论文部分内容阅读
摘要：水库是重要的基础设施，其监控系统的好坏直接关系到水库的运行效益及运行安全，对其控制技术措施展开研究具有十分重要的意义。本文结合某水库工程实例，对该水库的联动监控系统控制技术措施进行了详细的介绍。
关键词：水库；监控系统；控制技术措施
0 引言
随着水利工程建设的快速发展以及科学技术的不断进步，传统的水库监控系统已经无法满足当前水库运行的需求。如何利用先进的信息技术，合理设计水库监控系统，使其监控更加自动化、标准化，提高水库运行和管理水平是当前的一个重要课题。基于此，笔者进行了相关介绍。
1 监控系统结构
某水利枢纽工程为大二型二等工程，水库总库容2.82亿m3。由水库、总干进水闸、0+227节制闸、0+160退水闸、水电站等建筑物组成。最大坝高70.6m，坝长1900.0m，坝顶高程650.00m，正常蓄水位645.00m，水电站总装机32MW。水库防洪标准按百年一遇设计，二千年一遇校核。
监控系统主要由现场传感器、现地控制单元和主控级上位机3部分组成，主要节点包括总干进水闸、0+227节制闸、0+160退水闸及水电站，其中总干进水闸（共2孔）和水电站负责调节渠道和水库的流量。监控系统主控级上位機与现地控制单元之间采用100Mbit/s光纤工业以太环网结构，系统网络拓扑结构如图1所示。
2 水库联动监控系统控制技术
2.1 数据采集和处理
总干进水闸、0+227节制闸、0+160退水闸能自动采集被控对象的各类实时数据，包括闸门开度、消力塘和渠道水位、过机流量等实时数据，接收来自调度中心的命令信息和数据，处理调度中心下发的渠道流量指令，并在事故或故障时自动采集事故或故障发生时刻的相关数据，进行报警。
2.2 控制方式
闸门的控制方式分为现地手动、自动，远方自动、联动4级控制，其中：现地手动控制指运行操作人员通过闸门动力控制柜上的按钮、把手等电气元件，对闸门进行启动、关闭和停止的控制；现地和远方自动控制分别是运行操作人员通过现地控制单元柜触摸屏的操作界面和主控机上位机的操作软件，进行闸门启动、关闭、停止和设值启动的控制；远方联动控制指操作人员输入调度流量，选择操作模式以后，闸门可以根据水电站流量和运行状态、渠道和水库水位等数据自动判断调节闸门的开度，让渠道的流量满足调度流量，以达到无人值守的目的。远方联动控制包含以下5种模式：
1）单控模式。当调度流量较小时，总干进水闸可以满足调度流量，水电站无需运行机组，总干进水闸会根据调度流量自动选择闸门进行开启，根据闸门状态自动判断开启顺序和开度。控制方式如图2所示。
2）水电站模式。当调度流量较大时，总干进水闸不能满足调度流量，水电站需要将机组运行起来，总干进水闸会根据调度和水电站提供的流量自动选择闸门进行开启，根据闸门状态自动判断开启顺序和开度。控制方式如图3所示。
3）流量模式。当渠道水位平稳后，现地控制单元PLC会采集水电站的流量，每隔5min将采集的数据取平均值，并启动流量计算公式Q闸门+Q水电站=Q调度，判断是否满足调度流量，若不满足，则自动启动计算程序Q调度-Q水电站=Q闸门，将计算出的Q闸门换算成闸门所需开度，流程则自动跳转到水电站模式流程对闸门再次判断启动。若水电站发生故障停机，则将5min判断时间置位，自动跳转到水电站模式流程再次启动。
4）水位模式。当渠道水位平稳后，现地控制单元PLC会将渠道水位换算成对应的流量，判断是否满足调度流量，若不满足，PLC判断两孔闸门开度，命令开度较小的闸门上升3cm，每隔10min自动调用该模式对流量和闸门开度进行调整和监视。
5）故障模式。当现场发生事故或者检修不允许远方控制时，该模式会自动切除远方联动和自动模式，让PLC无法控制闸门，确保现场的安全。
2.3 控制优先级
由于本监控系统存在多种控制运行方式，控制的优先级排序从高到低依次如下：现地手动控制，现地自动控制，远方自动控制，远方联动控制。
2.4 安全保护
通过闸门现地PLC控制系统及智能传感器可实现以下多种安全防护，以保证闸门的运行安全：
1）闸门启闭告警。在闸门启闭机现场以声音的形式提醒在现场的工作人员，以免发生事故。
2）电机过载保护。使闸门启闭机避免出现由于工作电流过大而被烧毁的事故。
3）限位保护。保证闸门启闭机在启闭高度范围内运行，避免超出工作范围后发生事故。
4）过电压保护。主要是指系统对电机三相供电电压进行实时监测，一旦某一相电压超出正常工作范围，系统将自动切断电机三相电源，以保证电机运行的安全。
2.5 报警及事件处理
本项目设计声光、语音、画面自动推送等方式进行报警，具体如下：
1）为保证系统工作安全，在总干进水闸设置蜂鸣器声光报警，用于闸门启闭或故障时提醒工作人员。
2）在管理处中控室及调度中心计算机平台配置语音报警。
3）在现场发生设备故障，闸门动作失败，电源或网络故障时分类报警，發生水位超限时自动推出画面报警，并进行语音提示。一旦出现报警，工作人员需分析报警类型，采取果断措施加以干预，保证渠道供水安全。
3 监控系统运行调度模式
根据调度流量可以选择不同的模式进行远方联动控制。
3.1 联动单控模式
联动系统得到供水总量<30m3/s的指令时，联动系统启动单控模式，开启单孔闸门运行，开启优先动作2#闸门，关闭优先动作1#闸门：
1）当1#闸门均处于全关位置时，开启2#闸门至目标流量开度，如2#闸门故障，开启1#闸门至目标流量开度。 2）当1#闸门不处于全关位置，调度流量≥30m3/s时，关闭1#闸门，根据1#闸门停止后的闸门开度，决定2#闸门需达到的开度，如2#闸门故障，再啟闭1#闸门需达到的开度。
3）当1#闸门不处于全关位置，调度流量<30m3/s时，开启2#闸门需达到的开度，如2#闸门故障，再开启1#闸门需达到的开度。
3.2 联动水电站模式
联动系统得到供水总量≥30m3/s的指令时，判断水电站是否在过水状态。当水电站在过水状态，即为水电站供水模式。当水电站不在过水状态（导叶全关信号与流量计流量综合判断，流量异常时报警）时，具体动作方案如下：
1）总干进水闸两孔闸门分别开闸，PLC程序自动将两孔闸门提升至闸门需求流量开度约1/2处（优先开启2#闸门至1/2处，剩余由1#闸门补齐）。
2）判断小水电流量与调度目标流量差在±5m3/s之间，则将1#闸门关闭后再关闭2#闸门。
3.3 联动流量模式
1）判断小水电流量与调度目标流量差不在±5m3/s之间，根据剩余的闸门需求流量将两孔闸门分别调整至闸门需求流量开度约1/2位置（优先开启2#闸门至1/2处，剩余由1#闸门补齐，关闭时优先关闭1#闸门）。
2）当小水电由发电状态转为停机状态时，小水电过水流量减少，当联动系统判断小水电机组断流（机组故障且全关或导叶全关，综合判断流量计流量是否<10m3/s，流量异常时报警）时，进行升闸操作，PLC程序自动将两孔闸门提升至闸门需求流量开度约1/2处（优先开启2#闸门至1/2处，剩余由1#闸门补齐）。
3）当小水电由停机状态转为发电状态时，小水电过水流量增大，当联动系统判断机组流量增大（机组到达发电状态，综合判断流量计流量是否>30m3/s，流量异常时报警）时，进行降闸操作，PLC程序自动将两孔闸门降低至闸门需求流量开度约1/2处（优先关闭1#闸门至1/2处，剩余由2#闸门补齐）。
3.4 联动水位模式
以渠道水位每隔10min采集的数据作为判断依据，当变幅超过下降20或上升40cm时，自动调节总干进水闸，闸门每次开启或关闭5cm进行补流或减流，5min后再次判定是否要开闸或关闸。
3.5 联动故障模式
当出现闸门故障或者检修后，联动系统直接退出，联动系统光字闪烁的同时上位机连续报警，提醒运行人员。此时联动系统自锁，只提供现地手动控制权限。
4 结语
综上所述，水库监控系统是对水库运行情况进行监控的重要途径，其设计水平的高低直接关系到水库运行的效益及安全可靠性。因此，必须要对水库监控系统进行合理的設计，确保系统的自动化、标准化水平。该水库联动监控系统已投入使用，其运行情况良好，可供类似水库监控系统设计参考。
参考文献：
[1]自动化监控系统在垛庄水库工程中的应用[J].侯德国，崔岩.山东水利.2015（09）
[2]大伙房水库输水工程自动化监控系统设计与实现[J].胡颖姝.水资源开发与管理.2016（05）
关键词：水库；监控系统；控制技术措施
0 引言
随着水利工程建设的快速发展以及科学技术的不断进步，传统的水库监控系统已经无法满足当前水库运行的需求。如何利用先进的信息技术，合理设计水库监控系统，使其监控更加自动化、标准化，提高水库运行和管理水平是当前的一个重要课题。基于此，笔者进行了相关介绍。
1 监控系统结构
某水利枢纽工程为大二型二等工程，水库总库容2.82亿m3。由水库、总干进水闸、0+227节制闸、0+160退水闸、水电站等建筑物组成。最大坝高70.6m，坝长1900.0m，坝顶高程650.00m，正常蓄水位645.00m，水电站总装机32MW。水库防洪标准按百年一遇设计，二千年一遇校核。
监控系统主要由现场传感器、现地控制单元和主控级上位机3部分组成，主要节点包括总干进水闸、0+227节制闸、0+160退水闸及水电站，其中总干进水闸（共2孔）和水电站负责调节渠道和水库的流量。监控系统主控级上位機与现地控制单元之间采用100Mbit/s光纤工业以太环网结构，系统网络拓扑结构如图1所示。
2 水库联动监控系统控制技术
2.1 数据采集和处理
总干进水闸、0+227节制闸、0+160退水闸能自动采集被控对象的各类实时数据，包括闸门开度、消力塘和渠道水位、过机流量等实时数据，接收来自调度中心的命令信息和数据，处理调度中心下发的渠道流量指令，并在事故或故障时自动采集事故或故障发生时刻的相关数据，进行报警。
2.2 控制方式
闸门的控制方式分为现地手动、自动，远方自动、联动4级控制，其中：现地手动控制指运行操作人员通过闸门动力控制柜上的按钮、把手等电气元件，对闸门进行启动、关闭和停止的控制；现地和远方自动控制分别是运行操作人员通过现地控制单元柜触摸屏的操作界面和主控机上位机的操作软件，进行闸门启动、关闭、停止和设值启动的控制；远方联动控制指操作人员输入调度流量，选择操作模式以后，闸门可以根据水电站流量和运行状态、渠道和水库水位等数据自动判断调节闸门的开度，让渠道的流量满足调度流量，以达到无人值守的目的。远方联动控制包含以下5种模式：
1）单控模式。当调度流量较小时，总干进水闸可以满足调度流量，水电站无需运行机组，总干进水闸会根据调度流量自动选择闸门进行开启，根据闸门状态自动判断开启顺序和开度。控制方式如图2所示。
2）水电站模式。当调度流量较大时，总干进水闸不能满足调度流量，水电站需要将机组运行起来，总干进水闸会根据调度和水电站提供的流量自动选择闸门进行开启，根据闸门状态自动判断开启顺序和开度。控制方式如图3所示。
3）流量模式。当渠道水位平稳后，现地控制单元PLC会采集水电站的流量，每隔5min将采集的数据取平均值，并启动流量计算公式Q闸门+Q水电站=Q调度，判断是否满足调度流量，若不满足，则自动启动计算程序Q调度-Q水电站=Q闸门，将计算出的Q闸门换算成闸门所需开度，流程则自动跳转到水电站模式流程对闸门再次判断启动。若水电站发生故障停机，则将5min判断时间置位，自动跳转到水电站模式流程再次启动。
4）水位模式。当渠道水位平稳后，现地控制单元PLC会将渠道水位换算成对应的流量，判断是否满足调度流量，若不满足，PLC判断两孔闸门开度，命令开度较小的闸门上升3cm，每隔10min自动调用该模式对流量和闸门开度进行调整和监视。
5）故障模式。当现场发生事故或者检修不允许远方控制时，该模式会自动切除远方联动和自动模式，让PLC无法控制闸门，确保现场的安全。
2.3 控制优先级
由于本监控系统存在多种控制运行方式，控制的优先级排序从高到低依次如下：现地手动控制，现地自动控制，远方自动控制，远方联动控制。
2.4 安全保护
通过闸门现地PLC控制系统及智能传感器可实现以下多种安全防护，以保证闸门的运行安全：
1）闸门启闭告警。在闸门启闭机现场以声音的形式提醒在现场的工作人员，以免发生事故。
2）电机过载保护。使闸门启闭机避免出现由于工作电流过大而被烧毁的事故。
3）限位保护。保证闸门启闭机在启闭高度范围内运行，避免超出工作范围后发生事故。
4）过电压保护。主要是指系统对电机三相供电电压进行实时监测，一旦某一相电压超出正常工作范围，系统将自动切断电机三相电源，以保证电机运行的安全。
2.5 报警及事件处理
本项目设计声光、语音、画面自动推送等方式进行报警，具体如下：
1）为保证系统工作安全，在总干进水闸设置蜂鸣器声光报警，用于闸门启闭或故障时提醒工作人员。
2）在管理处中控室及调度中心计算机平台配置语音报警。
3）在现场发生设备故障，闸门动作失败，电源或网络故障时分类报警，發生水位超限时自动推出画面报警，并进行语音提示。一旦出现报警，工作人员需分析报警类型，采取果断措施加以干预，保证渠道供水安全。
3 监控系统运行调度模式
根据调度流量可以选择不同的模式进行远方联动控制。
3.1 联动单控模式
联动系统得到供水总量<30m3/s的指令时，联动系统启动单控模式，开启单孔闸门运行，开启优先动作2#闸门，关闭优先动作1#闸门：
1）当1#闸门均处于全关位置时，开启2#闸门至目标流量开度，如2#闸门故障，开启1#闸门至目标流量开度。 2）当1#闸门不处于全关位置，调度流量≥30m3/s时，关闭1#闸门，根据1#闸门停止后的闸门开度，决定2#闸门需达到的开度，如2#闸门故障，再啟闭1#闸门需达到的开度。
3）当1#闸门不处于全关位置，调度流量<30m3/s时，开启2#闸门需达到的开度，如2#闸门故障，再开启1#闸门需达到的开度。
3.2 联动水电站模式
联动系统得到供水总量≥30m3/s的指令时，判断水电站是否在过水状态。当水电站在过水状态，即为水电站供水模式。当水电站不在过水状态（导叶全关信号与流量计流量综合判断，流量异常时报警）时，具体动作方案如下：
1）总干进水闸两孔闸门分别开闸，PLC程序自动将两孔闸门提升至闸门需求流量开度约1/2处（优先开启2#闸门至1/2处，剩余由1#闸门补齐）。
2）判断小水电流量与调度目标流量差在±5m3/s之间，则将1#闸门关闭后再关闭2#闸门。
3.3 联动流量模式
1）判断小水电流量与调度目标流量差不在±5m3/s之间，根据剩余的闸门需求流量将两孔闸门分别调整至闸门需求流量开度约1/2位置（优先开启2#闸门至1/2处，剩余由1#闸门补齐，关闭时优先关闭1#闸门）。
2）当小水电由发电状态转为停机状态时，小水电过水流量减少，当联动系统判断小水电机组断流（机组故障且全关或导叶全关，综合判断流量计流量是否<10m3/s，流量异常时报警）时，进行升闸操作，PLC程序自动将两孔闸门提升至闸门需求流量开度约1/2处（优先开启2#闸门至1/2处，剩余由1#闸门补齐）。
3）当小水电由停机状态转为发电状态时，小水电过水流量增大，当联动系统判断机组流量增大（机组到达发电状态，综合判断流量计流量是否>30m3/s，流量异常时报警）时，进行降闸操作，PLC程序自动将两孔闸门降低至闸门需求流量开度约1/2处（优先关闭1#闸门至1/2处，剩余由2#闸门补齐）。
3.4 联动水位模式
以渠道水位每隔10min采集的数据作为判断依据，当变幅超过下降20或上升40cm时，自动调节总干进水闸，闸门每次开启或关闭5cm进行补流或减流，5min后再次判定是否要开闸或关闸。
3.5 联动故障模式
当出现闸门故障或者检修后，联动系统直接退出，联动系统光字闪烁的同时上位机连续报警，提醒运行人员。此时联动系统自锁，只提供现地手动控制权限。
4 结语
综上所述，水库监控系统是对水库运行情况进行监控的重要途径，其设计水平的高低直接关系到水库运行的效益及安全可靠性。因此，必须要对水库监控系统进行合理的設计，确保系统的自动化、标准化水平。该水库联动监控系统已投入使用，其运行情况良好，可供类似水库监控系统设计参考。
参考文献：
[1]自动化监控系统在垛庄水库工程中的应用[J].侯德国，崔岩.山东水利.2015（09）
[2]大伙房水库输水工程自动化监控系统设计与实现[J].胡颖姝.水资源开发与管理.2016（05）