沙坪水电站泄洪闸门的“无人值班”自动化改造研究

熊 磊

（四川久隆水电开发有限公司，四川成都610041）

0 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162 MW，正常蓄水位2 186.50 m，死水位2 181 m，库容131.3万m3，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QHLY-2×800 kN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QHLY-800 kN液压启闭机，设有1套液压泵站及电气控制设备。

1 泄洪闸门控制系统存在的问题

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LCU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PLC通过Modbus通信上送大坝现地控制单元LCU，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，PLC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（LCU）、电站主控层和集控中心控制层，系统结构如图1所示。

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Solaris10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（LCU）设计

大坝现地控制单元（LCU）完成对所属设备的监控，其主要由PLC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LCU采用南瑞公司生产的SJ-500系列，CPU为双机热备架构，采用MBPro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PLC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孔冲砂闸门的开启、关闭、停止、纠偏操作、下滑过大控制等。PLC控制器采用法国施耐德公司生产的Modicon Premium系列，用Unity Pro编程软件和梯形图LD、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LCU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LCU的控制命令，又可现地独立运行。

3 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LCU与电站主控级之间的网络结构：将大坝LCU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LCU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PLC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LCU。大坝LCU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）增加闸门全开电气限位开关，将常开节点接入泄洪闸门PLC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LCU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。

3.2 软件改造方案

（1）增加闸门开度“遥调”程序，在大坝LCU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LCU，LCU启动对应的设值操作流程进行闭环控制，当闸门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。

（2）增加泄洪闸门动作速率保护程序，在泄洪闸门控制PLC和大坝LCU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LCU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LCU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LCU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。改造实施两年来，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。

图2 泄洪闸门“遥调”控制流程