曹三順，王非

（廣東粵海飛來峽水力發(fā)電有限公司，廣東韶關512200）

1 引言

隨著新一輪信息化浪潮席卷全球，新一代信息技術與經(jīng)濟社會深度融合，智慧城市、智慧電網(wǎng)等概念正在由理論轉化為實際應用，真真切切地影響、改變著社會生活。水利部黨組歷來高度重視水利信息化建設，2017年2月陳雷部長在水利部科技委年會上指出，智慧水利建設相較于相關行業(yè)的智慧行業(yè)建設還有相當差距，與支撐水利現(xiàn)代化要求還有較大差距。傳統(tǒng)水利數(shù)以千萬計的業(yè)務數(shù)據(jù)僅局限于各系統(tǒng)使用，各專業(yè)融合性差，效率低，導致“信息孤島”現(xiàn)象的存在，決策效率低下。智慧水利建設已成為水利現(xiàn)代化的重要標志之一。

泄水閘承擔汛期飛來峽水利樞紐洪水調(diào)控的重要任務，是樞紐防汛抗洪的最重要設備。飛來峽水利樞紐泄水閘門啟閉機控制系統(tǒng)從建成到現(xiàn)在已有20 a的時間，現(xiàn)地控制系統(tǒng)及其上位機監(jiān)控軟硬件暴露出越來越嚴重的老化與兼容性問題，通過常規(guī)維護檢修已難以取得滿意的效果。為了響應水利部對智慧水利建設的新要求，搶占智慧水電廠建設的新陣地，同時為了消除樞紐防汛設備功能隱患，科學優(yōu)化控制流程，提高生產(chǎn)建設效率，盡責履行溢流壩調(diào)峰調(diào)洪、保一方平安的社會責任，溢流壩電控系統(tǒng)建設作為搭建一體化信息平臺中的首要業(yè)務被提上日程。

2 原系統(tǒng)結構及存在問題

2.1 原系統(tǒng)結構

飛來峽水利樞紐溢流壩由15孔泄洪孔和1孔排漂孔組成，閘門為潛孔式弧形鋼閘門。啟閉設備為雙吊點斜吊式固定卷揚啟閉機，容量為2×1 250 kN，揚程為16.5 m，吊點距8.4 m，起升速度1.16 m/min。左右側2套起升機通過中間同步軸連接，電動機型號為YZR250M1-835 kW，制動器為4套YWZ5-315/50電液塊式制動器，減速器型號為JZQ750-48.57。配置高度傳感器、主令控制器、荷重傳感器等安全裝置。每臺弧形鋼閘門均由對應的啟閉機來操作。

溢流壩泄水閘承擔汛期樞紐洪水調(diào)控的重要任務，是飛來峽水利樞紐最重要的防汛設備。溢流壩泄水閘門的啟閉，是通過控制系統(tǒng)對閘門啟閉機的操作來實現(xiàn)的。泄水閘門啟閉機控制系統(tǒng)分常規(guī)控制及PLC控制，從建成到現(xiàn)在已運行20 a時間。目前閘門運行方式有現(xiàn)地常規(guī)、現(xiàn)地PLC、遠方PLC和試控4種方式，其中閘門的常規(guī)動力控制回路為閘門最基礎的控制方式。

泄水閘門啟閉機控制系統(tǒng)控制對象主要為：溢流壩16孔溢洪孔閘門（其中15孔為帶胸墻的泄洪孔、閘門為潛孔式弧形鋼閘門，另1孔為排漂孔）以及溢流壩1#墩及中墩排水泵和3#副壩平板鋼閘門。飛來峽泄水閘門計算機監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡結構，如圖1所示。

圖1 飛來峽泄水閘門計算機監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡結構

2.2 存在問題

（1）由于運行時間過長、啟閉機又處于寬闊的江面上，空氣潮濕、環(huán)境溫度變化大的惡劣運行環(huán)境等因素影響，近年來設備已陸續(xù)出現(xiàn)器件氧化、老化和技術性能不穩(wěn)定的現(xiàn)象，導致汛期常發(fā)生因常規(guī)控制回路或動力回路出現(xiàn)問題而無法啟閉閘門或動力電源跳閘等技術故障，甚至出現(xiàn)控制柜內(nèi)線路自燃冒煙的現(xiàn)象，由此引發(fā)的后果不堪設想。

（2）上位機系統(tǒng)由于主機等硬件設備運行時間長，已經(jīng)出現(xiàn)較多硬件故障，更換主機后在Win7系統(tǒng)上無法運行原有的上位機組態(tài)軟件及數(shù)據(jù)庫，需要降級為WinXP操作系統(tǒng)才能使用。目前WinXP操作系統(tǒng)已停止安全更新，屬于淘汰操作系統(tǒng)，不能滿足電網(wǎng)考核要求，為此需要升級上位機軟硬件。

（3）閘門電氣控制系統(tǒng)分立元件較多，采用常規(guī)繼電器較多，而且設備選型比較落后，設備質(zhì)量比較差，在運行中出現(xiàn)設備老化、工作很不穩(wěn)定，繼電器之間的動作配合不好，經(jīng)常出現(xiàn)繼電器接點粘接、卡住，動作不可靠或跳動現(xiàn)象，引起控制電源和電機動力電源跳閘并有閘門操作失敗現(xiàn)象，從而造成閘門無法正常操作和影響了設備的安全運行。

（4）泄水閘門的GP-1312開度儀工作不穩(wěn)定，零點漂移和開度檢測誤差現(xiàn)象較普遍，從而使得監(jiān)控系統(tǒng)對閘門無法操作（開度在10 s內(nèi)無變化時，系統(tǒng)對閘門停止操作）或閘門關不到位的情況。荷重儀容易保護誤操作，導致無法操作閘門。

（5）閘門下降至全關位置時，限位行程開關下限節(jié)點提前動作，造成閘門關不到位、出現(xiàn)漏水的現(xiàn)象。

（6）原有的通信結構設計不合理，時常出現(xiàn)溢流壩監(jiān)控系統(tǒng)黑屏故障。

（7）分散的業(yè)務及數(shù)據(jù)流無法滿足智慧水利背景下的智慧電廠建設要求，急需搭建一體化平臺，對樞紐繁多的生產(chǎn)業(yè)務進行信息化整合，消除“信息孤島”現(xiàn)象。

3 系統(tǒng)改造目標及方案

3.1 改造目標

飛來峽水利樞紐按照在同一平臺實現(xiàn)對樞紐泄水閘、發(fā)電廠、船閘的監(jiān)控、監(jiān)測、監(jiān)視等不同業(yè)務的統(tǒng)一協(xié)同管理目標要求，利用此次溢流壩電控系統(tǒng)改造完成樞紐智慧電廠一體化平臺初步搭建工作。

3.2 改造方案

此次只針對15孔泄洪孔潛孔式弧形鋼閘門的啟閉控制系統(tǒng)進行改造，擬采用的方法及內(nèi)容如下。

（1）拆除15孔弧形閘門啟閉機原有的30臺35 kW繞線式電動機，按設計更換成30臺37 kW重載變頻電動機。

（2）拆除15孔弧形閘門啟閉機原有的常規(guī)控制柜、PLC控制柜和加速電阻箱，按設計更換成重新配置組裝的變頻啟動柜、PLC控制柜和變頻器制動電阻柜，包括控制柜基礎安裝及電纜防火封堵。

（3）拆除1面泄水閘公用PLC控制柜，按設計更換成重新配置組裝的PLC控制柜，包括控制柜基礎安裝及電纜防火封堵。

（4）拆除15孔弧形閘門啟閉機原有的荷重傳感器、閘門限位主令控制器和閘門位置傳感器，更換成新型閘門荷重開度傳感器。

（5）拆除原有的電纜，重新敷設15孔弧形閘門啟閉機的動力和控制電纜。

（6）更換溢流壩1#墩及中墩排水泵PLC控制柜中的PLC控制器。

（7）按設計完成泄水閘所有現(xiàn)地控制設備的組網(wǎng)，采用星型以太網(wǎng)冗余設計。

（8）泄水閘監(jiān)控系統(tǒng)上位機監(jiān)控畫面組態(tài)開發(fā)。

（9）對所有更換的PLC設備進行防雷設計。

4 系統(tǒng)改造亮點

（1）換裝重載變頻電動機。相比于繞線式電動機，重載變頻電動機具備啟動功能，采用電磁設計，可以減少電機定子和轉子的內(nèi)阻值，減少了熱消耗，提升了電機效率，在一定程度上節(jié)能，并可以適應不同工況條件下的頻繁變速要求。

（2）采用變頻啟動控制方式。變頻啟動控制方式可以大大簡化控制回路元器件的投入，充分合理設計柜內(nèi)控制元件的布置；可以實現(xiàn)低壓啟動，啟動電壓適應范圍寬泛，降低啟動電流，減少對廠用電系統(tǒng)的沖擊；多重保護使變頻器高度智能化，如集成閘門雙臂測重、過載保護、“防溜車”等功能，不僅能保護自身的安全正常使用，而且大大保護了前后級設備的安全運行。

（3）增設移動式應急變頻柜。在現(xiàn)場增加1套移動式應急變頻柜作為緊急備用措施，能較好地滿足泄水閘門啟閉可靠性要求。移動式應急變頻柜包含與2臺37 kW變頻電機匹配的90 kW重載變頻器和斷路器，變頻器輸入輸出端配長3 m的電纜及接線頭和長3 m的變頻器制動電阻應急接入電纜及接線頭，柜面配急停、上升、下降按鈕以應急操作閘門。

（4）新裝控制柜及啟動柜等進行特別定制設計，穩(wěn)固且通風性能良好，具備防鼠功能，并配有防潮、防腐、散熱裝置，可以有效解決潮濕江面及鼠蟲害對閘門控制設備的危害，消除惡劣環(huán)境對設備穩(wěn)定運行的隱患。

（5）系統(tǒng)監(jiān)控及通信結構改進。泄水閘計算機監(jiān)控系統(tǒng)采用星形冗余以太網(wǎng)網(wǎng)絡，如圖2所示。系統(tǒng)設置2臺工業(yè)以太網(wǎng)交換機，工作站、現(xiàn)地LCU以雙以太網(wǎng)口接入這2臺以太網(wǎng)網(wǎng)絡交換機。系統(tǒng)由現(xiàn)地各LCU與中控層工作站組成網(wǎng)絡節(jié)點，各網(wǎng)絡節(jié)點通過雙以太網(wǎng)接口設備與以太網(wǎng)網(wǎng)絡交換機相連組成星型雙光纖冗余100 M/1 000 Mbps Ethernet交換網(wǎng)絡。雙網(wǎng)互為熱備用。

圖2 泄水閘計算機監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲

（6）雙冗余設計。現(xiàn)地LCU采用冗余設計，對PLC電源、CPU、通信模塊采用冗余配置，實現(xiàn)了雙光纖網(wǎng)絡冗余、雙服務器數(shù)據(jù)庫冗余配置、每套LCU交直流2種供電方式，光纖電纜均重新選型、重新拉接，系統(tǒng)面貌煥然一新，可靠性大大增強。

（7）一體化平臺的初步搭建。一體化平臺為水電廠運行和管理提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理、服務以及界面定制，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、集中管控與協(xié)同互動的軟硬件平臺。溢流壩泄水閘門控制系統(tǒng)設計本著統(tǒng)一、開放的原則，在一體化平臺上進行開發(fā)，支持IEC61850、IEC61970標準，基于面向服務構架（SOA）。操作系統(tǒng)采用成熟安全的適合于開放環(huán)境的實時多任務多用戶操作系統(tǒng)。軟件支持跨平臺，支持在Unix/Linux及Windows操作系統(tǒng)上統(tǒng)一部署。這為整個樞紐構建統(tǒng)一開放協(xié)同的信息系統(tǒng)平臺，建設和諧、智慧的水利樞紐工程打下一體化平臺基礎。

泄水閘門計算機監(jiān)控系統(tǒng)采用一體化平臺設計，分布在安全Ⅰ區(qū)，配置1臺數(shù)據(jù)服務器，能采集閘門監(jiān)控系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)外，還能采集將來的電站監(jiān)控系統(tǒng)或其他部署在安全Ⅰ區(qū)的業(yè)務系統(tǒng)的數(shù)據(jù)；配置1臺歷史數(shù)據(jù)服務器和2臺工作站，工作站部署泄水閘計算機監(jiān)控系統(tǒng)應用，完成泄水閘監(jiān)控系統(tǒng)的所有功能，其中至少1臺工作站具有編輯功能。系統(tǒng)能與將來的Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)實現(xiàn)跨區(qū)數(shù)據(jù)同步。Ⅲ區(qū)配置1臺歷史數(shù)據(jù)服務器，部署與Ⅰ區(qū)統(tǒng)一的一體化平臺，實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的轉儲與管理，為設備或系統(tǒng)接入以及應用組件運行提供標準接口。

5 系統(tǒng)試運行情況

據(jù)生產(chǎn)運行及檢修人員反饋，泄水閘門電控系統(tǒng)完成改造、運行一段時間以來，總體運行平穩(wěn)，現(xiàn)地、遠方操作閘門流程順暢，閘門啟閉既可中控室選孔走全流程控制也可現(xiàn)地循序漸進式完成，自動化元器件動作可靠，監(jiān)控系統(tǒng)無關鍵設備報警、跳閘故障信息報送，事件日志可循、可查，報表數(shù)據(jù)打印準確。更為重要的是完成一體化平臺的初步搭建工作，劃分了生產(chǎn)與管理信息大區(qū)，為樞紐相關生產(chǎn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接入預留數(shù)據(jù)接口，為未來飛來峽智慧水電廠的建設鋪平了道路。

6 結語

飛來峽水利樞紐是北江流域綜合治理和開發(fā)利用的關鍵性工程，是廣州市及珠江三角洲重要的防洪屏障，防洪設備的安全就是人民生命財產(chǎn)的安全，防汛工作一定要做好，不容半點馬虎。做好泄水閘門的運行保障工作，為做好防汛工作邁出了堅實的一步。本文淺析了基于一體化平臺的飛來峽水利樞紐泄水閘門的控制系統(tǒng)改造技術難點、亮點，希望對相關行業(yè)及單位的技術改造工作有一定的幫助與借鑒意義。