基于一体化平台技术的闸门控制系统改造

曹三顺，王非

（广东粤海飞来峡水力发电有限公司，广东韶关512200）

1 引言

随着新一轮信息化浪潮席卷全球，新一代信息技术与经济社会深度融合，智慧城市、智慧电网等概念正在由理论转化为实际应用，真真切切地影响、改变着社会生活。水利部党组历来高度重视水利信息化建设，2017年2月陈雷部长在水利部科技委年会上指出，智慧水利建设相较于相关行业的智慧行业建设还有相当差距，与支撑水利现代化要求还有较大差距。传统水利数以千万计的业务数据仅局限于各系统使用，各专业融合性差，效率低，导致“信息孤岛”现象的存在，决策效率低下。智慧水利建设已成为水利现代化的重要标志之一。

泄水闸承担汛期飞来峡水利枢纽洪水调控的重要任务，是枢纽防汛抗洪的最重要设备。飞来峡水利枢纽泄水闸门启闭机控制系统从建成到现在已有20 a的时间，现地控制系统及其上位机监控软硬件暴露出越来越严重的老化与兼容性问题，通过常规维护检修已难以取得满意的效果。为了响应水利部对智慧水利建设的新要求，抢占智慧水电厂建设的新阵地，同时为了消除枢纽防汛设备功能隐患，科学优化控制流程，提高生产建设效率，尽责履行溢流坝调峰调洪、保一方平安的社会责任，溢流坝电控系统建设作为搭建一体化信息平台中的首要业务被提上日程。

2 原系统结构及存在问题

2.1 原系统结构

飞来峡水利枢纽溢流坝由15孔泄洪孔和1孔排漂孔组成，闸门为潜孔式弧形钢闸门。启闭设备为双吊点斜吊式固定卷扬启闭机，容量为2×1 250 kN，扬程为16.5 m，吊点距8.4 m，起升速度1.16 m/min。左右侧2套起升机通过中间同步轴连接，电动机型号为YZR250M1-835 kW，制动器为4套YWZ5-315/50电液块式制动器，减速器型号为JZQ750-48.57。配置高度传感器、主令控制器、荷重传感器等安全装置。每台弧形钢闸门均由对应的启闭机来操作。

溢流坝泄水闸承担汛期枢纽洪水调控的重要任务，是飞来峡水利枢纽最重要的防汛设备。溢流坝泄水闸门的启闭，是通过控制系统对闸门启闭机的操作来实现的。泄水闸门启闭机控制系统分常规控制及PLC控制，从建成到现在已运行20 a时间。目前闸门运行方式有现地常规、现地PLC、远方PLC和试控4种方式，其中闸门的常规动力控制回路为闸门最基础的控制方式。

泄水闸门启闭机控制系统控制对象主要为：溢流坝16孔溢洪孔闸门（其中15孔为带胸墙的泄洪孔、闸门为潜孔式弧形钢闸门，另1孔为排漂孔）以及溢流坝1#墩及中墩排水泵和3#副坝平板钢闸门。飞来峡泄水闸门计算机监控系统网络结构，如图1所示。

图1 飞来峡泄水闸门计算机监控系统网络结构

2.2 存在问题

（1）由于运行时间过长、启闭机又处于宽阔的江面上，空气潮湿、环境温度变化大的恶劣运行环境等因素影响，近年来设备已陆续出现器件氧化、老化和技术性能不稳定的现象，导致汛期常发生因常规控制回路或动力回路出现问题而无法启闭闸门或动力电源跳闸等技术故障，甚至出现控制柜内线路自燃冒烟的现象，由此引发的后果不堪设想。

（2）上位机系统由于主机等硬件设备运行时间长，已经出现较多硬件故障，更换主机后在Win7系统上无法运行原有的上位机组态软件及数据库，需要降级为WinXP操作系统才能使用。目前WinXP操作系统已停止安全更新，属于淘汰操作系统，不能满足电网考核要求，为此需要升级上位机软硬件。

（3）闸门电气控制系统分立元件较多，采用常规继电器较多，而且设备选型比较落后，设备质量比较差，在运行中出现设备老化、工作很不稳定，继电器之间的动作配合不好，经常出现继电器接点粘接、卡住，动作不可靠或跳动现象，引起控制电源和电机动力电源跳闸并有闸门操作失败现象，从而造成闸门无法正常操作和影响了设备的安全运行。

（4）泄水闸门的GP-1312开度仪工作不稳定，零点漂移和开度检测误差现象较普遍，从而使得监控系统对闸门无法操作（开度在10 s内无变化时，系统对闸门停止操作）或闸门关不到位的情况。荷重仪容易保护误操作，导致无法操作闸门。

（5）闸门下降至全关位置时，限位行程开关下限节点提前动作，造成闸门关不到位、出现漏水的现象。

（6）原有的通信结构设计不合理，时常出现溢流坝监控系统黑屏故障。

（7）分散的业务及数据流无法满足智慧水利背景下的智慧电厂建设要求，急需搭建一体化平台，对枢纽繁多的生产业务进行信息化整合，消除“信息孤岛”现象。

3 系统改造目标及方案

3.1 改造目标

飞来峡水利枢纽按照在同一平台实现对枢纽泄水闸、发电厂、船闸的监控、监测、监视等不同业务的统一协同管理目标要求，利用此次溢流坝电控系统改造完成枢纽智慧电厂一体化平台初步搭建工作。

3.2 改造方案

此次只针对15孔泄洪孔潜孔式弧形钢闸门的启闭控制系统进行改造，拟采用的方法及内容如下。

（1）拆除15孔弧形闸门启闭机原有的30台35 kW绕线式电动机，按设计更换成30台37 kW重载变频电动机。

（2）拆除15孔弧形闸门启闭机原有的常规控制柜、PLC控制柜和加速电阻箱，按设计更换成重新配置组装的变频启动柜、PLC控制柜和变频器制动电阻柜，包括控制柜基础安装及电缆防火封堵。

（3）拆除1面泄水闸公用PLC控制柜，按设计更换成重新配置组装的PLC控制柜，包括控制柜基础安装及电缆防火封堵。

（4）拆除15孔弧形闸门启闭机原有的荷重传感器、闸门限位主令控制器和闸门位置传感器，更换成新型闸门荷重开度传感器。

（5）拆除原有的电缆，重新敷设15孔弧形闸门启闭机的动力和控制电缆。

（6）更换溢流坝1#墩及中墩排水泵PLC控制柜中的PLC控制器。

（7）按设计完成泄水闸所有现地控制设备的组网，采用星型以太网冗余设计。

（8）泄水闸监控系统上位机监控画面组态开发。

（9）对所有更换的PLC设备进行防雷设计。

4 系统改造亮点

（1）换装重载变频电动机。相比于绕线式电动机，重载变频电动机具备启动功能，采用电磁设计，可以减少电机定子和转子的内阻值，减少了热消耗，提升了电机效率，在一定程度上节能，并可以适应不同工况条件下的频繁变速要求。

（2）采用变频启动控制方式。变频启动控制方式可以大大简化控制回路元器件的投入，充分合理设计柜内控制元件的布置；可以实现低压启动，启动电压适应范围宽泛，降低启动电流，减少对厂用电系统的冲击；多重保护使变频器高度智能化，如集成闸门双臂测重、过载保护、“防溜车”等功能，不仅能保护自身的安全正常使用，而且大大保护了前后级设备的安全运行。

（3）增设移动式应急变频柜。在现场增加1套移动式应急变频柜作为紧急备用措施，能较好地满足泄水闸门启闭可靠性要求。移动式应急变频柜包含与2台37 kW变频电机匹配的90 kW重载变频器和断路器，变频器输入输出端配长3 m的电缆及接线头和长3 m的变频器制动电阻应急接入电缆及接线头，柜面配急停、上升、下降按钮以应急操作闸门。

（4）新装控制柜及启动柜等进行特别定制设计，稳固且通风性能良好，具备防鼠功能，并配有防潮、防腐、散热装置，可以有效解决潮湿江面及鼠虫害对闸门控制设备的危害，消除恶劣环境对设备稳定运行的隐患。

（5）系统监控及通信结构改进。泄水闸计算机监控系统采用星形冗余以太网网络，如图2所示。系统设置2台工业以太网交换机，工作站、现地LCU以双以太网口接入这2台以太网网络交换机。系统由现地各LCU与中控层工作站组成网络节点，各网络节点通过双以太网接口设备与以太网网络交换机相连组成星型双光纤冗余100 M/1 000 Mbps Ethernet交换网络。双网互为热备用。

图2 泄水闸计算机监控系统网络拓扑

（6）双冗余设计。现地LCU采用冗余设计，对PLC电源、CPU、通信模块采用冗余配置，实现了双光纤网络冗余、双服务器数据库冗余配置、每套LCU交直流2种供电方式，光纤电缆均重新选型、重新拉接，系统面貌焕然一新，可靠性大大增强。

（7）一体化平台的初步搭建。一体化平台为水电厂运行和管理提供统一的数据管理、服务以及界面定制，实现数据共享、集中管控与协同互动的软硬件平台。溢流坝泄水闸门控制系统设计本着统一、开放的原则，在一体化平台上进行开发，支持IEC61850、IEC61970标准，基于面向服务构架（SOA）。操作系统采用成熟安全的适合于开放环境的实时多任务多用户操作系统。软件支持跨平台，支持在Unix/Linux及Windows操作系统上统一部署。这为整个枢纽构建统一开放协同的信息系统平台，建设和谐、智慧的水利枢纽工程打下一体化平台基础。

泄水闸门计算机监控系统采用一体化平台设计，分布在安全Ⅰ区，配置1台数据服务器，能采集闸门监控系统的实时数据外，还能采集将来的电站监控系统或其他部署在安全Ⅰ区的业务系统的数据；配置1台历史数据服务器和2台工作站，工作站部署泄水闸计算机监控系统应用，完成泄水闸监控系统的所有功能，其中至少1台工作站具有编辑功能。系统能与将来的Ⅱ区、Ⅲ区实现跨区数据同步。Ⅲ区配置1台历史数据服务器，部署与Ⅰ区统一的一体化平台，实现历史数据的转储与管理，为设备或系统接入以及应用组件运行提供标准接口。

5 系统试运行情况

据生产运行及检修人员反馈，泄水闸门电控系统完成改造、运行一段时间以来，总体运行平稳，现地、远方操作闸门流程顺畅，闸门启闭既可中控室选孔走全流程控制也可现地循序渐进式完成，自动化元器件动作可靠，监控系统无关键设备报警、跳闸故障信息报送，事件日志可循、可查，报表数据打印准确。更为重要的是完成一体化平台的初步搭建工作，划分了生产与管理信息大区，为枢纽相关生产系统的数据接入预留数据接口，为未来飞来峡智慧水电厂的建设铺平了道路。

6 结语

飞来峡水利枢纽是北江流域综合治理和开发利用的关键性工程，是广州市及珠江三角洲重要的防洪屏障，防洪设备的安全就是人民生命财产的安全，防汛工作一定要做好，不容半点马虎。做好泄水闸门的运行保障工作，为做好防汛工作迈出了坚实的一步。本文浅析了基于一体化平台的飞来峡水利枢纽泄水闸门的控制系统改造技术难点、亮点，希望对相关行业及单位的技术改造工作有一定的帮助与借鉴意义。