輸水工程渠道閘門(mén)采用風(fēng)光互補(bǔ)供電的探討

張飛躍，易吉林

(貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，貴陽(yáng)， 550002)

1 工程概況

黃家灣水利樞紐工程是貴州省目前在建的綜合性大型水利樞紐工程，主要由大壩樞紐工程、供水灌溉工程及發(fā)電工程組成。其中供水、灌溉工程將灌區(qū)分為干渠片區(qū)、松白片區(qū)、水宗片區(qū)和水塘片區(qū)4個(gè)片區(qū)，其中干渠全長(zhǎng)24.332km，支渠全長(zhǎng)67.626km，鄉(xiāng)鎮(zhèn)供水管線全長(zhǎng)8.410km，貓營(yíng)工業(yè)園專(zhuān)用供水管線全長(zhǎng)15.134km。輸水工程中閘(閥)門(mén)數(shù)量眾多，運(yùn)行管理麻煩，大多位于地理位置偏遠(yuǎn)、人煙稀少偏僻的鄉(xiāng)村，交通不便等地區(qū)。本工程在各渠道上采用電動(dòng)控制的閘門(mén)共78處，裝機(jī)容量小(1.5kW～7.5kW)。下面對(duì)渠道上閘門(mén)分別采用風(fēng)光互補(bǔ)供電和傳統(tǒng)交流供電進(jìn)行討論。

2 采用傳統(tǒng)交流供電方案

2.1 電氣主接線

統(tǒng)一采用一回10kV線路，通過(guò)一臺(tái)容量為80kVA或50kVA的降壓變壓器降壓到0.4kV，向閘站用負(fù)荷供電。10kV側(cè)采用變壓器—線路組接線，0.4kV側(cè)采用單母線接線。根據(jù)400V負(fù)荷供電半徑為500m的原則，如果多處閘門(mén)的距離在500m以內(nèi)，則采用一回10kV對(duì)這些閘門(mén)統(tǒng)一供電，同時(shí)設(shè)置2臺(tái)50kW的移動(dòng)式柴油發(fā)電機(jī)作為輸水系統(tǒng)的閘門(mén)備用電源。

2.2 主要電氣設(shè)備選擇

每套閘門(mén)主要電氣設(shè)備選擇見(jiàn)表1。

表1 10kV供電每套閘門(mén)主要電氣設(shè)備

2.3 控制方式及通訊

(1)黃家灣水利樞紐工程共設(shè)置兩座閘站，閘站內(nèi)分別設(shè)置1臺(tái)現(xiàn)地控制單元(LCU)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)該閘站范圍內(nèi)各個(gè)對(duì)象的監(jiān)視和控制?，F(xiàn)地控制單元可選擇遠(yuǎn)程/就地控制方式，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理和設(shè)備運(yùn)行監(jiān)視，通過(guò)局域網(wǎng)與監(jiān)控系統(tǒng)其他設(shè)備進(jìn)行通信，完成自診斷功能等。在調(diào)度中心上位機(jī)出現(xiàn)故障或退出運(yùn)行時(shí)，LCU仍能正常運(yùn)行和實(shí)現(xiàn)對(duì)閘(閥)的基本控制，所以閘站現(xiàn)地LCU既可作為分布系統(tǒng)中的現(xiàn)地智能終端，又可作為獨(dú)立裝置單獨(dú)運(yùn)行，閘站現(xiàn)地LCU向上通過(guò)光纖與調(diào)度中心主控級(jí)上位機(jī)通訊。

(2)其他閘門(mén)：除了上述兩個(gè)閘站的閘門(mén)外，灌區(qū)中其他閘門(mén)較分散，初步確定閘(閥)的控制方式采用就地控制，遠(yuǎn)方監(jiān)視，控制電源采用交流220V電源。針對(duì)分散閘門(mén)控制室內(nèi)各設(shè)計(jì)一面智能RTU箱(現(xiàn)地控制單元設(shè)備)，實(shí)現(xiàn)閘門(mén)的數(shù)據(jù)采集和處理，是閘站群集控系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來(lái)源。閘門(mén)智能RTU箱完成閘門(mén)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、流程控制、通信等功能，實(shí)現(xiàn)閘閥開(kāi)/閉狀態(tài)、水位各種信號(hào)的采集和處理，最終通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)(GPRS)向調(diào)度中心傳遞信息。

2.4 工業(yè)電視監(jiān)控

為了對(duì)閘門(mén)、啟閉機(jī)室等重要設(shè)備及部位進(jìn)行監(jiān)視，隨時(shí)了解各設(shè)備的運(yùn)行情況及各部位的安全狀況，設(shè)置有圖象監(jiān)視系統(tǒng)。按被監(jiān)視設(shè)備和部位特點(diǎn)的不同，分別裝設(shè)室內(nèi)、外活動(dòng)或固定攝像頭。

運(yùn)行人員、調(diào)度人員可以通過(guò)該系統(tǒng)在控制中心了解閘站及啟閉機(jī)室設(shè)備的運(yùn)行狀況，各閘站的防盜、防火等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視并進(jìn)行紀(jì)錄，閘站分別通過(guò)光纖將視頻圖像傳輸至遠(yuǎn)端調(diào)度中心。灌區(qū)內(nèi)其他閘門(mén)設(shè)備的運(yùn)行情況及各部位的安全狀況，則采用GPRS通信方式傳輸。閘門(mén)現(xiàn)地視頻系統(tǒng)由于GPRS通信費(fèi)用的限制，視頻采集采用抓拍球或槍形攝像機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)閘門(mén)內(nèi)重要部位的視頻圖像采集，通過(guò)GPRS通信上傳圖片至調(diào)度中心，達(dá)到遠(yuǎn)程可視化操作與管理。

3 采用風(fēng)光互補(bǔ)直流系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)組成及功能

系統(tǒng)由太陽(yáng)能光伏電池板及光伏控制系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)及風(fēng)電控制系統(tǒng)、PLC編程控制箱、儲(chǔ)能蓄電池組及BMS電池管理系統(tǒng)、大功率直流電機(jī)及控制系統(tǒng)(直流閥門(mén)電動(dòng)裝置及直流啟閉機(jī))、安防報(bào)警喇叭及控制系統(tǒng)、直流照明燈及控制系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、流量采集系統(tǒng)、液位采集系統(tǒng)、無(wú)線通信及遠(yuǎn)程云平臺(tái)管控系統(tǒng)、安裝托架塔桿以及至各耗電設(shè)備的所有線纜等組成。

由太陽(yáng)能光伏電池板及光伏控制、風(fēng)力發(fā)電機(jī)及風(fēng)電控制互補(bǔ)發(fā)電后經(jīng)PLC編程控制箱將電能儲(chǔ)存在蓄電池組及BMS電池管理系統(tǒng)中。直流電能通過(guò)BMS電池管理系統(tǒng)輸出到PLC編程控制箱，由PLC編程控制箱給大功率直流電機(jī)、無(wú)線通信、安防報(bào)警喇叭、直流照明燈、視頻監(jiān)控、流量采集、液位采集供電。PLC編程控制箱對(duì)直流電機(jī)、安防報(bào)警喇叭、直流照明燈、視頻監(jiān)控、流量、液位、無(wú)線通信進(jìn)行數(shù)據(jù)雙向傳輸，并遠(yuǎn)傳至控制中心實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)控及后臺(tái)管理。

3.2 閘、閥風(fēng)光互補(bǔ)的設(shè)備布置

閘門(mén)布置點(diǎn)的金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備主要由閘門(mén)門(mén)體與閘門(mén)啟閉設(shè)備組成，每個(gè)閘門(mén)布置點(diǎn)均設(shè)置有啟閉機(jī)排架，并設(shè)置有啟閉機(jī)室以保護(hù)啟閉機(jī)。在閘門(mén)布置點(diǎn)中，太陽(yáng)能光伏電池板及風(fēng)力發(fā)電機(jī)布置在啟閉機(jī)室屋頂，直流智能電動(dòng)裝置、BMS電池管理系統(tǒng)及儲(chǔ)能電池組、可編程PLC控制箱布置在啟閉機(jī)室內(nèi)。

圖1 風(fēng)光互補(bǔ)設(shè)備布置

3.3 安防報(bào)警及視頻監(jiān)控

安防報(bào)警系統(tǒng)由PLC編程箱進(jìn)行供電并雙向傳輸信號(hào)，采用紅外、微波、移動(dòng)偵測(cè)三種互補(bǔ)方式，保障信號(hào)的準(zhǔn)確性，紅外、微波入侵探測(cè)器與移動(dòng)偵測(cè)采用隨機(jī)工作制，即在系統(tǒng)布防時(shí)當(dāng)有人員進(jìn)入探測(cè)器探測(cè)范圍內(nèi)，系統(tǒng)主機(jī)便會(huì)發(fā)送報(bào)警信號(hào)，就地警示感應(yīng)式自動(dòng)喊話喇叭高分貝語(yǔ)音警示，同時(shí)報(bào)警信號(hào)通過(guò)無(wú)線通信系統(tǒng)傳輸?shù)娇刂浦行摹?/p>

視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)置應(yīng)可對(duì)閘室周?chē)O(shè)備360°云臺(tái)監(jiān)控，還應(yīng)設(shè)置對(duì)閘室內(nèi)部設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，視頻監(jiān)控?cái)z像儀由PLC編程箱進(jìn)行供電并雙向傳輸信號(hào)。

視頻信號(hào)經(jīng)過(guò)對(duì)應(yīng)的視頻輸入口進(jìn)入球機(jī)本地SD卡進(jìn)行保存，可保存30天以上的圖像資料，便于取證和查詢。

視頻攝像儀采用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)高清紅外智能球形攝像機(jī)，球機(jī)應(yīng)具備本機(jī)存儲(chǔ)功能，支持SD卡熱插拔，最大支持256GB，球機(jī)插入4G卡通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將視頻信號(hào)傳輸?shù)竭h(yuǎn)端，通過(guò)遠(yuǎn)控端軟件憑權(quán)限觀看實(shí)時(shí)圖像或視頻，并可下載機(jī)內(nèi)錄像資料進(jìn)行調(diào)看。

4 方案比較

4.1 按供電方式及控制比較

傳統(tǒng)交流供電系統(tǒng)通過(guò)變壓器升壓和降壓，便于遠(yuǎn)距離傳輸，配送電能方便。但根據(jù)本工程負(fù)荷小、閘(閥)門(mén)使用頻次低、設(shè)置在地理位偏遠(yuǎn)、人煙稀少、交通不便等特點(diǎn)，閘(閥)門(mén)啟閉機(jī)供電若采用架設(shè)交流電網(wǎng)線路的方式，則需架設(shè)很長(zhǎng)的輸電線路，電力線路所經(jīng)之處占用的土地較多，協(xié)調(diào)工作復(fù)雜，賠付費(fèi)用較高，其本身線路供電造價(jià)高，需要花費(fèi)大量的人力物力及財(cái)力去建設(shè)電力供應(yīng)基礎(chǔ)設(shè)施，其經(jīng)濟(jì)性很差。

風(fēng)光互補(bǔ)直流供電方案是獨(dú)立的發(fā)電系統(tǒng)，無(wú)需架設(shè)高低壓線路、操作性高、運(yùn)行方便且投資相對(duì)較低，特別適用于水利工程中閘、閥使用頻次低、布置分散的特點(diǎn)。

風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的智能測(cè)控系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，不僅可在現(xiàn)場(chǎng)查看和編程控制，還可通過(guò)提供的標(biāo)準(zhǔn)通訊接口進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸和管控。

4.2 供電可靠性比較

傳統(tǒng)交流供電方案閘閥電源引自農(nóng)網(wǎng)，農(nóng)網(wǎng)普遍存在設(shè)備老化，供電半徑長(zhǎng)，線經(jīng)小，抗災(zāi)能力差，供電可靠率低。在遇到斷電情況下，需要采用應(yīng)急發(fā)電車(chē)供電，極為不便。

風(fēng)光互補(bǔ)直流供電方案電池可以儲(chǔ)存電能，相當(dāng)于后備電源，還可以根據(jù)需要設(shè)定電池電量的報(bào)警，預(yù)留備用電量應(yīng)急使用。而且在連續(xù)陰雨無(wú)風(fēng)的極端天氣情況下，若電池電量用盡，可攜帶移動(dòng)電池到現(xiàn)場(chǎng)，接上電池的正負(fù)極兩根線即可實(shí)現(xiàn)供電，移動(dòng)電池可以在雨中安全使用。

4.3 施工安裝比較

傳統(tǒng)交流供電方案供電線路施工周期長(zhǎng)、每個(gè)供電點(diǎn)均需到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地踏勘，根據(jù)電網(wǎng)情況設(shè)計(jì)，并向供電局申請(qǐng)，還需征地向農(nóng)民賠償土地費(fèi)，各方面協(xié)調(diào)繁瑣。

風(fēng)光互補(bǔ)直流供電系統(tǒng)是全模塊化設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，便于安裝維修?？梢愿鶕?jù)工程進(jìn)度，自主決定設(shè)備安裝時(shí)間，節(jié)約大量的人力物力財(cái)力。

4.4 運(yùn)行管理比較

傳統(tǒng)交流供電方案輸電線路長(zhǎng)，線路維護(hù)檢修工作量大、費(fèi)用高、專(zhuān)業(yè)性強(qiáng)、管理難度大，易受低溫雨雪天氣影響。

風(fēng)光互補(bǔ)直流供電系統(tǒng)方案應(yīng)用前景廣闊，可視實(shí)際需要隨時(shí)隨地投入使用，整個(gè)過(guò)程綠色環(huán)保 (可再生自然能源 )、施工安裝簡(jiǎn)便、安全無(wú)隱患、自動(dòng)控制免維護(hù)、性價(jià)比高。

風(fēng)光互補(bǔ)直流供電方案PLC控制箱為鋁壓鑄件，防盜，防塵，可以放在水中使用，防護(hù)等級(jí)IP68；PLC控制箱表面上沒(méi)實(shí)體開(kāi)關(guān)，采用磁力筆，紅外藍(lán)牙遙控器，防止誤操作，還可現(xiàn)場(chǎng)編程。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著水利工程的發(fā)展和水利自動(dòng)化要求的不斷提高，渠道供水的運(yùn)行管理及信息采集越來(lái)越重要，結(jié)合輸水工程中閘(閥)門(mén)等設(shè)備負(fù)荷小，運(yùn)行頻次不高等特點(diǎn)，風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)能夠?yàn)檩斔こ烫峁┑统杀?、綠色可靠的電力，能夠滿足輸水工程的需要，解決遠(yuǎn)離電網(wǎng)覆蓋地區(qū)供電難的問(wèn)題，將有效彌補(bǔ)輸水工程建設(shè)及管理上的難題，推動(dòng)綠色發(fā)展，謀求更佳質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益。