步進電機探針式量水堰計在張河灣抽水蓄能電站的應用

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。電站總裝機容量1000MW，裝機4臺，單機容量250MW，擔負調峰填谷、調頻調相和緊急事故備用等任務。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)測上水庫庫盆及進出水口滲漏情況，在庫底排水廊道內布置了22座量水堰，下游壩腳排水溝出口設置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)合研制了步進電機探針式量水堰計。2018年5月，上水庫廊道內的8套量水堰計安裝調試完畢并投入試運行。

1 步進電機探針式量水堰計測量原理

目前，國內常見量水堰自動測量裝置（儀器）有振弦式量水堰計（滲壓計）、稱重式量水堰計、浮子式量水堰計（水位計）三種[2]，三種量水堰計在實際應用中存在設備結鈣或測值漂移問題，長期穩(wěn)定性差，經(jīng)常需要進行現(xiàn)場維護、校正常數(shù)；國內量水堰自動測量裝置上均未集成自動控制模塊和測量結果顯示功能，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。

步進電機探針式量水堰計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算公式計算出相應滲流量。步進電機探針式量水堰計由處理器、通信總線模塊、滾珠絲杠、步進電機、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）、液晶顯示屏構成，其變壓電源模塊、采集控制主板、顯示模塊、步進電機計滾珠絲杠封裝在密閉的量水堰計箱體內[3]。非測量狀態(tài)下，探針停止在設計量程最高點，當測量裝置收到啟動命令后，處理器控制步進電機帶動滾珠絲杠旋轉，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，此時停止步進電機。根據(jù)步進電機運動的步數(shù)可以推算出探針的行進距離，即圖1中的H2，根據(jù)此行進距離和其他相關公式及數(shù)據(jù)，處理器可以計算出此點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。測量結束后，探針回到測量原點，等待下次測量命令。

圖1 步進電機探針式量水堰計原理圖Figure 1 Principle diagram of stepper motor probe-type measuring device for flow measuring weir

2 步進電機探針式量水堰計裝置技術參數(shù)

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

表1 步進電機探針式量水堰計裝置 主要技術參數(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采集系統(tǒng)采用以太網(wǎng)總線結構，采集計算機通過以太網(wǎng)絡與各量水堰計相連?？紤]分光器成本過高，系統(tǒng)總線采用光纜+光電交換機+RJ45網(wǎng)線形式將采集計算機和量水堰計相連。系統(tǒng)共安裝了8套量水堰計，測點分別為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)導入兩個軟件組成，采集軟件實時采集量水堰水頭、流量等數(shù)據(jù)，并且保存在SQL SERVER量水堰數(shù)據(jù)庫中，觀測頻次可設置，目前設置為1h；數(shù)據(jù)導入軟件設置：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數(shù)據(jù)導入到大壩中心庫中。

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，同時使用遙控器操作量水堰計測量，記錄人工讀數(shù)和自動測量結果，計算比測差值。人工、自動比測工作均在現(xiàn)場操作，各測點比測時間短，數(shù)據(jù)測量時差小于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，向飲料瓶內加水到鋼板尺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，并計算各次測值與平均值之差，以檢驗自動量水堰裝置的短期穩(wěn)定性。

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

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

續(xù)表

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

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

從比測結果看：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，模擬水頭抬高比測是通過2次人工讀數(shù)計算而來，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試時選取的初始讀數(shù)誤差；各測點復測誤差小于0.1mm，滿足規(guī)范要求[4]，WEb-22復測差值略大，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 自動量水堰計觀測成果分析

由于量水堰計安裝時間較短，受機組停機檢修等因素影響，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之后因護網(wǎng)行動中斷了庫水位數(shù)據(jù)傳輸，導致數(shù)據(jù)庫中無相應庫水位數(shù)據(jù)，故過程線時段只選擇了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：用量水堰計自動測量的各測點流量數(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WEb-21、WEb-22測點距離主要滲水區(qū)域約800m，故滲漏總量計算值變化略滯后上庫水位約1h[6]。

3.4 量水堰計系統(tǒng)維護

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

4 結束語

從張河灣抽水蓄能電站上水庫安裝的步進電機探針式量水堰計運行情況及測量結果看，該測量裝置運行正常且效果良好，觀測精度高，誤差小，不存在零漂和設備結鈣影響觀測精度等問題，箱體結構密閉性能決定了其長期穩(wěn)定性能；現(xiàn)場操作簡單，裝置具有實時顯示測量結果功能，人工比測簡單方便，維護量極小；不需要經(jīng)常性的現(xiàn)場維護、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。