水电厂闸门开度测量及控制系统改造

李安勇

(重庆龙珠电力股份有限公司，重庆铜梁 402560)

1 概述

安居水电厂拦河大坝共设计有四孔冲沙闸门和十二孔泄洪闸门，它们担负着水电厂库区水位的调节和洪水期间泄洪的重要作用。每孔闸门配备一台QPQ2×63 t卷扬式启闭机。该闸门控制系统原设计为:在现地控制和远方集中控制两种方式。现地控制箱和远方集中控制台上均设计有闸门开度测量仪。鉴于当时的技术设备条件，闸门开度测量和远方集中控制两项功能一直未能正常投入使用。电厂于1995年拆除了闸门开度测量仪和远方集中控制台，只保留了现地手动操作方式，操作人员劳动强度大，事故、故障发生频繁。随着新技术的迅猛发展，特别是闸门高度测量及计算机应用技术的飞速进步，安居水电厂和四川新瑞发展科技有限公司一起对电厂闸门开度的测量及操作控制系统进行了技术改造。通过几年时间的运行证明，闸门开度测量及控制系统的安全性、可靠性比以前得到了很大程度的提高。

2 安居水电厂拦河大坝闸门开度测量及控制系统存在的问题

安居水电厂拦河大坝原闸门开度测量及控制系统由闸门生产厂家配套生产。自1992年该闸门测控系统安装完成并经随后几年的运行，曾多次酿成钢丝绳反绞和闸门吊头损坏的严重事故，给电厂带来了较大的经济损失，并逐渐暴露出以下缺陷:

(1)闸门开度测量不准确，误差大;

(2)闸门不能实现远方控制操作;

(3)虽然设计有闸门上、下限位装置，但从未安装而使闸门失去应有的保护功能，影响其安全性;

(4)雨天和夜间对闸门的操作非常困难，存在极大的操作事故隐患和人身安全危险。

3 闸门开度测量及控制系统改造的目标

针对以上几个方面的严重缺陷，安居水电厂和四川新瑞发展科技有限公司一起，经过认真分析、讨论并进行可行性论证后，决定对其进行技术改造，以提高闸门开度测量的准确性，同时也解决闸门远方控制及保护等问题。

(1)实现对闸门开度的准确测量;

(2)增加远方计算机监控系统;

(3)提高前端测量元件的自动化水平;

(4)解决闸门上、下限位装置的技术问题;

(5)解决库区水位、拦污栅前水位、1～2#机拦污栅后水位、尾水水位的测量问题;

(6)采取符合实际的、有效的防雷措施来保护闸门开度测控仪和计算机监控系统等。

4 闸门开度测量及控制系统的改造方案和主要技术措施

本次改造对于原现地控制箱内的常规控制元件:操作按钮、空气断路器、交流接触器、热继电器以及监视电机电压、电流的表计等设备予以保留。对于闸门开度则采用全新的、具有独创性的测量模式，即通过一只传感器检测闸门启闭机齿轮齿数，每转过一齿，传感器发出一个脉冲并将其传至闸门开度测控仪，经闸门开度测控仪进行数据处理，获得闸门开度值。该测量方式比传统的测量方式更准确可靠，比采用旋转编码器测量简单、经济。正是基于这一全新的闸门开度测量模式，为远方计算机集中控制提供了坚实的数据基础。

(1)保留闸门现地控制箱原有的手动操作控制方式;

(2)在每孔闸门的现地控制箱内增加一个闸门开度测控仪、一块电源扩展板，通过与现地检测启闭机齿轮齿数的传感器一起组成现地闸门开度测控的智能单元(图1);

图1 闸门开度智能测量单元示意图

(3)增加闸门远方计算机监控系统;

(4)对计算机上操作闸门的升、降与现地操作闸门的升、降能相互闭锁，防止误操作发生;

(5)由于闸门现地控制箱为露天安装，而闸门开度测控仪装于其中且处于电厂的最高位置，同时，为了保护计算机监控系统，必须采取防雷措施:①在十六孔闸门的总动力电源各相增加一只避雷器;②将十六孔闸门开度测控仪的控制电源分为两段，通过隔离变压器后接入现地控制箱内的电源扩展板，再向闸门开度测控仪供电;③在每块电源扩展板上安装一个独立的避雷器;④在每个闸门开度测控仪通讯接口前端安装一只专用避雷器;⑤在计算机集中控制箱内的MOXA多串口卡前端安装一只专用避雷器;⑥重新制作安装独立防雷接地体并完善大坝闸门的防雷接地网;

(6)原设计中，将十六孔闸门的动力电源分为四组，故改造时在每组动力电源的前端增加一个高性能、带分闸线圈的空气断路器，一个电流变送器;

(7)采用麦克传感器有限公司生产的MPM426W压阻式液位变送器测量水位。

5 闸门开度测控仪和计算机监控系统改造后的主要技术指标和性能

5.1 闸门开度测控仪的性能保证

(1)能准确测量并实时显示每孔闸门的开度值;

(2)闸门开度测控仪回复性能极好，几乎未出现累积误差;

(3)能设置闸门的上、下限定值，且自动作用于闸门的升降过程，并能有效的防止钢丝绳反绞;

(4)能设置负值，如－0.01 m，确保在闸门全关后仍可下降一定的松弛度，避免钢丝绳长期受力;

(5)能现场修改闸门的转换系数、最大开度值、最小开度值、通讯波特率、通讯机号等参数;

(6)采用RS422通讯方式，与远方计算机监控系统实现闸门开度数据、闸门运行工况的上传并接受监控系统下达的操作控制命令并执行;

(7)面板具有较好的信号指示功能。

计算机监控系统改造后，其上位机硬件主要由IPC工控机、显示器、MOXA多串口卡C32010T+C32030T+C32065T×3、ADAM4017模块、研华8通道电压输入模块等组成(图2)。其监控应用软件模块有:闸门显示模块、闸门操作控制模块、闸门电机保护模块、数据通讯模块、报警及报表模块、趋势分析模块。

图2 计算机监控系统框图

5.2 远方计算机监控系统的性能保证

(1)具有在水调值班室实施计算机控制和现地手动控制两种方式，并在电源扩展板上设有计算机操作和手动操作相互闭锁的切换联片，以防误操作;

(2)在计算机上操作时，操作人员只需预置闸门开启或关闭的开度数据并经确认后，闸门即自动升降运行。当闸门开度达到预置数据时自动停止;当出现计算机监控系统故障、闸门开度测控仪故障等异常情况时，可采用现地手动操作闸门升、降、停;

(3)上位计算机采用图形窗口界面，能动态实时监视闸门的升降过程、开度值、电机电流;控制动作通过点击图形按钮即可，界面简单直观，操作容易;

(4)具有防误预置功能，最小可预置值为－0.05 m，最大可预置值为15 m。当超出该预置范围时，所设预置值即无效。该项功能能有效的防止操作人员的人为误预置而引发的操作事故;

(5)对闸门的操作和维护实行权限管理和身份验证制。只有当其权限和身份被计算机确认通过后方可执行相应的操作，否则被禁止进入操作或维护界面;

(6)对闸门操作过程和测量数据进行自动定时存储，方便故障、事故分析和查询历史资料;

(7)通过软件设置电机过流和轻载保护，并作用于强跳闸门动力电源的空气断路器;根据需要，也可在计算机上人为操作分断闸门动力电源的空气断路器;

(8)当闸门在开启或关闭过程中出现通讯中断，将自动强跳闸门的动力电源空气断路器，同时清除闸门开度测控仪内的开启或关闭预置值，以防通讯恢复时闸门自动运行;

(9)能实时监测库区水位、拦污栅前水位、1～2#机拦污栅后水位及尾水水位。

6 结语

此次改造由于采用了全新的闸门开度测量原理，使闸门开度测量的准确性得到了很大提高。由于采用了计算机控制，使操作人员在雨天和夜间操作变得方便简单，同时还消除了无上、下限位装置而潜在的事故隐患，维护费用也大为降低，使安居水电厂拦河大坝闸门的安全性、可靠性、可用率、经济性都得到不同程度的改善和提高。该测控系统经改造后，安居水电厂拦河大坝闸门的运行更加趋于合理、操作控制更加灵活、适应性增强，给电厂库区蓄水的科学调节提供了有力保障。从2001年改造至今，安居水电厂拦河大坝闸门监控系统经历高温、雷雨等恶劣天气的考验，运行正常。