二滩水力发电厂大坝闸门的计算机远程控制改造

丁泽涛 郑德芳 李桃 周佳

【摘 要】大坝闸门计算机监控系统按照“无人值班、少人值守”的要求设计 ，利用计算机进行自动化监测和控制 ，实现闸门的远程控制。本文介绍了二滩水电厂大坝闸门计算机监控系统LCU改造总体要求，总体施工方案和新改造LCU系统配置情况及功能实现方式。重点阐述了自动控制系统的网络构建，以及系统的软、硬件设计和闸门的控制原理，为大型水电站大坝闸门计算机监控系统LCU改造提供参考方案。

【关键词】大坝闸门;现地控制单元LCU;改造;远程控制

0 引言

二滩电厂原计算机监控系统由德国ABB公司提供，采用总线式冗余光纤以太网逻辑结构，用于监视和控制6台水轮发电机组、18台单相主变压器、500kV GIS开关站、大坝闸门、进水口快速闸门、水工泄洪闸门、6kV厂用电、辅机等设备。通过计算机监控系统可以远程操作表孔闸门、中孔闸门、底孔闸门、泄洪洞闸门;可以监视表孔闸门、中孔闸门、底孔闸门、泄洪洞闸门的开度、当前位置状态等相关信息和状态以及各类闸门对应的油泵、油位、电机的相关信息和状态;同时可以监视泄洪洞配电室、表孔配电室、中底孔配电室、坝体深井泵配电室相关的400V开关的状态指示以及坝体深井泵的水位、流量、电机状态的相关信息和状态。该系统自1998年投产以来，已连续运行14年，超过了设备使用寿命。近几年来，备品停产、设备缺陷频发，系统不够开放等问题日益严重。因此，二滩水电站于2013年初正式启动了计算机监控系统改造项目。[1-2]

在二滩水力发电厂整个计算机监控系统改造项目之中，大坝闸门LCU改造难度大，风险高且改造期已处于年度防汛初期，改造成功与否直接影响到闸门的远程控制及防汛工作。二滩电厂闸门监控系统的主要监控对象及功能包括： 7个表孔闸门，6个中孔闸门，4个底孔闸门和2个泄洪洞闸门开度监视及闸门远方自动/现地手动控制;动力电源电压、各阀组的油压监视;中控室主控级与闸门现地控制站的PLC 的通讯;计算机人机操作界面、运行监控、系统诊断等。因此，本次改造工作在整个改造施工过程中除了保持原有闸门控制流程及方式不变外，还需对闸门的计算机远程控制进行優化。

1 系统结构

安德里茨计算机监控系统主要由SAT 250 SCALA控制室系统和AK1703智能PLC自动化装置组成，其显著的特点：采用了全智能的监控部件和模件，所有I/O模板都是智能模板，板上带有处理器，在真正的意义上做到了全分布、智能分散、功能分散、危险分散的计算机监控系统，大大提高了系统的可靠性、可用性。

控制中心主站系统SAT 250 SCALA系统具有极高的适应性、稳定性、灵活性和安全性。该主站系统基于客户/服务器结构，服务器具有多客户机支持能力，具有很高可用性、最佳的实时多任务处理以及完美的功能集成化等特点。整个主站网络结构采用当今最新以太网技术——交换式冗余以太网，通信规约采用基于TCP/IP的IEC60870-5-104国际标准规约。网络上接入的每一个设备都具有自己特定的功能，实现了功能的分布，这样既具备了网络某一设备故障只影响局部功能的优点，又利于今后功能的扩充。

智能控制器AK1703 ACP是适用于中小型至超大型水电站、抽水蓄能电站的新一代综合式、开放式、智能化、标准化的现地控制单元（LCU），以开放式结构和分布式处理特点而著称。AK1703为模块化插槽式结构，硬件、软件功能全部分散，它在通讯及处理能力、通信接口和规约、可靠性和软件设计等方面与常规的PLC有着本质区别。

二滩电厂闸门计算机远程控制系统采用了全计算机控制的分层分布式系统结构，节点功能、资源相对独立而又便于为其他节点共享， 监控系统由主控级和现地控制单元（LCU）级组成。主控级与LCU级2层之间采用双以太网结构， 构成高可靠的网络系统。系统采用高性能的网络交换机进行网络连接及通信， LCU 与交换机之间的传输介质为光纤， 具有较高的传输速率和良好的抗电磁干扰能力。主控级实现对被监控对象的监控外，是整个闸门监控系统的控制核心。LCU 级设5套现地集中控制单元，负责对现场数据的采集和处理，并19个闸门进行远程控制。现地控制单元（LCU）还可接收闸门现地开度数显仪传输的4 ～ 20 mA 电流信号作为闸门开度信号，在监控系统上用以显示闸门实际开度，闸门系统整体结构布置如图1 所示。

图1 二滩电厂大坝闸门计算机远程控制系统结构

2 系统配置情况及功能实现

大坝闸门的计算机远程控制由大坝闸门及表孔控制系统、泄洪洞闸门控制系统、中孔闸门控制系统、底孔闸门控制以及坝体深井泵控制系统组成。其中泄洪洞闸门控制系统、中孔闸门控制系统、底孔闸门控制以及坝体深井泵控制系统通过远程接口RIO经交换机与大坝闸门及表孔控制系统链接，采集的数据经大坝闸门及表孔控制系统处理后送至监控系统上位机。上位机作为远程操作平台对闸门进行远端控制。各个站级计算机与LCU 采用工业以太网连接， 网络通信介质为光纤， 组成一个分层分布式的网络控制系统。

2.1 上位机设计

安德里茨250SCALA上位机系统基于Windows操作平台，视窗操作，全汉化显示，采用文字、声音、图形、图像等手段，把工作人员的操作、事故、故障、参数越限等情况均作提示。250SCALA上位机系统具有数据采集、数/模转换、控制和调节、优化运行、数据通信、记录、管理、运行状态显示、图表打印等功能。主服务器为SUN公司生产的SUN ORACLE SPARC T4-1高档服务器。两台数据服务器的配置相同，操作系统采用Solaris 10 系统，以冗余热备用方式工作，主备切换无扰动地完成。操作员站为HP公司生产的HP DL380p GEN8。操作系统采用Windows Server2008 R2 Standard 64-bit系统。工程师站服务器为三台HP 公司生产的HP DL380p GEN8。3台工程师站配置相同，其中一台为移动工程师站。操作系统采用Windows Server 2008 R2 Standard 64-bit系统。

2.2 现地控制单元设计

二滩水电站现地控制单元系统采用安德里茨智能控制器AK1703，此设备基于32位微处理器技术，采用多CPU体系结构。而且它的每个I/O模板也都带有各自的CPU，从而具有广泛的通信方式和庞大的通信能力，可以配置各种通讯方式（以太网、现场总线、串口等） 和一百余种通信规约。在控制装置AK1703 中配置了独立冗余功能，外置的SM-2556以太网通信模板采用国际电力标准规约IEC60870-5-104，通信速率10 /100 M自适应，从而实现了与地下厂房交换机或地面中控室交换机的冗余通信。其中泄洪洞闸门控制系统、中孔闸门控制系统、底孔闸门控制以及坝体深井泵控制系统采用安德里茨远程智能控制器TM1703，此设备采用32位低功耗微处理器技术、多处理器体系。主要完成TM1703 ACP的通信、经由外围I/O模板的周期性或自发性数据采集及处理、控制输出等功能。每块主控模板与各I/O外设采用Ax-Bus实现通信连接。

2.3 控制部分软件设计

软件部分主要由PLC 控制及通信程序、大坝闸门监控系统相关通信程序、相关的人机界面和文字及报警程序组成。PLC采用Siemens AK1703系列，CPU 为CP-2017，PLC 程序采用CAEx Plus编程软件编写，采用使用功能图编辑器（FBD-编辑器）来实现编程。用户可利用SAT250软件下达对闸门的控制命令， 同時能够在界面上看到闸门的实时状态。所发送指令在全厂监控以太网中将以广播通信的方式寻找相对应的接收控制源站，然后通过程序按IEC104通信协议发送垂询指令，观察响应数据情况，实现对闸门的状态监视与控制。

2.4 闸门控制流程

基于设备的安全性及控制的可靠性考虑， 将控制权划分为现地控制，电站级控制和流域集控级控制3个级别，并且现地控制操作的优先级优于主控级控制。当控制权在电站级控制和流域集控级时，PLC智能模块接收由监控系统发送的控制命令，实现对闸门的控制， 通过监控系统上的“全厂集控中心”控制权切换按钮，运行人员可将控制权切换至现地控制;在现地控制方式下，发送的监控命令会被闭锁，此时监控系统只能监视闸门状态，启闭闸门需通过闸门现地触摸屏来进行。在现地触摸屏上不但设有闸门的控制， 还集合了闸门各类状态的监视、故障报警、流程报警等内容，使运行人员即使在现地也能像在中控室一样， 对闸门的相关信息了如指掌。

2.5 闸门操作方式

闸门操作方式分为现地操作和远方操作。大坝闸门远程控制有以下两种方式：开度值设定法（如图2所示）和监控系统命令开出法（如图3所示）。

图2 开度值设定法远程控制方式

图3 监控系统命令开出法远程控制方式

2.6 上位机与现地控制级的网络通信

主控级与现地控制级的通信介质为光纤， 通信速率为自适应100 Mbit· s-1/10 Mbit·s-1， 网络结构采用快速工业以太网。LCU 的PLC 通过其以太网单元与光电收发器相连， 主控级上位机的以太网卡通过集线器与光电收发器相连。

3 结语

二滩水力发电厂大坝闸门的计算机远程控制系统改造完成至今已安全稳定运行一年，实际运行证明，二滩水力发电厂大坝闸门的计算机远程控制系统改造过程中系统规划和设计合理，运行稳定，满足了改造总体要求，改造后达到了安全、可靠、经济、实用的设计目标，减轻了运行人员的劳动强度，满足了“无人值班，少人值守”的要求，为二滩水力发电厂的安全生产提供了一个现代化的技术手段，可作为大型水电站计算机监控系统闸门控制系统技术改造的参考。

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[责任编辑：许丽]