沙坪水电站泄洪闸门的“无人值班”自动化改造研究.docx

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1、摘要：针对沙坪水电站原泄洪闸门控制系统的设计缺陷，提出了相应的改造方案，降低了人员操作强度，提高了电站整体自动化水平。关键词：沙坪水电站；闸门；监控；无人值班；改造O引言沙坪水电站位于四川省甘孜藏族自治州九龙县境内，为九龙河“一库五级”梯级开发方案中自上而下的第三梯级水电站。该电站采用引水式开发，总装机容量162MW,正常蓄水位2186.50m,死水位2181m,库容131.3万户，为日调节水库。沙坪水电站主要泄水建筑物泄洪闸、冲砂闸布置于河床主流上，设有2孔泄洪闸弧形闸门和1孔冲砂闸弧形闸门，泄洪闸配置2台QH1.Y-2800kN液压启闭机，设有1套液压泵站及电气控制设备；冲砂闸配置1台QH

2、1.Y-80OkN液压启闭机，设有1套液压泵站及电气控制设备。沙坪水电站自投产以来，汛期泄洪闸门操作频繁，年均操作200次以上，沙坪水电站大坝闸门设计时实现了自动化远程监视控制，但控制可靠性不高、精度及效率较低，随着沙坪水电站接入九龙河集控中心远控系统，对其进行改造迫在眉睫。泄洪闸门控制系统主要存在以下问题：(1)大坝1.CU与电站主控级之间连接的双以太网均基于大坝与厂区之间的SDH平台进行传输，当平台出现故障后会出现闸门无法监控的情况。(2)闸门控制中未设计独立于现地控制系统的紧急操作回路。闸门现地控制系统异常或失控时不能及时进行闸门停止操作。(3)闸门开度由泄洪闸门P1.C通过Modbus

3、通信上送大坝现地控制单元1.eU,通信量不可靠且存在较大延时，闸门开度监视不准确及通信中断后闸门开度无法监视。(4)闸门未设置全开限位开关信号。在闸门开启过程中，若闸门开度编码器信号异常，P1.C就不能正确判断闸门所处的位置，不能及时停止闸门操作，这可能导致液压系统持续工作而损坏或闸门过开度的情况。（5）闸门未设计水位警戒，当大坝水位异常或闸门控制异常时，无法及时提醒大坝驻守人员进行紧急操作或撤离。（6）闸门仅设计有单点（开启、关闭、停止）“遥控”操作程序，运行人员操作闸门时不能精确控制闸门开度、大坝水位及泄洪流量，而且操作员在下发闸门“启/闭门”指令后，若上下位机通信中断，远方就无法下发“停

4、止”命令，存在安全风险。（7）闸门控制未设置启闭速率保护。当闸门开度信号异常时，液压系统长时间操作可能导致闸门变形损坏及液压机构损坏。（8）闸门控制未设计防误动保护。在闸门控制系统启闭继电器节点粘连，或因外部电磁干扰等原因导致闸门误启闭时，不能及时自动停门。2泄洪闸门控制系统设计沙坪水电站泄洪闸门控制系统采用开放环境下的全分布式结构，主要包含泄洪闸现地控制系统、冲砂闸现地控制系统、大坝现地控制单元1.eU、电站主控层和集控中心控制层，系统结构如图1所示。A网交换机AQ三三B网交换机泄洪沛兄地控制硒:蚓洞现地控图1沙坪水电站泄洪闸门监控系统结构2.1 电站主控层控制系统设计沙坪水电站主控层监控系

5、统设有2台主机及4台通信服务器。2台主机互为主备，构成闸门控制系统的控制枢纽，可确保任意一台服务器出现故障时.，闸门控制系统仍可正常工作。主机采用SoIariSIO操作系统，监控软件采用南瑞的NC2000系统，通过上下位机数据交互，收集闸门相关信息；通过对象控制组态，对闸门开启、关闭、停止等操作进行闭锁，防止误操作。电站主控机通过104通信协议与集控中心进行数据交互，可接收集控中心的远方控制及调节命令，也可独立于集控中心运行。2.2 大坝现地控制单元（1.CU）设计大坝现地控制单元（1.CU）完成对所属设备的监控，其主要由P1.C控制器、人机界面、通信设备、电源设备及信号采集板件构成。大坝1.

6、CU采用南瑞公司生产的SJ-500系列，CPU为双机热备架构，采用MBPr。编程软件、梯形图、流程图结合编程语言，实现对泄洪闸控制系统、冲砂闸控制系统及大坝供配电等系统的数据采集与控制，通过双光纤以太网与电站主控层冗余连接实现数据交互，定时向主控级传送现地采集的实时信息，随时接收主控层下发的控制、调节命令，当主控级出现异常时也可独立运行。2. 3泄洪闸门现地控制系统设计泄洪闸门现地控制系统采用独立的电气控制系统及液压操作站，主要包括P1.C控制器、触摸屏、闸门开度、液压系统油位、油压等测量传感器和液压站等，通过执行预设的程序控制液压站电机运行和电磁阀的得失电，实现对2孔泄洪闸门、1孔冲砂闸门的

7、开启、关闭、停止、纠偏操作、下滑过大控制等。P1.C控制器采用法国施耐德公司生产的ModiconPremium系列，用UnityPro编程软件和梯形图1.D、结构化文本ST语言编程，对采集的闸门状态、开度信号等进行有效处理和判断，并实现对泄洪闸门、冲砂闸门的控制。泄洪闸门现地控制系统与大坝1.CU之间通过Modbus通信和信号、控制电缆实现数据的交换，既可接收大坝1.eU的控制命令，又可现地独立运行。泄洪闸门控制系统改造针对沙坪水电站闸门控制系统设计存在的问题，本文结合防洪度汛中对闸门控制的操作要求，进行了如下改造。3. 1硬件改造方案（1）更改大坝1.CU与电站主控级之间的网络结构：将大坝1

8、.CU与主控级之间连接的其中一路改由光纤收发器转光信号传输，且与SDH传输平台选择不同光缆，形成双光缆双路由通信。（2）增加独立于闸门现地控制系统的远方紧停控制回路，将液压站2台油泵电源断路器更换为带有分励脱扣器的断路器，并在大坝1.CU中增加闸门紧停操作程序。当闸门现地控制系统失控或因特殊情况需紧急停止闸门操作时.，由电站主控层或集控中心发远方紧停令分开油泵动力电源，紧急停门。（3）增加闸门开度信号模拟量接入，泄洪闸门P1.C增加1个模出模件，用于将闸门开度信号通过模出模件并送入大坝1.CU。大坝1.CU程序中引用闸门开度信号时以模拟量为主，通信量为辅，保证闸门开度的准确可靠。（4）增加闸门

9、全开电气限位开关，将常开节点接入泄洪闸门P1.C控制器，作为闸门启闭控制的闭锁条件，防止闸门过开度。(5)增加闸门水位越限告警警铃，大坝1.eU实时监测大坝水位变化，当水位达到告警水位时发出预警信号，提醒电站及集控中心操作员及时操作泄洪闸门，同时启动装设在坝顶的告警警铃，提醒在大坝工作或驻守的人员进行紧急处理。4. 2软件改造方案(1)增加闸门开度“遥调”程序，在大坝1.CU中增加闸门并按设定值调节程序，同时设置相应的闭锁操作条件。根据水库来水流量及发电流量，集控中心调度人员计算需下泄流量对应的闸门开度并设置，设定值以遥调令下发至大坝1.CU,1.CU启动对应的设值操作流程进行闭环控制，当闸门

10、实际开度与设定值差值小于操作死区时，自动停止闸门操作。泄洪闸门“遥调”操作流程如图2所示。ffi2港浜网门J造调“控制濠程(2)增加泄洪闸门动作速率保护程序，在泄洪闸门控制P1.C和大坝1.eU中增加程序段，实时计算和监视闸门启闭操作速率。当闸门开度变化速率超过速率设定范围时.，自动停止闸门操作。(3)增加防闸门误动保护程序，在大坝1.CU中增加程序段，对闸门状态实时监视。当闸门现地控制系统处于“远方/自动”方式且大坝1.CU未接收到控制命令时，若闸门开启或关闭信号动作或闸门开度产生变化，则大坝1.CU程序自动下发停止令；若闸门仍未停止或停止后闸门开启或关闭信号再次动作，则自动启动闸门紧停回路，断开油泵动力电源。4结语沙坪水电站泄洪闸门控制系统在原有的“遥控”基础上，新增了“遥调”功能，并完善了闸门控制过程的软硬件设计功能。改造实施2年来，沙坪水电站闸门远控操作近500次，操作成功率大于99%,实现了下泄流量的精确控制，该改造方案已在同流域偏桥、铁厂河、踏卡、斜卡、溪古电站推广使用。沙坪水电站泄洪闸门控制系统改造的设计思想及技术，对沙坪水电站实行“无人值班、远方集控”运行模式起到至关重要的作用，提高了大坝和厂房设备运行的安全性，对同类型水电站泄洪闸门控制系统设计及改造具有借鉴作用。