泉河李坟节制闸除险加固工程自动化设计

□王卓然 □张大鹏 □张亚辉 □张浩东

（河南省水利勘测设计研究有限公司）

0 引言

随着当今社会的发展,为充分发挥水利水电工程的经济效益，对各应用系统运行工况进行集中统一管理的需求逐步增加，需要建立开放、标准、通用、满足电力二次系统安全防护要求的自动化调度与运行系统,此系统具有可扩充性,采用面向对象的处理模式和通用的规则引擎,定义了标准接口规范以支持灵活接入多个应用系统，该系统充当了自动化系统安全运行检测、监视、监控等角色,提升了自动化信息质量和运行指标,缩短了故障处理时间,减轻了运行值班压力和劳动强度。

1 泉河李坟节制闸项目概况

李坟节制闸位于李坟截湾段上，其下游距安徽省界13.00km，是泉河上一座大型节制工程。李坟节制闸于1974年冬动工，1975年7月竣工并投入运行，电气设备均为20世纪70年代产品，功能已经不完善，现已超期服役，由于管理控制闸门数量较多且运行方式较为复杂，为了方便运行管理，提高工程运行管理水平，充分发挥工程效益，确保工程长期安全、稳定和经济运行，减少事故发生，需要设备更新和增设一套完整的集计算机监控系统、安全监测自动化系统、视频监测系统一体的自动化调度与运行系统。

2 计算机监控系统

2.1 系统概述

计算机监控系统是自动化调度与运行管理的关键系统之一，利用计算机、通信和网络技术全面及时地采集所需数据，对闸门及其它监控信息进行实时监控，以提高信息的传输效率与管理决策水平。在设计中结合工程条件、机构设置和管理要求，制定出完善的控制策略和存储机制，运用先进的分层架构，构造高效、快捷的监控服务体系，对闸门整个启闭过程进行实时监测，并具有现地手动控制、自动控制和远程控制功能，实现技术先进、安全可靠、经济实用，达到“无人值班，少人值守”的目标。

2.2 系统组成

计算机监控系统的监控对象主要包含以下内容：闸门的开度、荷重；闸门启闭机电机运行状态及其转速、电流、电压、功率、功率因数等参数；主电源状态及其电流、电压、功率、功率因数、频率等参数。上、下游水位及其它需监测的量。

采用分层分布开放式快速以太网结构，并具有冗余功能。设置主控层和现地站层。根据各监控对象重要性的不同，计算机监控系统主干通信信道采用具有冗余功能的单光纤环形快速以太网，启闭机房各LCU 接入主干环网上的交换机，闸门启闭机电机各状态参数经LCU 上传至主控级，配电柜内各进、出回路的电气参数由具通信功能的智能表计直接接入环形网络，柴油发电机组各参数经传感器和具通信接口的智能表计直接接入环形网络。主控级各工作站直接接入环网上的交换机。

2.3 系统功能应用

实时监控系统可以定期采集和处理闸门开度、荷重、闸门电动机运行参数等模拟量和控制闸门的接触器状态、行程开关状态、电动机保护装置状态等开关量，出现异常情况时同时启动现地和中控室内的音响报警装置，并明示出故障设备和故障类型；具有限制非法操作者的软、硬件多重闭锁功能；可在现地LCU柜上实现闸门自动控制和手动控制的切换，并及时将前述的各项数据上传至主控级，并接受主控级发出的指令作出相应的动作（现地LCU 优先与主控级），实现自诊断和自恢复。

3 视频监视系统

3.1 视频监视系统概述

视频监视系统为采集闸门、闸室、上、下游水面、柴油发电机房、组合箱式变电站等设备的运行状况、现场环境等图像信息，实现全天候实时监视闸门设备运行情况，便于对闸门监控系统运行维护、突发事件取证、图像保存管理等应用提供视频监控手段。

3.2 视频监视系统设备组成

视频监视系统主要包括视频同轴电缆、控制（信号）电缆、电源线、视频光端机、光纤、接口设备等，负责将视频和控制信号传输到所需的地点。同时系统的控制数据和视频信号也可经过压缩处理，通过多种网络传输方式传输到所需要的地点，控制、录像及显示设备主要包括硬盘录像机、视频网络交换机、网络视频服务器等。

摄像前端设备主要包括一体化球型摄像机、定焦摄像机、通讯接口、云台、支架、防盗传感器等。视频监视系统监视对象主要有：7 孔闸门、闸室、上、下游水面、柴油发电机房、组合箱式变电站等主要观测点。

3.3 视频监视系统功能特征

在操作对应闸门时可自动切换到该闸门的画面，以满足监控和管理的需求。同时系统的控制数据和视频信号也可经过压缩处理，通过多种网络传输方式传输到所需要的地点。

图像监控系统通过视频信号接入设备、视频信号传输设备、视频服务器将视频图像传输至视频工作站上，并预留上传接口，以供管理决策者监视、决策。视频数据采用MPEG-4 图像压缩编码传输。

4 安全监测自动化系统

4.1 安全监测自动化系统的重要性

安全监测自动化系统无论在施工期还是在投产期都发挥着重要的作用，李坟节制闸在施工期和运行期的安全与否，将直接关系到工程安全和人民生命财产安全。特别是在施工期间对变形、渗流情况以及后期的结构安全等，都是设计、施工和管理部门十分关心的问题，只有通过各种监测设施来获取工程的实测性态值，并对其进行分析，才能监视工程的运行安全或安全运行程度，并进行预报，一旦发现异常迹象，及时采取补救措施，防止事故发生，减少安全隐患。

4.2 安全监测自动化系统结构组成

监测主机选用工业控制计算机。主机通过传输接口与各监测数据采集单元（MCU）通讯，监测主机的功能主要是对MCU采集的数据和由人工观测后所输入的资料进行统一管理，并对所取得的资料进行整理分析，按期编写各建筑物工程监测情况简报。

数据采集单元MCU 的基本功能是激励和测读现场传感器、数据的现场处理、工程单位的转换、以及所需的控制功能等。所有采集到的数据均存于MCU 的大容量存储器内直至该数据成功传输到工程监测站，所有MCU 数据的传输均应经过误码检测及监测站的确认后才会清除。同时，MCU 采用“多任务”方式运行，可以在MCU 进行数据激励、采集的同时进行数据的通讯、中继等。

4.3 安全监测自动化系统功能概述

MCU 一旦编程后，立即执行相应的有关任务，不再需要操作人员的干涉。所有测量、计算、控制、通讯等功能可以依据MCU 本身的精确真实时钟根据编程设定的时间、间隔或特定的触发控制条件进行测量。MCU 的时钟需要定期与远程监测站的监控主机时钟自动对时以确保时间的精确和一致性。MCU 的编程应包括传感器测量、工程单位转换、各种工程数学公式计算、逻辑判断及处理、发布警报及实施控制功能。所有拟传输到远程监测站或其他MCU 的数据应存放在存储器里直至数据传输成功并获得目的址的确认。此外，MCU 还应根据现场情况，触发各种预设警报并智能控制网络调整运行状态，当某个MCU 的重要测值出现异常，经自动复测确认这种异常后，可以由MCU 主动发布命令通知网络中其他的单元立即工作而不一定需要远程监测站的干涉。

MCU 要求根据所连接传感器的重要程度或传感器数据的变化趋势、变化速率及是否接近警报值的程度，设定其数据传输的优先级别，一般的数据可以立刻传输或定时批量传输，在系统中，具有优先级别的重要数据是优先传输的，而警报信号的传输总是在发生时立刻传输到监测站。

5 系统软件数据库处理与接口协议

电力调度自动化系统是指直接为电网运行服务的数据采集与监控系统，包括在此系统中需要运行的应用软件，与相关兼容软件。其中工程监测系统软件内容包括：在线监控、离线分析、安全管理、数据库管理、网络评估管理、远程监测及远程辅助服务系统；数据库管理主要有在线监控数据库、原始测值数据库、应用数据库和文件库的生成、增补和维护，以及异种数据库文件的共享和转换等。

鉴于SQLServer2005 数据库结构、数据格式、与WindowsXP系统链接接入协议较简便，软件选择SQLServer2005 数据库，操作界面选用WindowsXP 系统。

6 结语

自动化调度和运行管理工作的好坏，将直接影响李坟节制闸的安全稳定可靠运行，随着社会经济的不断发展，人民生活水平的不断提高，对电能安全性、稳定性的需求也在不断提高。目前泉河李坟节制闸除险加固工程已经开工建设且已经投入运行，集计算机监控、安全监测、视频监视一体化的自动化调度和运行管理系统随着时间的推移将会发挥更加重要的社会、经济效益。

[1]刘学军.继电保护原理[M].北京：中国电力出版社，2007.

[2]谷水清主编.电力系统继电保护[M].北京：中国电力出版社，2005.

[3]马福.雷击变电所地电位干扰及防护措施研究[M].长沙：长沙理工大学，2009.