步进电机探针式量水堰计在张河湾抽水蓄能电站的应用

韩晓涛，邱 伟，马保东，董旭龙，赵 钰，易长春

（1.国网新源控股有限公司检修分公司，北京市 100068；2.河北张河湾蓄能发电有限责任公司，河北省石家庄市 050300）

0 工程概况

张河湾抽水蓄能电站位于河北省石家庄市井陉县测鱼镇附近的甘陶河干流上。电站总装机容量1000MW，装机4台，单机容量250MW，担负调峰填谷、调频调相和紧急事故备用等任务。上水库位于下水库左岸的老爷庙山顶，采用开挖筑坝围库而成[1]。上水库工程主要包括堆石坝、库盆沥青混凝土防渗面板、排水系统、库岸基础处理。上水库库盆采用沥青混凝土面板全库盆防渗，总防渗面积33.7 万 m2。

为了监测上水库库盆及进出水口渗漏情况，在库底排水廊道内布置了22座量水堰，下游坝脚排水沟出口设置2座量水堰。其中，8个量水堰常年有水，采用人工观测，观测频次为15次/月，其他量水堰除雨季偶尔有雨水渗入外，堰槽基本处于干涸状态。

2017年，河北张河湾抽水蓄能电站、国网新源检修分公司库坝中心针对现场实际情况，与哈尔滨今星微电子科技有限公司联合研制了步进电机探针式量水堰计。2018年5月，上水库廊道内的8套量水堰计安装调试完毕并投入试运行。

1 步进电机探针式量水堰计测量原理

目前，国内常见量水堰自动测量装置（仪器）有振弦式量水堰计（渗压计）、称重式量水堰计、浮子式量水堰计（水位计）三种[2]，三种量水堰计在实际应用中存在设备结钙或测值漂移问题，长期稳定性差，经常需要进行现场维护、校正常数；国内量水堰自动测量装置上均未集成自动控制模块和测量结果显示功能，观测人员在现场不能立即判断量水堰自动测量装置采集的数据是否正确，人工比测困难。

步进电机探针式量水堰计在测量原理上仍采用测量堰上水头的方式，再通过各种量水堰板的渗流量计算公式计算出相应渗流量。步进电机探针式量水堰计由处理器、通信总线模块、滚珠丝杠、步进电机、探针、液位检测模块、红外遥控接收模块、红外测距传感器（可选）、液晶显示屏构成，其变压电源模块、采集控制主板、显示模块、步进电机计滚珠丝杠封装在密闭的量水堰计箱体内[3]。非测量状态下，探针停止在设计量程最高点，当测量装置收到启动命令后，处理器控制步进电机带动滚珠丝杠旋转，使探针向下移动，直到探针刚好接触到液面，液位检测模块检测到探针的反馈端有电流通过，此时停止步进电机。根据步进电机运动的步数可以推算出探针的行进距离，即图1中的H2，根据此行进距离和其他相关公式及数据，处理器可以计算出此点的堰上水头和流量值显示在液晶显示屏上，并通过通信总线模块传输到需要接收数据的接收端。测量结束后，探针回到测量原点，等待下次测量命令。

图1 步进电机探针式量水堰计原理图Figure 1 Principle diagram of stepper motor probe-type measuring device for flow measuring weir

2 步进电机探针式量水堰计装置技术参数

步进电机探针式量水堰计装置主要技术参数见表1，主要组成部分及系统显示见图2。

表1 步进电机探针式量水堰计装置 主要技术参数[2]Table1 Main technical parameters of stepper motor probe-type measuring device for flow measuring weir

图2 量水堰计主要组成部分及系统显示图Figure 2 Main components and system diagram of weir gauge

3 张河湾上水库量水堰计采集系统

3.1 系统组成

张河湾抽水蓄能电站上水库量水堰计采集系统采用以太网总线结构，采集计算机通过以太网络与各量水堰计相连。考虑分光器成本过高，系统总线采用光缆+光电交换机+RJ45网线形式将采集计算机和量水堰计相连。系统共安装了8套量水堰计，测点分别为WEb-6、WEb-7、WEb-8、WEc-9、WEd-19、WEd-20、WEe-21、WEe-22。

软件系统由采集软件和数据导入两个软件组成，采集软件实时采集量水堰水头、流量等数据，并且保存在SQL SERVER量水堰数据库中，观测频次可设置，目前设置为1h；数据导入软件设置：每隔3min检测大坝中心数据库与量水堰数据库中数据是否一致，不一致则将数据采集软件采集的相应数据导入到大坝中心库中。

3.2 人工比测及短期稳定性

人工比测方法：采用常规人工观测法观测，同时使用遥控器操作量水堰计测量，记录人工读数和自动测量结果，计算比测差值。人工、自动比测工作均在现场操作，各测点比测时间短，数据测量时差小于1min。

模拟水头抬高比测方法：使用大的透明饮料瓶，将20cm的钢板尺使用胶带固定在饮料瓶上，现场比测时，向饮料瓶内加水到钢板尺40mm读数附近，人工读取液面高度，然后将饮料瓶放入量水堰槽中，液面稳定1min后自动测量，记录测量结果，然后将饮料瓶拿出，分别加水到钢板尺80、130mm读数附近，重复比测。

短期稳定性测试：通过快速连续5次自动测量堰上水头并记录测值，求得平均值，并计算各次测值与平均值之差，以检验自动量水堰装置的短期稳定性。

2018年5月初完成安装调试工作后，按照要求，每月比测一次。2018年7月初，在现场对系统8个量水堰计进行了一次人工比测、模拟水头抬高比测及短期稳定性测试，比测及测试结果见表2～表4。

表2 人工比测统计表[5]Table 2 Manual comparison table

续表

表3 模拟水头抬高比测结果统计表Table 3 Results of simulate hydraulic head raise

表4 上库量水堰短期稳定性复测差值统计表Table 4 Retest difference of short-term stability of upper storage weir

从比测结果看：常规人工比测差小于1mm，满足规范要求[4]；模拟水头抬高比测有个别差值大于1mm，其原因是人工观测读数误差较大，1次读数误差约在1mm范围内，模拟水头抬高比测是通过2次人工读数计算而来，故个别比测数据差值大于1mm；比测差值主要来源于人工读数误差及量水堰安装调试时选取的初始读数误差；各测点复测误差小于0.1mm，满足规范要求[4]，WEb-22复测差值略大，其原因是堰槽较深，饮料瓶受水流冲击，水位液面不稳所致。

3.3 自动量水堰计观测成果分析

由于量水堰计安装时间较短，受机组停机检修等因素影响，2018年5～6月张河湾抽水蓄能电站停止发电。2018年7月4日开始发电，7月12之后因护网行动中断了库水位数据传输，导致数据库中无相应库水位数据，故过程线时段只选择了2018年6月26日～7月12日数据。上水库渗漏量与库水位过程线见图3。

图3 量水堰自动测量数据与库水位过程线示意图Figure 3 Schematic diagram of automatic measurement data and reservoir water level

从过程线图可以看出：用量水堰计自动测量的各测点流量数据随上水库水位呈规律性变化。上库渗漏总量观测点WEb-21、WEb-22测点距离主要渗水区域约800m，故渗漏总量计算值变化略滞后上库水位约1h[6]。

3.4 量水堰计系统维护

由于量水堰计的变压电源模块、采集控制主板、显示模块、步进电机计滚珠丝杠等部件均封装在密闭的量水堰计箱体内，现场采用红外遥控器操作，密封性能好，自上水库量水堰计安装调试完成后，除了WEb-21因堰槽内有水泡沫影响了观测值进行处理一次外，无其他维护工作，系统运行基本处于免维护状态。

4 结束语

从张河湾抽水蓄能电站上水库安装的步进电机探针式量水堰计运行情况及测量结果看，该测量装置运行正常且效果良好，观测精度高，误差小，不存在零漂和设备结钙影响观测精度等问题，箱体结构密闭性能决定了其长期稳定性能；现场操作简单，装置具有实时显示测量结果功能，人工比测简单方便，维护量极小；不需要经常性的现场维护、校正常数，完全可以替代人工观测；其通信控制模块的通信端口可根据现场大坝安全监测自动化系统实际情况选择RS485、CAN、RJ45或尾纤接口，也可以定制特殊接口，具有良好的兼容性。