田心節(jié)制閘重建工程電氣自動化設計

張水鳳

( 韶關市水利水電勘測設計咨詢有限公司汕頭分公司，廣東 汕頭 515041)

1 工程概述

田心節(jié)制閘原名南山節(jié)制閘位于隴田鎮(zhèn)，是汕頭市潮南區(qū)練江南山截洪工程的組成部分，該閘為南山截流擴寬工程入?？诘淖詈笠蛔?jié)制閘,距離出海口約3.10 km。田心節(jié)制閘始建于1975年，1976年建成，由當?shù)卣园l(fā)組織群眾土法修建。1983年混凝土閘板拆除成為開敞式水陂，啟閉機閑置，后海門灣大閘啟閉機故障，拆除田心節(jié)制閘啟閉機至海門灣大閘使用，故現(xiàn)狀缺失幾臺啟閉機[1]。

本工程屬Ⅲ等中型工程，洪水標準為20a一遇，主要建筑物級別為3級,水閘共5孔，泄洪總凈寬40m，單孔凈寬8m。節(jié)制閘采用原址重建，主要的建筑物包括節(jié)制閘、連接翼墻、管理樓等，考慮節(jié)制閘原有兩岸交通的連接，且交通橋為部隊戰(zhàn)備交通，故交通橋軸線不變。

2 重建工程電氣自動化設計

2.1 接入電力系統(tǒng)方式設計

田心節(jié)制閘電源線路擬采用1回架空線路接入附近10 kV線路(擬接入110 kV田心變電站10 kV永安線花古巖支線，原供電線徑120 mm2，供電距離開列100m，具體接入點以供電部門為準)，在水閘旁邊新增一變壓器臺供本期的設備用電。

2.2 供電方式

水閘負荷為三級負荷，根據(jù)用電負荷及運行情況，經(jīng)初步分析，擬采用一臺SH15-160/10 160 kVA變壓器變低到低壓配電箱給各功能房、照明等供電。并配備一臺常用功率為103 kW、備用功率為116 kW的柴油發(fā)電機組，作為失去電網(wǎng)電源時確保水閘安全啟閉的備用電源。市電與柴油機之間通過轉(zhuǎn)換開關切換。

2.3 電氣主接線設計

主接線方案考慮采用：10kV線路接入電源，以架空線路方式經(jīng)高壓隔離開關及熔斷器至變壓器降至0.4kV。低壓側0.4kV采用單母線接線，由變壓器 0.4kV側采用低壓電纜接入低壓配電箱，由配電箱分別供電給各功能房[2]。

2.4 自動化系統(tǒng)設計

2.4.1 操作電源

此工程二次控制和斷路器的操作電源，采用 220 V直流電源，供控制、操作、保護、信號、事故照明等負荷，監(jiān)控系統(tǒng)對操作電源的穩(wěn)定性和可靠性要求高，選用一套高頻開關直流電源裝置，型號為GZDW-100AH/220V。具有穩(wěn)壓精度高、紋波系數(shù)、可靠性高等優(yōu)點。

此外，設1套15kVA的在線式UPS(不間斷電源裝置)向計算機監(jiān)控后、中控室保護屏、LCU屏等設備供電，還可以作為事故照明的備用電源。此裝置不自帶電池，采用廠用電和直流220V雙供電方式，直流電源取自直流裝置的電池屏。當市電輸入正常時，UPS 將市電穩(wěn)壓后供應給負載使用，當市電中斷( 事故停電)時， UPS 立即將直流蓄電池的電能，通過逆變轉(zhuǎn)換的方法向負載繼續(xù)供應220 V交流電，使負載維持正常工作并保護負載軟、硬件不受損壞。

2.4.2 水閘管理信息系統(tǒng)

此工程水閘自動控制系統(tǒng)主要有5扇水閘工作門等設備的自動控制。

水閘監(jiān)控系統(tǒng)采用符合開放系統(tǒng)國際標準的開放式環(huán)境下全分層分布式計算機監(jiān)控系統(tǒng)，分為現(xiàn)地層和中控層。

2.4.2.1 水閘現(xiàn)地層

水閘工作門均為平板鋼閘門，配固定式卷揚機，采用一門一機形式，閘門現(xiàn)地層采用現(xiàn)地控制和現(xiàn)地集控兩種操作控制方式。

閘門現(xiàn)地自動控制的核心是PLC控制，從第1扇至第5扇閘門設置1套PLC現(xiàn)地控制箱，共5臺?？蓪崿F(xiàn)閘門現(xiàn)地控制，也可在遠方進行微機控制，閘站現(xiàn)地控制具有優(yōu)先控制權。

為實現(xiàn)水閘的現(xiàn)地集中控制，水閘第1#扇閘門現(xiàn)地控制單元亦作為現(xiàn)地集控單元,水閘現(xiàn)地集控單元均可對其余4扇閘門進行集中控制。為便于現(xiàn)場操作人員監(jiān)視與操作，在集控屏設置1臺圖形操作面板(GP)。

現(xiàn)地控制箱與現(xiàn)地集控柜之間通過雙絞線或光纜連接，現(xiàn)地集控柜配置小型以太網(wǎng)交換機，并通過光纜接入管理樓中控室以太網(wǎng)交換機，實現(xiàn)與中控層通信，傳送各閘門運行信息，并接受中控層對各閘門的遠方控制命令[3]。

現(xiàn)地PLC控制箱由接觸器、熱繼電器、電源模塊、CPU模塊、I/O模塊、以太網(wǎng)通訊模塊、顯示/控制面板、遠方/就地切換開關、UPS設備、手動操作按鈕/開關等組成。現(xiàn)地集控柜配置10/100 M小型以太網(wǎng)交換機和圖形操作面板。

當各閘門處于遠方控制時，通過接收監(jiān)控主機/操作員工作站下發(fā)的操作命令，由集控柜傳輸至各臺啟閉機的現(xiàn)地控制箱來實現(xiàn)閘門的控制；處于現(xiàn)地控制時，可通過集控柜的圖操作面板或閘門現(xiàn)地控制箱的顯示/控制面板輸入操作命令由PLC來完成閘門的控制，或者通過手動操作按鈕/開關完成閘門的控制。

檢修閘門采用手動現(xiàn)地操作控制，不參與水閘的集中調(diào)度控制，其電控設備隨機配套。

2.4.2.2 中控層

水閘的現(xiàn)地集控柜內(nèi)配置10/100 M小型以太網(wǎng)交換機，通過光纜，接入中控室的以太網(wǎng)交換機，實現(xiàn)水閘現(xiàn)地層與中控層之間通信，傳送各閘門運行信息，并接受中控層對各閘門的遠方控制命令。光纜沿電纜溝和工程建筑物埋管敷設。

水閘中控層設在管理樓內(nèi)，中控室配置有一套服務器/工作站、網(wǎng)絡交換機、打印機、UPS電源、語音報警裝置及光纖傳輸?shù)仍O備。工作站主要用于顯示、操作各閘門啟閉機運行，模擬閘門動作過程。并兼作為通信工作站：管理、監(jiān)控系統(tǒng)權限等參數(shù)設置；并預留與上級通訊接口[4]。

2.4.3 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

視頻監(jiān)控系統(tǒng)作為運行和管理的輔助手段，此工程設置簡易視頻監(jiān)控系統(tǒng)，主要對此工程水閘重要機電設備和水工建筑物的運行狀況進行監(jiān)視，分為現(xiàn)地層和監(jiān)控層。

此工程視頻監(jiān)視共設置7個監(jiān)視點，在水閘上游、水閘下游各設1個監(jiān)測點，閘室設3個監(jiān)視點，柴油發(fā)電機室、管理樓入口各設1處監(jiān)視點。監(jiān)視后臺設備布置在管理樓。

視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要由3部分組成：第1部分安裝監(jiān)控前端設備-攝像機、CCTV箱和云臺等；第2部分為傳輸網(wǎng)絡，主要完成將前端設備的音視頻信號和監(jiān)控信號傳輸?shù)街锌厥?，并預留遠程傳輸接口，傳輸介質(zhì)采用同軸電纜或光纖；第3部分為監(jiān)控中心，主要包括數(shù)字硬盤錄像機、60“彩色圖像監(jiān)視器、100M/1000M網(wǎng)絡交換機(與計算機監(jiān)控系統(tǒng)共用)、視頻工作站、視頻分配器、大屏幕等設備組成。

現(xiàn)地監(jiān)視層負責采集現(xiàn)場各監(jiān)視點圖像，通過光纜將其匯集到視頻分配器，分別接入硬盤錄像機和DLP大屏幕，經(jīng)數(shù)字化后圖像傳輸至數(shù)字網(wǎng)，并預留與調(diào)度管理中心通信的網(wǎng)絡接口。

2.4.4 水雨情測報系統(tǒng)

水雨情自動測報系統(tǒng)采用分層分布式的網(wǎng)絡結構，包括測站層和監(jiān)測中心站層。測站層由數(shù)據(jù)傳感器和數(shù)據(jù)采集裝置組成；監(jiān)測中心站層服務器、水情工作站、網(wǎng)絡交換機、打印機、UPS電源設備(由網(wǎng)絡通信系統(tǒng)統(tǒng)一配置)、GPS時鐘設備(與網(wǎng)絡通信系統(tǒng)共用)等組成。

數(shù)據(jù)采集裝置通過網(wǎng)絡交換機與水情工作站連接。

根據(jù)相關專業(yè)要求，結合本工程運行調(diào)度的實際需要，此工程水雨情測報系統(tǒng)所需的雨量計、水位計(監(jiān)測雨量、水位)和水位尺(人工及視頻監(jiān)測閘前后水位)。

①水位計2個接入閘門現(xiàn)地集控單元，并由閘門現(xiàn)地集控單元網(wǎng)絡模塊接入水閘現(xiàn)地網(wǎng)絡交換機，將數(shù)據(jù)上傳至中控室。②雨量計1個采用數(shù)據(jù)采集終端(RTU)采集雨量計數(shù)據(jù)，RTU接入管理樓中控室網(wǎng)絡交換機，由網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)上傳至中控室。③水位尺2個采用人工錄入方式接入系統(tǒng)，不配傳輸設備，但在水位尺附近設置兩個高清監(jiān)控攝像頭，可在中控室通過攝像頭讀取水位尺上的水位數(shù)值，并在在終端設備上顯示。

2.4.5 自動化安全監(jiān)測系統(tǒng)

為確保重建橋閘的安全，通過必要的監(jiān)測手段，監(jiān)測建筑物工作狀態(tài)、掌握運行規(guī)律、指導施工和運行、反饋設計、及時發(fā)現(xiàn)工程隱患，建立一套實用且行之有效的安全監(jiān)測系統(tǒng)。

根據(jù)此工程實際情況及水工專業(yè)要求，水閘自動化安全監(jiān)測內(nèi)容：水閘基礎沉降監(jiān)測共計2個；接縫變形監(jiān)測共6組；揚壓力監(jiān)測共10支滲壓計；土壓力監(jiān)測共4支。水位監(jiān)測共2支。

除以上項目采用自動監(jiān)測外，其余測點均采用人工方式觀測。

2.4.6 弱電防雷系統(tǒng)

本工程工作場所屬多雷區(qū)，現(xiàn)場電氣系統(tǒng)中的電子設備極易遭到雷擊而受損。因此，電氣控制系統(tǒng)現(xiàn)地控制單元及低壓電氣裝置應采取有效的防雷保護措施。要求按各設備的具體情況，對供電線路、電源線、信號線、通信線、饋線安裝相應避雷器以及采取屏蔽措施，從而保護建筑物內(nèi)人員及各種電氣設備的安全。

2.4.7 軟件

本工程軟件包括：操作系統(tǒng)軟件為中文Win 2000或WIN XP、計算機網(wǎng)絡操作系統(tǒng)、閘門監(jiān)控系統(tǒng)軟件、中控層數(shù)據(jù)處理軟件、閘門運行控制算法軟件、閘門集控系統(tǒng)軟件、圖像處理軟件、數(shù)據(jù)采集處理軟件、安全監(jiān)測數(shù)據(jù)處理軟件、安全監(jiān)測信息管理系統(tǒng)軟件(DSIM)，通信軟件，數(shù)據(jù)庫軟件、工程管理軟件、常用辦公軟件、網(wǎng)絡安全軟件，網(wǎng)管軟件等。

2.4.8 自動化系統(tǒng)建議

考慮到田心節(jié)制閘屬南山截流出口海最后一個節(jié)制閘，閘上來水受上游諸多水庫調(diào)控泄水影響，對閘上游各個水庫實施聯(lián)合運行監(jiān)測，加強自動化建設，實現(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)一監(jiān)測，同步分析，是田心節(jié)制閘維持高效運行的有力保障。

建議后期管理單位可聯(lián)合各水庫管理單位實施聯(lián)合水情監(jiān)測，完善整個南山截流小流域范圍內(nèi)的安全監(jiān)測及自動化控制。

2.5 保 護

保護配置：根據(jù)《繼電保護和安全自動裝置技術規(guī)程》(GB14285-2006)等相關規(guī)程規(guī)范進行設計、配置。本工程主要對1臺主變壓器進行保護配置:

變壓器采用熔斷器的方式保護。

2.6 機電設備布置

此工程的變壓器、10kV高壓設備及戶外低壓配電箱布置在節(jié)制閘廠房旁的終端桿上，啟閉機室、管理房等單獨設置配電箱，放置于各功能房。柴油機房布置在管理房旁邊，便于運行及管理?，F(xiàn)地控制設備主要布置在機旁。

2.7 中控室電氣設備布置

中控室設在管理樓一樓。中控室內(nèi)設有直流屏1面、UPS電源1套、網(wǎng)絡柜1面、LCU屏1面、低壓進線及饋電屏1面、DLP大屏幕一面、計算機監(jiān)控后臺和打印機等。中控室鋪設防靜電地板。

3 結 語

為保證田心節(jié)制閘重建工程安全和正常運行，結合其所處的自然地理條件和土地利用情況，對供配電系統(tǒng)及自動化控制系統(tǒng)進行了設計，保障了工程設備的安全運行，確保了工程效益的發(fā)揮。