余啟楊

(潁上閘管理處，安徽 穎上 236200)

1 工程概況

潁上閘是潁河干流最末一級控制工程，位于素有“管仲故里、皖北水鄉(xiāng)”美譽的安徽省潁上縣慎城鎮(zhèn)境內(nèi)，距入淮口38.5 km，為Ⅱ等大(2)型水利工程，具有防洪排澇、蓄水灌溉、交通航運、水生態(tài)調(diào)控等綜合效益[1]。

工程始建于1959年，1962年停工，1978年續(xù)建，1981年7月竣工。工程為開敞式寬頂堰，共24孔，每孔凈寬5 m，閘室長17 m，閘身總寬156.5 m，閘底板高程19.0 m(廢黃河高程系，下同)，配平面鋼閘門、卷揚式啟閉機。設(shè)計防洪標(biāo)準(zhǔn)50年一遇，設(shè)計流量4 580 m3/s，閘上水位29.31 m，閘下水位29.06 m；正常蓄水位24.00～24.50 m，最大庫容8 400萬 m3，設(shè)計灌溉面積35萬畝(1 hm2=15畝)[2]。

2 潁上閘加固緣由

潁上閘自建成以來，運行已近30 a，現(xiàn)存在以下主要問題：

(1)變壓器和備用柴油發(fā)電機距離水閘負(fù)荷中心較遠(yuǎn)，電動機啟動電壓波動大。備用柴油發(fā)電機容量偏小，遠(yuǎn)端啟閉機運行容易出現(xiàn)失壓保護(hù)情況。

(2)水閘缺失無功功率補償，供電部門功率因數(shù)考核經(jīng)常不合格。

(3)啟閉機控制箱為小型戶外型動力箱，只能控制單扇閘門，無閘門開度、荷重監(jiān)控裝置。布置于橋頭堡上的低壓配電柜外殼腐蝕，部分開關(guān)手柄和儀表損壞。

(4)水閘無自動化控制系統(tǒng)，水閘啟閉機為現(xiàn)場手動控制，難以觀察和控制閘門開度。水閘水位和安全觀測全靠人工測量和記錄，水閘運行管理方式滯后，和大型水閘管理要求不適應(yīng)。

為適應(yīng)水利工程管理現(xiàn)代化的需要和管理單位的要求，本次設(shè)計對潁上閘高低壓配電控制設(shè)備按照配電自動化系統(tǒng)要求選型設(shè)計，閘門控制運行和水閘水工監(jiān)測采用計算機監(jiān)控，實現(xiàn)水閘調(diào)度、自動化控制和信息化處理等。

3 設(shè)計思路及方案

3.1 供電電源及用電負(fù)荷

潁上閘電源“T”接自附近10 kV輸電線路，原變電所位置距該閘有0.6 km左右距離。為了縮短變電所與負(fù)荷中心距離，經(jīng)比較，新變電所設(shè)置在西橋頭堡。本次工程需新增敷設(shè)10 kV電力電纜0.3 km，型號為YJV22—8.7/15 kV—3×120。

水閘加固后用電負(fù)荷包括：24臺節(jié)制閘和2臺防污調(diào)度閘啟閉機，配套電機分別為YZ—160L—8(Pe=9 kW，24臺)和Y132M1—6(Pe=4 kW，2臺)；變電所、啟閉機房、集中控制室和公路橋的照明用電；其他檢修動力負(fù)荷。

潁上閘為Ⅱ等大(2)型水閘，根據(jù)《水閘工程管理設(shè)計規(guī)范》(SL 170)規(guī)定：本閘的防汛指揮調(diào)度系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、閘門啟閉設(shè)備的動力系統(tǒng)和現(xiàn)場照明等用電負(fù)荷等級汛期均屬一級，非汛期為三級。故需設(shè)應(yīng)急備用電源，因此在橋頭堡設(shè)1臺柴油發(fā)電機組作為應(yīng)急備用電源。

3.2 電氣主接線

潁上閘最大運行方式為4臺啟閉機同時運行，最不利運行情況為2臺啟閉機電機運行，再起動2臺閘門啟閉電機。應(yīng)急電源供電時只運行2臺電機。

10 kV電源經(jīng)高壓環(huán)網(wǎng)柜與10/0.4 kV變壓器高壓側(cè)連接，降壓至0.4 kV后，引至配電室的低壓配電柜，供潁上閘啟閉機房、閘管處的辦公及其他負(fù)荷供電。

潁上閘用電由配電室低壓配電柜引7回供電線路至7臺閘門動力控制箱，每臺動力控制箱控制2～4扇閘門啟閉機。通過用電負(fù)荷統(tǒng)計及啟閉機電機起動壓降計算，考慮變壓器過負(fù)荷時間比較短，采用原水閘配置的SC10—160/10型變壓器，容量160 kVA，電壓等級10/0.4 kV。

潁上閘設(shè)有1臺柴油發(fā)電機組，作為系統(tǒng)電消失時的備用電源。柴油發(fā)電機供電時最多可同時啟動2臺啟閉機，分別按穩(wěn)態(tài)、尖峰和發(fā)電機母線允許壓降計算發(fā)電機容量，取最大值123 kVA。原水閘75 kW柴油發(fā)電機組容量偏小，通過現(xiàn)場對潁上閘負(fù)荷統(tǒng)計計算可選用1臺功率為114 kW、容量為143 kVA的DC143S型柴油發(fā)電機組，可滿足啟閉機電機直接起動和運行要求，詳見圖1。

圖1 潁上閘電氣主接線圖

3.3 電動機啟動方式和無功功率補償

根據(jù)供電系統(tǒng)為最小運行方式，對4臺閘門啟閉機同時起動時的電機起動電壓計算，計算結(jié)果為：2臺啟閉機同時起動時，0.4 kV母線電壓為Uq=0.93Un，24號啟閉機電機的機端電壓為Uq1=0.82Un。確定啟閉機采用全壓起動方式。

為減少電網(wǎng)輸送的無功功率，降低線路的電壓和功率損失，潁上閘增設(shè)無功功率補償，且補償方式采用集中補償。取電網(wǎng)功率因數(shù)為0.85，容量為160 kVA的變壓器，相當(dāng)于136 kW負(fù)荷。配電所下用電負(fù)荷功率因數(shù)設(shè)為0.8，將功率因數(shù)由0.8補償?shù)?.95。全閘補償容量取75 kvar，分5步投入。選用1臺MNS型自動控制無功功率補償屏。

3.4 保護(hù)、控制和測量

裝設(shè)1組XS—12F型熔斷器，作為10 kV電源進(jìn)線保護(hù)。10 kV高壓環(huán)網(wǎng)計量柜裝有有功、無功電度表和智能電表，作為電能測量計費使用。10/0.4 kV變壓器采用負(fù)荷開關(guān)—熔斷器組合開關(guān)保護(hù)。低壓配電柜的饋電回路選用FE、FD型空氣開關(guān)作為低壓線路的短路和過負(fù)荷保護(hù)，回路上裝設(shè)有電流、電壓表。

現(xiàn)場閘門動力箱內(nèi)裝設(shè)型號為FD型的空氣開關(guān)作為電動機短路保護(hù)，裝設(shè)型號為CL型的交流接觸器用來控制電動機啟、停，RT型熱繼電器作為電機過負(fù)荷及斷相保護(hù)；同時裝設(shè)有按鈕及信號燈等，用于在現(xiàn)地動力箱上手動啟閉閘門。本閘啟閉機的控制為遠(yuǎn)方和現(xiàn)場聯(lián)合控制方式。

3.5 電氣設(shè)備布置

電氣設(shè)計高壓熔斷器、避雷器布置在10 kV線路終端桿上。柴油發(fā)電機組布置在水閘橋頭堡的底層：高壓配電柜、變壓器、低壓配電屏及1臺無功補償柜安裝在橋頭堡的二層；橋頭堡三層控制室布置閘門集中控制臺和公用LCU屏，以及計算機監(jiān)控系統(tǒng)、視頻監(jiān)視系統(tǒng)。各啟閉機控制箱和現(xiàn)地LCU屏安裝在啟閉機房內(nèi)，閘門高度傳感器及荷重傳感器安裝在啟閉機上。

防汛樓控制室內(nèi)放有工作臺、計算機監(jiān)控及視頻監(jiān)視系統(tǒng)的有關(guān)設(shè)備。

3.6 防雷、接地

在啟閉機房頂裝設(shè)避雷帶并與水閘接地網(wǎng)可靠連接。為防止雷電波侵入損壞變壓器及其他電氣設(shè)備，在10 kV母線上裝設(shè)了1組YHSWZ—17/50型避雷器。

本閘的接地裝置按照有關(guān)規(guī)程規(guī)定進(jìn)行修復(fù)，并將人工接地網(wǎng)與水閘結(jié)構(gòu)主鋼筋構(gòu)成的自然接地網(wǎng)用鍍鋅扁鐵可靠連接，形成完整的接地網(wǎng)，其接地電阻應(yīng)不超過1 Ω。閘上所有電氣設(shè)備的金屬外殼及金屬構(gòu)架都應(yīng)與接地網(wǎng)可靠連接。

3.7 照明、通信

啟閉機房、配電房及柴油發(fā)電機房內(nèi)采用節(jié)能熒光燈，在交通橋布置高桿路燈，作為正常照明。在啟閉機房、配電房及柴油發(fā)電機房裝設(shè)一些應(yīng)急燈，作為事故照明。

為方便調(diào)度或與外界聯(lián)系，在防汛樓控制室選用1臺20門的調(diào)度總機作生產(chǎn)、調(diào)度、行政聯(lián)系之用，通過2對中繼線接入電信網(wǎng)絡(luò)。為保護(hù)水閘運行安全，在橋頭堡頂設(shè)置探照燈，探照距離1 km，可視范圍300 m；探照燈和高速球機采用同一云臺。另設(shè)置1套語音廣播系統(tǒng)，對上、下游船只指揮警示。

3.8 計算機監(jiān)控系統(tǒng)

為提高自動化水平，增強水閘調(diào)度手段，保證工程安全運行，對潁上閘增設(shè)計算機監(jiān)控系統(tǒng)。

3.8.1 計算機監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

計算機監(jiān)控系統(tǒng)采用開放式全分布系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，分設(shè)主控級和現(xiàn)地單元控制級。主控級監(jiān)視、操作并重，現(xiàn)地單元布置在閘門啟閉機旁，作為閘門控制系統(tǒng)的調(diào)試、現(xiàn)地控制和監(jiān)視，也作為主控級的后備控制。主控級和現(xiàn)地相互閉鎖，控制優(yōu)先級為現(xiàn)地控制高于遠(yuǎn)方控制。

主控級設(shè)2臺計算機兼操作員工作站，二者互為冗余熱備用，作為閘門的控制中樞。

現(xiàn)地單元控制級共設(shè)有7套閘門現(xiàn)地控制單元和1套公用控制單元，分別對閘門和變配電設(shè)備進(jìn)行控制和監(jiān)視。上位機與下位機之間通信采用總線式以太網(wǎng)。另設(shè)通信服務(wù)器1臺，作為與當(dāng)?shù)厮恼竞蜕霞壏姥凑{(diào)度中心通信的接口，詳見圖2。

圖2 運行控制方式

3.8.2 計算機監(jiān)控系統(tǒng)功能

系統(tǒng)主要功能有閘門的集中監(jiān)控以及單獨和聯(lián)合運行方式控制；閘門開度、閘門荷重、上下游水位、測壓管水位及流量測量顯示；供配電裝置的開關(guān)狀態(tài)信號的采集；趨勢分析和安全報警等。

閘門集中控制主要功能是完成閘門開度的集中顯示、集中控制，或按給定程序自動啟閉所有閘門，并能按照預(yù)定流量自動選擇開啟閘門的數(shù)量、控制閘門起升高度和定時保存。該系統(tǒng)可同時完成閘門開度的測量(測量范圍為0～10 m，分辨率為1 cm)及閘門的荷重測量(測量范圍為0～400 t，分辨率設(shè)置為0.1 t)。顯示方式有LCD顯示和每孔閘門開度、荷重的現(xiàn)場顯示(位于現(xiàn)地LCU屏上)。

趨勢分析和安全報警顯示等功能也在這套系統(tǒng)內(nèi)實現(xiàn)。LCD顯示主要有：系統(tǒng)主畫面、全閘位監(jiān)控、1～26號孔閘門監(jiān)控、所選閘門監(jiān)控、流量顯示、水位顯示、故障顯示、報警顯示、參數(shù)設(shè)置、柴油發(fā)電機狀態(tài)及低壓斷路器位置顯示等。

對于過閘流量，每隔30 min進(jìn)行1次數(shù)據(jù)采集，至少能夠保存1 a內(nèi)給定時間的過閘流量和全年各時段的過閘總流量。

閘門監(jiān)控系統(tǒng)能打印出LCD顯示條款中的全部內(nèi)容，即能打印出當(dāng)前各孔閘門開度值、荷重值、給定時間段的流量、各孔閘門故障(不到位、越限)的統(tǒng)計記錄；同時還能打印給定時間段內(nèi)的各次故障記錄值及上、下游水位記錄值。通過鍵盤或鼠標(biāo)，由操作員工作站根據(jù)控制程序自動使閘門升降到設(shè)定開度值；當(dāng)閘門出現(xiàn)故障時，給出聲、光報警信號(彈出窗口)。能打印出當(dāng)前各點水位值、給定時間段內(nèi)各測點水位報警統(tǒng)計記錄，同時還能打印出給定時間段內(nèi)各次報警的詳細(xì)記錄值，詳見圖3。

圖3 潁上閘計算機控制結(jié)構(gòu)框圖

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3.9 視頻監(jiān)視系統(tǒng)

潁上閘增設(shè)1套視頻監(jiān)視系統(tǒng)，分為攝像、傳輸、顯示及控制等4個主要部分。

現(xiàn)場攝像共由57臺攝像機系統(tǒng)組成，其中橋頭堡設(shè)置1臺一體化攝像機，分別監(jiān)視上游漂浮物，上、下游船只情況；在有可能危及水閘安全的時候，發(fā)報警。啟閉機房設(shè)置1臺一體化攝像機，用以監(jiān)視啟閉機房內(nèi)設(shè)備運行狀況。每扇閘門分別設(shè)置1臺固定式攝像機，監(jiān)視閘門運行情況。上、下游各設(shè)置1臺一體化攝像機，監(jiān)視河道、交通橋及閘門運行情況。管理區(qū)和堤防等場所另設(shè)攝像機，便于安保管理。室外攝像監(jiān)控點均需考慮惡劣的現(xiàn)場環(huán)境，裝設(shè)防雷接地裝置等。

前端攝象機信號與視頻網(wǎng)絡(luò)編碼器相連接，被轉(zhuǎn)換成基于IP的MPEG4碼流，與音頻、控制信號一起通過交換機連接視頻服務(wù)器，傳送到IP網(wǎng)絡(luò)中；遠(yuǎn)端監(jiān)控中心經(jīng)過解碼器可接收圖象。中心計算機可以直接控制前端攝象機，并根據(jù)不同權(quán)限對圖象進(jìn)行監(jiān)視、查詢、錄象、回放和管理。

該系統(tǒng)與水閘計算機監(jiān)控系統(tǒng)、廣播系統(tǒng)、報警系統(tǒng)聯(lián)動，可實現(xiàn)對水閘設(shè)備以數(shù)據(jù)、圖像等綜合信息的全方位監(jiān)控，保障水閘安全運行；同時可加快水閘設(shè)備事故故障處理，方便水閘設(shè)備調(diào)試、維護(hù)、檢修工作，減輕值班人員的勞動強度，詳見圖4。

圖4 潁上閘視頻監(jiān)視結(jié)構(gòu)框圖

4 結(jié) 語

潁上閘除險加固工程中的電氣設(shè)計決定了防洪、灌溉、除澇、水生態(tài)調(diào)控等功能是否能得到充分發(fā)揮。系統(tǒng)設(shè)計嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合實際情況選用安全、可靠、先進(jìn)的電氣設(shè)備，可以提升水閘工程調(diào)度信息化水平，保障潁上縣生產(chǎn)、生活、生態(tài)用水的需求[2]。

另外，自動化控制系統(tǒng)的增設(shè)，解決了潁上閘節(jié)制閘原閘門不能遠(yuǎn)程監(jiān)控及實時監(jiān)控等問題，有效提高了水閘的運行管理效率，實現(xiàn)了閘門的現(xiàn)地及遠(yuǎn)程自動控制功能。系統(tǒng)投入運用后，穩(wěn)定、可靠，實時性表現(xiàn)良好，滿足水閘安全運行以及“無人值班”(少人值守)的需求，對以后類似工程的閘門控制與信息處理自動化工程建設(shè)具有重要的推廣價值。