夾巖水利工程升魚(yú)機(jī)系統(tǒng)供電及自動(dòng)控制概述

(貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，貴陽(yáng)，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(kù)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(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)尤其是魚(yú)類(lèi)種群的干擾，通過(guò)修建過(guò)魚(yú)設(shè)施從而改善河流連通性，使魚(yú)類(lèi)能順利過(guò)壩。魚(yú)類(lèi)過(guò)壩設(shè)施對(duì)維持河流生態(tài)系統(tǒng)的連通性、保護(hù)珍稀魚(yú)類(lèi)、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(yú)機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行流程

夾巖水利樞紐工程過(guò)魚(yú)方案及設(shè)施根據(jù)國(guó)家環(huán)保部批復(fù)要求，采用升魚(yú)機(jī)方式。升魚(yú)機(jī)過(guò)魚(yú)流程大致分為： 誘魚(yú)→集魚(yú)→提升→轉(zhuǎn)運(yùn)→分選→運(yùn)輸→放流七大步驟，升魚(yú)機(jī)建筑如圖1所示。

圖1 夾巖升魚(yú)機(jī)三維模型

(1)誘魚(yú)系統(tǒng)，把魚(yú)類(lèi)誘引到集魚(yú)廊道中，其主要誘魚(yú)方式設(shè)計(jì)為水流集誘魚(yú)，根據(jù)前期的魚(yú)類(lèi)游泳能力測(cè)試和魚(yú)類(lèi)對(duì)感應(yīng)流速的試驗(yàn)，在補(bǔ)水廊道上設(shè)置1套工作閘門(mén)來(lái)控制補(bǔ)水廊道水量，把補(bǔ)水廊道水引進(jìn)集魚(yú)廊道，通過(guò)集魚(yú)廊道進(jìn)魚(yú)口人字閘門(mén)來(lái)控制魚(yú)類(lèi)需要的水的流速，流速由設(shè)置在集魚(yú)廊道中的四聲路超聲波流量計(jì)來(lái)檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)情況提供強(qiáng)化水流，以達(dá)到誘魚(yú)流速要求，并設(shè)置一道DN300mm供水管從廠(chǎng)房壓力鋼管引水到集魚(yú)池進(jìn)魚(yú)口，以強(qiáng)化水流，增加誘魚(yú)效果。同時(shí)采用輔助集魚(yú)手段，在集魚(yú)廊道旁設(shè)置一道攔魚(yú)電柵，以阻擋魚(yú)類(lèi)通往尾水渠的通道，只留出集魚(yú)池唯一魚(yú)類(lèi)通道。利用物理及電場(chǎng)形成的屏障起到引導(dǎo)作用，魚(yú)類(lèi)對(duì)聲、光等環(huán)境因素的趨向性等特殊的誘魚(yú)手段，將魚(yú)類(lèi)引導(dǎo)至集魚(yú)廊道進(jìn)口。

(2)集魚(yú)系統(tǒng)，在集魚(yú)廊道進(jìn)口設(shè)置1套魚(yú)類(lèi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和一套趕魚(yú)柵，通過(guò)魚(yú)類(lèi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以看到集魚(yú)通道中的魚(yú)類(lèi)數(shù)量，當(dāng)魚(yú)達(dá)到一定數(shù)量后，自動(dòng)啟動(dòng)集魚(yú)廊道進(jìn)魚(yú)口的趕魚(yú)柵(電源為超級(jí)電容)，將趕魚(yú)柵由下游進(jìn)魚(yú)口向上游集魚(yú)斗緩慢移動(dòng)，將魚(yú)類(lèi)趕到集魚(yú)箱。魚(yú)進(jìn)入集魚(yú)斗后，驅(qū)動(dòng)趕魚(yú)柵回到下游集魚(yú)池進(jìn)口，進(jìn)行下一次趕魚(yú)，如此往復(fù)進(jìn)行。

(3)提升、分選及放流系統(tǒng)，當(dāng)集魚(yú)斗的魚(yú)積累到一定數(shù)量即可暫停趕魚(yú)操作，采用集魚(yú)斗啟閉臺(tái)車(chē)把集魚(yú)斗提升到魚(yú)類(lèi)分選暫養(yǎng)平臺(tái)，然后把集魚(yú)斗轉(zhuǎn)運(yùn)至分選車(chē)間，將魚(yú)類(lèi)進(jìn)行分選，魚(yú)類(lèi)進(jìn)入分選池后即可把集魚(yú)斗運(yùn)回集魚(yú)池，進(jìn)行下一次集魚(yú)。魚(yú)類(lèi)通過(guò)分選后進(jìn)入運(yùn)魚(yú)專(zhuān)車(chē)，然后運(yùn)魚(yú)專(zhuān)車(chē)通過(guò)公路把魚(yú)類(lèi)運(yùn)到上游庫(kù)尾旅游點(diǎn)進(jìn)行放游。

3 供電系統(tǒng)

3.1 接入電力系統(tǒng)

升魚(yú)機(jī)系統(tǒng)的用電設(shè)備主要有趕魚(yú)柵、集魚(yú)斗啟閉臺(tái)車(chē)、橫拉閘門(mén)、補(bǔ)水工作閘門(mén)、補(bǔ)水?dāng)r污柵、進(jìn)口工作閘門(mén)等，設(shè)備裝機(jī)容量共148kW，在這些負(fù)荷中，趕魚(yú)柵、集魚(yú)斗啟閉臺(tái)車(chē)、橫拉閘門(mén)、補(bǔ)水工作閘門(mén)、補(bǔ)水?dāng)r污柵可能同時(shí)運(yùn)行，最大負(fù)荷115.5kW。根據(jù)工程的實(shí)際情況，故負(fù)荷等級(jí)按Ⅲ類(lèi)負(fù)荷考慮，只要1回供電電源即可滿(mǎn)足供電要求。集魚(yú)及轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)附近有1條畢大泵站——流量閥室的10kV線(xiàn)路，相距1km，供電電源“T”接于該10kV線(xiàn)路上。

3.2 電氣主接線(xiàn)

配電系統(tǒng)主接線(xiàn)初定為10kV電源進(jìn)線(xiàn)1回，設(shè)置一臺(tái)油浸式變壓器，容量為200kVA，接線(xiàn)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(xiàn)路組接線(xiàn)，低壓側(cè)采用單母線(xiàn)接線(xiàn)。

3.3 過(guò)電壓保護(hù)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(xiàn)與配電變壓器外殼及低壓中性點(diǎn)相連，共用一個(gè)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(jì)原則

升魚(yú)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的任務(wù)是對(duì)進(jìn)入魚(yú)道的魚(yú)類(lèi)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并將魚(yú)通過(guò)集魚(yú)系統(tǒng)和升魚(yú)系統(tǒng)提升到魚(yú)類(lèi)轉(zhuǎn)運(yùn)平臺(tái)；為保證本系統(tǒng)運(yùn)行安全、可靠，提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和管理的自動(dòng)化水平，本系統(tǒng)自動(dòng)控制設(shè)計(jì)遵循以下原則：

(1)本系統(tǒng)按“無(wú)人值班、少人值守”原則設(shè)計(jì)；

(2)升魚(yú)機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)滿(mǎn)足夾巖水利工程調(diào)度自動(dòng)化的要求，可實(shí)現(xiàn)調(diào)度總控制中心能對(duì)升魚(yú)機(jī)進(jìn)行調(diào)度；

(3)升魚(yú)機(jī)采用全計(jì)算機(jī)監(jiān)視控制系統(tǒng)對(duì)集魚(yú)系統(tǒng)和升魚(yú)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視和控制，其結(jié)構(gòu)為分層分布式；

(4)升魚(yú)機(jī)主控級(jí)設(shè)有其監(jiān)視范圍內(nèi)完整的實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

4.2 監(jiān)控系統(tǒng)的任務(wù)

(1)升魚(yú)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的任務(wù)是按照整個(gè)升魚(yú)機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的要求，根據(jù)設(shè)備運(yùn)行狀況和條件，完成對(duì)系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備的監(jiān)視和控制，并實(shí)現(xiàn)升魚(yú)機(jī)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)與系統(tǒng)調(diào)度之間遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸和信息的通信。

(2)準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地對(duì)所有閘門(mén)的設(shè)備運(yùn)行參數(shù)、信息進(jìn)行采集和處理，實(shí)現(xiàn)管理自動(dòng)化。

(3)根據(jù)系統(tǒng)調(diào)度和閘門(mén)運(yùn)行特性要求，對(duì)升魚(yú)機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行最佳控制。

(4)通過(guò)魚(yú)類(lèi)觀(guān)測(cè)計(jì)數(shù)系統(tǒng)對(duì)進(jìn)入魚(yú)道的魚(yú)進(jìn)行觀(guān)測(cè)、統(tǒng)計(jì)并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至上位機(jī)。

4.3 監(jiān)控系統(tǒng)功能

(1)對(duì)升魚(yú)機(jī)系統(tǒng)設(shè)備，包括閘門(mén)、提升裝置、魚(yú)道進(jìn)魚(yú)情況等運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理和安全監(jiān)視，包括變化趨勢(shì)監(jiān)視。

(2)按規(guī)定的控制方式和約束條件，實(shí)現(xiàn)工況轉(zhuǎn)換及設(shè)備在正常和異常狀況下的自動(dòng)順序控制和調(diào)節(jié)，在執(zhí)行過(guò)程受阻時(shí)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(chǎng)控制設(shè)備，主控制與各現(xiàn)地控制單元之間的實(shí)時(shí)通信和數(shù)據(jù)交換，監(jiān)控系統(tǒng)與繼電保護(hù)裝置等之間的信息交換，監(jiān)控系統(tǒng)與系統(tǒng)調(diào)度計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信。

(4)控制與調(diào)節(jié)功能。計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)有多種調(diào)控方式，以滿(mǎn)足運(yùn)行需要。

①現(xiàn)地控制方式：運(yùn)行人員通過(guò)現(xiàn)地控制屏上的彩色觸摸屏或控制開(kāi)關(guān)、按鈕，實(shí)現(xiàn)閘門(mén)等設(shè)備運(yùn)行。

②主控級(jí)控制方式：通過(guò)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)升魚(yú)機(jī)設(shè)備實(shí)現(xiàn)監(jiān)視控制。

③運(yùn)行人員工作站控制：通過(guò)操作員工作站將控制命令作用到LCU，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制、安全監(jiān)視。

為保證控制和調(diào)節(jié)的正確、可靠，計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)以手動(dòng)優(yōu)先，下層優(yōu)先的方式選擇對(duì)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(jì)算機(jī)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(jí)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(duì)象設(shè)置。主機(jī)、LCU屏、魚(yú)類(lèi)觀(guān)測(cè)計(jì)數(shù)控制柜等控制設(shè)備均設(shè)置在升魚(yú)機(jī)控制室內(nèi)，各閘門(mén)控制箱放在現(xiàn)地，以方便進(jìn)行控制。

具體的結(jié)構(gòu)是：

(1)負(fù)責(zé)對(duì)全廠(chǎng)機(jī)電設(shè)備進(jìn)行集中監(jiān)控的主控級(jí)；

(2)對(duì)全廠(chǎng)設(shè)備進(jìn)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(jí)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(mén)控制箱之間采用現(xiàn)場(chǎng)控制總線(xiàn)，確保實(shí)時(shí)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(jì)算機(jī)節(jié)點(diǎn)：

4.4.3.1 主控級(jí)設(shè)備配置

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

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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)及歷史數(shù)據(jù)庫(kù)。同時(shí)完成系統(tǒng)人機(jī)接口功能，供運(yùn)行人員從事升魚(yú)機(jī)所有設(shè)備的工況監(jiān)視和發(fā)布運(yùn)行操作指令。同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的管理，在線(xiàn)及離線(xiàn)計(jì)算功能，各圖表、曲線(xiàn)的生成，事故故障信號(hào)的分析處理等。

數(shù)據(jù)服務(wù)器兼操作員工作站供運(yùn)行值班人員使用，具有圖形顯示、全站運(yùn)行監(jiān)視、操作控制、升魚(yú)機(jī)的自動(dòng)運(yùn)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(guò)鼠標(biāo)器及鍵盤(pán)實(shí)現(xiàn)；通過(guò)彩色顯示器可以對(duì)電站的生產(chǎn)、設(shè)備運(yùn)行作實(shí)時(shí)監(jiān)控，并取得所需的各種信息。

配置聲卡、音箱和語(yǔ)音軟件，設(shè)置語(yǔ)音報(bào)警系統(tǒng)作為全站監(jiān)控系統(tǒng)的一部分，對(duì)全站故障和事故發(fā)語(yǔ)音報(bào)警，提醒運(yùn)行人員。具有報(bào)警、測(cè)試等功能。

設(shè)置漢字激光打印機(jī)一臺(tái)，完成計(jì)算機(jī)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(shí)打印為輔。

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

通信工作站可實(shí)現(xiàn)與調(diào)度總控制中心通信。

本站主控級(jí)的所有工作站硬件應(yīng)選用進(jìn)口高性能計(jì)算機(jī)，配置按當(dāng)前主流選型，主控級(jí)計(jì)算機(jī)兼操作員工作站應(yīng)為高性能、多任務(wù)、多用戶(hù)、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(chǔ)器應(yīng)帶保護(hù)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(jí)設(shè)備配置

設(shè)置一套LCU、一套魚(yú)類(lèi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，同時(shí)趕魚(yú)柵、補(bǔ)水渠工作閘門(mén)、自動(dòng)控制集魚(yú)箱、補(bǔ)水渠檢修閘門(mén)、集魚(yú)廊道進(jìn)口工作閘門(mén)、補(bǔ)水管工作閘閥等均配置PLC控制箱進(jìn)行控制。

(1)LCU屏

LCU共1套，主要完成被監(jiān)控設(shè)備就地?cái)?shù)據(jù)的采集及數(shù)據(jù)預(yù)處理功能，同時(shí)也具有控制操作和監(jiān)視功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)對(duì)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(jī)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(kāi)出繼電器等)、TFT彩色觸摸屏、電源裝置等組成，以滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集處理及自動(dòng)控制要求。

LCU的設(shè)計(jì)能保證它與主機(jī)系統(tǒng)脫離后仍能在當(dāng)?shù)貙?shí)現(xiàn)對(duì)有關(guān)操作進(jìn)行必要的監(jiān)視和控制功能，這些功能包括設(shè)備的開(kāi)、停機(jī)操作；設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及參數(shù)的監(jiān)視，當(dāng)其與主機(jī)恢復(fù)聯(lián)系后又能自動(dòng)地服從上位機(jī)系統(tǒng)的控制和管理。

(2)魚(yú)類(lèi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

魚(yú)類(lèi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要任務(wù)是在魚(yú)道入口處完成對(duì)魚(yú)的數(shù)量、水的流速、水質(zhì)等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；同時(shí)將監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并可通過(guò)計(jì)算通過(guò)魚(yú)類(lèi)監(jiān)測(cè)器的魚(yú)的數(shù)量，給出升魚(yú)機(jī)運(yùn)行信號(hào)，同時(shí)上傳信號(hào)給上位機(jī)啟動(dòng)升魚(yú)機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行，完成對(duì)整個(gè)升魚(yú)機(jī)系統(tǒng)的自動(dòng)運(yùn)行控制。

表1魚(yú)類(lèi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要配置

(3)輔助設(shè)備

趕魚(yú)柵、補(bǔ)水渠工作閘門(mén)、自動(dòng)控制集魚(yú)箱、補(bǔ)水渠檢修閘門(mén)、集魚(yú)廊道進(jìn)口工作閘門(mén)、補(bǔ)水管工作閘閥等均單獨(dú)設(shè)置PLC進(jìn)行控制，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)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(duì)這些設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)和自動(dòng)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(yùn)行，便于維護(hù)，選用一套直流220V閥控式密封鉛酸蓄電池組，作為全廠(chǎng)控制、操作、事故照明、自動(dòng)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(jì)算。

220V直流系統(tǒng)充電浮充電裝置選用一套微機(jī)型高頻開(kāi)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(chǎng)用電380/220V系統(tǒng)。

4.5 工業(yè)電視監(jiān)控

為了滿(mǎn)足升魚(yú)機(jī)的安全和更好的運(yùn)行管理，設(shè)置一套工業(yè)電視系統(tǒng)。對(duì)升魚(yú)機(jī)系統(tǒng)的重要設(shè)施及部位進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視，初步擬定11個(gè)監(jiān)視點(diǎn)，攝像頭分為槍式、球形式、水下攝像頭等合理分布在集魚(yú)魚(yú)道、補(bǔ)水廊道、升魚(yú)機(jī)提升平臺(tái)、控制室、交通橋、篩分室、魚(yú)類(lèi)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(jī)設(shè)置在升魚(yú)機(jī)控制室內(nèi)。利用純數(shù)字化技術(shù)，通過(guò)監(jiān)控主機(jī)可方便地對(duì)圖像進(jìn)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(yǔ)

據(jù)調(diào)查，目前全國(guó)絕大多數(shù)大壩、電站等水利工程很少有設(shè)置過(guò)魚(yú)設(shè)施的，而夾巖水利工程的升魚(yú)機(jī)是目前貴州省第一座高壩過(guò)魚(yú)設(shè)施項(xiàng)目，隨著環(huán)境生態(tài)保護(hù)要求的不斷提搞，以后會(huì)建設(shè)更多不同形式的過(guò)魚(yú)設(shè)施，也將會(huì)對(duì)過(guò)魚(yú)設(shè)施系統(tǒng)的控制提出更高的要求。該工程升魚(yú)機(jī)系統(tǒng)供電及自動(dòng)控制的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，可對(duì)其他類(lèi)似工程升魚(yú)機(jī)系統(tǒng)的建設(shè)提供借鑒和參考。