珊溪电厂溢洪道闸门电气控制系统升级改造

乐可定，鄢仁成，许慧，崔柏昱

（1.温州市珊溪水利枢纽管理局，浙江温州325300；2.浙江省温州市珊溪水力发电厂，浙江温州325304；3.浙江珊溪经济发展有限责任公司，浙江温州325300）

0 引言

珊溪水力发电厂系国家重点建设工程——飞云江干流控制性大型综合利用工程珊溪水利枢纽工程主要组成部分，距温州市117 km。珊溪电厂正常蓄水位为142.00 m，水库总库容为18.24亿m3，调节库容6.96亿m3，防洪库容2.12亿m3，正常运行水头范围为67～100.88 m。

珊溪水库泄洪建筑物由溢洪道和泄洪洞组成。溢洪道泄流设备有5扇表孔弧形工作闸门，外形尺寸为12 m×16 m（宽×高），设计水头16 m，可动水启闭，每孔工作闸门用2×1600 kN液压启闭机启闭。泄洪时可以单独开启一孔，也可以同时对称开启两孔。设计洪水时最大下泄流量为10801.6 m3/s,液压启闭机油缸由武进液压启闭机厂制造，油缸内径400 mm,工作行程8940 mm。液压启闭机液压系统由依顿·威格士公司制造，包括一套液压站、两套油缸锁定阀。油缸采用德国进口的磁致线性位移传感器，测量精度达到0.01 mm。

1 原闸门控制系统存在问题

液压启闭机闸门原电气控制部分由常州明园电子有限公司提供，共由两只电柜（接触器屏、控制屏）组成。采用GE 9030 PLC负责采集和处理闸门液压启闭机的各种信号实现自动控制。由于运行多年，存在以下问题：

（1）现地闸门室夏季高温，原闸门电气控制系统PLC和网络设备等电子设备已运行近十年，故障率逐步上升，成为制约电厂防汛安全的瓶颈，到了更新换代的周期。

（2）原闸门控制系统为单扇控制，操作人员无法保证闸门成组同步对称启闭，不利于大坝水工设施安全。

（3）闸门开度、状态和闸门油泵运行状况无法在远方进行实时监控。

珊溪水库每年台汛期均受台风影响，水库防汛抗台任务艰巨，溢洪道闸门时有启闭，要求闸门和电气控制绝对可靠，因此要解决上述问题，对其进行改造势在必行。

2 改造后的系统结构和配置

此次闸门电气控制系统改造本着“安全、可靠、先进”的原则，首要目标是提高控制系统的可靠性和安全性，以满足防汛安全的需要，同时通过选用功能强大的上位机软件，通过通讯技术，实时监控闸门状态，监视人员无需到现场即可准确掌握闸门的状况，提高工作效率和监视的实时性。改造后的电气控制系统介绍如下。

2.1 系统结构

PLC具有可靠性高、功能完善、易于编程等特点，因此珊溪电厂闸门控制系统采用SIEMENS PLC为现地电气控制核心，通过以太网交换机、MOAX交换机等网络设备构成的分布式计算机数据采集与监控网络，开放式全分布结构，分设现地控制层、集中控制层和远程监视站。改造后闸门控制系统结构见图1。

图1 改造后闸门控制系统图Fig.1 Renovated electric control system for the spillway gate

2.2 现地控制层

每孔闸门采用独立的现地电气控制系统实现闸门启闭全过程控制以及油泵组的自动启停控制，并实现闸门启闭过程中各状态的数据采集、监视和报警等。每孔闸门的现地启闭、泵站控制等由一套SIEMENS PLC300及常规电器完成。开度传感器的SSI信号由转换模块通过通信口进入PLC。PLC完成开度数据/闸门状态采集和比例阀控制。

每孔闸门前安装一只10.4 in的LCD触摸屏取代大量的按钮及指示，完成相应的开关操作及现地/远方切换，显示闸门状态及油泵运行信息，并配有继电器回路用于检修和紧急时启动油泵。

2.3 集中控制层

采用一台DELL服务器作为主控计算机（SCA⁃DA服务器），安装在坝顶配电室，该服务器具备电源冗余和以太网冗余，它与各个现地控制层子站的连接采用工业总线方式，用于显示每道闸门开度及油泵状态信号。

考虑到珊溪水库是多年调节水库，每年开启次数不多，但启闭成功率要求达到100%，因此目前将现地控制层控制和集中控制系统作为各站的主要控制方式，通过SCADA系统，闸门控制系统现地监控工作站可对整个闸门系统进行集中控制、监视和管理。

2.4 远程监视站

采用一台DELL服务器作为主控计算机（SCA⁃DA服务器），安装在电厂中控室，通过光纤连接到坝顶配电室的MOAX交换机，与各个现地控制层子站相通讯，它与集中控制层的主控计算机互为冗余，同样具备监视和控制全部功能，考虑到安全系数，目前操作方式禁止，只监不控。它主要负责处理、存储、管理各个站点传送来的实时数据，同时又为网络中的其他工作站提供实时数据。实时数据存放在Citect的专用实时数据库中，该服务器具备海量数据存储功能。SCADA实时数据服务器运行通信管理软件可完成与各远程站点的通信链接、网络服务等任务。

3 控制和监控方式

闸门共有现地操作（包括自动方式和纯手动方式）、集控操作和远方监视三种控制方式。

3.1 闸门启闭机操作方式

现地操作方式分自动方式和纯手动方式。在现地控制柜上有手动/自动/集控选择把手，工作人员能对设备的控制方式进行设置。

（1）自动方式：在现地控制柜触摸屏上设定给定闸门高度，通过PLC进行自动操作。当控制系统工作时，装在油缸上的线性位移传感器将油缸的行程变化以SSI信号输出，现地PLC采集后进行比较分析，根据试验过程中建立的油缸行程和弧形闸门实际开度关系曲线（两者为非线性）来判断闸门位置，决定是否做相应的动作（如：上升、下降、停止及相应保护）或需要进行左右纠偏（输出电流信号给比例阀），同时，PLC通过扫描系统所有的保护信号，一旦有异常启动保护功能。

（2）纯手动方式：为纯继电器回路操作，是一种应急人工方式（或调试维修时使用），使工作人员能独立于PLC直接对闸门和油泵进行操作。

在各个闸门现地控制柜能监视自身闸门的开度及相关数据，也可监视到其他闸门的操作数据和闸门状态。

3.2 集控操作

工作人员在集控服务器选择好受控单孔或成组闸门后，在集控室进行启闭操作。

为确保大坝溢洪道消力池等水工建筑物的运行安全，对闸门进行成组设置，3号闸门独立，2、4号闸门为一组，1、5号闸门为一组。集控对成组闸门操作过程中，能确保闸门对称、均匀、同步启闭。

3.3 远方监视

中控室远程监视站具备集控操作功能，但由于不能排除闸门控制系统中接触器“打火”及触点粘连等小概率事件，出于安全性考虑，中控室远程监视站只监不控，监视记录各站点设备数据，进行异常报警。

4 现地闸门控制层功能（各闸门电气控制柜）

现地控制柜对泵站主要设备、液压系统、动力屏、闸门系统、水库运行状态等实时运行参数和设备运行状态进行实时监视。

4.1 启闭控制

当闸门实际开度小于给定开度并超过允许误差要求时，进行闸门开启控制。闸门实际开度大于给定开度并超过允许误差要求时，进行闸门关闭控制。当闸门实际开度与给定开度之差小于运行误差（目前整定值为1 cm）时，闸门开度控制停止。

4.2 纠偏控制

由于珊溪闸门有左右双油缸，需要防止左右油缸运行不平衡而导致的闸门偏转卡死，因此控制系统需根据左右油缸接力器位移差自动纠偏，注入左右油缸的压力油量，使差值始终保持在允许范围内（目前设置值为5 cm）。

4.3 持住控制

当闸门开启到设置的开度停止后，控制系统自动监测闸门实际开度，当闸门实际开度下滑达一设定值时（目前设置值为20 cm），自动启动闸门开启控制，恢复闸门原设定位置。

4.4 保护功能

现地控制层具有防止闸门偏转卡阻保护、防止液压系统失压保护和防止液压系统过压保护。

4.5 故障报警功能

现地控制层能及时检测出闸门系统性能的降低和故障，如油压力的变化、闸门操作纠偏量的变化、油路堵塞、滤油器堵塞、油泵及电机停运、活塞卡涩等。

4.6 油泵自动切换功能

对闸门泵组的两台电机进行主备自动切换、手动切换及手动启动。

4.7 其他改进

现地控制柜内电气元件更换为施奈德产品。柜体为高防护等级的威图柜体（IP56），增加防潮防湿元件。柜内二次电源采用双电源自动切换回路，确保了电源的安全。

5 系统软件功能（集中控制层和远程监视站服务器）

集中控制层和远程监视站作为控制网络上的I/O server,同时又是控制网络的Trend Server、Re⁃port Server，负责处理、存储、管理各现地控制系统传送过来的实时数据，是本系统的数据处理中心和数据集散地。服务器的操作系统为Windows 2000 Server操作系统，安装CCitectsCADA5.5 Server监控软件和Miscrosoft SQL数据库管理软件，具备以下功能。

5.1 数据采集与处理功能

通过以太网总线自动周期性采集各扇闸门和油泵实时运行参数。以上数据实时计入数据库，整点保存，能对实时数据和历史数据进行整理，并根据需要生成相关性曲线，便于进行系统分析。

5.2 安全运行监视

安全运行监视包括各设备运行实时监视及参数在线修改、状变监视、越线检查、过程监视、趋势分析和控制系统异常监视。

5.3 报警提示

对整个闸门系统、坝顶电气设备和控制系统的故障信号进行及时的声光报警。

5.4 记录和报告

将所有监控对象的操作、报警及实时参数报表等记录下来，可设置为定时打印、故障打印、操作打印及召唤打印等方式。

5.5 屏幕显示

画面调用具备自动和召唤两种方式。自动方式指当有事故发生或进行某些操作时有关画面能自动推出，召唤方式则指操作某些功能键或以菜单方式调用所需画面。画面种类包括各种系统图、棒行图、曲线、表格等。

6 结语

作为防汛启闭设备的控制系统，最关键的要求就是可靠性。升级改造后的系统采用高可靠性的硬件，增加了控制元件的冗余，采用模块化结构，兼容性强，具有良好的数据存储和分析功能，增加了集中控制模式和远程监视模式，充分考虑系统的安全性和可靠性，同时较好地结合珊溪电厂特点和现地情况，为珊溪电厂防汛安全奠定了良好的基础。■

[1]方辉钦.现代水电厂计算机监控系统技术与试验[M].北京：中国电力出版社.2004.