韓曉濤，邱 偉，馬保東，董旭龍，趙 鈺，易長春

（1.國網(wǎng)新源控股有限公司檢修分公司，北京市 100068；2.河北張河灣蓄能發(fā)電有限責(zé)任公司，河北省石家莊市 050300）

0 工程概況

張河灣抽水蓄能電站位于河北省石家莊市井陘縣測魚鎮(zhèn)附近的甘陶河干流上。電站總裝機(jī)容量1000MW，裝機(jī)4臺，單機(jī)容量250MW，擔(dān)負(fù)調(diào)峰填谷、調(diào)頻調(diào)相和緊急事故備用等任務(wù)。上水庫位于下水庫左岸的老爺廟山頂，采用開挖筑壩圍庫而成[1]。上水庫工程主要包括堆石壩、庫盆瀝青混凝土防滲面板、排水系統(tǒng)、庫岸基礎(chǔ)處理。上水庫庫盆采用瀝青混凝土面板全庫盆防滲，總防滲面積33.7 萬 m2。

為了監(jiān)測上水庫庫盆及進(jìn)出水口滲漏情況，在庫底排水廊道內(nèi)布置了22座量水堰，下游壩腳排水溝出口設(shè)置2座量水堰。其中，8個量水堰常年有水，采用人工觀測，觀測頻次為15次/月，其他量水堰除雨季偶爾有雨水滲入外，堰槽基本處于干涸狀態(tài)。

2017年，河北張河灣抽水蓄能電站、國網(wǎng)新源檢修分公司庫壩中心針對現(xiàn)場實(shí)際情況，與哈爾濱今星微電子科技有限公司聯(lián)合研制了步進(jìn)電機(jī)探針式量水堰計(jì)。2018年5月，上水庫廊道內(nèi)的8套量水堰計(jì)安裝調(diào)試完畢并投入試運(yùn)行。

1 步進(jìn)電機(jī)探針式量水堰計(jì)測量原理

目前，國內(nèi)常見量水堰自動測量裝置（儀器）有振弦式量水堰計(jì)（滲壓計(jì)）、稱重式量水堰計(jì)、浮子式量水堰計(jì)（水位計(jì)）三種[2]，三種量水堰計(jì)在實(shí)際應(yīng)用中存在設(shè)備結(jié)鈣或測值漂移問題，長期穩(wěn)定性差，經(jīng)常需要進(jìn)行現(xiàn)場維護(hù)、校正常數(shù)；國內(nèi)量水堰自動測量裝置上均未集成自動控制模塊和測量結(jié)果顯示功能，觀測人員在現(xiàn)場不能立即判斷量水堰自動測量裝置采集的數(shù)據(jù)是否正確，人工比測困難。

步進(jìn)電機(jī)探針式量水堰計(jì)在測量原理上仍采用測量堰上水頭的方式，再通過各種量水堰板的滲流量計(jì)算公式計(jì)算出相應(yīng)滲流量。步進(jìn)電機(jī)探針式量水堰計(jì)由處理器、通信總線模塊、滾珠絲杠、步進(jìn)電機(jī)、探針、液位檢測模塊、紅外遙控接收模塊、紅外測距傳感器（可選）、液晶顯示屏構(gòu)成，其變壓電源模塊、采集控制主板、顯示模塊、步進(jìn)電機(jī)計(jì)滾珠絲杠封裝在密閉的量水堰計(jì)箱體內(nèi)[3]。非測量狀態(tài)下，探針停止在設(shè)計(jì)量程最高點(diǎn)，當(dāng)測量裝置收到啟動命令后，處理器控制步進(jìn)電機(jī)帶動滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，使探針向下移動，直到探針剛好接觸到液面，液位檢測模塊檢測到探針的反饋端有電流通過，此時(shí)停止步進(jìn)電機(jī)。根據(jù)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動的步數(shù)可以推算出探針的行進(jìn)距離，即圖1中的H2，根據(jù)此行進(jìn)距離和其他相關(guān)公式及數(shù)據(jù)，處理器可以計(jì)算出此點(diǎn)的堰上水頭和流量值顯示在液晶顯示屏上，并通過通信總線模塊傳輸?shù)叫枰邮諗?shù)據(jù)的接收端。測量結(jié)束后，探針回到測量原點(diǎn)，等待下次測量命令。

圖1 步進(jìn)電機(jī)探針式量水堰計(jì)原理圖Figure 1 Principle diagram of stepper motor probe-type measuring device for flow measuring weir

2 步進(jìn)電機(jī)探針式量水堰計(jì)裝置技術(shù)參數(shù)

步進(jìn)電機(jī)探針式量水堰計(jì)裝置主要技術(shù)參數(shù)見表1，主要組成部分及系統(tǒng)顯示見圖2。

表1 步進(jìn)電機(jī)探針式量水堰計(jì)裝置 主要技術(shù)參數(shù)[2]Table1 Main technical parameters of stepper motor probe-type measuring device for flow measuring weir

圖2 量水堰計(jì)主要組成部分及系統(tǒng)顯示圖Figure 2 Main components and system diagram of weir gauge

3 張河灣上水庫量水堰計(jì)采集系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)組成

張河灣抽水蓄能電站上水庫量水堰計(jì)采集系統(tǒng)采用以太網(wǎng)總線結(jié)構(gòu)，采集計(jì)算機(jī)通過以太網(wǎng)絡(luò)與各量水堰計(jì)相連?？紤]分光器成本過高，系統(tǒng)總線采用光纜+光電交換機(jī)+RJ45網(wǎng)線形式將采集計(jì)算機(jī)和量水堰計(jì)相連。系統(tǒng)共安裝了8套量水堰計(jì)，測點(diǎn)分別為WEb-6、WEb-7、WEb-8、WEc-9、WEd-19、WEd-20、WEe-21、WEe-22。

軟件系統(tǒng)由采集軟件和數(shù)據(jù)導(dǎo)入兩個軟件組成，采集軟件實(shí)時(shí)采集量水堰水頭、流量等數(shù)據(jù)，并且保存在SQL SERVER量水堰數(shù)據(jù)庫中，觀測頻次可設(shè)置，目前設(shè)置為1h；數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件設(shè)置：每隔3min檢測大壩中心數(shù)據(jù)庫與量水堰數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)是否一致，不一致則將數(shù)據(jù)采集軟件采集的相應(yīng)數(shù)據(jù)導(dǎo)入到大壩中心庫中。

3.2 人工比測及短期穩(wěn)定性

人工比測方法：采用常規(guī)人工觀測法觀測，同時(shí)使用遙控器操作量水堰計(jì)測量，記錄人工讀數(shù)和自動測量結(jié)果，計(jì)算比測差值。人工、自動比測工作均在現(xiàn)場操作，各測點(diǎn)比測時(shí)間短，數(shù)據(jù)測量時(shí)差小于1min。

模擬水頭抬高比測方法：使用大的透明飲料瓶，將20cm的鋼板尺使用膠帶固定在飲料瓶上，現(xiàn)場比測時(shí)，向飲料瓶內(nèi)加水到鋼板尺40mm讀數(shù)附近，人工讀取液面高度，然后將飲料瓶放入量水堰槽中，液面穩(wěn)定1min后自動測量，記錄測量結(jié)果，然后將飲料瓶拿出，分別加水到鋼板尺80、130mm讀數(shù)附近，重復(fù)比測。

短期穩(wěn)定性測試：通過快速連續(xù)5次自動測量堰上水頭并記錄測值，求得平均值，并計(jì)算各次測值與平均值之差，以檢驗(yàn)自動量水堰裝置的短期穩(wěn)定性。

2018年5月初完成安裝調(diào)試工作后，按照要求，每月比測一次。2018年7月初，在現(xiàn)場對系統(tǒng)8個量水堰計(jì)進(jìn)行了一次人工比測、模擬水頭抬高比測及短期穩(wěn)定性測試，比測及測試結(jié)果見表2～表4。

表2 人工比測統(tǒng)計(jì)表[5]Table 2 Manual comparison table

續(xù)表

表3 模擬水頭抬高比測結(jié)果統(tǒng)計(jì)表Table 3 Results of simulate hydraulic head raise

表4 上庫量水堰短期穩(wěn)定性復(fù)測差值統(tǒng)計(jì)表Table 4 Retest difference of short-term stability of upper storage weir

從比測結(jié)果看：常規(guī)人工比測差小于1mm，滿足規(guī)范要求[4]；模擬水頭抬高比測有個別差值大于1mm，其原因是人工觀測讀數(shù)誤差較大，1次讀數(shù)誤差約在1mm范圍內(nèi)，模擬水頭抬高比測是通過2次人工讀數(shù)計(jì)算而來，故個別比測數(shù)據(jù)差值大于1mm；比測差值主要來源于人工讀數(shù)誤差及量水堰安裝調(diào)試時(shí)選取的初始讀數(shù)誤差；各測點(diǎn)復(fù)測誤差小于0.1mm，滿足規(guī)范要求[4]，WEb-22復(fù)測差值略大，其原因是堰槽較深，飲料瓶受水流沖擊，水位液面不穩(wěn)所致。

3.3 自動量水堰計(jì)觀測成果分析

由于量水堰計(jì)安裝時(shí)間較短，受機(jī)組停機(jī)檢修等因素影響，2018年5～6月張河灣抽水蓄能電站停止發(fā)電。2018年7月4日開始發(fā)電，7月12之后因護(hù)網(wǎng)行動中斷了庫水位數(shù)據(jù)傳輸，導(dǎo)致數(shù)據(jù)庫中無相應(yīng)庫水位數(shù)據(jù)，故過程線時(shí)段只選擇了2018年6月26日～7月12日數(shù)據(jù)。上水庫滲漏量與庫水位過程線見圖3。

圖3 量水堰自動測量數(shù)據(jù)與庫水位過程線示意圖Figure 3 Schematic diagram of automatic measurement data and reservoir water level

從過程線圖可以看出：用量水堰計(jì)自動測量的各測點(diǎn)流量數(shù)據(jù)隨上水庫水位呈規(guī)律性變化。上庫滲漏總量觀測點(diǎn)WEb-21、WEb-22測點(diǎn)距離主要滲水區(qū)域約800m，故滲漏總量計(jì)算值變化略滯后上庫水位約1h[6]。

3.4 量水堰計(jì)系統(tǒng)維護(hù)

由于量水堰計(jì)的變壓電源模塊、采集控制主板、顯示模塊、步進(jìn)電機(jī)計(jì)滾珠絲杠等部件均封裝在密閉的量水堰計(jì)箱體內(nèi)，現(xiàn)場采用紅外遙控器操作，密封性能好，自上水庫量水堰計(jì)安裝調(diào)試完成后，除了WEb-21因堰槽內(nèi)有水泡沫影響了觀測值進(jìn)行處理一次外，無其他維護(hù)工作，系統(tǒng)運(yùn)行基本處于免維護(hù)狀態(tài)。

4 結(jié)束語

從張河灣抽水蓄能電站上水庫安裝的步進(jìn)電機(jī)探針式量水堰計(jì)運(yùn)行情況及測量結(jié)果看，該測量裝置運(yùn)行正常且效果良好，觀測精度高，誤差小，不存在零漂和設(shè)備結(jié)鈣影響觀測精度等問題，箱體結(jié)構(gòu)密閉性能決定了其長期穩(wěn)定性能；現(xiàn)場操作簡單，裝置具有實(shí)時(shí)顯示測量結(jié)果功能，人工比測簡單方便，維護(hù)量極?。徊恍枰?jīng)常性的現(xiàn)場維護(hù)、校正常數(shù)，完全可以替代人工觀測；其通信控制模塊的通信端口可根據(jù)現(xiàn)場大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)實(shí)際情況選擇RS485、CAN、RJ45或尾纖接口，也可以定制特殊接口，具有良好的兼容性。