夾巖水利工程升魚機系統(tǒng)供電及自動控制概述

(貴州省水利水電勘測設(shè)計研究院，貴陽，550002)

1 引言

貴州省夾巖水利樞紐及黔西北供水工程位于貴州省西北地區(qū)，夾巖水庫壩址位于畢節(jié)地區(qū)納雍縣和畢節(jié)市界河六沖河中游河段。

為了減少大壩對河流生態(tài)系統(tǒng)尤其是魚類種群的干擾，通過修建過魚設(shè)施從而改善河流連通性，使魚類能順利過壩。魚類過壩設(shè)施對維持河流生態(tài)系統(tǒng)的連通性、保護珍稀魚類、提高河流的漁獲物產(chǎn)量、維持河流的遺傳及生物多樣性具有重要的意義。

2 夾巖水利工程升魚機系統(tǒng)運行流程

夾巖水利樞紐工程過魚方案及設(shè)施根據(jù)國家環(huán)保部批復(fù)要求，采用升魚機方式。升魚機過魚流程大致分為： 誘魚→集魚→提升→轉(zhuǎn)運→分選→運輸→放流七大步驟，升魚機建筑如圖1所示。

圖1 夾巖升魚機三維模型

(1)誘魚系統(tǒng)，把魚類誘引到集魚廊道中，其主要誘魚方式設(shè)計為水流集誘魚，根據(jù)前期的魚類游泳能力測試和魚類對感應(yīng)流速的試驗，在補水廊道上設(shè)置1套工作閘門來控制補水廊道水量，把補水廊道水引進集魚廊道，通過集魚廊道進魚口人字閘門來控制魚類需要的水的流速，流速由設(shè)置在集魚廊道中的四聲路超聲波流量計來檢測，根據(jù)檢測情況提供強化水流，以達到誘魚流速要求，并設(shè)置一道DN300mm供水管從廠房壓力鋼管引水到集魚池進魚口，以強化水流，增加誘魚效果。同時采用輔助集魚手段，在集魚廊道旁設(shè)置一道攔魚電柵，以阻擋魚類通往尾水渠的通道，只留出集魚池唯一魚類通道。利用物理及電場形成的屏障起到引導(dǎo)作用，魚類對聲、光等環(huán)境因素的趨向性等特殊的誘魚手段，將魚類引導(dǎo)至集魚廊道進口。

(2)集魚系統(tǒng)，在集魚廊道進口設(shè)置1套魚類監(jiān)測系統(tǒng)和一套趕魚柵，通過魚類監(jiān)測系統(tǒng)可以看到集魚通道中的魚類數(shù)量，當(dāng)魚達到一定數(shù)量后，自動啟動集魚廊道進魚口的趕魚柵(電源為超級電容)，將趕魚柵由下游進魚口向上游集魚斗緩慢移動，將魚類趕到集魚箱。魚進入集魚斗后，驅(qū)動趕魚柵回到下游集魚池進口，進行下一次趕魚，如此往復(fù)進行。

(3)提升、分選及放流系統(tǒng)，當(dāng)集魚斗的魚積累到一定數(shù)量即可暫停趕魚操作，采用集魚斗啟閉臺車把集魚斗提升到魚類分選暫養(yǎng)平臺，然后把集魚斗轉(zhuǎn)運至分選車間，將魚類進行分選，魚類進入分選池后即可把集魚斗運回集魚池，進行下一次集魚。魚類通過分選后進入運魚專車，然后運魚專車通過公路把魚類運到上游庫尾旅游點進行放游。

3 供電系統(tǒng)

3.1 接入電力系統(tǒng)

升魚機系統(tǒng)的用電設(shè)備主要有趕魚柵、集魚斗啟閉臺車、橫拉閘門、補水工作閘門、補水?dāng)r污柵、進口工作閘門等，設(shè)備裝機容量共148kW，在這些負(fù)荷中，趕魚柵、集魚斗啟閉臺車、橫拉閘門、補水工作閘門、補水?dāng)r污柵可能同時運行，最大負(fù)荷115.5kW。根據(jù)工程的實際情況，故負(fù)荷等級按Ⅲ類負(fù)荷考慮，只要1回供電電源即可滿足供電要求。集魚及轉(zhuǎn)運系統(tǒng)附近有1條畢大泵站——流量閥室的10kV線路，相距1km，供電電源“T”接于該10kV線路上。

3.2 電氣主接線

配電系統(tǒng)主接線初定為10kV電源進線1回，設(shè)置一臺油浸式變壓器，容量為200kVA，接線組別為Dyn11。將10kV降壓到0.4kV后向所有用電負(fù)荷供電，主變高壓側(cè)采用變壓器線路組接線，低壓側(cè)采用單母線接線。

3.3 過電壓保護及接地

配電變壓器的防雷接地采取高壓側(cè)接避雷器，然后將避雷器的接地引下線與配電變壓器外殼及低壓中性點相連，共用一個接地裝置的做法，要求高低壓配電系統(tǒng)接地裝置的接地電阻小于等于4Ω，人工接地裝置做成環(huán)形，環(huán)形的大小，一般以5m為直徑，以便發(fā)揮水平接地極和垂直接地極的散流效果，減少相互屏蔽，降低接地電阻。

4 監(jiān)控系統(tǒng)

4.1 設(shè)計原則

升魚機監(jiān)控系統(tǒng)的任務(wù)是對進入魚道的魚類進行監(jiān)測，并將魚通過集魚系統(tǒng)和升魚系統(tǒng)提升到魚類轉(zhuǎn)運平臺；為保證本系統(tǒng)運行安全、可靠，提高系統(tǒng)經(jīng)濟運行和管理的自動化水平，本系統(tǒng)自動控制設(shè)計遵循以下原則：

(1)本系統(tǒng)按“無人值班、少人值守”原則設(shè)計；

(2)升魚機自動化系統(tǒng)滿足夾巖水利工程調(diào)度自動化的要求，可實現(xiàn)調(diào)度總控制中心能對升魚機進行調(diào)度；

(3)升魚機采用全計算機監(jiān)視控制系統(tǒng)對集魚系統(tǒng)和升魚系統(tǒng)進行監(jiān)視和控制，其結(jié)構(gòu)為分層分布式；

(4)升魚機主控級設(shè)有其監(jiān)視范圍內(nèi)完整的實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，系統(tǒng)LCU設(shè)有其監(jiān)控范圍內(nèi)完整的實時數(shù)據(jù)。

4.2 監(jiān)控系統(tǒng)的任務(wù)

(1)升魚機監(jiān)控系統(tǒng)的任務(wù)是按照整個升魚機系統(tǒng)運行的要求，根據(jù)設(shè)備運行狀況和條件，完成對系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備的監(jiān)視和控制，并實現(xiàn)升魚機計算機監(jiān)控系統(tǒng)與系統(tǒng)調(diào)度之間遠程數(shù)據(jù)傳輸和信息的通信。

(2)準(zhǔn)確、實時地對所有閘門的設(shè)備運行參數(shù)、信息進行采集和處理，實現(xiàn)管理自動化。

(3)根據(jù)系統(tǒng)調(diào)度和閘門運行特性要求，對升魚機系統(tǒng)進行最佳控制。

(4)通過魚類觀測計數(shù)系統(tǒng)對進入魚道的魚進行觀測、統(tǒng)計并將數(shù)據(jù)實時上傳至上位機。

4.3 監(jiān)控系統(tǒng)功能

(1)對升魚機系統(tǒng)設(shè)備，包括閘門、提升裝置、魚道進魚情況等運行數(shù)據(jù)進行采集、處理和安全監(jiān)視，包括變化趨勢監(jiān)視。

(2)按規(guī)定的控制方式和約束條件，實現(xiàn)工況轉(zhuǎn)換及設(shè)備在正常和異常狀況下的自動順序控制和調(diào)節(jié)，在執(zhí)行過程受阻時將設(shè)備轉(zhuǎn)換到安全工況。

(3)系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信功能，包括各現(xiàn)地控制單元與各現(xiàn)場控制設(shè)備，主控制與各現(xiàn)地控制單元之間的實時通信和數(shù)據(jù)交換，監(jiān)控系統(tǒng)與繼電保護裝置等之間的信息交換，監(jiān)控系統(tǒng)與系統(tǒng)調(diào)度計算機系統(tǒng)之間的遠程數(shù)據(jù)通信。

(4)控制與調(diào)節(jié)功能。計算機監(jiān)控系統(tǒng)有多種調(diào)控方式，以滿足運行需要。

①現(xiàn)地控制方式：運行人員通過現(xiàn)地控制屏上的彩色觸摸屏或控制開關(guān)、按鈕，實現(xiàn)閘門等設(shè)備運行。

②主控級控制方式：通過計算機監(jiān)控系統(tǒng)對升魚機設(shè)備實現(xiàn)監(jiān)視控制。

③運行人員工作站控制：通過操作員工作站將控制命令作用到LCU，實現(xiàn)實時控制、安全監(jiān)視。

為保證控制和調(diào)節(jié)的正確、可靠，計算機監(jiān)控系統(tǒng)以手動優(yōu)先，下層優(yōu)先的方式選擇對設(shè)備的控制權(quán)，現(xiàn)地控制單元有較高的優(yōu)先權(quán)，不因控制權(quán)的設(shè)置而被閉鎖。

4.4 監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及配置

4.4.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

計算機監(jiān)控系統(tǒng)由主控層和現(xiàn)地單元兩層構(gòu)成，兩層之間采用光纖以太網(wǎng)通訊。主控級設(shè)備按功能設(shè)置，現(xiàn)地監(jiān)控單元設(shè)備按監(jiān)控對象設(shè)置。主機、LCU屏、魚類觀測計數(shù)控制柜等控制設(shè)備均設(shè)置在升魚機控制室內(nèi)，各閘門控制箱放在現(xiàn)地，以方便進行控制。

具體的結(jié)構(gòu)是：

(1)負(fù)責(zé)對全廠機電設(shè)備進行集中監(jiān)控的主控級；

(2)對全廠設(shè)備進行監(jiān)控的現(xiàn)地監(jiān)控LCU。

4.4.2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及設(shè)備配置

為保證網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性，現(xiàn)地控制級設(shè)備之間采用單星形光纖以太網(wǎng)，傳輸速率為100Mbps，現(xiàn)地控制單元與各閘門控制箱之間采用現(xiàn)場控制總線，確保實時性、可靠性，以提高抗干擾性能，保證網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度和吞吐量。

4.4.3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及配置

控制系統(tǒng)按功能分布的原則配備以下計算機節(jié)點：

4.4.3.1 主控級設(shè)備配置

數(shù)據(jù)服務(wù)器兼操作員工作站1臺，調(diào)度通信工作站1臺。

數(shù)據(jù)服務(wù)器主要用于監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、處理及系統(tǒng)管理，形成系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)庫及歷史數(shù)據(jù)庫。同時完成系統(tǒng)人機接口功能，供運行人員從事升魚機所有設(shè)備的工況監(jiān)視和發(fā)布運行操作指令。同時實現(xiàn)對計算機監(jiān)控系統(tǒng)的管理，在線及離線計算功能，各圖表、曲線的生成，事故故障信號的分析處理等。

數(shù)據(jù)服務(wù)器兼操作員工作站供運行值班人員使用，具有圖形顯示、全站運行監(jiān)視、操作控制、升魚機的自動運行控制、定值設(shè)定與變更工作方式等功能。全站所有的操作控制都可以通過鼠標(biāo)器及鍵盤實現(xiàn)；通過彩色顯示器可以對電站的生產(chǎn)、設(shè)備運行作實時監(jiān)控，并取得所需的各種信息。

配置聲卡、音箱和語音軟件，設(shè)置語音報警系統(tǒng)作為全站監(jiān)控系統(tǒng)的一部分，對全站故障和事故發(fā)語音報警，提醒運行人員。具有報警、測試等功能。

設(shè)置漢字激光打印機一臺，完成計算機監(jiān)控系統(tǒng)的打印服務(wù)功能，打印方式以召換打印為主，定時打印為輔。

配一套UPS電源(6kVA帶逆變器)，用于計算機監(jiān)控系統(tǒng)供電。

通信工作站可實現(xiàn)與調(diào)度總控制中心通信。

本站主控級的所有工作站硬件應(yīng)選用進口高性能計算機，配置按當(dāng)前主流選型，主控級計算機兼操作員工作站應(yīng)為高性能、多任務(wù)、多用戶、通用型工作站，配有通信接口，支持UNIX、WindowsXP、Windows 2000、Windows NT操作系統(tǒng)。各種存儲器應(yīng)帶保護裝置，防止和避免因電源或不正確操作造成信息丟失和改變。

4.4.3.2 現(xiàn)地控級設(shè)備配置

設(shè)置一套LCU、一套魚類監(jiān)測系統(tǒng)，同時趕魚柵、補水渠工作閘門、自動控制集魚箱、補水渠檢修閘門、集魚廊道進口工作閘門、補水管工作閘閥等均配置PLC控制箱進行控制。

(1)LCU屏

LCU共1套，主要完成被監(jiān)控設(shè)備就地數(shù)據(jù)的采集及數(shù)據(jù)預(yù)處理功能，同時也具有控制操作和監(jiān)視功能，實現(xiàn)對生產(chǎn)對象的監(jiān)控。LCU采用以CPU為核心可編程控制器PLC，并配有人機界面裝置和足夠的I/O模板。

LCU屏主要配置包括：1套智能PLC(含CPU模塊，100M以太網(wǎng)接口及其I/O模件、開出繼電器等)、TFT彩色觸摸屏、電源裝置等組成，以滿足現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)采集處理及自動控制要求。

LCU的設(shè)計能保證它與主機系統(tǒng)脫離后仍能在當(dāng)?shù)貙崿F(xiàn)對有關(guān)操作進行必要的監(jiān)視和控制功能，這些功能包括設(shè)備的開、停機操作；設(shè)備運行狀態(tài)及參數(shù)的監(jiān)視，當(dāng)其與主機恢復(fù)聯(lián)系后又能自動地服從上位機系統(tǒng)的控制和管理。

(2)魚類監(jiān)測系統(tǒng)

魚類監(jiān)測系統(tǒng)主要任務(wù)是在魚道入口處完成對魚的數(shù)量、水的流速、水質(zhì)等進行實時監(jiān)測；同時將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)進行分析處理，并可通過計算通過魚類監(jiān)測器的魚的數(shù)量，給出升魚機運行信號，同時上傳信號給上位機啟動升魚機系統(tǒng)運行，完成對整個升魚機系統(tǒng)的自動運行控制。

表1魚類監(jiān)測系統(tǒng)主要配置

(3)輔助設(shè)備

趕魚柵、補水渠工作閘門、自動控制集魚箱、補水渠檢修閘門、集魚廊道進口工作閘門、補水管工作閘閥等均單獨設(shè)置PLC進行控制，可實現(xiàn)遠方控制操作，由監(jiān)控單元(LCU)完成。在就地設(shè)置的PLC控制箱上，完成對這些設(shè)備的現(xiàn)場手動和自動控制操作。PLC控制箱均設(shè)有RS485接口。

4.4.3.3 控制電源

為確保電站的安全運行，便于維護，選用一套直流220V閥控式密封鉛酸蓄電池組，作為全廠控制、操作、事故照明、自動裝置、逆變電源裝置等的電源。蓄電池電壓采用直流220V，初選容量為80Ah，單體蓄電池浮沖電壓為43V。其閥控式密封鉛酸蓄電池組容量按事故負(fù)荷持續(xù)1h計算。

220V直流系統(tǒng)充電浮充電裝置選用一套微機型高頻開關(guān)電源裝置。

本電站設(shè)備所需的交流控制操作電源取自廠用電380/220V系統(tǒng)。

4.5 工業(yè)電視監(jiān)控

為了滿足升魚機的安全和更好的運行管理，設(shè)置一套工業(yè)電視系統(tǒng)。對升魚機系統(tǒng)的重要設(shè)施及部位進行實時監(jiān)視，初步擬定11個監(jiān)視點，攝像頭分為槍式、球形式、水下攝像頭等合理分布在集魚魚道、補水廊道、升魚機提升平臺、控制室、交通橋、篩分室、魚類投放碼頭等位置。工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)配1套視頻處理監(jiān)控主機設(shè)置在升魚機控制室內(nèi)。利用純數(shù)字化技術(shù)，通過監(jiān)控主機可方便地對圖像進行任意加工、處理和傳輸，并可利用光纖延伸傳輸距離。

5 結(jié)語

據(jù)調(diào)查，目前全國絕大多數(shù)大壩、電站等水利工程很少有設(shè)置過魚設(shè)施的，而夾巖水利工程的升魚機是目前貴州省第一座高壩過魚設(shè)施項目，隨著環(huán)境生態(tài)保護要求的不斷提搞，以后會建設(shè)更多不同形式的過魚設(shè)施，也將會對過魚設(shè)施系統(tǒng)的控制提出更高的要求。該工程升魚機系統(tǒng)供電及自動控制的實踐經(jīng)驗，可對其他類似工程升魚機系統(tǒng)的建設(shè)提供借鑒和參考。