浅析楠溪江供水工程拦河闸自动化控制应用（自动化）

                                  陈乐锋

                （永嘉县水利局沙头水利管理所，浙江永嘉325100）

【摘  要】  近年来，随着科技水平的不断提高，自动化控制技术在水利工程中得到了广泛应用。通过自动化控制技术实现对闸门等机械设备的自动化控制，既提高水利工程的运行响应能力，又能做到及时准确地调节流量，合理利用水资源，保障下游的防汛防洪安全。本文主要介绍楠溪江供水工程自动化控制系统对闸门及相关水位的有效监控和调度，该系统可逐步实现水利工程运行管理无人值守的目标。

【关键词】  供水工程；自动化控制；应用

  中图分类号：TV66  文章编号：1005-4774( 2016) 06-0073-04

1  工程概况

    楠溪江供水工程（原称永乐引水工程）引楠溪江水向附近县市提供生活生产用水。主要由拦河闸和输水系统组成，拦河闸位于楠溪江下游沙头镇高浦村，输水系统位于永嘉县一乐清市境内，总长约18km。拦河闸设计洪水标准为50年一遇，属Ⅱ等工程，共设14孔泄洪闸和2孔流量调节闸，配16台固定卷扬式启闭机。楠溪江供水工程是一座以供水为主、防洪发电为辅的综合水利枢纽工程。

    规划与楠溪江上游拟建的南岸水库联合调度，提高楠溪江供水工程的供水保证率，并将供水范围逐步扩大至其他沿海缺水地区。

2拦河闸自动化控制系统

    楠溪江供水工程拦河闸自动化控制系统以安全、稳定、可靠运行等原则进行设计，采用以计算机监控和PLC为主、常规手动控制为辅的监控方式。计算机监控系统分为集控中心控制层和现地控制层。分别执行对管理大楼配电室电气设备、拦河闸1~2号流量调节闸门、1 N14号泄洪闸门、输水隧洞进口工作闸门、输水隧洞出口检修阀门及流量计等进行远程监控和安全监视，完成供水工程上游来水流量计算、拦河闸下泄流量计算、输水隧洞输水流量及水量累计计算。同时根据实际情况，向上级调度系统传送整个供水工程的运行参数、信息数据和实况图像，及时反馈最新水雨情，并接收和执行上级调度系统的控制命令。

3  供配电工程配置

3.1  供电系统

    拦河闸由35kV沙头变电所(2×6.3MVA) 10kV专用架空线路供电，另配置l台柴油发电机组作为拦河闸启闭设施的备用电源。

3.2  电气主接线

    综合拦河闸酌用电负荷，考虑适当裕度，选配1台SC10 -400%型变压器作为主用电源，选配1台P380E型柴油发电机组作为备用电源。配电装置选用2块MNS型低压配电屏和1块无功补偿屏。

4  自动化控制系统结构

    自动化控制系统主要以计算机与PLC为控制主体，由于PLC具有高性能、功能完善、高运算速率的高级、多任务操作系统环境等，闸门控制系统采用Modi-con M340PLC为现地电气控制核心，通过以太网交换机等网络设备连接，采用外向式分布结构，可分为集控中心控制层和现地控制层（见下图）。

4.1  集控中心

    集控中心控制层是楠溪江供水工程及沙头水电站集中监控和生产运行部门，是实现供水工程各闸站集中管理、优化调度的技术平台。集控中心接受上级调度系统调控指令，统一负责供水工程生产运行设备的安全监视、远程控制等工作，并严格按照相关操作规程规章执行调度指令，确保供水工程正常运行。

    集控中心设主计算机和若干磁盘阵列设备，配套设置操作员工作站、工程师及培训工作站、通信工作站、On-call工作站、GPS装置、UPS电源等。主控计算机安装在管理办公楼中控室，通过网络交换机，与各个现地控制层子站实时通讯，双机互为冗余热备用运行方式，具有反应快、相互切换无扰动等优点。

    集控中心具体功能包括：实现对各闸站信息的遥测遥信及数据处理；实现对各闸站的遥控遥调；运行人员控制台控制；事件顺序记录；实现对重要数据的事故追忆；安全运行监视；打印记录；屏幕显示；实现对各闸站的运行管理；实现对各闸站的运行指导；实现自诊断、自恢复与通道监视；语音报警及信息服务( On-call)；时钟同步功能；数据通信功能；系统维护、软件开发及人员培训功能。

4.2现地控制设备

    现地控制层主要由拦河闸深槽区现地控制单元( LCU1)、拦河闸浅滩区现地控制单元(LCU2)、隧洞进水口现地控制单元( LCU3)和出口流量测量井现地控制单元( LCU4)等组成。每个LCU均是智能型并具有可编程能力。LCU由CPU、内存、智能输入／输出接口及相应软硬件组成，LCU包括人机对话接口设备。手动分步集中操作可通过现地控制单元实现。

    计算机监控系统操作员工作站，通过光纤以太网与LCU1～3连接，通过电信网与LCU4连接。LCU1通过RS485接[J以现场总线方式与拦河闸调流闸门电控柜、深槽区1～6号泄洪闸电控柜、闸坝配电变低压侧电力监测仪、电度表等连接；LCU2通过RS485接口以现场总线方式与浅滩区7~ 14号泄洪闸电控柜等连接。集控中心计算机监控系统通过远程以太网与远方调度控制中心计算机监控系统连接。

    现地控制单元( LCU)相对于集控中心控制级具有自主性，能脱离集控中心控制级，直接完成生产过程中的实时数据采集和相应处理、自身单元设备状态零监视、调控设备运行状态等工作。现地控制单元对其管辖的生产过程进行全方位监控，由输入接口、输出接口和生产状态相互连接，再通过通信接口接到以太网等网络外联设备上，与相关设备和控制级交换信息，并进行下一步动作。

4.3拦河闸电控系统

    拦河闸所有闸门启闭设备的在线自动控制和调节功能，均由计算机监控系统自动完成。同时，集控中心计算机监控系统还接受远方调度控制中心的调度控制指令。所有设备的运行状态和参数的在线监测、事件顺序记录、故障和事故报警（含画面和语音报警）、事故追忆、画面显示、运行情况记录及报表打印等功能均由计算机监控系统自动完成。拦河闸每个闸门电控柜由小触摸屏、PLC、闸门开度仪和动力回路等组成。

4.4图像监视系统

    图像监视系统主要由图像工作站、视频切换矩阵、画面分割器、彩色监视器及前端设备（摄像机等）组成，是图像监视系统的核心。采用1台高性能工控机，配1套视频管理软件。视频切换矩阵的视频信号被接收，变换和处理视频信号，控制摄像机的方位和光学参数。图

像工作站和图像监视器布置在集控中心控制室操作台上。集控中心可向远程调度中心传送实时图像信号。

4.5  水位监测系统

    闸坝上、下游分别安装一套水位变送器，用于监测水位。

5  控制和监控方式

    供水工程深槽段1～6号孔泄洪闸工作闸门选用QXQ-2×375kN卷扬式启闭机，设备负荷18. 50kW;浅滩段7～14号孔泄洪闸工作闸门选用QXQ-2×250kN卷扬式启闭机，设备负荷18. 50kW。调流闸门选用QXQ-2×150kN卷扬式启闭机，设备负荷11kW。

    现地操作方式可分为纯自动和手动两种方式。在现地控制柜上又有手动、自动、集控三种状态选择，操作人员可根据不同情况，有效对设备的控制方式进行设置，适合在不同工况下工作。

5.1  自动方式

    在现地控制柜触摸屏上预设不同高度，通过PLC进行自动控制。当控制系统工作时，装在设备上的传感器将行程变化以同步串联信号输出，再由现地PLC采集分析后进行处理，根据事先建立的闸门实际开度关系判断闸门位置，做出相应动作。

5.2纯手动方式

    由JSS48A-S循环定时时间继电器进行操作控制，是一种人工应急方式，让操作人员独立于计算机和PLC直接对闸门进行相应控制。各闸门之间均有现地控制柜，各自监视自身闸门的开度及相应数据，也可相互监视其他闸门的操作数据和闸门开度。6  拦河闸的运行分析

    拦河闸分为右侧深槽挡水闸段、右岸调流闸门和鱼道组成。库前水位不同状况下保持在8.8~9.1m，确保对乐清的日常供水。

    拦河闸电气负荷：6台泄洪闸启闭机电动机容量为22kW，8台泄洪闸和2台流量调节闸启闭机电动机容量为11kW。拦河闸由35kV沙头变电所(2×6. 3MVA) 10kV专用架空线路供电，设SC10 -400/10型变压器1台，另配置1台柴油发电机组作为备用电源。

    拦河闸各闸门的操作控制采用计算机集中监控与现地分散控制两种方式，并设图像监视系统。

    a．深槽段工作闸门及启闭设备。深槽段泄洪闸共设6孔，底坎高程1. 50m，孔口尺寸（宽×高）为12mx8m，闸门设计水头8.00m。

    固定卷扬式启闭机容量为2×375kN，一门一机设置以迅速开启孔口，下泄洪峰。启闭机除配置位置和荷载保护装置外，为适应计算机监控的要求，还应配置数字式闸门开度仪和数字式荷载显示仪。

    闸门动水启闭，当库水位超过9. 10m时，开启闸门泄洪。该工程深槽段泄洪闸的调度运用原则：当入库流量小于引水流量时，泄洪闸全关；当入库流量大于引水流量时，配合流量调节闸门，逐步开启泄洪闸，使泄水量（含引水流量）等于入库量，保持库水位在正常水位9. 10m，直至泄洪闸全开。闸门在泄洪运行时，严禁闸门上、下部同时过流。

    b．浅滩段工作闸门及启闭设备。浅滩段泄洪闸共设8孔，底坎高程3. 00m，孔口尺寸（宽×高）为12m×6. 5m，闸门设计水头6.Sm。

    固定卷扬式启闭机容量为2×250kN，一门一机设置以迅速开启孔口，下泄洪峰。启闭机除配置位置和荷载保护装置外，为适应计算机监控的要求，启闭机还应配置数字式闸门开度仪和数字式荷载显示仪。

    闸门动水启闭，当库水位超过9.10m时，深槽闸门已部分投入使用，下游水位高于4.10m时可根据需要开启浅滩泄洪闸。该工程泄洪闸的调度运用原则：当入库流量小于引水流量时，泄洪闸全关；当入库流量大于引水流量时，逐步开启泄洪闸，使泄水量（含引水流量）等于入库量，保持库水位在正常水位9. 10m，直至泄洪闸全开。闸门在泄洪运行时，严禁闸门上、下部同时过流。

    c．流量调节闸工作闸门。拦河闸右岸布置两孔流量调节闸，底坎高程1. 50m，孔口尺寸（宽×高）为5m×8.0m，闸门设计水头3.00m。

    闸门动水启闭，工程正常引水时，当入库流量大于引水流量且所需下泄流量较小时(Q<163m³/s)，开启该闸门调节流量，维持库水位不超过9.0m。当工程泄洪所需下泄流量大于163m³/S时，逐步开启拦河闸升卧闸门泄洪。

    固定卷扬式启闭机容量为2×150kN，一门一机设置以迅速开启孔口，下泄洪峰。启闭机除配置位置和荷载保护装置外，为适应计算机监控的要求，还应配置数字式闸门开度仪和数字式荷载显示仪。闸门有局开调流运行要求，在泄洪运行时，需错开振动开度。

    通过试验设定相关运行参数，结合自动控制原理，将相关数据确定后，再根据水闸的开门顺序：先深槽区、后浅滩区；闸门第一级开度应满足闸门结构要求为1m，并遵循先开启中孔，后开启边孔的对称隔孔开启原则；闸门全开泄洪时，应分级提升，切忌一次提升至全开（特殊运行条件下例外）；终止泄流，关闭闸门，应遵循先开启闸门后关闭的原则。管理运行时，在遵循运行原则的前提下，可以根据具体情况选择方便管理的运行方案，但运行方案不宜单一，某种运行方案运行一段时间后，需对闸下游河床局部冲刷进行观察，并适当更换运行方式，以免闸下游河床冲刷深度过大，影响工程安全。

    楠溪江供水工程，采用自动化综合控制系统，监控水闸各种参数及运行工况，运用大数据对工程运行参数实时分析，及时调整运行状态，减少事故发生率，改善劳动条件，降低运行运营成本，为水利工程安全运行提供了保障条件。