天生橋一級水電站溢洪道工作閘門控制系統改造優化

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的改造情況，總結了改造后系統的結構配置和功能優化，對同類型的改造項目有借鑒意義。

關鍵詞：溢洪道工作閘門;改造;優化;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容量為1200MW（4×300MW）。水庫總庫容102.6億立方米，調節庫容57.96億立方米，為不完全多年調節水庫，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的液壓啟閉機操作。液壓泵站設有兩臺互為備用的油泵電動機組。液壓啟閉機的全套設備由德國力士樂公司引進。每扇工作閘門配置有1個操作臺，采用AB PLC完成閘門開啟、關閉等控制操作，使用觸摸屏顯示閘門開度、故障報警、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傳。

溢洪道工作閘門控制系統自1998年投運以來，已運行20多年，大部分器件老化嚴重，備品備件采購困難，嚴重影響閘門正常運行與維護。2020年，電站完成了溢洪道工作閘門控制系統改造，解決了原系統存在問題;同時對控制系統進行了優化升級，為后續智能化水電廠建設提供了硬件條件。

二、系統改造前存在問題

溢洪道工作閘門控制系統改造前，存在的主要問題有：

（1）設備老化，備品備件采購困難，不利于閘門的安全運行與維護。

（2）系統功能缺陷。主要有以下幾點：①控制系統只能通過PLC控制閘門，無純手動控制回路。當PLC故障時，需通過短接繼電器操作閘門，有觸電和誤操作的安全風險。②無軟起功能，啟動過程中，對電源系統的沖擊較大。③人機交互功能較差，不能根據用戶需求修改相應參數。④控制系統未配置UPS，而電廠有經常性倒閘的運行工況[1]，導致系統頻繁掉電多次出現PLC程序丟失的情況;

（3）通信接口少，通信功能弱。集中控制臺與現地控制臺采用串口通信，因距離較遠經常出現通信異常情況。不支持modbusTCP協議，未與監控系統通信，不能通過監控系統實時監控閘門狀態;也不支持IEC61850通信標準，無法通過該標準進行智能化水電廠組網。

三、改造后的系統結構和配置

3.1系統結構

此次溢洪道閘門電氣控制系統改造本著“安全、可靠、 先進”的原則，在原系統的基礎上重新設計了系統結構：增加系統感知元件，優化系統內部通信，加強人機交互;同時，為下一步的智能化水電廠建設預留通信接口。改造后的控制系統結構如下圖：

3.2系統配置

新的溢洪道閘門控制系統主要包含：集中控制柜、現地控制柜、現地動力柜。

（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、協議轉換器及其他相關器件。

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

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

四、控制系統優化升級

此次改造解決了原系統設備老化及功能缺陷問題，完成了控制系統優化升級。主要優化升級之處如下：

（1）控制方式的優化

閘門控制方式。可實現閘門的遠方控制（集控臺和計算機監控系統）、現地控制。兩種操作控制方式相互閉鎖。具備現地手動、現地自動、遠方自動三種控制方式。增加遠方計算機監控系統控制功能。各閘門控制系統與電廠計算機監控系統通過光纖通信，傳送泵站和閘門設備運行信息，并接受遠方監控系統的控制指令。

油泵的控制方式。動力柜為2臺油泵各配置一個控制轉換開關，控制轉換開關均有“自動”、“手動”、“旁路”和“切除”四個位置。每一種控制方式均采用獨立的控制回路實現[2]。

當處于“自動”位置時，由PLC控制流程啟停;自動通過軟啟動器啟動油泵。

當處于“手動”位置時，手動通過軟啟動器啟動油泵。

當處于“旁路”位置時，手動通過旁路接觸器啟動油泵。

當處于“切除”位置時，該臺油泵退出運行。

新增油泵軟啟動功能，可減小啟動瞬間對電源系統的沖擊，提高了系統的安全性;設計油泵“旁路”啟動功能，可以在軟啟動器故障應急情況下保證油泵可靠啟動。當油泵為自動控制時，系統可統計油泵的累計運行時間和運行次數;兩臺泵的啟動采取輪換方式，降低了長期使用一臺泵導致損壞的風險。

（2）電源系統的優化

本次系統改造為了提高系統的可靠性，控制系統均采用雙電源供電;且

控制部分配置了UPS，解決了廠用電倒閘時對PLC的影響。同時考慮系統油泵功率較大，通過采用分時啟動方式躲避同時啟動造成對供電系統、設備的沖擊影響，且分時啟動的時間可通過觸摸屏進行設定。

（3）強大的人機交互功能

現場人機接口采用高性能觸摸屏和工業級平板PC，能夠完整的顯示系統的實時狀態和運行參數，實現故障日志和事件記錄等功能，并能夠通過人機界面完成必要的參數設置、切換試驗等操作，方便運行、檢修人員進行日常巡視檢查，設備定檢和定期試驗等工作。

系統能接受全廠統一的GPS時鐘信號，并以此時鐘記錄、報送事件動作順序及故障。系統的運行狀態、故障信息、報警信號、自診斷信息等都能通過網絡上送至遠方監控系統。

系統還具有強大的自診斷功能。系統PLC裝置中配置有各模塊的故障、通信故障以及出口誤動等自診斷功能。當系統出現供電電源故障或其它一些故障時，在故障消除之后PLC能自啟動。故障信息能實時記入單元故障記錄表，并通過PLC報警。

（4）完善的系統保護功能

改造后的系統有完整的保護功能，主要的保護功能包含：

①油系統設置油壓和油位高、低、超壓、失壓等油系統保護信號。

②油泵電機供電主回路設置缺相、短路和過流保護，并設置電壓表和電流表。另外還設置動力電源和控制電源監視信號。

③閘門開終、關終及上下極限保護。

④在控制柜上均應有每種保護信號顯示和蜂鳴器報警。

⑤失電保護功能：CPU應具有掉電保護功能和電源恢復后的自動重新啟動功能。

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

（5）完整的通信組網

集中控制柜PLC通過以太網與5臺現地控制柜進行數據通訊。計算機監控系統與集中控制柜通過光纖方式采用modbus TCP協議進行數據交互和命令下發。通過該種方式組網，提高了數據交互的信息量也降低了重新建設系統的成本。

系統改造還預留了支持IEC61850協議的通信接口，為后續智能化水電廠建設提供了硬件條件。系統組網通信介質均采用光纖通信，提高了系統的可靠性、實時性[3][4]。

（6）外部傳感器信號的冗余配置和選擇功能

系統可以同時采集變送器的模擬信號、傳感器開關量信號，通過選擇優先級的方式對系統進行控制，實現了外部傳感器信號的冗余，從而增強了系統的可靠性。

五、結語

本次改造圓滿解決了原有控制系統存在的安全隱患問題;通過功能優化升級，提高了電站溢洪道控制系統的可靠性和穩定性;通過增強系統內部及對外通信功能，提高了設備的自動化水平;同時還預留了支持IEC61850協議的通信接口，為后續智能化水電廠組網提供了硬件條件。此次改造充分考慮了現實需求和未來發展，具有實用性和前瞻性。

參考文獻：

[1]趙晨.關于配電室UPS的應用[J].通信電源技術，2016，（第3期）.

[2]陳建明，王亭嶺主編. 電氣控制與PLC應用[M]. 北京：電子工業出版社， 2019：36-64

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

[4]王海禮.光纖通信的發展趨勢及應用[J].E動時尚（科學工程技術），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備檢修維護工作。