大峡水电站闸门及辅机控制系统改造综述

第３４卷第３期　水电站机电技术　Ｖｏ／．３４　Ｎｏ．３　２０１１年６月　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ＆Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｏｆ　Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ　Ｓｔａｔｉｏｎ　Ｊｕｎ．２０１１　３３　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）　摘　要：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。　关键词：闸门；辅机；设备；ＰＬＣ；软启动器；综述　中图分类号：ＴＰ２７３￣．５　文献标识码：Ｂ　文章编号：１６７２—５３８７（２０１　１）０３—００３３—０３　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６５　ｋｍ，为河床式径流电站，电站装机５　３溢洪道控制设备　台，４台机单机容量为７５　ＭＷ，１台机额定容量为２４．５　ＭＷ＇年　３．１改前设备概况　平均发电量为１４．６５亿ｋＷ・ｈ。第一台机组于１９９６年１２月投　大峡水电站溢洪道闸门为三扇，分别为左孔、中孔及右　产运行，１９９８年６月５台机组全部投产运行，电站主要任务是　孔。受控设备为２台７５　ｋＷ鼠笼式电动机和６个空载电磁阀、　发电，电站额定工作水头２３ｍ，相应总库容０．９亿ｍ’，为日调　６个加载电磁阀。控制设备由常规继电器、莫迪康ＰＬＣ控制器　节水库。电站采用发电机一变压器单元接线，２２０　ｋＶ侧为双母　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　线的主接线，两回出线，在系统中担任调频、调峰，系统不要求　现地设置闸门开度值，对控制方式进行切换才能实现。　做调相运行。　３．２改造原因　大峡水电站自投运以来，特别是辅机控制设备受当时设　溢洪道系统１９９６年投运，控制系统元器件老化，受早期　计思路、生产厂家工艺质量影响，设备故障率较高，维护工作　产品工艺影响，硬件老化严重，故障率相对较高。而且控制功　量大，给电站的自动化程度、经济运行带来一定的压力。为实　能单一，操作麻烦，维护工作量大，无法满足电站综合自动化　现电站“少人值班”（无人值守）这一目标，自２００４年逐步开始　管理的需求。　对大峡水电站闸门及辅机控制设备进行技术改造。　３．３改造后溢洪道闸门控制系统　１改造总体思路　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　（１）严格按照相关标准和规程进行设计。　如下：　（２）在设计时充分考虑原系统存在问题。　控制主机选用法国施耐德公司生产的ＴＳＸ　Ｐｒｅｍｉｕｍ系列　（３）控制功能先进，实现电机的轮换启动，操作、维护简便。　可编程序控制器（ＰＬＣ），ＴＳＸ　Ｐｒｅｍｉｕｍ　ＰＬＣ为模块化结构，系统　（４）系统设计要求控制系统简单、可靠、不留控制死区；系　包含中央处理器模块、开关量输入／输出模块（ＤＩ／ＤＯ）、模拟量　统组态配置、设备制造、电器元件选型方面，着重考虑原系统　输入／输出模块（ＡＩ／ＡＯ）等。　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　电源模块选用ＴＳＸ　Ｐｒｅｍｉｕｍ系列高密度ＰＬＣ专用电源模块　方式及人机对话等功能；主要核心控制部件采用ＰＬＣ控制器、　ＴＳＸ　ＰＳＹ　２６００Ｍ型，（ＡＣ２２０Ｖ供电）用于ＰＬＣ内部系统供电。　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　人机界面选用法国施耐德公司的ＸＢＴＧＴ２２２０真彩图形　分保证系统具有高可靠性、先进性和实用性。　操作员对话终端。　（５）实现各辅机设备信息与全厂监控系统的通信，以便集　软启动器选用法国施耐德电气公司ＡＴＳ一４８系列产品。　中控制与监测。　３．３．２控制主要功能　２设备选型基本原则　（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　（１）系统设备性能好、可靠性高、扩展性和网络性能好；　收稿日期：２０１卜０４—１ｌ　（２）利于我公司（大峡、小峡、乌金峡）电站的备品备件管　作者简介：关小刚（１９７４一），男，工程师，主要从事水电厂电气二次设备　理。　技术管理工作。　水电站机电技术　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　第３４卷　（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ＭｏｄｉｃｏｎＴＳＸＰｒｅｍｉｕｍＰＬＣ　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。　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ＰＩＥ控制，控制方式有工作、备用、工备自动轮　（３）闸门下滑自动提升功能：当闸门全开或局部开启位置　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３００ｒａｍ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　换、切除等方式。正常情况下以自动方式运行，工备自动轮换　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　停止后，具有闸门下滑自动回升功能，当闸门下滑２００ｍｍ（暂　．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　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　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ＰＩＥ，　电极控制器选用日本ＯＭＲＯＮ　６１Ｆ—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一５１ＬＢ２７＂２—２型，此变送器　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。　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　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。　监视。　鬻　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　（５）将系统故障信号，包括ＰＬＣ故障、电机故障、电源消失　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　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　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　适用性，易操作、维护简便。　４．１机组顶盖排水控制系统油压、油位，回油箱油位、油温。　４．２．２改造原凶　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　（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ＰＩＥ已经不再生产。　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　（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。　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。　（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。　（下转第３７页）　第３期　杨叶平，等：白山水力发电厂培训仿真系统的研究与实现　３７　４白山培训仿真系统关键技术　基于设备运行机理建立的水电站完整数字模型及其描　能，可以对复杂的控制流程进行建模。　５结束语及建议　白山仿真系统基于仿真软件平台ＯＴＳ２０００，实现了水电　站常见的正常操作（开机、停机、有功调节、无功调节等）的仿　真，也实现了常见的机械事故、电气事故的仿真。目前该系统　经过了电厂运行、维护人员的严格测试，已经正式投入了试　运行。自主研发的Ｓｉｍｕｌｏｇ语言是ＯＴＳ２０００的核心技术，它的　述解析方法是建立培训仿真系统的基础和核心，也是一直阻　碍培训仿真系统发展和应用的关键技术瓶颈。　国内水电站培训仿真系统的应用开发起步较晚，与电　网、火电、核电仿真系统的技术水平差距较大。目前国内外有　部分监控系统厂家和高等院校在进行水电站培训仿真系统　研究开发，但往往流于表面形式，仅仅是实现简单的培训功　能，而对仿真所必须的核心技术则没有进行更深入的研究。　成功研发和应用解决了阻碍培训仿真系统发展和应用的关　键技术瓶颈，具有一定的先进性。　参考文献：　在ＯＴＳ２０００的研制开发过程中，模型的建立以仿真对象　的生产工艺流程、系统结构设计、设计计算和运行数据资料　为依据，以实际物理运行机理为基础，符合控制理论原理、电　路电工原理、电力系统原理、水力学原理、电机学原理。同时　要充分利用国内外本领域已有的研究成果，消化吸收水电领　域丰富的数学方程、公式。模型的静态特性和动态特性与仿　真对象相同或相似。　［１王德宽，等．１】水电厂计算机培训仿真技术的设想与初步研　究Ｕ］．水电厂自动化，２０００，（３）．　［２】王德宽．培训仿真系统的ＳｉｍｕＬｏｇ语言及模型【『】．水电自　动化与大坝监测，２００３，（１）．　［３］王德宽．ＯＴＳ２０００系统的设计思想及功能实现们．水电自　动化与大坝监测，２００３，（２）．　Ｓｉｍｕｌｏｇ是中水科技自主创新的面向水电站仿真的过程　模型描述语言，经过多年的研发，该语言已经可以实现控制　［４】王德宽，等．Ｈ９０００　Ｖ４．０计算机监控系统技术特点概要Ⅱ］．　水电自动化与大坝监测，２００７，（３）．　流程的计算机描述和解析运行及水电站数学模型的计算机　描述和解析运行等功能。　Ｓｉｍｕｌｏｇ语言定义了丰富的语法规则，可以对连续／离散　系统、线性／非线性系统、简单／复杂系统、进行建模，模型的　［５】张毅，王德宽，等．面向巨型机组特大型水电站监控系统的　研制与开发Ｕ］．水电自动化与大坝监测，２００８，（１）．　ｆ６］王德宽，杨叶平，等．Ｈ９０００Ｖ４．０环境下的水电厂培训仿真　系统Ⅱ］．水电站机电技术，２００８，（３）．　解析运行具有较好的精度。Ｓｉｍｌｏｇ语言可以实现ＩＥＣ６１　１３１—３　国际标准ＰＬＣ编程语言（梯形图、结构化文本ｓＴ）的主要功　（上接第３４页）　（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　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　控制主机选用法国施耐德公司生产的ＴＳＸ　Ｐｒｅｍｉｕｍ系列　可编程序控制器（ＰＬＣ），ＴＳＸ　Ｐｒｅｍｉｕｍ　ＰＬＣ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　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。　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　（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。　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　（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。　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　５结束语　甘赢　、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＾值班”（少＾值守）的运行目标。　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