大峡水电站闸门及辅机控制系统改造综述

关小刚，冯廷琳，凌胜军

（国投甘肃小三峡发电有限公司，甘肃 白银 730900）

大峡水电站闸门及辅机控制系统改造综述

关小刚，冯廷琳，凌胜军

（国投甘肃小三峡发电有限公司，甘肃 白银 730900）

闸门及辅机设备的安全可靠运行是水电站机组能否正常运行的关键，而且对于水电站来说，闸门及辅助设备控制系统故障在设备缺陷中占较大比例。为满足水电站“无人值班”（少人值守）运行管理的基本要求，对水电站闸门及辅机控制设备提出了新的要求，为达到这一目标，大峡水电站从2004年开始逐步对闸门及辅机控制设备进行了改造，通过技改大大提高了电站的自动化运行水平，为实现“无人值班”（少人值守）奠定了基础。

闸门；辅机；设备；PLC；软启动器；综述

黄河大峡水电站位于甘肃省白银市和榆中县交界处的黄河干流上，距兰州市65km，为河床式径流电站，电站装机5台，4台机单机容量为75MW，1台机额定容量为24.5MW,年平均发电量为14.65亿kW·h。第一台机组于1996年12月投产运行，1998年6月5台机组全部投产运行，电站主要任务是发电，电站额定工作水头23m，相应总库容0.9亿m3，为日调节水库。电站采用发电机—变压器单元接线，220kV侧为双母线的主接线，两回出线，在系统中担任调频、调峰，系统不要求做调相运行。

大峡水电站自投运以来，特别是辅机控制设备受当时设计思路、生产厂家工艺质量影响，设备故障率较高，维护工作量大，给电站的自动化程度、经济运行带来一定的压力。为实现电站“少人值班”（无人值守）这一目标，自2004年逐步开始对大峡水电站闸门及辅机控制设备进行技术改造。

1 改造总体思路

（1）严格按照相关标准和规程进行设计。

（2）在设计时充分考虑原系统存在问题。

（3）控制功能先进，实现电机的轮换启动，操作、维护简便。

（4）系统设计要求控制系统简单、可靠、不留控制死区；系统组态配置、设备制造、电器元件选型方面，着重考虑原系统的控制状态及功能；在保留原系统功能前提下，实现多种控制方式及人机对话等功能；主要核心控制部件采用PLC控制器、交流软启动器等，坚持选用国际或国内知名品牌的产品，以充分保证系统具有高可靠性、先进性和实用性。

（5）实现各辅机设备信息与全厂监控系统的通信,以便集中控制与监测。

2 设备选型基本原则

（1）系统设备性能好、可靠性高、扩展性和网络性能好；

（2）利于我公司（大峡、小峡、乌金峡）电站的备品备件管理。

3 溢洪道控制设备

3.1 改前设备概况

大峡水电站溢洪道闸门为三扇，分别为左孔、中孔及右孔。受控设备为2台75kW鼠笼式电动机和6个空载电磁阀、6个加载电磁阀。控制设备由常规继电器、莫迪康PLC控制器及自动化元件组成手动控制和自动控制，此自动方式必须在现地设置闸门开度值，对控制方式进行切换才能实现。

3.2 改造原因

溢洪道系统1996年投运，控制系统元器件老化，受早期产品工艺影响，硬件老化严重，故障率相对较高。而且控制功能单一，操作麻烦，维护工作量大，无法满足电站综合自动化管理的需求。

3.3 改造后溢洪道闸门控制系统

3.3.1 系统硬件配置

系统由四川成都卓越科技有限公司提供，主要设备配置如下：

控制主机选用法国施耐德公司生产的TSXPremium系列可编程序控制器（PLC），TSXPremiumPLC为模块化结构，系统包含中央处理器模块、开关量输入/输出模块（DI/DO）、模拟量输入/输出模块（AI/AO）等。

电源模块选用TSX Premium系列高密度PLC专用电源模块TSXPSY2600M型，（AC220V供电）用于PLC内部系统供电。

人机界面选用法国施耐德公司的XBTGT2220真彩图形操作员对话终端。

软启动器选用法国施耐德电气公司ATS-48系列产品。

3.3.2 控制主要功能

（1）独立的手动控制功能：在设备调试、检修阶段，以及在PLC故障，自动操作失灵的紧急情况下，采用手动操作，实现闸门的启闭控制。在手动方式下，远方或自动操作无效。

（2）现地自动控制功能：设备正常情况下，采用自动操作方式。通过中控室计算机监控系统，发出闸门预置开度值和闸门启闭操作指令，也可通过现地控制屏上的液晶显示器先预置开度，再通过按钮发出操作指令，现地控制系统将自动完成闸门启闭操作。现地操作指令和计算机监控操作指令具有相互闭锁功能，能有效地防止两地操作冲突。

（3）闸门下滑自动提升功能：当闸门全开或局部开启位置停止后，具有闸门下滑自动回升功能，当闸门下滑200mm（暂定、可调）时，油泵电机组自动启动，将闸门提升至原来工作位置，如活塞杆下滑量达300mm时，另一组油泵电机组自动启动，油缸动作并将闸门提升至原来工作位置，同时发出声光报警信号。

（4）自动方式下工作/备用油泵自动轮换：PLC根据每台油泵启动运行次数或累计运行时间，实现2台油泵自动切换成工作/备用方式。

（5）保护和报警功能：系统对油泵电机配置完整的控制、保护、测量功能，充分利用断路器、软启动器的保护功能对电机实施过流、过载、过压、相序和缺相保护以及紧急开关、液压站油路过压、失压、滤油器堵塞、高、低油位保护。

（6）通信功能：现地控制单元实现与计算机监控通信功能，将现地控制单元各种状态量及闸门开度信号远传至中控室，便于控制室进行监视与操作。

4 辅机控制设备

辅机控制设备主要改造了5台机组顶盖排水控制系统；4台机组油压装置动力及控制系统；全厂技术供水控制系统；5套变压器风冷控制系统；1套机组检修排水控制系统。

针对水电站辅机设备分布范围广、数量多、控制功能各异等特点，采用现地自动控制为主，远方集中监控为辅的控制模式；各现地控制单元采用PLC为控制核心部件，以现场总线网及无源接点的通讯方式与计算机监控系统LCU连接通讯，实现全厂的综合自动化管理。在系统组态配置、设备制造、电器元件选型方面，考虑水电站环境的特殊要求，主要核心部件PLC控制器、交流软启动器选用世界知名品牌的进口产品，以充分保证本控制系统具有高的可靠性、先进性和技术成熟的适用性，易操作、维护简便。

4.1 机组顶盖排水控制系统

大峡水电站顶盖排水控制原为莫迪康公司生产的MICRO 311-03型可编程控制器，控制2台水泵，且互为备用。液位测量元件为浮子式液位开关。由于黄河流域泥沙含量大，尤其在汛期更为严重，从而使顶盖积水泥沙和油污多，浮子液位开关经常被污水粘住；浮子内为水银接点或干簧接点，该接点故障率较高。浮球开关的误动或拒动造成泵不能正常启动或报警，多次发生水淹水导轴承事件，给我厂的经济运行带来巨大的损失。经过两次整改仍不能彻底解决设备存在问题，为此我们对控制系统进行了改造。

（1）由原来的2台泵增加为3台水泵，水泵选用进口产品，为免维护设备。

（2）更换控制箱，采用施耐德Modicon TSXPremiumPLC可编程控制器，增加模拟量输入模块，增加水位显示仪表，装设电动机保护器。

（3）采用手动和自动两种运行方式，手动方式用继电器控制，自动方式用PLC控制，控制方式有工作、备用、工备自动轮换、切除等方式。正常情况下以自动方式运行，工备自动轮换控制为主，工作和备用方式作为系统备用控制方式，手动方式则作为系统和PLC故障情况下控制方式。由于采用工备自动轮换方式，运行时3台水泵按程序设定的顺序依次启动，从而取代了运行人员的定期切换工作，而且可以有效防止某台泵由于长期不启动而造成的底阀被泥沙淤积问题。

（4）水位测量及控制选用三种方式，第1种方式采用电极和电极控制器，提供水位高、过高和低三路开关量信号到PLC，电极控制器选用日本OMRON61F-G3型；第2种方式为电容物位变送器，提供4～20mA模拟量到PLC，选用四川德阳新泰自动化仪表有限公司生产的UYB-51LB27*2-2型，此变送器是对压力容器或开口容器中物位的位移量进行连续测量的一种物位仪表，而且非常适合在多泥沙和污水环境中适用；第3种方式为浮球开关式传感器，装设两个浮球开关式传感器，对顶盖水位低限和过高限进行控制，选用德国BerKert浮球开关。顶盖水泵的正常控制由电极的测量来实现，变送器测量作为备用方式（模拟量信号启动水泵动作值略高于电极），浮球开关作为PLC故障情况下发报警信号使用。顶盖水位的模拟量信号同时送监控系统，可实现运行人员对顶盖水位的实时监视。

（5）将系统故障信号，包括PLC故障、电机故障、电源消失和顶盖水位过高信号引入监控系统，完善对顶盖排水系统的故障监视功能。

4.2 机组油压装置控制系统

4.2.1 改前设备概况

大峡水电站机组油压装置控制系统原为莫迪康公司生产的A984-145型可编程控制器，受控设备为3台输油泵，2个补气电磁阀，3对加卸载电磁阀，1个事故补油阀，回油箱冷却器供水电磁阀，回油箱加热器。外部测量主要为工作及事故罐油压、油位，回油箱油位、油温。

4.2.2 改造原因

（1）设备故障率高，维护工作量大。

（2）PLC备品备件难以购买，新的替代产品已经占市场主导，此型号PLC已经不再生产。

（3）工作及事故压力油罐油位的测量不准确。

（4）解决原设计存在问题。如：没有独立的手动控制功能，一旦PLC故障，系统控制将失效；回油箱没有温度测量、温度过高报警功能等。

（5）电机保护功能采用热继电器无法满足动力回路断相、过流、过载等保护功能。

（6）解决电机直接起动造成的电气机械故障问题。

4.2.3 设备主要配置

控制主机选用法国施耐德公司生产的TSXPremium系列可编程序控制器（PLC），TSXPremiumPLC为模块化结构，系统包含中央处理器模块、开关量输入/输出模块、模拟量输入/输出模块、通讯模块等。

4.2.4 控制功能及方式

通过各油泵电机的运行方式选择开关可将各油泵电机的运行分别设置为手动、切除、工作、辅助、备用、工备自转6种方式。在后4种工作方式下均实现自动启、停，并可实现远方启、停控制。在自动运行方式下，能在控制盘上将某油泵设置为工作油泵、辅助油泵、备用油泵和工备自动轮换而实现3台油泵的互为备用；在手动方式运行下，能在控制盘上通过自复式控制开关实现各油泵的手动启、停操作。

（1）设置独立的手动控制功能，无论PLC死机或控制系统故障，不影响泵的手动启停，大大提高系统的可靠性。

（2）油泵的控制方式灵活，分为多种方式，通过软件实现泵的轮换工作，减少运行人员的定期切换，减少工作量。

（3）增加软启动器解决电机直接起动方式，软启动器利用晶闸管交流调压技术实现降压启动功能，其最大限度地吸收了同类控制系统的优点，采用闭环控制，可连续控制电机转矩，控制电机平稳启动，保证设备运行正常，降低维修费用。软启动器具有良好的用户界面，操作简单，具有停机后的自动电隔离、过载、缺相、三相不平衡、热保护、浪涌电压保护等功能，并具有软启动、软停车功能，实现平滑停机。可靠性高，能全面解决鼠笼式电动机开动及停止所带来的机械及电气冲击问题。

（4）根据现场设备运行经验及功能使用频次，采用触摸屏实现各阀组的手动操作，减少手动操作把手，简化系统。

（5）使用磁致伸缩油位测量元件，此元件提供油位的模拟量及开关量，两路信号引入PLC，通过触摸屏实时显示油位，两路信号并联接入PLC逻辑控制可靠实现工作油罐及事故压力油罐的油位测量报警功能。

（6）回油箱油位、油温通过传感器测量送入模拟量输入模块，实现其测量报警功能。

5 结束语

甘肃小三峡公司大峡水电站闸门及辅机设备的改造是为实现水电站“无人值班”（少人值守）的运行要求，适应水电站综合自动化技术的迅猛发展的需要而进行的。通过几年设备的改造，电站综合自动化水平大大提高，设备故障率低，维护工作量少，基本实现了“无人值班”（少人值守）的运行目标。

TP273+.5

B

1672-5387（2011）03-0033-03

2011-04-11

关小刚（1974-），男，工程师，主要从事水电厂电气二次设备技术管理工作。