關(guān)小剛，馮廷琳，凌勝軍

（國(guó)投甘肅小三峽發(fā)電有限公司，甘肅 白銀 730900）

大峽水電站閘門及輔機(jī)控制系統(tǒng)改造綜述

關(guān)小剛，馮廷琳，凌勝軍

（國(guó)投甘肅小三峽發(fā)電有限公司，甘肅 白銀 730900）

閘門及輔機(jī)設(shè)備的安全可靠運(yùn)行是水電站機(jī)組能否正常運(yùn)行的關(guān)鍵，而且對(duì)于水電站來(lái)說(shuō)，閘門及輔助設(shè)備控制系統(tǒng)故障在設(shè)備缺陷中占較大比例。為滿足水電站“無(wú)人值班”（少人值守）運(yùn)行管理的基本要求，對(duì)水電站閘門及輔機(jī)控制設(shè)備提出了新的要求，為達(dá)到這一目標(biāo)，大峽水電站從2004年開始逐步對(duì)閘門及輔機(jī)控制設(shè)備進(jìn)行了改造，通過(guò)技改大大提高了電站的自動(dòng)化運(yùn)行水平，為實(shí)現(xiàn)“無(wú)人值班”（少人值守）奠定了基礎(chǔ)。

閘門；輔機(jī)；設(shè)備；PLC；軟啟動(dòng)器；綜述

黃河大峽水電站位于甘肅省白銀市和榆中縣交界處的黃河干流上，距蘭州市65km，為河床式徑流電站，電站裝機(jī)5臺(tái)，4臺(tái)機(jī)單機(jī)容量為75MW，1臺(tái)機(jī)額定容量為24.5MW,年平均發(fā)電量為14.65億kW·h。第一臺(tái)機(jī)組于1996年12月投產(chǎn)運(yùn)行，1998年6月5臺(tái)機(jī)組全部投產(chǎn)運(yùn)行，電站主要任務(wù)是發(fā)電，電站額定工作水頭23m，相應(yīng)總庫(kù)容0.9億m3，為日調(diào)節(jié)水庫(kù)。電站采用發(fā)電機(jī)—變壓器單元接線，220kV側(cè)為雙母線的主接線，兩回出線，在系統(tǒng)中擔(dān)任調(diào)頻、調(diào)峰，系統(tǒng)不要求做調(diào)相運(yùn)行。

大峽水電站自投運(yùn)以來(lái)，特別是輔機(jī)控制設(shè)備受當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)思路、生產(chǎn)廠家工藝質(zhì)量影響，設(shè)備故障率較高，維護(hù)工作量大，給電站的自動(dòng)化程度、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行帶來(lái)一定的壓力。為實(shí)現(xiàn)電站“少人值班”（無(wú)人值守）這一目標(biāo)，自2004年逐步開始對(duì)大峽水電站閘門及輔機(jī)控制設(shè)備進(jìn)行技術(shù)改造。

1 改造總體思路

（1）嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（2）在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮原系統(tǒng)存在問(wèn)題。

（3）控制功能先進(jìn)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的輪換啟動(dòng)，操作、維護(hù)簡(jiǎn)便。

（4）系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單、可靠、不留控制死區(qū)；系統(tǒng)組態(tài)配置、設(shè)備制造、電器元件選型方面，著重考慮原系統(tǒng)的控制狀態(tài)及功能；在保留原系統(tǒng)功能前提下，實(shí)現(xiàn)多種控制方式及人機(jī)對(duì)話等功能；主要核心控制部件采用PLC控制器、交流軟啟動(dòng)器等，堅(jiān)持選用國(guó)際或國(guó)內(nèi)知名品牌的產(chǎn)品，以充分保證系統(tǒng)具有高可靠性、先進(jìn)性和實(shí)用性。

（5）實(shí)現(xiàn)各輔機(jī)設(shè)備信息與全廠監(jiān)控系統(tǒng)的通信,以便集中控制與監(jiān)測(cè)。

2 設(shè)備選型基本原則

（1）系統(tǒng)設(shè)備性能好、可靠性高、擴(kuò)展性和網(wǎng)絡(luò)性能好；

（2）利于我公司（大峽、小峽、烏金峽）電站的備品備件管理。

3 溢洪道控制設(shè)備

3.1 改前設(shè)備概況

大峽水電站溢洪道閘門為三扇，分別為左孔、中孔及右孔。受控設(shè)備為2臺(tái)75kW鼠籠式電動(dòng)機(jī)和6個(gè)空載電磁閥、6個(gè)加載電磁閥?？刂圃O(shè)備由常規(guī)繼電器、莫迪康PLC控制器及自動(dòng)化元件組成手動(dòng)控制和自動(dòng)控制，此自動(dòng)方式必須在現(xiàn)地設(shè)置閘門開度值，對(duì)控制方式進(jìn)行切換才能實(shí)現(xiàn)。

3.2 改造原因

溢洪道系統(tǒng)1996年投運(yùn)，控制系統(tǒng)元器件老化，受早期產(chǎn)品工藝影響，硬件老化嚴(yán)重，故障率相對(duì)較高。而且控制功能單一，操作麻煩，維護(hù)工作量大，無(wú)法滿足電站綜合自動(dòng)化管理的需求。

3.3 改造后溢洪道閘門控制系統(tǒng)

3.3.1 系統(tǒng)硬件配置

系統(tǒng)由四川成都卓越科技有限公司提供，主要設(shè)備配置如下：

控制主機(jī)選用法國(guó)施耐德公司生產(chǎn)的TSXPremium系列可編程序控制器（PLC），TSXPremiumPLC為模塊化結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)包含中央處理器模塊、開關(guān)量輸入/輸出模塊（DI/DO）、模擬量輸入/輸出模塊（AI/AO）等。

電源模塊選用TSX Premium系列高密度PLC專用電源模塊TSXPSY2600M型，（AC220V供電）用于PLC內(nèi)部系統(tǒng)供電。

人機(jī)界面選用法國(guó)施耐德公司的XBTGT2220真彩圖形操作員對(duì)話終端。

軟啟動(dòng)器選用法國(guó)施耐德電氣公司ATS-48系列產(chǎn)品。

3.3.2 控制主要功能

（1）獨(dú)立的手動(dòng)控制功能：在設(shè)備調(diào)試、檢修階段，以及在PLC故障，自動(dòng)操作失靈的緊急情況下，采用手動(dòng)操作，實(shí)現(xiàn)閘門的啟閉控制。在手動(dòng)方式下，遠(yuǎn)方或自動(dòng)操作無(wú)效。

（2）現(xiàn)地自動(dòng)控制功能：設(shè)備正常情況下，采用自動(dòng)操作方式。通過(guò)中控室計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，發(fā)出閘門預(yù)置開度值和閘門啟閉操作指令，也可通過(guò)現(xiàn)地控制屏上的液晶顯示器先預(yù)置開度，再通過(guò)按鈕發(fā)出操作指令，現(xiàn)地控制系統(tǒng)將自動(dòng)完成閘門啟閉操作。現(xiàn)地操作指令和計(jì)算機(jī)監(jiān)控操作指令具有相互閉鎖功能，能有效地防止兩地操作沖突。

（3）閘門下滑自動(dòng)提升功能：當(dāng)閘門全開或局部開啟位置停止后，具有閘門下滑自動(dòng)回升功能，當(dāng)閘門下滑200mm（暫定、可調(diào)）時(shí)，油泵電機(jī)組自動(dòng)啟動(dòng)，將閘門提升至原來(lái)工作位置，如活塞桿下滑量達(dá)300mm時(shí)，另一組油泵電機(jī)組自動(dòng)啟動(dòng)，油缸動(dòng)作并將閘門提升至原來(lái)工作位置，同時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。

（4）自動(dòng)方式下工作/備用油泵自動(dòng)輪換：PLC根據(jù)每臺(tái)油泵啟動(dòng)運(yùn)行次數(shù)或累計(jì)運(yùn)行時(shí)間，實(shí)現(xiàn)2臺(tái)油泵自動(dòng)切換成工作/備用方式。

（5）保護(hù)和報(bào)警功能：系統(tǒng)對(duì)油泵電機(jī)配置完整的控制、保護(hù)、測(cè)量功能，充分利用斷路器、軟啟動(dòng)器的保護(hù)功能對(duì)電機(jī)實(shí)施過(guò)流、過(guò)載、過(guò)壓、相序和缺相保護(hù)以及緊急開關(guān)、液壓站油路過(guò)壓、失壓、濾油器堵塞、高、低油位保護(hù)。

（6）通信功能：現(xiàn)地控制單元實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)監(jiān)控通信功能，將現(xiàn)地控制單元各種狀態(tài)量及閘門開度信號(hào)遠(yuǎn)傳至中控室，便于控制室進(jìn)行監(jiān)視與操作。

4 輔機(jī)控制設(shè)備

輔機(jī)控制設(shè)備主要改造了5臺(tái)機(jī)組頂蓋排水控制系統(tǒng)；4臺(tái)機(jī)組油壓裝置動(dòng)力及控制系統(tǒng)；全廠技術(shù)供水控制系統(tǒng)；5套變壓器風(fēng)冷控制系統(tǒng)；1套機(jī)組檢修排水控制系統(tǒng)。

針對(duì)水電站輔機(jī)設(shè)備分布范圍廣、數(shù)量多、控制功能各異等特點(diǎn)，采用現(xiàn)地自動(dòng)控制為主，遠(yuǎn)方集中監(jiān)控為輔的控制模式；各現(xiàn)地控制單元采用PLC為控制核心部件，以現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)及無(wú)源接點(diǎn)的通訊方式與計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)LCU連接通訊，實(shí)現(xiàn)全廠的綜合自動(dòng)化管理。在系統(tǒng)組態(tài)配置、設(shè)備制造、電器元件選型方面，考慮水電站環(huán)境的特殊要求，主要核心部件PLC控制器、交流軟啟動(dòng)器選用世界知名品牌的進(jìn)口產(chǎn)品，以充分保證本控制系統(tǒng)具有高的可靠性、先進(jìn)性和技術(shù)成熟的適用性，易操作、維護(hù)簡(jiǎn)便。

4.1 機(jī)組頂蓋排水控制系統(tǒng)

大峽水電站頂蓋排水控制原為莫迪康公司生產(chǎn)的MICRO 311-03型可編程控制器，控制2臺(tái)水泵，且互為備用。液位測(cè)量元件為浮子式液位開關(guān)。由于黃河流域泥沙含量大，尤其在汛期更為嚴(yán)重，從而使頂蓋積水泥沙和油污多，浮子液位開關(guān)經(jīng)常被污水粘??；浮子內(nèi)為水銀接點(diǎn)或干簧接點(diǎn)，該接點(diǎn)故障率較高。浮球開關(guān)的誤動(dòng)或拒動(dòng)造成泵不能正常啟動(dòng)或報(bào)警，多次發(fā)生水淹水導(dǎo)軸承事件，給我廠的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行帶來(lái)巨大的損失。經(jīng)過(guò)兩次整改仍不能徹底解決設(shè)備存在問(wèn)題，為此我們對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行了改造。

（1）由原來(lái)的2臺(tái)泵增加為3臺(tái)水泵，水泵選用進(jìn)口產(chǎn)品，為免維護(hù)設(shè)備。

（2）更換控制箱，采用施耐德Modicon TSXPremiumPLC可編程控制器，增加模擬量輸入模塊，增加水位顯示儀表，裝設(shè)電動(dòng)機(jī)保護(hù)器。

（3）采用手動(dòng)和自動(dòng)兩種運(yùn)行方式，手動(dòng)方式用繼電器控制，自動(dòng)方式用PLC控制，控制方式有工作、備用、工備自動(dòng)輪換、切除等方式。正常情況下以自動(dòng)方式運(yùn)行，工備自動(dòng)輪換控制為主，工作和備用方式作為系統(tǒng)備用控制方式，手動(dòng)方式則作為系統(tǒng)和PLC故障情況下控制方式。由于采用工備自動(dòng)輪換方式，運(yùn)行時(shí)3臺(tái)水泵按程序設(shè)定的順序依次啟動(dòng)，從而取代了運(yùn)行人員的定期切換工作，而且可以有效防止某臺(tái)泵由于長(zhǎng)期不啟動(dòng)而造成的底閥被泥沙淤積問(wèn)題。

（4）水位測(cè)量及控制選用三種方式，第1種方式采用電極和電極控制器，提供水位高、過(guò)高和低三路開關(guān)量信號(hào)到PLC，電極控制器選用日本OMRON61F-G3型；第2種方式為電容物位變送器，提供4～20mA模擬量到PLC，選用四川德陽(yáng)新泰自動(dòng)化儀表有限公司生產(chǎn)的UYB-51LB27*2-2型，此變送器是對(duì)壓力容器或開口容器中物位的位移量進(jìn)行連續(xù)測(cè)量的一種物位儀表，而且非常適合在多泥沙和污水環(huán)境中適用；第3種方式為浮球開關(guān)式傳感器，裝設(shè)兩個(gè)浮球開關(guān)式傳感器，對(duì)頂蓋水位低限和過(guò)高限進(jìn)行控制，選用德國(guó)BerKert浮球開關(guān)。頂蓋水泵的正常控制由電極的測(cè)量來(lái)實(shí)現(xiàn)，變送器測(cè)量作為備用方式（模擬量信號(hào)啟動(dòng)水泵動(dòng)作值略高于電極），浮球開關(guān)作為PLC故障情況下發(fā)報(bào)警信號(hào)使用。頂蓋水位的模擬量信號(hào)同時(shí)送監(jiān)控系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)運(yùn)行人員對(duì)頂蓋水位的實(shí)時(shí)監(jiān)視。

（5）將系統(tǒng)故障信號(hào)，包括PLC故障、電機(jī)故障、電源消失和頂蓋水位過(guò)高信號(hào)引入監(jiān)控系統(tǒng)，完善對(duì)頂蓋排水系統(tǒng)的故障監(jiān)視功能。

4.2 機(jī)組油壓裝置控制系統(tǒng)

4.2.1 改前設(shè)備概況

大峽水電站機(jī)組油壓裝置控制系統(tǒng)原為莫迪康公司生產(chǎn)的A984-145型可編程控制器，受控設(shè)備為3臺(tái)輸油泵，2個(gè)補(bǔ)氣電磁閥，3對(duì)加卸載電磁閥，1個(gè)事故補(bǔ)油閥，回油箱冷卻器供水電磁閥，回油箱加熱器。外部測(cè)量主要為工作及事故罐油壓、油位，回油箱油位、油溫。

4.2.2 改造原因

（1）設(shè)備故障率高，維護(hù)工作量大。

（2）PLC備品備件難以購(gòu)買，新的替代產(chǎn)品已經(jīng)占市場(chǎng)主導(dǎo)，此型號(hào)PLC已經(jīng)不再生產(chǎn)。

（3）工作及事故壓力油罐油位的測(cè)量不準(zhǔn)確。

（4）解決原設(shè)計(jì)存在問(wèn)題。如：沒(méi)有獨(dú)立的手動(dòng)控制功能，一旦PLC故障，系統(tǒng)控制將失效；回油箱沒(méi)有溫度測(cè)量、溫度過(guò)高報(bào)警功能等。

（5）電機(jī)保護(hù)功能采用熱繼電器無(wú)法滿足動(dòng)力回路斷相、過(guò)流、過(guò)載等保護(hù)功能。

（6）解決電機(jī)直接起動(dòng)造成的電氣機(jī)械故障問(wèn)題。

4.2.3 設(shè)備主要配置

控制主機(jī)選用法國(guó)施耐德公司生產(chǎn)的TSXPremium系列可編程序控制器（PLC），TSXPremiumPLC為模塊化結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)包含中央處理器模塊、開關(guān)量輸入/輸出模塊、模擬量輸入/輸出模塊、通訊模塊等。

4.2.4 控制功能及方式

通過(guò)各油泵電機(jī)的運(yùn)行方式選擇開關(guān)可將各油泵電機(jī)的運(yùn)行分別設(shè)置為手動(dòng)、切除、工作、輔助、備用、工備自轉(zhuǎn)6種方式。在后4種工作方式下均實(shí)現(xiàn)自動(dòng)啟、停，并可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方啟、?？刂?。在自動(dòng)運(yùn)行方式下，能在控制盤上將某油泵設(shè)置為工作油泵、輔助油泵、備用油泵和工備自動(dòng)輪換而實(shí)現(xiàn)3臺(tái)油泵的互為備用；在手動(dòng)方式運(yùn)行下，能在控制盤上通過(guò)自復(fù)式控制開關(guān)實(shí)現(xiàn)各油泵的手動(dòng)啟、停操作。

（1）設(shè)置獨(dú)立的手動(dòng)控制功能，無(wú)論P(yáng)LC死機(jī)或控制系統(tǒng)故障，不影響泵的手動(dòng)啟停，大大提高系統(tǒng)的可靠性。

（2）油泵的控制方式靈活，分為多種方式，通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)泵的輪換工作，減少運(yùn)行人員的定期切換，減少工作量。

（3）增加軟啟動(dòng)器解決電機(jī)直接起動(dòng)方式，軟啟動(dòng)器利用晶閘管交流調(diào)壓技術(shù)實(shí)現(xiàn)降壓?jiǎn)?dòng)功能，其最大限度地吸收了同類控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，采用閉環(huán)控制，可連續(xù)控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩，控制電機(jī)平穩(wěn)啟動(dòng)，保證設(shè)備運(yùn)行正常，降低維修費(fèi)用。軟啟動(dòng)器具有良好的用戶界面，操作簡(jiǎn)單，具有停機(jī)后的自動(dòng)電隔離、過(guò)載、缺相、三相不平衡、熱保護(hù)、浪涌電壓保護(hù)等功能，并具有軟啟動(dòng)、軟停車功能，實(shí)現(xiàn)平滑停機(jī)?？煽啃愿?，能全面解決鼠籠式電動(dòng)機(jī)開動(dòng)及停止所帶來(lái)的機(jī)械及電氣沖擊問(wèn)題。

（4）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)及功能使用頻次，采用觸摸屏實(shí)現(xiàn)各閥組的手動(dòng)操作，減少手動(dòng)操作把手，簡(jiǎn)化系統(tǒng)。

（5）使用磁致伸縮油位測(cè)量元件，此元件提供油位的模擬量及開關(guān)量，兩路信號(hào)引入PLC，通過(guò)觸摸屏實(shí)時(shí)顯示油位，兩路信號(hào)并聯(lián)接入PLC邏輯控制可靠實(shí)現(xiàn)工作油罐及事故壓力油罐的油位測(cè)量報(bào)警功能。

（6）回油箱油位、油溫通過(guò)傳感器測(cè)量送入模擬量輸入模塊，實(shí)現(xiàn)其測(cè)量報(bào)警功能。

5 結(jié)束語(yǔ)

甘肅小三峽公司大峽水電站閘門及輔機(jī)設(shè)備的改造是為實(shí)現(xiàn)水電站“無(wú)人值班”（少人值守）的運(yùn)行要求，適應(yīng)水電站綜合自動(dòng)化技術(shù)的迅猛發(fā)展的需要而進(jìn)行的。通過(guò)幾年設(shè)備的改造，電站綜合自動(dòng)化水平大大提高，設(shè)備故障率低，維護(hù)工作量少，基本實(shí)現(xiàn)了“無(wú)人值班”（少人值守）的運(yùn)行目標(biāo)。

TP273+.5

B

1672-5387（2011）03-0033-03

2011-04-11

關(guān)小剛（1974-），男，工程師，主要從事水電廠電氣二次設(shè)備技術(shù)管理工作。