淺析楠溪江供水工程攔河閘自動化控制應用（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，自動化控制技術在水利工程中得到了廣泛應用。通過自動化控制技術實現對閘門等機械設備的自動化控制，既提高水利工程的運行響應能力，又能做到及時準確地調節流量，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對閘門及相關水位的有效監控和調度，該系統可逐步實現水利工程運行管理無人值守的目標。

【關鍵詞】  供水工程；自動化控制；應用

  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用水。主要由攔河閘和輸水系統組成，攔河閘位于楠溪江下游沙頭鎮高浦村，輸水系統位于永嘉縣一樂清市境內，總長約18km。攔河閘設計洪水標準為50年一遇，屬Ⅱ等工程，共設14孔泄洪閘和2孔流量調節閘，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、防洪發電為輔的綜合水利樞紐工程。

    規劃與楠溪江上游擬建的南岸水庫聯合調度，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。

2攔河閘自動化控制系統

    楠溪江供水工程攔河閘自動化控制系統以安全、穩定、可靠運行等原則進行設計，采用以計算機監控和PLC為主、常規手動控制為輔的監控方式。計算機監控系統分為集控中心控制層和現地控制層。分別執行對管理大樓配電室電氣設備、攔河閘1~2號流量調節閘門、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控和安全監視，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。同時根據實際情況，向上級調度系統傳送整個供水工程的運行參數、信息數據和實況圖像，及時反饋最新水雨情，并接收和執行上級調度系統的控制命令。

3  供配電工程配置

3.1  供電系統

    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臺柴油發電機組作為攔河閘啟閉設施的備用電源。

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  自動化控制系統結構

    自動化控制系統主要以計算機與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、多任務操作系統環境等，閘門控制系統采用Modi-con M340PLC為現地電氣控制核心，通過以太網交換機等網絡設備連接，采用外向式分布結構，可分為集控中心控制層和現地控制層（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控和生產運行部門，是實現供水工程各閘站集中管理、優化調度的技術平臺。集控中心接受上級調度系統調控指令，統一負責供水工程生產運行設備的安全監視、遠程控制等工作，并嚴格按照相關操作規程規章執行調度指令，確保供水工程正常運行。

    集控中心設主計算機和若干磁盤陣列設備，配套設置操作員工作站、工程師及培訓工作站、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，通過網絡交換機，與各個現地控制層子站實時通訊，雙機互為冗余熱備用運行方式，具有反應快、相互切換無擾動等優點。

    集控中心具體功能包括：實現對各閘站信息的遙測遙信及數據處理；實現對各閘站的遙控遙調；運行人員控制臺控制；事件順序記錄；實現對重要數據的事故追憶；安全運行監視；打印記錄；屏幕顯示；實現對各閘站的運行管理；實現對各閘站的運行指導；實現自診斷、自恢復與通道監視；語音報警及信息服務( On-call)；時鐘同步功能；數據通信功能；系統維護、軟件開發及人員培訓功能。

4.2現地控制設備

    現地控制層主要由攔河閘深槽區現地控制單元( LCU1)、攔河閘淺灘區現地控制單元(LCU2)、隧洞進水口現地控制單元( LCU3)和出口流量測量井現地控制單元( LCU4)等組成。每個LCU均是智能型并具有可編程能力。LCU由CPU、內存、智能輸入／輸出接口及相應軟硬件組成，LCU包括人機對話接口設備。手動分步集中操作可通過現地控制單元實現。

    計算機監控系統操作員工作站，通過光纖以太網與LCU1～3連接，通過電信網與LCU4連接。LCU1通過RS485接[J以現場總線方式與攔河閘調流閘門電控柜、深槽區1～6號泄洪閘電控柜、閘壩配電變低壓側電力監測儀、電度表等連接；LCU2通過RS485接口以現場總線方式與淺灘區7~ 14號泄洪閘電控柜等連接。集控中心計算機監控系統通過遠程以太網與遠方調度控制中心計算機監控系統連接。

    現地控制單元( 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，直接完成生產過程中的實時數據采集和相應處理、自身單元設備狀態零監視、調控設備運行狀態等工作?，F地控制單元對其管轄的生產過程進行全方位監控，由輸入接口、輸出接口和生產狀態相互連接，再通過通信接口接到以太網等網絡外聯設備上，與相關設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

    攔河閘所有閘門啟閉設備的在線自動控制和調節功能，均由計算機監控系統自動完成。同時，集控中心計算機監控系統還接受遠方調度控制中心的調度控制指令。所有設備的運行狀態和參數的在線監測、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控系統自動完成。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圖像監視系統

    圖像監視系統主要由圖像工作站、視頻切換矩陣、畫面分割器、彩色監視器及前端設備（攝像機等）組成，是圖像監視系統的核心。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參數。圖

像工作站和圖像監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度中心傳送實時圖像信號。

4.5  水位監測系統

    閘壩上、下游分別安裝一套水位變送器，用于監測水位。

5  控制和監控方式

    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，設備負荷18. 50kW。調流閘門選用QXQ-2×150kN卷揚式啟閉機，設備負荷11kW。

    現地操作方式可分為純自動和手動兩種方式。在現地控制柜上又有手動、自動、集控三種狀態選擇，操作人員可根據不同情況，有效對設備的控制方式進行設置，適合在不同工況下工作。

5.1  自動方式

    在現地控制柜觸摸屏上預設不同高度，通過PLC進行自動控制。當控制系統工作時，裝在設備上的傳感器將行程變化以同步串聯信號輸出，再由現地PLC采集分析后進行處理，根據事先建立的閘門實際開度關系判斷閘門位置，做出相應動作。

5.2純手動方式

    由JSS48A-S循環定時時間繼電器進行操作控制，是一種人工應急方式，讓操作人員獨立于計算機和PLC直接對閘門進行相應控制。各閘門之間均有現地控制柜，各自監視自身閘門的開度及相應數據，也可相互監視其他閘門的操作數據和閘門開度。6  攔河閘的運行分析

    攔河閘分為右側深槽擋水閘段、右岸調流閘門和魚道組成。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臺流量調節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SC10 -400/10型變壓器1臺，另配置1臺柴油發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控與現地分散控制兩種方式，并設圖像監視系統。

    a．深槽段工作閘門及啟閉設備。深槽段泄洪閘共設6孔，底坎高程1. 50m，孔口尺寸（寬×高）為12mx8m，閘門設計水頭8.00m。

    固定卷揚式啟閉機容量為2×375kN，一門一機設置以迅速開啟孔口，下泄洪峰。啟閉機除配置位置和荷載保護裝置外，為適應計算機監控的要求，還應配置數字式閘門開度儀和數字式荷載顯示儀。

    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度運用原則：當入庫流量小于引水流量時，泄洪閘全關；當入庫流量大于引水流量時，配合流量調節閘門，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備。淺灘段泄洪閘共設8孔，底坎高程3. 00m，孔口尺寸（寬×高）為12m×6. 5m，閘門設計水頭6.Sm。

    固定卷揚式啟閉機容量為2×250kN，一門一機設置以迅速開啟孔口，下泄洪峰。啟閉機除配置位置和荷載保護裝置外，為適應計算機監控的要求，啟閉機還應配置數字式閘門開度儀和數字式荷載顯示儀。

    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時可根據需要開啟淺灘泄洪閘。該工程泄洪閘的調度運用原則：當入庫流量小于引水流量時，泄洪閘全關；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．流量調節閘工作閘門。攔河閘右岸布置兩孔流量調節閘，底坎高程1. 50m，孔口尺寸（寬×高）為5m×8.0m，閘門設計水頭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)，開啟該閘門調節流量，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，為適應計算機監控的要求，還應配置數字式閘門開度儀和數字式荷載顯示儀。閘門有局開調流運行要求，在泄洪運行時，需錯開振動開度。

    通過試驗設定相關運行參數，結合自動控制原理，將相關數據確定后，再根據水閘的開門順序：先深槽區、后淺灘區；閘門第一級開度應滿足閘門結構要求為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，關閉閘門，應遵循先開啟閘門后關閉的原則。管理運行時，在遵循運行原則的前提下，可以根據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，監控水閘各種參數及運行工況，運用大數據對工程運行參數實時分析，及時調整運行狀態，減少事故發生率，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。