(shè)備的沖擊影響，且分時(shí)啟動(dòng)的時(shí)間可通過觸摸屏進(jìn)行設(shè)定。

（3）強(qiáng)大的人機(jī)交互功能

現(xiàn)場人機(jī)接口采用高性能觸摸屏和工業(yè)級平板PC，能夠完整的顯示系統(tǒng)的實(shí)時(shí)狀態(tài)和運(yùn)行參數(shù)，實(shí)現(xiàn)故障日志和事件記錄等功能，并能夠通過人機(jī)界面完成必要的參數(shù)設(shè)置、切換試驗(yàn)等操作，方便運(yùn)行、檢修人員進(jìn)行日常巡視檢查，設(shè)備定檢和定期試驗(yàn)等工作。

系統(tǒng)能接受全廠統(tǒng)一的GPS時(shí)鐘信號，并以此時(shí)鐘記錄、報(bào)送事件動(dòng)作順序及故障。系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、故障信息、報(bào)警信號、自診斷信息等都能通過網(wǎng)絡(luò)上送至遠(yuǎn)方監(jiān)控系統(tǒng)。

系統(tǒng)還具有強(qiáng)大的自診斷功能。系統(tǒng)PLC裝置中配置有各模塊的故障、通信故障以及出口誤動(dòng)等自診斷功能。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)供電電源故障或其它一些故障時(shí)，在故障消除之后PLC能自啟動(dòng)。故障信息能實(shí)時(shí)記入單元故障記錄表，并通過PLC報(bào)警。

（4）完善的系統(tǒng)保護(hù)功能

改造后的系統(tǒng)有完整的保護(hù)功能，主要的保護(hù)功能包含：

①油系統(tǒng)設(shè)置油壓和油位高、低、超壓、失壓等油系統(tǒng)保護(hù)信號。

②油泵電機(jī)供電主回路設(shè)置缺相、短路和過流保護(hù)，并設(shè)置電壓表和電流表。另外還設(shè)置動(dòng)力電源和控制電源監(jiān)視信號。

③閘門開終、關(guān)終及上下極限保護(hù)。

④在控制柜上均應(yīng)有每種保護(hù)信號顯示和蜂鳴器報(bào)警。

⑤失電保護(hù)功能：CPU應(yīng)具有掉電保護(hù)功能和電源恢復(fù)后的自動(dòng)重新啟動(dòng)功能。

⑥糾偏功能。系統(tǒng)具備手動(dòng)和自動(dòng)左右糾偏功能（輸出電流信號給比例閥進(jìn)行糾偏），可通過需求進(jìn)行糾偏功能選擇。

（5）完整的通信組網(wǎng)

集中控制柜PLC通過以太網(wǎng)與5臺現(xiàn)地控制柜進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)與集中控制柜通過光纖方式采用modbus TCP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交互和命令下發(fā)。通過該種方式組網(wǎng)，提高了數(shù)據(jù)交互的信息量也降低了重新建設(shè)系統(tǒng)的成本。

系統(tǒng)改造還預(yù)留了支持IEC61850協(xié)議的通信接口，為后續(xù)智能化水電廠建設(shè)提供了硬件條件。系統(tǒng)組網(wǎng)通信介質(zhì)均采用光纖通信，提高了系統(tǒng)的可靠性、實(shí)時(shí)性[3][4]。

（6）外部傳感器信號的冗余配置和選擇功能

系統(tǒng)可以同時(shí)采集變送器的模擬信號、傳感器開關(guān)量信號，通過選擇優(yōu)先級的方式對系統(tǒng)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)了外部傳感器信號的冗余，從而增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。

五、結(jié)語

本次改造圓滿解決了原有控制系統(tǒng)存在的安全隱患問題;通過功能優(yōu)化升級，提高了電站溢洪道控制系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性;通過增強(qiáng)系統(tǒng)內(nèi)部及對外通信功能，提高了設(shè)備的自動(dòng)化水平;同時(shí)還預(yù)留了支持IEC61850協(xié)議的通信接口，為后續(xù)智能化水電廠組網(wǎng)提供了硬件條件。此次改造充分考慮了現(xiàn)實(shí)需求和未來發(fā)展，具有實(shí)用性和前瞻性。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙晨.關(guān)于配電室UPS的應(yīng)用[J].通信電源技術(shù)，2016，（第3期）.

[2]陳建明，王亭嶺主編. 電氣控制與PLC應(yīng)用[M]. 北京：電子工業(yè)出版社， 2019：36-64

[3]王順江，唐宏丹，閆俊宏，趙如國等編著. IEC 61850 電力系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)[M]. 北京：中國電力出版社， 2018：4-27

[4]王海禮.光纖通信的發(fā)展趨勢及應(yīng)用[J].E動(dòng)時(shí)尚（科學(xué)工程技術(shù)），2019，（第16期）.

作者簡介：楊紅江（1990.10），男，助理工程師，從事水電廠電氣二次設(shè)備檢修維護(hù)工作。