陳樂鋒

(永嘉縣水利局沙頭水利管理所，浙江 永嘉　325100)

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淺析楠溪江供水工程攔河閘自動(dòng)化控制應(yīng)用

陳樂鋒

(永嘉縣水利局沙頭水利管理所，浙江 永嘉325100)

【摘要】近年來(lái)，隨著科技水平的不斷提高，自動(dòng)化控制技術(shù)在水利工程中得到了廣泛應(yīng)用。通過自動(dòng)化控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)閘門等機(jī)械設(shè)備的自動(dòng)化控制，既提高水利工程的運(yùn)行響應(yīng)能力，又能做到及時(shí)準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)流量，合理利用水資源，保障下游的防汛防洪安全。本文主要介紹楠溪江供水工程自動(dòng)化控制系統(tǒng)對(duì)閘門及相關(guān)水位的有效監(jiān)控和調(diào)度，該系統(tǒng)可逐步實(shí)現(xiàn)水利工程運(yùn)行管理無(wú)人值守的目標(biāo)。

【關(guān)鍵詞】供水工程； 自動(dòng)化控制； 應(yīng)用

1工程概況

楠溪江供水工程(原稱永樂引水工程)引楠溪江水向附近縣市提供生活生產(chǎn)用水。主要由攔河閘和輸水系統(tǒng)組成，攔河閘位于楠溪江下游沙頭鎮(zhèn)高浦村，輸水系統(tǒng)位于永嘉縣—樂清市境內(nèi)，總長(zhǎng)約18km。攔河閘設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，屬Ⅱ等工程，共設(shè)14孔泄洪閘和2孔流量調(diào)節(jié)閘，配16臺(tái)固定卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)。楠溪江供水工程是一座以供水為主、防洪發(fā)電為輔的綜合水利樞紐工程[1]。

規(guī)劃與楠溪江上游擬建的南岸水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度，提高楠溪江供水工程的供水保證率，并將供水范圍逐步擴(kuò)大至其他沿海缺水地區(qū)。

2攔河閘自動(dòng)化控制系統(tǒng)

楠溪江供水工程攔河閘自動(dòng)化控制系統(tǒng)以安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行等原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用以計(jì)算機(jī)監(jiān)控和PLC為主、常規(guī)手動(dòng)控制為輔的監(jiān)控方式。計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)分為集控中心控制層和現(xiàn)地控制層[2]。分別執(zhí)行對(duì)管理大樓配電室電氣設(shè)備、攔河閘1～2號(hào)流量調(diào)節(jié)閘門、1～14號(hào)泄洪閘門、輸水隧洞進(jìn)口工作閘門、輸水隧洞出口檢修閥門及流量計(jì)等進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和安全監(jiān)視，完成供水工程上游來(lái)水流量計(jì)算、攔河閘下泄流量計(jì)算、輸水隧洞輸水流量及水量累計(jì)計(jì)算。同時(shí)根據(jù)實(shí)際情況，向上級(jí)調(diào)度系統(tǒng)傳送整個(gè)供水工程的運(yùn)行參數(shù)、信息數(shù)據(jù)和實(shí)況圖像，及時(shí)反饋?zhàn)钚滤昵?，并接收和?zhí)行上級(jí)調(diào)度系統(tǒng)的控制命令。

3供配電工程配置

3.1供電系統(tǒng)

攔河閘由35kV沙頭變電所(2×6.3MVA)10kV專用架空線路供電，另配置1臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組作為攔河閘啟閉設(shè)施的備用電源。

3.2電氣主接線

綜合攔河閘的用電負(fù)荷，考慮適當(dāng)裕度，選配1臺(tái)SC10-400/10型變壓器作為主用電源，選配1臺(tái)P380E型柴油發(fā)電機(jī)組作為備用電源。配電裝置選用2塊MNS型低壓配電屏和1塊無(wú)功補(bǔ)償屏。

4自動(dòng)化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

自動(dòng)化控制系統(tǒng)主要以計(jì)算機(jī)與PLC為控制主體，由于PLC具有高性能、功能完善、高運(yùn)算速率的高級(jí)、多任務(wù)操作系統(tǒng)環(huán)境等，閘門控制系統(tǒng)采用Modicon M340PLC為現(xiàn)地電氣控制核心，通過以太網(wǎng)交換機(jī)等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備連接，采用外向式分布結(jié)構(gòu)，可分為集控中心控制層和現(xiàn)地控制層(見下圖)。

楠溪江供水工程計(jì)算機(jī)控制結(jié)構(gòu)圖

4.1集控中心

集控中心控制層是楠溪江供水工程及沙頭水電站集中監(jiān)控和生產(chǎn)運(yùn)行部門，是實(shí)現(xiàn)供水工程各閘站集中管理、優(yōu)化調(diào)度的技術(shù)平臺(tái)。集控中心接受上級(jí)調(diào)度系統(tǒng)調(diào)控指令，統(tǒng)一負(fù)責(zé)供水工程生產(chǎn)運(yùn)行設(shè)備的安全監(jiān)視、遠(yuǎn)程控制等工作，并嚴(yán)格按照相關(guān)操作規(guī)程規(guī)章執(zhí)行調(diào)度指令，確保供水工程正常運(yùn)行[3]。

集控中心設(shè)主計(jì)算機(jī)和若干磁盤陣列設(shè)備，配套設(shè)置操作員工作站、工程師及培訓(xùn)工作站、通信工作站、On-call工作站、GPS裝置、UPS電源等。主控計(jì)算機(jī)安裝在管理辦公樓中控室，通過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，與各個(gè)現(xiàn)地控制層子站實(shí)時(shí)通訊，雙機(jī)互為冗余熱備用運(yùn)行方式，具有反應(yīng)快、相互切換無(wú)擾動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)。

集控中心具體功能包括：實(shí)現(xiàn)對(duì)各閘站信息的遙測(cè)遙信及數(shù)據(jù)處理；實(shí)現(xiàn)對(duì)各閘站的遙控遙調(diào)；運(yùn)行人員控制臺(tái)控制；事件順序記錄；實(shí)現(xiàn)對(duì)重要數(shù)據(jù)的事故追憶；安全運(yùn)行監(jiān)視；打印記錄；屏幕顯示；實(shí)現(xiàn)對(duì)各閘站的運(yùn)行管理；實(shí)現(xiàn)對(duì)各閘站的運(yùn)行指導(dǎo)；實(shí)現(xiàn)自診斷、自恢復(fù)與通道監(jiān)視；語(yǔ)音報(bào)警及信息服務(wù)(On-call)；時(shí)鐘同步功能；數(shù)據(jù)通信功能；系統(tǒng)維護(hù)、軟件開發(fā)及人員培訓(xùn)功能。

4.2現(xiàn)地控制設(shè)備

現(xiàn)地控制層主要由攔河閘深槽區(qū)現(xiàn)地控制單元(LCU1)、攔河閘淺灘區(qū)現(xiàn)地控制單元(LCU2)、隧洞進(jìn)水口現(xiàn)地控制單元(LCU3)和出口流量測(cè)量井現(xiàn)地控制單元(LCU4)等組成。每個(gè)LCU均是智能型并具有可編程能力。LCU由CPU、內(nèi)存、智能輸入/輸出接口及相應(yīng)軟硬件組成，LCU包括人機(jī)對(duì)話接口設(shè)備。手動(dòng)分步集中操作可通過現(xiàn)地控制單元實(shí)現(xiàn)[5]。

計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)操作員工作站，通過光纖以太網(wǎng)與LCU1～3連接，通過電信網(wǎng)與LCU4連接。LCU1通過RS485接口以現(xiàn)場(chǎng)總線方式與攔河閘調(diào)流閘門電控柜、深槽區(qū)1～6號(hào)泄洪閘電控柜、閘壩配電變低壓側(cè)電力監(jiān)測(cè)儀、電度表等連接；LCU2通過RS485接口以現(xiàn)場(chǎng)總線方式與淺灘區(qū)7～14號(hào)泄洪閘電控柜等連接。集控中心計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)通過遠(yuǎn)程以太網(wǎng)與遠(yuǎn)方調(diào)度控制中心計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)連接。

現(xiàn)地控制單元(LCU)相對(duì)于集控中心控制級(jí)具有自主性，能脫離集控中心控制級(jí)，直接完成生產(chǎn)過程中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和相應(yīng)處理、自身單元設(shè)備狀態(tài)零監(jiān)視、調(diào)控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等工作。現(xiàn)地控制單元對(duì)其管轄的生產(chǎn)過程進(jìn)行全方位監(jiān)控，由輸入接口、輸出接口和生產(chǎn)狀態(tài)相互連接，再通過通信接口接到以太網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)外聯(lián)設(shè)備上，與相關(guān)設(shè)備和控制級(jí)交換信息，并進(jìn)行下一步動(dòng)作。

4.3攔河閘電控系統(tǒng)

攔河閘所有閘門啟閉設(shè)備的在線自動(dòng)控制和調(diào)節(jié)功能，均由計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)完成。同時(shí)，集控中心計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)還接受遠(yuǎn)方調(diào)度控制中心的調(diào)度控制指令。所有設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)的在線監(jiān)測(cè)、事件順序記錄、故障和事故報(bào)警(含畫面和語(yǔ)音報(bào)警)、事故追憶、畫面顯示、運(yùn)行情況記錄及報(bào)表打印等功能均由計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)完成。攔河閘每個(gè)閘門電控柜由小觸摸屏、PLC、閘門開度儀和動(dòng)力回路等組成。

4.4圖像監(jiān)視系統(tǒng)

圖像監(jiān)視系統(tǒng)主要由圖像工作站、視頻切換矩陣、畫面分割器、彩色監(jiān)視器及前端設(shè)備(攝像機(jī)等)組成，是圖像監(jiān)視系統(tǒng)的核心。采用1臺(tái)高性能工控機(jī)，配1套視頻管理軟件。視頻切換矩陣的視頻信號(hào)被接收，變換和處理視頻信號(hào)，控制攝像機(jī)的方位和光學(xué)參數(shù)。圖像工作站和圖像監(jiān)視器布置在集控中心控制室操作臺(tái)上。集控中心可向遠(yuǎn)程調(diào)度中心傳送實(shí)時(shí)圖像信號(hào)[2]。

4.5水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

閘壩上、下游分別安裝一套水位變送器，用于監(jiān)測(cè)水位。

5控制和監(jiān)控方式

供水工程深槽段1～6號(hào)孔泄洪閘工作閘門選用QXQ-2×375kN卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)，設(shè)備負(fù)荷18.50kW；淺灘段7～14號(hào)孔泄洪閘工作閘門選用QXQ-2×250kN卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)，設(shè)備負(fù)荷18.50kW。調(diào)流閘門選用QXQ-2×150kN卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)，設(shè)備負(fù)荷11kW。

現(xiàn)地操作方式可分為純自動(dòng)和手動(dòng)兩種方式。在現(xiàn)地控制柜上又有手動(dòng)、自動(dòng)、集控三種狀態(tài)選擇，操作人員可根據(jù)不同情況，有效對(duì)設(shè)備的控制方式進(jìn)行設(shè)置，適合在不同工況下工作[4]。

5.1自動(dòng)方式

在現(xiàn)地控制柜觸摸屏上預(yù)設(shè)不同高度，通過PLC進(jìn)行自動(dòng)控制。當(dāng)控制系統(tǒng)工作時(shí)，裝在設(shè)備上的傳感器將行程變化以同步串聯(lián)信號(hào)輸出，再由現(xiàn)地PLC采集分析后進(jìn)行處理，根據(jù)事先建立的閘門實(shí)際開度關(guān)系判斷閘門位置，做出相應(yīng)動(dòng)作。

5.2純手動(dòng)方式

由JSS48A-S循環(huán)定時(shí)時(shí)間繼電器進(jìn)行操作控制，是一種人工應(yīng)急方式，讓操作人員獨(dú)立于計(jì)算機(jī)和PLC直接對(duì)閘門進(jìn)行相應(yīng)控制。各閘門之間均有現(xiàn)地控制柜，各自監(jiān)視自身閘門的開度及相應(yīng)數(shù)據(jù)，也可相互監(jiān)視其他閘門的操作數(shù)據(jù)和閘門開度。

6攔河閘的運(yùn)行分析

攔河閘分為右側(cè)深槽擋水閘段、右岸調(diào)流閘門和魚道組成。庫(kù)前水位不同狀況下保持在8.8～9.1m，確保對(duì)樂清的日常供水。

攔河閘電氣負(fù)荷：6臺(tái)泄洪閘啟閉機(jī)電動(dòng)機(jī)容量為22kW，8臺(tái)泄洪閘和2臺(tái)流量調(diào)節(jié)閘啟閉機(jī)電動(dòng)機(jī)容量為11kW。攔河閘由35kV沙頭變電所(2×6.3MVA)10kV專用架空線路供電，設(shè)SC10-400/10型變壓器1臺(tái)，另配置1臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組作為備用電源。

攔河閘各閘門的操作控制采用計(jì)算機(jī)集中監(jiān)控與現(xiàn)地分散控制兩種方式，并設(shè)圖像監(jiān)視系統(tǒng)[3]。

a.深槽段工作閘門及啟閉設(shè)備。深槽段泄洪閘共設(shè)6孔，底坎高程1.50m，孔口尺寸(寬×高)為12m×8m，閘門設(shè)計(jì)水頭8.00m。

固定卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)容量為2×375kN，一門一機(jī)設(shè)置以迅速開啟孔口，下泄洪峰。啟閉機(jī)除配置位置和荷載保護(hù)裝置外，為適應(yīng)計(jì)算機(jī)監(jiān)控的要求，還應(yīng)配置數(shù)字式閘門開度儀和數(shù)字式荷載顯示儀。

閘門動(dòng)水啟閉，當(dāng)庫(kù)水位超過9.10m時(shí)，開啟閘門泄洪。該工程深槽段泄洪閘的調(diào)度運(yùn)用原則：當(dāng)入庫(kù)流量小于引水流量時(shí)，泄洪閘全關(guān)；當(dāng)入庫(kù)流量大于引水流量時(shí)，配合流量調(diào)節(jié)閘門，逐步開啟泄洪閘，使泄水量(含引水流量)等于入庫(kù)量，保持庫(kù)水位在正常水位9.10m，直至泄洪閘全開。閘門在泄洪運(yùn)行時(shí)，嚴(yán)禁閘門上、下部同時(shí)過流。

b.淺灘段工作閘門及啟閉設(shè)備。淺灘段泄洪閘共設(shè)8孔，底坎高程3.00m，孔口尺寸(寬×高)為12m×6.5m，閘門設(shè)計(jì)水頭6.5m。

固定卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)容量為2×250kN，一門一機(jī)設(shè)置以迅速開啟孔口，下泄洪峰。啟閉機(jī)除配置位置和荷載保護(hù)裝置外，為適應(yīng)計(jì)算機(jī)監(jiān)控的要求，啟閉機(jī)還應(yīng)配置數(shù)字式閘門開度儀和數(shù)字式荷載顯示儀。

閘門動(dòng)水啟閉，當(dāng)庫(kù)水位超過9.10m時(shí)，深槽閘門已部分投入使用，下游水位高于4.10m時(shí)可根據(jù)需要開啟淺灘泄洪閘。該工程泄洪閘的調(diào)度運(yùn)用原則：當(dāng)入庫(kù)流量小于引水流量時(shí)，泄洪閘全關(guān)；當(dāng)入庫(kù)流量大于引水流量時(shí)，逐步開啟泄洪閘，使泄水量(含引水流量)等于入庫(kù)量，保持庫(kù)水位在正常水位9.10m，直至泄洪閘全開。閘門在泄洪運(yùn)行時(shí)，嚴(yán)禁閘門上、下部同時(shí)過流。

c.流量調(diào)節(jié)閘工作閘門。攔河閘右岸布置兩孔流量調(diào)節(jié)閘，底坎高程1.50m，孔口尺寸(寬×高)為5m×8.0m，閘門設(shè)計(jì)水頭8.00m。

閘門動(dòng)水啟閉，工程正常引水時(shí)，當(dāng)入庫(kù)流量大于引水流量且所需下泄流量較小時(shí)(Q<163m3/s)，開啟該閘門調(diào)節(jié)流量，維持庫(kù)水位不超過9.0m。當(dāng)工程泄洪所需下泄流量大于163m3/s時(shí)，逐步開啟攔河閘升臥閘門泄洪。

固定卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)容量為2×150kN，一門一機(jī)設(shè)置以迅速開啟孔口，下泄洪峰。啟閉機(jī)除配置位置和荷載保護(hù)裝置外，為適應(yīng)計(jì)算機(jī)監(jiān)控的要求，還應(yīng)配置數(shù)字式閘門開度儀和數(shù)字式荷載顯示儀。閘門有局開調(diào)流運(yùn)行要求，在泄洪運(yùn)行時(shí)，需錯(cuò)開振動(dòng)開度。

通過試驗(yàn)設(shè)定相關(guān)運(yùn)行參數(shù)，結(jié)合自動(dòng)控制原理，將相關(guān)數(shù)據(jù)確定后，再根據(jù)水閘的開門順序：先深槽區(qū)、后淺灘區(qū)；閘門第一級(jí)開度應(yīng)滿足閘門結(jié)構(gòu)要求為1m，并遵循先開啟中孔，后開啟邊孔的對(duì)稱隔孔開啟原則；閘門全開泄洪時(shí)，應(yīng)分級(jí)提升，切忌一次提升至全開(特殊運(yùn)行條件下例外)；終止泄流，關(guān)閉閘門，應(yīng)遵循先開啟閘門后關(guān)閉的原則。管理運(yùn)行時(shí)，在遵循運(yùn)行原則的前提下，可以根據(jù)具體情況選擇方便管理的運(yùn)行方案，但運(yùn)行方案不宜單一，某種運(yùn)行方案運(yùn)行一段時(shí)間后，需對(duì)閘下游河床局部沖刷進(jìn)行觀察，并適當(dāng)更換運(yùn)行方式，以免閘下游河床沖刷深度過大，影響工程安全[1]。

7結(jié)語(yǔ)

楠溪江供水工程，采用自動(dòng)化綜合控制系統(tǒng)，監(jiān)控水閘各種參數(shù)及運(yùn)行工況，運(yùn)用大數(shù)據(jù)對(duì)工程運(yùn)行參數(shù)實(shí)時(shí)分析，及時(shí)調(diào)整運(yùn)行狀態(tài)，減少事故發(fā)生率，改善勞動(dòng)條件，降低運(yùn)行運(yùn)營(yíng)成本，為水利工程安全運(yùn)行提供了保障條件。

參考文獻(xiàn)

[1]張永進(jìn),等.浙江省永嘉縣楠溪江供水工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告[R].浙江水利水電設(shè)計(jì)院,2007.

[2]王衛(wèi)華.淺談水電站PLC控制系統(tǒng)的維護(hù)[J].中國(guó)水能及電氣化,2007(10).

[3]申林,徐丹.自動(dòng)化系統(tǒng)在水閘工程應(yīng)用中的問題與解決方法[J].小水電,2015(3).

[4]周衛(wèi)國(guó).自動(dòng)化測(cè)控系統(tǒng)在菏澤水閘工程中的運(yùn)用[J].水利建設(shè)與管理,2011(4).

[5]樂可定,等.珊溪電廠溢洪道閘門電氣控制系統(tǒng)升級(jí)改造[J].大壩與安全,2011(2).

On application of regulating dam automatic control in Nanxi River Water Supply Project

CHEN Lefeng

(Yongjia County Water Resources Bureau Shatou Water Resources Management Office,Yongjia 325100,China)

Abstract：Automatic control technology has been widely used in water conservancy project with the constant improvement of science and technology level in recent years.Automatic control is realized for gate and other mechanical equipment through automation control technology.Operation responsible ability of water conservancy project is improved on one hand,and flow capacity is accurately adjusted timely and accurately.Water resources are rationally utilized for guaranteeing downstream flood control safety.In the paper,effective supervision and dispatching of automatic control system of Nanxi River water supply project on gate and related water level are mainly introduced.The objective of unattended and operation in water conservancy projects can be gradually realized by using this system.

Key words：water supply project; automation control; application

DOI:10.16616/j.cnki.11-4446/TV.2016.06.020

中圖分類號(hào)：TV66

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1005-4774(2016)06-0073-04