水電廠閘門開度測量及控制系統改造

李安勇

(重慶龍珠電力股份有限公司，重慶銅梁 402560)

1 概述

安居水電廠攔河大壩共設計有四孔沖沙閘門和十二孔泄洪閘門，它們擔負著水電廠庫區水位的調節和洪水期間泄洪的重要作用。每孔閘門配備一臺QPQ2×63 t卷揚式啟閉機。該閘門控制系統原設計為:在現地控制和遠方集中控制兩種方式。現地控制箱和遠方集中控制臺上均設計有閘門開度測量儀。鑒于當時的技術設備條件，閘門開度測量和遠方集中控制兩項功能一直未能正常投入使用。電廠于1995年拆除了閘門開度測量儀和遠方集中控制臺，只保留了現地手動操作方式，操作人員勞動強度大，事故、故障發生頻繁。隨著新技術的迅猛發展，特別是閘門高度測量及計算機應用技術的飛速進步，安居水電廠和四川新瑞發展科技有限公司一起對電廠閘門開度的測量及操作控制系統進行了技術改造。通過幾年時間的運行證明，閘門開度測量及控制系統的安全性、可靠性比以前得到了很大程度的提高。

2 安居水電廠攔河大壩閘門開度測量及控制系統存在的問題

安居水電廠攔河大壩原閘門開度測量及控制系統由閘門生產廠家配套生產。自1992年該閘門測控系統安裝完成并經隨后幾年的運行，曾多次釀成鋼絲繩反絞和閘門吊頭損壞的嚴重事故，給電廠帶來了較大的經濟損失，并逐漸暴露出以下缺陷:

(1)閘門開度測量不準確，誤差大;

(2)閘門不能實現遠方控制操作;

(3)雖然設計有閘門上、下限位裝置，但從未安裝而使閘門失去應有的保護功能，影響其安全性;

(4)雨天和夜間對閘門的操作非常困難，存在極大的操作事故隱患和人身安全危險。

3 閘門開度測量及控制系統改造的目標

針對以上幾個方面的嚴重缺陷，安居水電廠和四川新瑞發展科技有限公司一起，經過認真分析、討論并進行可行性論證后，決定對其進行技術改造，以提高閘門開度測量的準確性，同時也解決閘門遠方控制及保護等問題。

(1)實現對閘門開度的準確測量;

(2)增加遠方計算機監控系統;

(3)提高前端測量元件的自動化水平;

(4)解決閘門上、下限位裝置的技術問題;

(5)解決庫區水位、攔污柵前水位、1～2#機攔污柵后水位、尾水水位的測量問題;

(6)采取符合實際的、有效的防雷措施來保護閘門開度測控儀和計算機監控系統等。

4 閘門開度測量及控制系統的改造方案和主要技術措施

本次改造對于原現地控制箱內的常規控制元件:操作按鈕、空氣斷路器、交流接觸器、熱繼電器以及監視電機電壓、電流的表計等設備予以保留。對于閘門開度則采用全新的、具有獨創性的測量模式，即通過一只傳感器檢測閘門啟閉機齒輪齒數，每轉過一齒，傳感器發出一個脈沖并將其傳至閘門開度測控儀，經閘門開度測控儀進行數據處理，獲得閘門開度值。該測量方式比傳統的測量方式更準確可靠，比采用旋轉編碼器測量簡單、經濟。正是基于這一全新的閘門開度測量模式，為遠方計算機集中控制提供了堅實的數據基礎。

(1)保留閘門現地控制箱原有的手動操作控制方式;

(2)在每孔閘門的現地控制箱內增加一個閘門開度測控儀、一塊電源擴展板，通過與現地檢測啟閉機齒輪齒數的傳感器一起組成現地閘門開度測控的智能單元(圖1);

圖1 閘門開度智能測量單元示意圖

(3)增加閘門遠方計算機監控系統;

(4)對計算機上操作閘門的升、降與現地操作閘門的升、降能相互閉鎖，防止誤操作發生;

(5)由于閘門現地控制箱為露天安裝，而閘門開度測控儀裝于其中且處于電廠的最高位置，同時，為了保護計算機監控系統，必須采取防雷措施:①在十六孔閘門的總動力電源各相增加一只避雷器;②將十六孔閘門開度測控儀的控制電源分為兩段，通過隔離變壓器后接入現地控制箱內的電源擴展板，再向閘門開度測控儀供電;③在每塊電源擴展板上安裝一個獨立的避雷器;④在每個閘門開度測控儀通訊接口前端安裝一只專用避雷器;⑤在計算機集中控制箱內的MOXA多串口卡前端安裝一只專用避雷器;⑥重新制作安裝獨立防雷接地體并完善大壩閘門的防雷接地網;

(6)原設計中，將十六孔閘門的動力電源分為四組，故改造時在每組動力電源的前端增加一個高性能、帶分閘線圈的空氣斷路器，一個電流變送器;

(7)采用麥克傳感器有限公司生產的MPM426W壓阻式液位變送器測量水位。

5 閘門開度測控儀和計算機監控系統改造后的主要技術指標和性能

5.1 閘門開度測控儀的性能保證

(1)能準確測量并實時顯示每孔閘門的開度值;

(2)閘門開度測控儀回復性能極好，幾乎未出現累積誤差;

(3)能設置閘門的上、下限定值，且自動作用于閘門的升降過程，并能有效的防止鋼絲繩反絞;

(4)能設置負值，如－0.01 m，確保在閘門全關后仍可下降一定的松弛度，避免鋼絲繩長期受力;

(5)能現場修改閘門的轉換系數、最大開度值、最小開度值、通訊波特率、通訊機號等參數;

(6)采用RS422通訊方式，與遠方計算機監控系統實現閘門開度數據、閘門運行工況的上傳并接受監控系統下達的操作控制命令并執行;

(7)面板具有較好的信號指示功能。

計算機監控系統改造后，其上位機硬件主要由IPC工控機、顯示器、MOXA多串口卡C32010T+C32030T+C32065T×3、ADAM4017模塊、研華8通道電壓輸入模塊等組成(圖2)。其監控應用軟件模塊有:閘門顯示模塊、閘門操作控制模塊、閘門電機保護模塊、數據通訊模塊、報警及報表模塊、趨勢分析模塊。

圖2 計算機監控系統框圖

5.2 遠方計算機監控系統的性能保證

(1)具有在水調值班室實施計算機控制和現地手動控制兩種方式，并在電源擴展板上設有計算機操作和手動操作相互閉鎖的切換聯片，以防誤操作;

(2)在計算機上操作時，操作人員只需預置閘門開啟或關閉的開度數據并經確認后，閘門即自動升降運行。當閘門開度達到預置數據時自動停止;當出現計算機監控系統故障、閘門開度測控儀故障等異常情況時，可采用現地手動操作閘門升、降、停;

(3)上位計算機采用圖形窗口界面，能動態實時監視閘門的升降過程、開度值、電機電流;控制動作通過點擊圖形按鈕即可，界面簡單直觀，操作容易;

(4)具有防誤預置功能，最小可預置值為－0.05 m，最大可預置值為15 m。當超出該預置范圍時，所設預置值即無效。該項功能能有效的防止操作人員的人為誤預置而引發的操作事故;

(5)對閘門的操作和維護實行權限管理和身份驗證制。只有當其權限和身份被計算機確認通過后方可執行相應的操作，否則被禁止進入操作或維護界面;

(6)對閘門操作過程和測量數據進行自動定時存儲，方便故障、事故分析和查詢歷史資料;

(7)通過軟件設置電機過流和輕載保護，并作用于強跳閘門動力電源的空氣斷路器;根據需要，也可在計算機上人為操作分斷閘門動力電源的空氣斷路器;

(8)當閘門在開啟或關閉過程中出現通訊中斷，將自動強跳閘門的動力電源空氣斷路器，同時清除閘門開度測控儀內的開啟或關閉預置值，以防通訊恢復時閘門自動運行;

(9)能實時監測庫區水位、攔污柵前水位、1～2#機攔污柵后水位及尾水水位。

6 結語

此次改造由于采用了全新的閘門開度測量原理，使閘門開度測量的準確性得到了很大提高。由于采用了計算機控制，使操作人員在雨天和夜間操作變得方便簡單，同時還消除了無上、下限位裝置而潛在的事故隱患，維護費用也大為降低，使安居水電廠攔河大壩閘門的安全性、可靠性、可用率、經濟性都得到不同程度的改善和提高。該測控系統經改造后，安居水電廠攔河大壩閘門的運行更加趨于合理、操作控制更加靈活、適應性增強，給電廠庫區蓄水的科學調節提供了有力保障。從2001年改造至今，安居水電廠攔河大壩閘門監控系統經歷高溫、雷雨等惡劣天氣的考驗，運行正常。