關(guān)小剛，馮廷琳，凌勝軍

（國投甘肅小三峽發(fā)電有限公司，甘肅 白銀 730900）

大峽水電站閘門及輔機控制系統(tǒng)改造綜述

關(guān)小剛，馮廷琳，凌勝軍

（國投甘肅小三峽發(fā)電有限公司，甘肅 白銀 730900）

閘門及輔機設(shè)備的安全可靠運行是水電站機組能否正常運行的關(guān)鍵，而且對于水電站來說，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“無人值班”（少人值守）運行管理的基本要求，對水電站閘門及輔機控制設(shè)備提出了新的要求，為達到這一目標(biāo)，大峽水電站從2004年開始逐步對閘門及輔機控制設(shè)備進行了改造，通過技改大大提高了電站的自動化運行水平，為實現(xiàn)“無人值班”（少人值守）奠定了基礎(chǔ)。

閘門；輔機；設(shè)備；PLC；軟啟動器；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5臺，4臺機單機容量為75MW，1臺機額定容量為24.5MW,年平均發(fā)電量為14.65億kW·h。第一臺機組于1996年12月投產(chǎn)運行，1998年6月5臺機組全部投產(chǎn)運行，電站主要任務(wù)是發(fā)電，電站額定工作水頭23m，相應(yīng)總庫容0.9億m3，為日調(diào)節(jié)水庫。電站采用發(fā)電機—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)相運行。

大峽水電站自投運以來，特別是輔機控制設(shè)備受當(dāng)時設(shè)計思路、生產(chǎn)廠家工藝質(zhì)量影響，設(shè)備故障率較高，維護工作量大，給電站的自動化程度、經(jīng)濟運行帶來一定的壓力。為實現(xiàn)電站“少人值班”（無人值守）這一目標(biāo)，自2004年逐步開始對大峽水電站閘門及輔機控制設(shè)備進行技術(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)程進行設(shè)計。

（2）在設(shè)計時充分考慮原系統(tǒng)存在問題。

（3）控制功能先進，實現(xiàn)電機的輪換啟動，操作、維護簡便。

（4）系統(tǒng)設(shè)計要求控制系統(tǒng)簡單、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，實現(xiàn)多種控制方式及人機對話等功能；主要核心控制部件采用PLC控制器、交流軟啟動器等，堅持選用國際或國內(nèi)知名品牌的產(chǎn)品，以充分保證系統(tǒng)具有高可靠性、先進性和實用性。

（5）實現(xiàn)各輔機設(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。

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75kW鼠籠式電動機和6個空載電磁閥、6個加載電磁閥?？刂圃O(shè)備由常規(guī)繼電器、莫迪康PLC控制器及自動化元件組成手動控制和自動控制，此自動方式必須在現(xiàn)地設(shè)置閘門開度值，對控制方式進行切換才能實現(xiàn)。

3.2 改造原因

溢洪道系統(tǒng)1996年投運，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，故障率相對較高。而且控制功能單一，操作麻煩，維護工作量大，無法滿足電站綜合自動化管理的需求。

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：

控制主機選用法國施耐德公司生產(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。

人機界面選用法國施耐德公司的XBTGT2220真彩圖形操作員對話終端。

軟啟動器選用法國施耐德電氣公司ATS-48系列產(chǎn)品。

3.3.2 控制主要功能

（1）獨立的手動控制功能：在設(shè)備調(diào)試、檢修階段，以及在PLC故障，自動操作失靈的緊急情況下，采用手動操作，實現(xiàn)閘門的啟閉控制。在手動方式下，遠(yuǎn)方或自動操作無效。

（2）現(xiàn)地自動控制功能：設(shè)備正常情況下，采用自動操作方式。通過中控室計算機監(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，也可通過現(xiàn)地控制屏上的液晶顯示器先預(yù)置開度，再通過按鈕發(fā)出操作指令，現(xiàn)地控制系統(tǒng)將自動完成閘門啟閉操作?，F(xiàn)地操作指令和計算機監(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，具有閘門下滑自動回升功能，當(dāng)閘門下滑200mm（暫定、可調(diào)）時，油泵電機組自動啟動，將閘門提升至原來工作位置，如活塞桿下滑量達300mm時，另一組油泵電機組自動啟動，油缸動作并將閘門提升至原來工作位置，同時發(fā)出聲光報警信號。

（4）自動方式下工作/備用油泵自動輪換：PLC根據(jù)每臺油泵啟動運行次數(shù)或累計運行時間，實現(xiàn)2臺油泵自動切換成工作/備用方式。

（5）保護和報警功能：系統(tǒng)對油泵電機配置完整的控制、保護、測量功能，充分利用斷路器、軟啟動器的保護功能對電機實施過流、過載、過壓、相序和缺相保護以及緊急開關(guān)、液壓站油路過壓、失壓、濾油器堵塞、高、低油位保護。

（6）通信功能：現(xiàn)地控制單元實現(xiàn)與計算機監(jiān)控通信功能，將現(xiàn)地控制單元各種狀態(tài)量及閘門開度信號遠(yuǎn)傳至中控室，便于控制室進行監(jiān)視與操作。

4 輔機控制設(shè)備

輔機控制設(shè)備主要改造了5臺機組頂蓋排水控制系統(tǒng)；4臺機組油壓裝置動力及控制系統(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套機組檢修排水控制系統(tǒng)。

針對水電站輔機設(shè)備分布范圍廣、數(shù)量多、控制功能各異等特點，采用現(xiàn)地自動控制為主，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)場總線網(wǎng)及無源接點的通訊方式與計算機監(jiān)控系統(tǒng)LCU連接通訊，實現(xiàn)全廠的綜合自動化管理。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、交流軟啟動器選用世界知名品牌的進口產(chǎn)品，以充分保證本控制系統(tǒng)具有高的可靠性、先進性和技術(shù)成熟的適用性，易操作、維護簡便。

4.1 機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臺水泵，且互為備用。液位測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?。桓∽觾?nèi)為水銀接點或干簧接點，該接點故障率較高。浮球開關(guān)的誤動或拒動造成泵不能正常啟動或報警，多次發(fā)生水淹水導(dǎo)軸承事件，給我廠的經(jīng)濟運行帶來巨大的損失。經(jīng)過兩次整改仍不能徹底解決設(shè)備存在問題，為此我們對控制系統(tǒng)進行了改造。

（1）由原來的2臺泵增加為3臺水泵，水泵選用進口產(chǎn)品，為免維護設(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)電動機保護器。

（3）采用手動和自動兩種運行方式，手動方式用繼電器控制，自動方式用PLC控制，控制方式有工作、備用、工備自動輪換、切除等方式。正常情況下以自動方式運行，工備自動輪換控制為主，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。由于采用工備自動輪換方式，運行時3臺水泵按程序設(shè)定的順序依次啟動，從而取代了運行人員的定期切換工作，而且可以有效防止某臺泵由于長期不啟動而造成的底閥被泥沙淤積問題。

（4）水位測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、過高和低三路開關(guān)量信號到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，選用四川德陽新泰自動化儀表有限公司生產(chǎn)的UYB-51LB27*2-2型，此變送器是對壓力容器或開口容器中物位的位移量進行連續(xù)測量的一種物位儀表，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)兩個浮球開關(guān)式傳感器，對頂蓋水位低限和過高限進行控制，選用德國BerKert浮球開關(guān)。頂蓋水泵的正?？刂朴呻姌O的測量來實現(xiàn)，變送器測量作為備用方式（模擬量信號啟動水泵動作值略高于電極），浮球開關(guān)作為PLC故障情況下發(fā)報警信號使用。頂蓋水位的模擬量信號同時送監(jiān)控系統(tǒng)，可實現(xiàn)運行人員對頂蓋水位的實時監(jiān)視。

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

4.2 機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臺輸油泵，2個補氣電磁閥，3對加卸載電磁閥，1個事故補油閥，回油箱冷卻器供水電磁閥，回油箱加熱器。外部測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，維護工作量大。

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

（3）工作及事故壓力油罐油位的測量不準(zhǔn)確。

（4）解決原設(shè)計存在問題。如：沒有獨立的手動控制功能，一旦PLC故障，系統(tǒng)控制將失效；回油箱沒有溫度測量、溫度過高報警功能等。

（5）電機保護功能采用熱繼電器無法滿足動力回路斷相、過流、過載等保護功能。

（6）解決電機直接起動造成的電氣機械故障問題。

4.2.3 設(shè)備主要配置

控制主機選用法國施耐德公司生產(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

通過各油泵電機的運行方式選擇開關(guān)可將各油泵電機的運行分別設(shè)置為手動、切除、工作、輔助、備用、工備自轉(zhuǎn)6種方式。在后4種工作方式下均實現(xiàn)自動啟、停，并可實現(xiàn)遠(yuǎn)方啟、?？刂啤Ｔ谧詣舆\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輪換而實現(xiàn)3臺油泵的互為備用；在手動方式運行下，能在控制盤上通過自復(fù)式控制開關(guān)實現(xiàn)各油泵的手動啟、停操作。

（1）設(shè)置獨立的手動控制功能，無論PLC死機或控制系統(tǒng)故障，不影響泵的手動啟停，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，通過軟件實現(xiàn)泵的輪換工作，減少運行人員的定期切換，減少工作量。

（3）增加軟啟動器解決電機直接起動方式，軟啟動器利用晶閘管交流調(diào)壓技術(shù)實現(xiàn)降壓啟動功能，其最大限度地吸收了同類控制系統(tǒng)的優(yōu)點，采用閉環(huán)控制，可連續(xù)控制電機轉(zhuǎn)矩，控制電機平穩(wěn)啟動，保證設(shè)備運行正常，降低維修費用。軟啟動器具有良好的用戶界面，操作簡單，具有停機后的自動電隔離、過載、缺相、三相不平衡、熱保護、浪涌電壓保護等功能，并具有軟啟動、軟停車功能，實現(xiàn)平滑停機。可靠性高，能全面解決鼠籠式電動機開動及停止所帶來的機械及電氣沖擊問題。

（4）根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備運行經(jīng)驗及功能使用頻次，采用觸摸屏實現(xiàn)各閥組的手動操作，減少手動操作把手，簡化系統(tǒng)。

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

（6）回油箱油位、油溫通過傳感器測量送入模擬量輸入模塊，實現(xiàn)其測量報警功能。

5 結(jié)束語

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