淺析楠溪江供水工程攔河閘自動化控制應(yīng)用（自動化）
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淺析楠溪江供水工程攔河閘自動化控制應(yīng)用（自動化）
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，隨著科技水平的不斷提高，自動化控制技術(shù)在水利工程中得到了廣泛應(yīng)用。通過自動化控制技術(shù)實現(xiàn)對閘門等機械設(shè)備的自動化控制，既提高水利工程的運行響應(yīng)能力，又能做到及時準確地調(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化控制系統(tǒng)對閘門及相關(guān)水位的有效監(jiān)控和調(diào)度，該系統(tǒng)可逐步實現(xiàn)水利工程運行管理無人值守的目標。
【關(guān)鍵詞】 供水工程；自動化控制；應(yīng)用
中圖分類號：TV66 文章編號：1005-4774( 2016) 06-0073-04
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)位于永嘉縣一樂清市境內(nèi)，總長約18km。攔河閘設(shè)計洪水標準為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臺固定卷揚式啟閉機。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。
規(guī)劃與楠溪江上游擬建的南岸水庫聯(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大至其他沿海缺水地區(qū)。
2攔河閘自動化控制系統(tǒng)
楠溪江供水工程攔河閘自動化控制系統(tǒng)以安全、穩(wěn)定、可靠運行等原則進行設(shè)計，采用以計算機監(jiān)控和PLC為主、常規(guī)手動控制為輔的監(jiān)控方式。計算機監(jiān)控系統(tǒng)分為集控中心控制層和現(xiàn)地控制層。分別執(zhí)行對管理大樓配電室電氣設(shè)備、攔河閘1~2號流量調(diào)節(jié)閘門、1 N14號泄洪閘門、輸水隧洞進口工作閘門、輸水隧洞出口檢修閥門及流量計等進行遠程監(jiān)控和安全監(jiān)視，完成供水工程上游來水流量計算、攔河閘下泄流量計算、輸水隧洞輸水流量及水量累計計算。同時根據(jù)實際情況，向上級調(diào)度系統(tǒng)傳送整個供水工程的運行參數(shù)、信息數(shù)據(jù)和實況圖像，及時反饋最新水雨情，并接收和執(zhí)行上級調(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l臺柴油發(fā)電機組作為攔河閘啟閉設(shè)施的備用電源。
3.2 電氣主接線
綜合攔河閘酌用電負荷，考慮適當裕度，選配1臺SC10 -400%型變壓器作為主用電源，選配1臺P380E型柴油發(fā)電機組作為備用電源。配電裝置選用2塊MNS型低壓配電屏和1塊無功補償屏。
4 自動化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
自動化控制系統(tǒng)主要以計算機與PLC為控制主體，由于PLC具有高性能、功能完善、高運算速率的高級、多任務(wù)操作系統(tǒng)環(huán)境等，閘門控制系統(tǒng)采用Modi-con M340PLC為現(xiàn)地電氣控制核心，通過以太網(wǎng)交換機等網(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）。
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)運行部門，是實現(xiàn)供水工程各閘站集中管理、優(yōu)化調(diào)度的技術(shù)平臺。集控中心接受上級調(diào)度系統(tǒng)調(diào)控指令，統(tǒng)一負責(zé)供水工程生產(chǎn)運行設(shè)備的安全監(jiān)視、遠程控制等工作，并嚴格按照相關(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行。
集控中心設(shè)主計算機和若干磁盤陣列設(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。主控計算機安裝在管理辦公樓中控室，通過網(wǎng)絡(luò)交換機，與各個現(xiàn)地控制層子站實時通訊，雙機互為冗余熱備用運行方式，具有反應(yīng)快、相互切換無擾動等優(yōu)點。
集控中心具體功能包括：實現(xiàn)對各閘站信息的遙測遙信及數(shù)據(jù)處理；實現(xiàn)對各閘站的遙控遙調(diào)；運行人員控制臺控制；事件順序記錄；實現(xiàn)對重要數(shù)據(jù)的事故追憶；安全運行監(jiān)視；打印記錄；屏幕顯示；實現(xiàn)對各閘站的運行管理；實現(xiàn)對各閘站的運行指導(dǎo)；實現(xiàn)自診斷、自恢復(fù)與通道監(jiān)視；語音報警及信息服務(wù)( On-call)；時鐘同步功能；數(shù)據(jù)通信功能；系統(tǒng)維護、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)、隧洞進水口現(xiàn)地控制單元( LCU3)和出口流量測量井現(xiàn)地控制單元( LCU4)等組成。每個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包括人機對話接口設(shè)備。手動分步集中操作可通過現(xiàn)地控制單元實現(xiàn)。
計算機監(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[J以現(xiàn)場總線方式與攔河閘調(diào)流閘門電控柜、深槽區(qū)1～6號泄洪閘電控柜、閘壩配電變低壓側(cè)電力監(jiān)測儀、電度表等連接；LCU2通過RS485接口以現(xiàn)場總線方式與淺灘區(qū)7~ 14號泄洪閘電控柜等連接。集控中心計算機監(jiān)控系統(tǒng)通過遠程以太網(wǎng)與遠方調(diào)度控制中心計算機監(jiān)控系統(tǒng)連接。
現(xiàn)地控制單元( LCU)相對于集控中心控制級具有自主性，能脫離集控中心控制級，直接完成生產(chǎn)過程中的實時數(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)備運行狀態(tài)等工作�，F(xiàn)地控制單元對其管轄的生產(chǎn)過程進行全方位監(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)備和控制級交換信息，并進行下一步動作。
4.3攔河閘電控系統(tǒng)
攔河閘所有閘門啟閉設(shè)備的在線自動控制和調(diào)節(jié)功能，均由計算機監(jiān)控系統(tǒng)自動完成。同時，集控中心計算機監(jiān)控系統(tǒng)還接受遠方調(diào)度控制中心的調(diào)度控制指令。所有設(shè)備的運行狀態(tài)和參數(shù)的在線監(jiān)測、事件順序記錄、故障和事故報警（含畫面和語音報警）、事故追憶、畫面顯示、運行情況記錄及報表打印等功能均由計算機監(jiān)控系統(tǒng)自動完成。攔河閘每個閘門電控柜由小觸摸屏、PLC、閘門開度儀和動力回路等組成。
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（攝像機等）組成，是圖像監(jiān)視系統(tǒng)的核心。采用1臺高性能工控機，配1套視頻管理軟件。視頻切換矩陣的視頻信號被接收，變換和處理視頻信號，控制攝像機的方位和光學(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上。集控中心可向遠程調(diào)度中心傳送實時圖像信號。
4.5 水位監(jiān)測系統(tǒng)
閘壩上、下游分別安裝一套水位變送器，用于監(jiān)測水位。
5 控制和監(jiān)控方式
供水工程深槽段1～6號孔泄洪閘工作閘門選用QXQ-2×375kN卷揚式啟閉機，設(shè)備負荷18. 50kW;淺灘段7～14號孔泄洪閘工作閘門選用QXQ-2×250kN卷揚式啟閉機，設(shè)備負荷18. 50kW。調(diào)流閘門選用QXQ-2×150kN卷揚式啟閉機，設(shè)備負荷11kW。
現(xiàn)地操作方式可分為純自動和手動兩種方式。在現(xiàn)地控制柜上又有手動、自動、集控三種狀態(tài)選擇，操作人員可根據(jù)不同情況，有效對設(shè)備的控制方式進行設(shè)置，適合在不同工況下工作。
5.1 自動方式
在現(xiàn)地控制柜觸摸屏上預(yù)設(shè)不同高度，通過PLC進行自動控制。當控制系統(tǒng)工作時，裝在設(shè)備上的傳感器將行程變化以同步串聯(lián)信號輸出，再由現(xiàn)地PLC采集分析后進行處理，根據(jù)事先建立的閘門實際開度關(guān)系判斷閘門位置，做出相應(yīng)動作。
5.2純手動方式
由JSS48A-S循環(huán)定時時間繼電器進行操作控制，是一種人工應(yīng)急方式，讓操作人員獨立于計算機和PLC直接對閘門進行相應(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。庫前水位不同狀況下保持在8.8~9.1m，確保對樂清的日常供水。
攔河閘電氣負荷：6臺泄洪閘啟閉機電動機容量為22kW，8臺泄洪閘和2臺流量調(diào)節(jié)閘啟閉機電動機容量為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，另配置1臺柴油發(fā)電機組作為備用電源。
攔河閘各閘門的操作控制采用計算機集中監(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)。
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12mx8m，閘門設(shè)計水頭8.00m。
固定卷揚式啟閉機容量為2×375kN，一門一機設(shè)置以迅速開啟孔口，下泄洪峰。啟閉機除配置位置和荷載保護裝置外，為適應(yīng)計算機監(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。
閘門動水啟閉，當庫水位超過9. 10m時，開啟閘門泄洪。該工程深槽段泄洪閘的調(diào)度運用原則：當入庫流量小于引水流量時，泄洪閘全關(guān)；當入庫流量大于引水流量時，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）等于入庫量，保持庫水位在正常水位9. 10m，直至泄洪閘全開。閘門在泄洪運行時，嚴禁閘門上、下部同時過流。
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)計水頭6.Sm。
固定卷揚式啟閉機容量為2×250kN，一門一機設(shè)置以迅速開啟孔口，下泄洪峰。啟閉機除配置位置和荷載保護裝置外，為適應(yīng)計算機監(jiān)控的要求，啟閉機還應(yīng)配置數(shù)字式閘門開度儀和數(shù)字式荷載顯示儀。
閘門動水啟閉，當庫水位超過9.10m時，深槽閘門已部分投入使用，下游水位高于4.10m時可根據(jù)需要開啟淺灘泄洪閘。該工程泄洪閘的調(diào)度運用原則：當入庫流量小于引水流量時，泄洪閘全關(guān)；當入庫流量大于引水流量時，逐步開啟泄洪閘，使泄水量（含引水流量）等于入庫量，保持庫水位在正常水位9. 10m，直至泄洪閘全開。閘門在泄洪運行時，嚴禁閘門上、下部同時過流。
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)計水頭3.00m。
閘門動水啟閉，工程正常引水時，當入庫流量大于引水流量且所需下泄流量較小時(Q<163m3/s)，開啟該閘門調(diào)節(jié)流量，維持庫水位不超過9.0m。當工程泄洪所需下泄流量大于163m3/S時，逐步開啟攔河閘升臥閘門泄洪。
固定卷揚式啟閉機容量為2×150kN，一門一機設(shè)置以迅速開啟孔口，下泄洪峰。啟閉機除配置位置和荷載保護裝置外，為適應(yīng)計算機監(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)流運行要求，在泄洪運行時，需錯開振動開度。
通過試驗設(shè)定相關(guān)運行參數(shù)，結(jié)合自動控制原理，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，后開啟邊孔的對稱隔孔開啟原則；閘門全開泄洪時，應(yīng)分級提升，切忌一次提升至全開（特殊運行條件下例外）；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。管理運行時，在遵循運行原則的前提下，可以根據(jù)具體情況選擇方便管理的運行方案，但運行方案不宜單一，某種運行方案運行一段時間后，需對閘下游河床局部沖刷進行觀察，并適當更換運行方式，以免閘下游河床沖刷深度過大，影響工程安全。
楠溪江供水工程，采用自動化綜合控制系統(tǒng)，監(jiān)控水閘各種參數(shù)及運行工況，運用大數(shù)據(jù)對工程運行參數(shù)實時分析，及時調(diào)整運行狀態(tài)，減少事故發(fā)生率，改善勞動條件，降低運行運營成本，為水利工程安全運行提供了保障條件。
