天生桥一级水电站溢洪道工作闸门控制系统改造优化

杨红江 王梦浩

摘要：本文介绍了天生桥一级水电站溢洪道工作闸门控制系统的改造情况，总结了改造后系统的结构配置和功能优化，对同类型的改造项目有借鉴意义。

关键词：溢洪道工作闸门;改造;优化;智能化水电厂

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、概况

天生桥一级水电站装机容量为1200MW（4×300MW）。水库总库容102.6亿立方米，调节库容57.96亿立方米，为不完全多年调节水库，在防洪削峰中有重要意义。溢洪道布置在水库的右岸，设有5扇表孔弧形工作闸门。每扇闸门采用一套2×3500kN的液压启闭机操作。液压泵站设有两台互为备用的油泵电动机组。液压启闭机的全套设备由德国力士乐公司引进。每扇工作閘门配置有1个操作台，采用AB PLC完成闸门开启、关闭等控制操作，使用触摸屏显示闸门开度、故障报警、其他信息等。5扇工作闸门配置1套集中控制台，用于集中操作和信号集中及信号远传。

溢洪道工作闸门控制系统自1998年投运以来，已运行20多年，大部分器件老化严重，备品备件采购困难，严重影响闸门正常运行与维护。2020年，电站完成了溢洪道工作闸门控制系统改造，解决了原系统存在问题;同时对控制系统进行了优化升级，为后续智能化水电厂建设提供了硬件条件。

二、系统改造前存在问题

溢洪道工作闸门控制系统改造前，存在的主要问题有：

（1）设备老化，备品备件采购困难，不利于闸门的安全运行与维护。

（2）系统功能缺陷。主要有以下几点：①控制系统只能通过PLC控制闸门，无纯手动控制回路。当PLC故障时，需通过短接继电器操作闸门，有触电和误操作的安全风险。②无软起功能，启动过程中，对电源系统的冲击较大。③人机交互功能较差，不能根据用户需求修改相应参数。④控制系统未配置UPS，而电厂有经常性倒闸的运行工况[1]，导致系统频繁掉电多次出现PLC程序丢失的情况;

（3）通信接口少，通信功能弱。集中控制台与现地控制台采用串口通信，因距离较远经常出现通信异常情况。不支持modbusTCP协议，未与监控系统通信，不能通过监控系统实时监控闸门状态;也不支持IEC61850通信标准，无法通过该标准进行智能化水电厂组网。

三、改造后的系统结构和配置

3.1系统结构

此次溢洪道闸门电气控制系统改造本着“安全、可靠、 先进”的原则，在原系统的基础上重新设计了系统结构：增加系统感知元件，优化系统内部通信，加强人机交互;同时，为下一步的智能化水电厂建设预留通信接口。改造后的控制系统结构如下图：

3.2系统配置

新的溢洪道闸门控制系统主要包含：集中控制柜、现地控制柜、现地动力柜。

（1）集中控制柜配置：集中控制柜配置有西门子S7-1500 PLC 1套、15”平板PC 1台、UPS、光口交换机、协议转换器及其他相关器件。

（2）现地控制柜配置：新系统为电站每扇溢洪道工作门设置1台现地控制柜，共5台，现地控制柜中配置有S7-1500 PLC控制器1套、UPS、光口交换机、触摸屏、常规继电器、比例阀放大板、开度仪表、主令操作器件等。

（3）现地动力柜配置：每扇溢洪道工作闸门设置1台动力柜，共5台，每台动力柜配有2台油泵的供电回路、动力主回路控制器件等，包含断路器、软起动器、旁路接触器等。

四、控制系统优化升级

此次改造解决了原系统设备老化及功能缺陷问题，完成了控制系统优化升级。主要优化升级之处如下：

（1）控制方式的优化

闸门控制方式。可实现闸门的远方控制（集控台和计算机监控系统）、现地控制。两种操作控制方式相互闭锁。具备现地手动、现地自动、远方自动三种控制方式。增加远方计算机监控系统控制功能。各闸门控制系统与电厂计算机监控系统通过光纤通信，传送泵站和闸门设备运行信息，并接受远方监控系统的控制指令。

油泵的控制方式。动力柜为2台油泵各配置一个控制转换开关，控制转换开关均有“自动”、“手动”、“旁路”和“切除”四个位置。每一种控制方式均采用独立的控制回路实现[2]。

当处于“自动”位置时，由PLC控制流程启停;自动通过软启动器启动油泵。

当处于“手动”位置时，手动通过软启动器启动油泵。

当处于“旁路”位置时，手动通过旁路接触器启动油泵。

当处于“切除”位置时，该台油泵退出运行。

新增油泵软启动功能，可减小启动瞬间对电源系统的冲击，提高了系统的安全性;设计油泵“旁路”启动功能，可以在软启动器故障应急情况下保证油泵可靠启动。当油泵为自动控制时，系统可统计油泵的累计运行时间和运行次数;两台泵的启动采取轮换方式，降低了长期使用一台泵导致损坏的风险。

（2）电源系统的优化

本次系统改造为了提高系统的可靠性，控制系统均采用双电源供电;且

控制部分配置了UPS，解决了厂用电倒闸时对PLC的影响。同时考虑系统油泵功率较大，通过采用分时启动方式躲避同时启动造成对供电系统、设备的冲击影响，且分时启动的时间可通过触摸屏进行设定。

（3）强大的人机交互功能

现场人机接口采用高性能触摸屏和工业级平板PC，能够完整的显示系统的实时状态和运行参数，实现故障日志和事件记录等功能，并能够通过人机界面完成必要的参数设置、切换试验等操作，方便运行、检修人员进行日常巡视检查，设备定检和定期试验等工作。

系统能接受全厂统一的GPS时钟信号，并以此时钟记录、报送事件动作顺序及故障。系统的运行状态、故障信息、报警信号、自诊断信息等都能通过网络上送至远方监控系统。

系统还具有强大的自诊断功能。系统PLC装置中配置有各模块的故障、通信故障以及出口误动等自诊断功能。当系统出现供电电源故障或其它一些故障时，在故障消除之后PLC能自启动。故障信息能實时记入单元故障记录表，并通过PLC报警。

（4）完善的系统保护功能

改造后的系统有完整的保护功能，主要的保护功能包含：

①油系统设置油压和油位高、低、超压、失压等油系统保护信号。

②油泵电机供电主回路设置缺相、短路和过流保护，并设置电压表和电流表。另外还设置动力电源和控制电源监视信号。

③闸门开终、关终及上下极限保护。

④在控制柜上均应有每种保护信号显示和蜂鸣器报警。

⑤失电保护功能：CPU应具有掉电保护功能和电源恢复后的自动重新启动功能。

⑥纠偏功能。系统具备手动和自动左右纠偏功能（输出电流信号给比例阀进行纠偏），可通过需求进行纠偏功能选择。

（5）完整的通信组网

集中控制柜PLC通过以太网与5台现地控制柜进行数据通讯。计算机监控系统与集中控制柜通过光纤方式采用modbus TCP协议进行数据交互和命令下发。通过该种方式组网，提高了数据交互的信息量也降低了重新建设系统的成本。

系统改造还预留了支持IEC61850协议的通信接口，为后续智能化水电厂建设提供了硬件条件。系统组网通信介质均采用光纤通信，提高了系统的可靠性、实时性[3][4]。

（6）外部传感器信号的冗余配置和选择功能

系统可以同时采集变送器的模拟信号、传感器开关量信号，通过选择优先级的方式对系统进行控制，实现了外部传感器信号的冗余，从而增强了系统的可靠性。

五、结语

本次改造圆满解决了原有控制系统存在的安全隐患问题;通过功能优化升级，提高了电站溢洪道控制系统的可靠性和稳定性;通过增强系统内部及对外通信功能，提高了设备的自动化水平;同时还预留了支持IEC61850协议的通信接口，为后续智能化水电厂组网提供了硬件条件。此次改造充分考虑了现实需求和未来发展，具有实用性和前瞻性。

参考文献：

[1]赵晨.关于配电室UPS的应用[J].通信电源技术，2016，（第3期）.

[2]陈建明，王亭岭主编. 电气控制与PLC应用[M]. 北京：电子工业出版社， 2019：36-64

[3]王顺江，唐宏丹，闫俊宏，赵如国等编著. IEC 61850 电力系统应用技术[M]. 北京：中国电力出版社， 2018：4-27

[4]王海礼.光纤通信的发展趋势及应用[J].E动时尚（科学工程技术），2019，（第16期）.

作者简介：杨红江（1990.10），男，助理工程师，从事水电厂电气二次设备检修维护工作。