基于一體化平臺技術的閘門控制系統改造

曹三順，王非

（廣東粵海飛來峽水力發電有限公司，廣東韶關512200）

1 引言

隨著新一輪信息化浪潮席卷全球，新一代信息技術與經濟社會深度融合，智慧城市、智慧電網等概念正在由理論轉化為實際應用，真真切切地影響、改變著社會生活。水利部黨組歷來高度重視水利信息化建設，2017年2月陳雷部長在水利部科技委年會上指出，智慧水利建設相較于相關行業的智慧行業建設還有相當差距，與支撐水利現代化要求還有較大差距。傳統水利數以千萬計的業務數據僅局限于各系統使用，各專業融合性差，效率低，導致“信息孤島”現象的存在，決策效率低下。智慧水利建設已成為水利現代化的重要標志之一。

泄水閘承擔汛期飛來峽水利樞紐洪水調控的重要任務，是樞紐防汛抗洪的最重要設備。飛來峽水利樞紐泄水閘門啟閉機控制系統從建成到現在已有20 a的時間，現地控制系統及其上位機監控軟硬件暴露出越來越嚴重的老化與兼容性問題，通過常規維護檢修已難以取得滿意的效果。為了響應水利部對智慧水利建設的新要求，搶占智慧水電廠建設的新陣地，同時為了消除樞紐防汛設備功能隱患，科學優化控制流程，提高生產建設效率，盡責履行溢流壩調峰調洪、保一方平安的社會責任，溢流壩電控系統建設作為搭建一體化信息平臺中的首要業務被提上日程。

2 原系統結構及存在問題

2.1 原系統結構

飛來峽水利樞紐溢流壩由15孔泄洪孔和1孔排漂孔組成，閘門為潛孔式弧形鋼閘門。啟閉設備為雙吊點斜吊式固定卷揚啟閉機，容量為2×1 250 kN，揚程為16.5 m，吊點距8.4 m，起升速度1.16 m/min。左右側2套起升機通過中間同步軸連接，電動機型號為YZR250M1-835 kW，制動器為4套YWZ5-315/50電液塊式制動器，減速器型號為JZQ750-48.57。配置高度傳感器、主令控制器、荷重傳感器等安全裝置。每臺弧形鋼閘門均由對應的啟閉機來操作。

溢流壩泄水閘承擔汛期樞紐洪水調控的重要任務，是飛來峽水利樞紐最重要的防汛設備。溢流壩泄水閘門的啟閉，是通過控制系統對閘門啟閉機的操作來實現的。泄水閘門啟閉機控制系統分常規控制及PLC控制，從建成到現在已運行20 a時間。目前閘門運行方式有現地常規、現地PLC、遠方PLC和試控4種方式，其中閘門的常規動力控制回路為閘門最基礎的控制方式。

泄水閘門啟閉機控制系統控制對象主要為：溢流壩16孔溢洪孔閘門（其中15孔為帶胸墻的泄洪孔、閘門為潛孔式弧形鋼閘門，另1孔為排漂孔）以及溢流壩1#墩及中墩排水泵和3#副壩平板鋼閘門。飛來峽泄水閘門計算機監控系統網絡結構，如圖1所示。

圖1 飛來峽泄水閘門計算機監控系統網絡結構

2.2 存在問題

（1）由于運行時間過長、啟閉機又處于寬闊的江面上，空氣潮濕、環境溫度變化大的惡劣運行環境等因素影響，近年來設備已陸續出現器件氧化、老化和技術性能不穩定的現象，導致汛期常發生因常規控制回路或動力回路出現問題而無法啟閉閘門或動力電源跳閘等技術故障，甚至出現控制柜內線路自燃冒煙的現象，由此引發的后果不堪設想。

（2）上位機系統由于主機等硬件設備運行時間長，已經出現較多硬件故障，更換主機后在Win7系統上無法運行原有的上位機組態軟件及數據庫，需要降級為WinXP操作系統才能使用。目前WinXP操作系統已停止安全更新，屬于淘汰操作系統，不能滿足電網考核要求，為此需要升級上位機軟硬件。

（3）閘門電氣控制系統分立元件較多，采用常規繼電器較多，而且設備選型比較落后，設備質量比較差，在運行中出現設備老化、工作很不穩定，繼電器之間的動作配合不好，經常出現繼電器接點粘接、卡住，動作不可靠或跳動現象，引起控制電源和電機動力電源跳閘并有閘門操作失敗現象，從而造成閘門無法正常操作和影響了設備的安全運行。

（4）泄水閘門的GP-1312開度儀工作不穩定，零點漂移和開度檢測誤差現象較普遍，從而使得監控系統對閘門無法操作（開度在10 s內無變化時，系統對閘門停止操作）或閘門關不到位的情況。荷重儀容易保護誤操作，導致無法操作閘門。

（5）閘門下降至全關位置時，限位行程開關下限節點提前動作，造成閘門關不到位、出現漏水的現象。

（6）原有的通信結構設計不合理，時常出現溢流壩監控系統黑屏故障。

（7）分散的業務及數據流無法滿足智慧水利背景下的智慧電廠建設要求，急需搭建一體化平臺，對樞紐繁多的生產業務進行信息化整合，消除“信息孤島”現象。

3 系統改造目標及方案

3.1 改造目標

飛來峽水利樞紐按照在同一平臺實現對樞紐泄水閘、發電廠、船閘的監控、監測、監視等不同業務的統一協同管理目標要求，利用此次溢流壩電控系統改造完成樞紐智慧電廠一體化平臺初步搭建工作。

3.2 改造方案

此次只針對15孔泄洪孔潛孔式弧形鋼閘門的啟閉控制系統進行改造，擬采用的方法及內容如下。

（1）拆除15孔弧形閘門啟閉機原有的30臺35 kW繞線式電動機，按設計更換成30臺37 kW重載變頻電動機。

（2）拆除15孔弧形閘門啟閉機原有的常規控制柜、PLC控制柜和加速電阻箱，按設計更換成重新配置組裝的變頻啟動柜、PLC控制柜和變頻器制動電阻柜，包括控制柜基礎安裝及電纜防火封堵。

（3）拆除1面泄水閘公用PLC控制柜，按設計更換成重新配置組裝的PLC控制柜，包括控制柜基礎安裝及電纜防火封堵。

（4）拆除15孔弧形閘門啟閉機原有的荷重傳感器、閘門限位主令控制器和閘門位置傳感器，更換成新型閘門荷重開度傳感器。

（5）拆除原有的電纜，重新敷設15孔弧形閘門啟閉機的動力和控制電纜。

（6）更換溢流壩1#墩及中墩排水泵PLC控制柜中的PLC控制器。

（7）按設計完成泄水閘所有現地控制設備的組網，采用星型以太網冗余設計。

（8）泄水閘監控系統上位機監控畫面組態開發。

（9）對所有更換的PLC設備進行防雷設計。

4 系統改造亮點

（1）換裝重載變頻電動機。相比于繞線式電動機，重載變頻電動機具備啟動功能，采用電磁設計，可以減少電機定子和轉子的內阻值，減少了熱消耗，提升了電機效率，在一定程度上節能，并可以適應不同工況條件下的頻繁變速要求。

（2）采用變頻啟動控制方式。變頻啟動控制方式可以大大簡化控制回路元器件的投入，充分合理設計柜內控制元件的布置；可以實現低壓啟動，啟動電壓適應范圍寬泛，降低啟動電流，減少對廠用電系統的沖擊；多重保護使變頻器高度智能化，如集成閘門雙臂測重、過載保護、“防溜車”等功能，不僅能保護自身的安全正常使用，而且大大保護了前后級設備的安全運行。

（3）增設移動式應急變頻柜。在現場增加1套移動式應急變頻柜作為緊急備用措施，能較好地滿足泄水閘門啟閉可靠性要求。移動式應急變頻柜包含與2臺37 kW變頻電機匹配的90 kW重載變頻器和斷路器，變頻器輸入輸出端配長3 m的電纜及接線頭和長3 m的變頻器制動電阻應急接入電纜及接線頭，柜面配急停、上升、下降按鈕以應急操作閘門。

（4）新裝控制柜及啟動柜等進行特別定制設計，穩固且通風性能良好，具備防鼠功能，并配有防潮、防腐、散熱裝置，可以有效解決潮濕江面及鼠蟲害對閘門控制設備的危害，消除惡劣環境對設備穩定運行的隱患。

（5）系統監控及通信結構改進。泄水閘計算機監控系統采用星形冗余以太網網絡，如圖2所示。系統設置2臺工業以太網交換機，工作站、現地LCU以雙以太網口接入這2臺以太網網絡交換機。系統由現地各LCU與中控層工作站組成網絡節點，各網絡節點通過雙以太網接口設備與以太網網絡交換機相連組成星型雙光纖冗余100 M/1 000 Mbps Ethernet交換網絡。雙網互為熱備用。

圖2 泄水閘計算機監控系統網絡拓撲

（6）雙冗余設計。現地LCU采用冗余設計，對PLC電源、CPU、通信模塊采用冗余配置，實現了雙光纖網絡冗余、雙服務器數據庫冗余配置、每套LCU交直流2種供電方式，光纖電纜均重新選型、重新拉接，系統面貌煥然一新，可靠性大大增強。

（7）一體化平臺的初步搭建。一體化平臺為水電廠運行和管理提供統一的數據管理、服務以及界面定制，實現數據共享、集中管控與協同互動的軟硬件平臺。溢流壩泄水閘門控制系統設計本著統一、開放的原則，在一體化平臺上進行開發，支持IEC61850、IEC61970標準，基于面向服務構架（SOA）。操作系統采用成熟安全的適合于開放環境的實時多任務多用戶操作系統。軟件支持跨平臺，支持在Unix/Linux及Windows操作系統上統一部署。這為整個樞紐構建統一開放協同的信息系統平臺，建設和諧、智慧的水利樞紐工程打下一體化平臺基礎。

泄水閘門計算機監控系統采用一體化平臺設計，分布在安全Ⅰ區，配置1臺數據服務器，能采集閘門監控系統的實時數據外，還能采集將來的電站監控系統或其他部署在安全Ⅰ區的業務系統的數據；配置1臺歷史數據服務器和2臺工作站，工作站部署泄水閘計算機監控系統應用，完成泄水閘監控系統的所有功能，其中至少1臺工作站具有編輯功能。系統能與將來的Ⅱ區、Ⅲ區實現跨區數據同步。Ⅲ區配置1臺歷史數據服務器，部署與Ⅰ區統一的一體化平臺，實現歷史數據的轉儲與管理，為設備或系統接入以及應用組件運行提供標準接口。

5 系統試運行情況

據生產運行及檢修人員反饋，泄水閘門電控系統完成改造、運行一段時間以來，總體運行平穩，現地、遠方操作閘門流程順暢，閘門啟閉既可中控室選孔走全流程控制也可現地循序漸進式完成，自動化元器件動作可靠，監控系統無關鍵設備報警、跳閘故障信息報送，事件日志可循、可查，報表數據打印準確。更為重要的是完成一體化平臺的初步搭建工作，劃分了生產與管理信息大區，為樞紐相關生產系統的數據接入預留數據接口，為未來飛來峽智慧水電廠的建設鋪平了道路。

6 結語

飛來峽水利樞紐是北江流域綜合治理和開發利用的關鍵性工程，是廣州市及珠江三角洲重要的防洪屏障，防洪設備的安全就是人民生命財產的安全，防汛工作一定要做好，不容半點馬虎。做好泄水閘門的運行保障工作，為做好防汛工作邁出了堅實的一步。本文淺析了基于一體化平臺的飛來峽水利樞紐泄水閘門的控制系統改造技術難點、亮點，希望對相關行業及單位的技術改造工作有一定的幫助與借鑒意義。