龙头石水电站泄洪闸门控制系统可靠性改进措施

王远均

摘   要：泄洪闸门是水电站防洪、泄洪的重要水工机械设备，其可靠性直接关系着大坝、厂房以及下游人民生命财产的安危，历来受到各级部门的高度重视。特别是枢纽电站的泄洪闸门更是如此。文章针对龙头石水电站发生的一起未经操作而泄洪闸门自动提升的事件，提出了一种电气闭锁方案，从根本上解决了闸门误动的问题，提高了泄洪闸门控制系统的可靠性，对兄弟单位具有一定的借鉴意义。

关键词：水电站;泄洪闸门;控制系统;误动;可靠性;电气闭锁;技改

泄洪闸门是大型水利枢纽的重要组成部分，是水库有效库容的挡水设备，也是水库汛期泄洪的主要安全通道，它对调控水库水位、确保均匀发电以及大坝安全运行等起着重要作用，其可靠性直接关系到水工建筑甚至流域人民的生命财产安全，具有重大的社会影响，历来受到各级部门的高度重视。

1    工程概况

龙头石水电站位于大渡河中游石棉县境内，坝址位于安顺场上游约10 km处，上距泸定县城距离约93 km，下距石棉县城距离约23 km，为大渡河水电基地干流规划3库22级开发的第15级电站，是一座以发电为主，兼顾防洪并具有日调节能力的大（2）型水力发电工程。电站装机容量720 MW，年设计发电量31.18亿kW·h，设计洪水位时最大下泄流量8 120 m3/s，校核洪水位时最大下泄流量9 600 m3/s。

龙头石水电站泄洪系统由布置在左岸的3扇泄洪闸门和3台闸门卷扬式启闭机组成。其中，泄洪闸门挡水机構采用弧形工作门，泄洪方式为闸门提升泄洪，每扇闸门由1台双缸液压启闭机驱动，每孔设置1个液压泵站和相应的现地控制单元（动力柜+控制柜）。主回路采用两台ATS48C型施耐德软启动器，用于液压启闭机油泵的软启动、软停车。

龙头石水电站泄洪闸门控制方式分为自动控制和手动控制。自动控制是泄洪闸门的常规操作方式，操作时将闸门控制方式切换开关切至“现地”/“远方”方式，油泵控制方式切换开关切到“自动”位置，在控制柜/中控室上位机上设置好闸门开度后，选择“开门”或者“关门”，在泄洪闸门到达设置的指定开度后，可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）程序自动停止油泵，实现泄洪闸门的自动启停控制。在自动控制方式失效的情况下，可采用手动控制方式操作闸门，将闸门控制方式和油泵控制方式均切到“手动”位置，可在控制柜上手动开启或手动停止油泵，实现紧急情况下的闸门操作控制。

2    事件经过

2019年3月24日凌晨2：14：18，在无任何操作的情况下，中控室上位机语音报警“1、3号泄洪洞1号油泵运行动作”;12 s后，“1、3号泄洪门全关复归”。2：15，当值值长在上位机相继下达“远方停止1、3号泄洪洞弧形门”指令、“远方关闭1、3号泄洪洞弧形门”指令。2：16“1、3号泄洪洞弧形门全关动作”，闸门远方全关正常，事件记录如表1所示。为避免晚间再次出现此故障，结合当晚上游来水量和上游水位，将1、2、3号泄洪洞弧形门控制方式切至“现地”，油泵控制方式切至“切除”位置。因发现、处置及时，事件未造成任何损失。

3    原因分析与处理

正常情况下，泄洪洞弧形门的默认控制方式为远方。泄洪洞弧形门远方操作（开启、关闭及停止）在厂房中控室操作员站完成，相关命令由二次室公用现地控制单元（Local Control Unit，LCU）通过通信下发至坝区闸首LCU A1柜，再经A2柜同一开出模块、不同开出继电器送至泄洪洞液压启闭机控制屏，最终由PLC开出模块、开出继电器驱动对应电磁阀，实现闸门的启闭操作。

事发时1、2、3号泄洪洞弧形门控制方式、油泵控制方式分别置于“远方”“自动”位置;故障发生后，现场查看1、2、3号泄洪洞控制屏，未见异常。

闸首现地控制单元LCU A2屏内CPU B掉电停止运行，柜内“R1 B机架电源开关2Q06S”状态为“分”（历史缺陷）;CPU A运行正常，通信模块、开入模块、开出模块、模拟量模块等运行正常。

通过核实，事发前，监控事件一览表中并无任何闸门操作指令记录，排除人为误操作原因。结合1、3号泄洪洞弧形门油泵运行、启门时间基本一致，初步排除1、3号泄洪洞弧形门液压启闭机控制柜内部故障可能。排查重点放在泄洪闸门远方操作公共回路上。查阅图纸，发现“1、2、3号泄洪洞工作闸门远方开启/停止/关闭”命令均由闸首LCU同一开出模块经不同继电器开出，因而故障范围缩小到闸首LCU及上级设备。查阅二次安防日志，未发现遭到攻击记录。闸首LCU程序及开出模块检查无异常。闸首LCU至1、3号泄洪洞电缆绝缘良好，至此，基本确定该事件由闸首LCU泄洪洞远方开启指令所在开出模块瞬时故障引起（见图1—4）。出于安全考虑，仍然决定对该开出模块进行更换。处理后，泄洪系统运行正常。

4    改进措施

4.1  存在问题

此次1、3号泄洪洞工作闸门未经操作而自动提升事件，充分暴露了闸门远方控制方式存在电气闭锁不完善的问题，在以下几种情况（运行人员在上位机误操作工作门、上位机H9000软件出错误开出命令、闸首LCU柜PLC故障误开出命令、泄洪洞工作门PLC故障误开出命令）发生时，泄洪洞工作门存在误动可能。为避免后期特别是在汛期，发生因闸门失控、危及水工建筑以及流域人民的生命财产安全的情况，决定对泄洪洞工作门操作回路进行优化—绕开H9000软件和所有PLC对工作闸门实行可靠闭锁，同时在闸门开启、关闭回路加入接通后延时断开时间继电器，防止PLC死机时，开启/关闭命令一直存在，导致闸门过度开启/关闭、损坏的情况发生。

4.2  电气闭锁方案

4.2.1  材料清单

材料清单如表2所示。

4.2.2  回路异动

（1）为方便操作，在中控室新增1个“泄洪闸门允许操作控制箱”，安装3个二位自保持切换开关SA1、SA2、SA3，分别用于1、2、3号泄洪洞远方“允许”或“禁止”操作（见图5）。

（2）新增中控允许远方自动操作回路（见图6—8）。当中控允许切换开关SA置于“允许”时，中间继电器KA20线圈励磁，其3对分别串入1号油泵、2号油泵自动控制回路及PLC控制回路的常开辅助接点闭合，允许1号油泵KA1、2号油泵KA2、闸门开启KA3/关闭KA4、闸门左KA5/右纠偏KA6的所有自動操作。反之，当中控允许切换开关SA置于“禁止”时，则禁止上述操作。

（3）新增“PLC控制”扩展继电器KC77（见图6—8），3对辅助常开接点分别用于：闸门闭锁反馈信号上送监控;与闸门开启继电器KA3/关闭继电器KA4辅助接点和新增的时间继电器KT1/KT2一起，完成对闸门开启/关闭电磁阀的延时断开控制，起到防止 PLC“闸门开启/关闭”开出接点“粘连”的作用。

（4）监控上位机增加“1—3号闸门允许自动操作”语音报警。中控允许切换开关SA置于“允许”时，“1—3号闸门允许自动操作”动作;反之则复归。

（5）泄洪洞工作门现地手动控制回路维持不变。

4.2.3  自动运行方式

（1）正常运行时将中控室“泄洪闸门允许操作控制箱”相应控制开关切“禁止”位置;此功能有禁止相应闸门误启动作用;可禁止相应闸门远方“自动”现地“自动”操作，现地“手动”操作则不受影响。

（2）每次自动操作前，将相应控制开关切至“允许”位置再操作，操作完毕，待闸门达到目标开度自动“停止”后，将相应控制开关切至“禁止”位置，防止闸门误动。

（3）操作时将“泄洪闸门允许操作控制箱”控制开关切“允许”，下达闸门开度目标值，在流程结束前，将控制开关切至“禁止”位置，闸门将“立即停止”，若此时将控制开关再次切回“允许”位置，闸门将继续动作，直至达到目标值，方才停止。

（4）当泄洪闸门开度达到目标开度仍没自动停止时，可立即点上位机“闸门系统设备控制”画面“停止操作”按钮或将中控室“泄洪闸门允许操作控制箱”对应泄洪闸门控制开关切至“禁止”，均可实现停门操作。

（5）单次操作满10 min（根据闸门动作速度设定）后，闸门控制回路（新装）时间继电器线圈失磁，切断回路，闸门立即停止;此时必须在上位机上点击“相应闸门操作停止按钮”方可复位，执行下次操作。

4.3  应用效果

经过调试和实际运行，技改后效果显著，操作简单;闸门运行稳定、可靠。

5    结语

此方案具有操作简单、可靠性高、改造投入低、实施难度小、维护费用少的特点。在充分利用既有资源（电缆备用芯、库存继电器等硬件和站内技术力量）的同时，仅通过在闸门自动控制回路末端加入硬件闭锁的方式，即从根本上解决了闸门误动的问题。闸门开启/关闭防粘连功能的引入更是有效地消除了闸门过度操作所带来的潜在风险。本次技改显著地提升了龙头石水电站泄洪闸门液压启闭机控制系统的可靠性，对兄弟单位具有一定的借鉴意义。