1.引言

當(dāng)前，我國(guó)的水利行業(yè)正在大力進(jìn)行信息化建設(shè)，并以共享和開(kāi)發(fā)信息資源為重點(diǎn)。水電調(diào)度管理是水利樞紐的重要業(yè)務(wù)，水電調(diào)度管理系統(tǒng)的信息集成問(wèn)題是在水利信息化建設(shè)的背景下提出的，具有很強(qiáng)的行業(yè)特征，以解決領(lǐng)域內(nèi)的信息集成需求為目標(biāo)。水位信號(hào)作為數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)概念中的重要的參數(shù)，在流域發(fā)點(diǎn)調(diào)度中心處于主要地位，對(duì)水位信號(hào)系統(tǒng)應(yīng)用的研究是整個(gè)流域電網(wǎng)配置的重要課題。近年來(lái), 信息技術(shù)已成為當(dāng)今世界先進(jìn)的生產(chǎn)力，信息化水平成為衡量一個(gè)、地區(qū)或行業(yè)現(xiàn)代化程度的重要標(biāo)志，各種無(wú)線通信技術(shù)得到了迅猛發(fā)展,使人們能從各種電纜束縛中解放出來(lái),從而大地提高了人們的工作效率和生活質(zhì)量。數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)技術(shù)是近年來(lái)在信息領(lǐng)域中迅速發(fā)展并已相對(duì)成熟的一種計(jì)算機(jī)技術(shù)，從本質(zhì)上講它是一種信息集成技術(shù)，它的目標(biāo)是達(dá)到快速有效的決策支持，在眾多領(lǐng)域已得到應(yīng)用。本文通過(guò)坪塹水電站的水電調(diào)度管理中的水位自動(dòng)采集系統(tǒng)的案例分析，讓讀者對(duì)于水位采集系統(tǒng)中的水位測(cè)量單元：投入式液位變送器和PLC控制單元，以及報(bào)警裝置等系統(tǒng)控制單元有初步的了解。

投入式液位變送器

　　2.對(duì)系統(tǒng)的研究

　　2.1實(shí)施背景

　　沿渡河流域位于湖北省西部，流經(jīng)神農(nóng)架林區(qū)及恩施自治州巴東縣，系長(zhǎng)江北岸的一條小支流，位于長(zhǎng)江干流巫峽與西陵峽之間，發(fā)源于神農(nóng)架林區(qū)小界嶺，經(jīng)麻線坪、石柱河、四方寨、沿渡河鎮(zhèn)至巴東縣城西襄口匯入長(zhǎng)江，全長(zhǎng)60km，流域面積1031.5km2,其中巴東縣境內(nèi)長(zhǎng)約45km，流域面積909km2。流域內(nèi)地形北高南低，干流河谷狹窄，縱坡陡，為典型的山溪性河流。主要支流有馬家溝、石柱河、三道河等，流域內(nèi)植被覆蓋較好。

　　沿渡河流域內(nèi)擬建坪塹調(diào)水水庫(kù)和麻線坪水庫(kù)二座，電站按“五級(jí)”開(kāi)發(fā)，即：坪塹水電站、麻線坪水電站、石柱河水電站、四方寨水電站，石板坪水電站?，F(xiàn)已投產(chǎn)電站為坪塹水電站、石柱河水電站、四方寨水電站。分別裝機(jī)容量為30MW，45MW，45MW，25MW,25MW。在以往的流域電站梯度的研究中，以流域總的多發(fā)電量為基礎(chǔ)，確定梯級(jí)各電站對(duì)系統(tǒng)的補(bǔ)償權(quán)重，根據(jù)補(bǔ)償權(quán)重來(lái)對(duì)多發(fā)電量和多發(fā)效益進(jìn)行重新分配，使得流域不同發(fā)電主體的電站將發(fā)電目標(biāo)從價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)集中到提高流域總體效益上來(lái)，梯級(jí)發(fā)電效益接近大化。同時(shí)還探討了對(duì)補(bǔ)償后電站的時(shí)數(shù)補(bǔ)償問(wèn)題，從而使補(bǔ)償功能更趨合理。[3]

　　2.2實(shí)施必要性

　　坪塹水電站是沿渡河流域梯級(jí)水電站的級(jí)水電站，位于神農(nóng)架林區(qū)下谷坪板橋村。梯級(jí)水電站之間有密切的水流聯(lián)系，水電站水庫(kù)的調(diào)節(jié)作用，可使其下游的所有梯級(jí)水電站受益；上下游水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度，可協(xié)調(diào)解決發(fā)電和其他用水要求的矛盾等。水電站水庫(kù)在汛期蓄水，所蓄水量轉(zhuǎn)移到枯水期利用，下游各級(jí)水電站也相應(yīng)減少汛期通過(guò)水量，增加枯水期通過(guò)水量，減少汛期棄水，增加枯水期發(fā)電量。水電站制定合理的發(fā)電計(jì)劃，可增大下游所有梯級(jí)水電站的保證出力和年發(fā)電量。制定合理發(fā)電計(jì)劃的前提，需及時(shí)撐握準(zhǔn)確的水庫(kù)水位信號(hào)。

　　坪塹水庫(kù)與電站距離相距較遠(yuǎn)，坪塹水庫(kù)現(xiàn)場(chǎng)原未安裝水位計(jì)，只是在大壩坡面上畫(huà)有水位標(biāo)尺，由大壩值班人員定時(shí)目測(cè)水位標(biāo)尺獲取庫(kù)區(qū)水位值，以電話方式向電站值班室匯報(bào)。這樣的水位采集方式，不利于及時(shí)了解水庫(kù)水位信號(hào)，特別汛期水位暴漲時(shí)，不利于電站及時(shí)撐握庫(kù)區(qū)水位變化過(guò)程，制定合理的汛期發(fā)電計(jì)劃。增加坪塹電站水庫(kù)的水位自動(dòng)采集系統(tǒng)，迫在眉睫。

　　2.3實(shí)施可行性

坪塹電站進(jìn)水口平臺(tái)在建造時(shí)，已在進(jìn)水口側(cè)面設(shè)計(jì)安裝了水位井，用于安水位計(jì)。進(jìn)水口平臺(tái)的管理房安裝有電源控制箱，方便給水位計(jì)提供電源，這為壩區(qū)水位現(xiàn)地采集提供了保障。進(jìn)水口平臺(tái)與壩區(qū)管理房之間，隔著庫(kù)區(qū)，需坐船才能到達(dá)進(jìn)水口平臺(tái)。進(jìn)水口平臺(tái)建在山腰處，附近無(wú)村落，租用電信光纖網(wǎng)絡(luò)將庫(kù)區(qū)水位傳回中控室可能性不大，拉光纖專網(wǎng)成本太高，安裝也很不方便。但進(jìn)水口平臺(tái)處已覆蓋了中國(guó)移動(dòng)、中國(guó)聯(lián)系通信網(wǎng)絡(luò)，可利用無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)，將庫(kù)區(qū)水位以短信的方式傳回坪塹電站中控室。

　　3.系統(tǒng)實(shí)施

　　3.1設(shè)計(jì)要求

　　為制定合理的發(fā)電計(jì)劃，集控中心、坪塹電站都需要及時(shí)撐握準(zhǔn)確的坪塹電站水庫(kù)水位值，這必須選擇合適的水位計(jì)。在選型上結(jié)構(gòu)精巧、便于安裝、操作方便、穩(wěn)定可靠、準(zhǔn)確度高、組網(wǎng)簡(jiǎn)易,具有強(qiáng)抗干擾能力，應(yīng)充分考慮設(shè)備安裝環(huán)境條件、可靠性、準(zhǔn)確度等因素,避免造成重復(fù)投資造成不必要的浪費(fèi)。且在特殊環(huán)境下，高精度的設(shè)備往往要求高維護(hù)的人力和維護(hù)，這是必須要避免的誤區(qū)。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際勘察和專家討論：

　　(1)現(xiàn)場(chǎng)水位井管徑偏小，只適合安裝投入式液位變送器。

　　(2)現(xiàn)場(chǎng)水位采集系統(tǒng)應(yīng)具備定時(shí)短信發(fā)送功能，根據(jù)需要可選擇1小時(shí)、30分鐘、10分鐘定時(shí)發(fā)送。

　　(3)選擇穩(wěn)定可靠的短信發(fā)送模塊。

　　3.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　坪塹水庫(kù)水位信號(hào)采集系統(tǒng)由四部分組成：現(xiàn)地測(cè)量單元、可編程邏輯控制器、短信收發(fā)模塊和后臺(tái)顯示單元。

　　根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)安裝環(huán)境的條件，庫(kù)區(qū)水位計(jì)決定采用投入式液位變送器。投入式液位變送器是一款零點(diǎn)和滿量程輸出可以調(diào)校的壓阻式壓力變送器，它選用高穩(wěn)定性和高可靠性的壓阻式壓力傳感器和高性能的變送器專用電路，整體性能穩(wěn)定可靠，可輸出4-20mADC電信號(hào)，方便接入現(xiàn)地可編程邏輯控制器。為方便現(xiàn)場(chǎng)對(duì)水位值的監(jiān)視，增加了二次顯示與監(jiān)控儀表，通過(guò)二次表的可實(shí)現(xiàn)越限報(bào)警功能?，F(xiàn)地可編程邏輯控制器選用西門(mén)子公司S7-20 0PLC，包括一塊CPU模塊(CPU226),一塊4點(diǎn)模擬量模塊(EM231)。利用PLC的數(shù)據(jù)處理功能，將4-20mADC電信號(hào)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)，存放在PLC寄存器里。CPU226模塊有二個(gè)RS485通訊口，這二個(gè)通訊口均可根據(jù)需要設(shè)為自由口，PLC流程定時(shí)通過(guò)自由口與短信收發(fā)模塊進(jìn)行通訊。

　　投入式液位變送器送出4~20mA電信號(hào)，接入PLC模擬量模塊。利用PLC的計(jì)算功能，將PLC模擬量模塊采集到的水位電信號(hào)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)，存儲(chǔ)在PLC寄存器里。利用PLC的數(shù)據(jù)處理功能，將十進(jìn)制水位值轉(zhuǎn)換成字符串，按短信發(fā)送模塊要求的短信字符串格式進(jìn)行排列。利用PLC的編程功能，進(jìn)行邏輯編程，實(shí)現(xiàn)1小時(shí)、30分鐘、10分鐘三種模式通過(guò)PLC自由口發(fā)送短信。

　　采用JAVA編程語(yǔ)言開(kāi)發(fā)短信接收程序，將接收到的水位短信信號(hào)寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)。后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)周期性訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)，及時(shí)將水位值寫(xiě)入公用PLC，若判斷出該水位值長(zhǎng)時(shí)間未刷新發(fā)出語(yǔ)音報(bào)警，以示提醒。短信收發(fā)模塊選用MOXA公司的NPortZ2151，這是一款1口RS-232/422/485串口設(shè)備ZigBee聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器，為串口設(shè)備連接ZigBee網(wǎng)絡(luò)提供了可靠的無(wú)線聯(lián)網(wǎng)解決方案?，F(xiàn)地短信發(fā)送模塊收到S7-200PLC的水位信號(hào)，以短信方式進(jìn)行發(fā)送。坪塹中控室短信接收模塊收到水位短信，將其保存在后臺(tái)的數(shù)據(jù)庫(kù)。

　　與短信接收模塊連接的后臺(tái)顯示單元周期性訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)，將水位信號(hào)寫(xiě)入電站公用PLC，保存在PLC寄存器里，供電站所有后臺(tái)顯示單元及集控中心后臺(tái)顯示單元顯示用。

后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)周期性訪問(wèn)公用PLC讀取水位值，并把水位值顯示在后臺(tái)監(jiān)控畫(huà)面里，供電站運(yùn)行人員實(shí)時(shí)監(jiān)視；當(dāng)水位越限時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)及時(shí)發(fā)出報(bào)警信息，提醒運(yùn)行人員注意；同時(shí)將水位值保存到后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，用于日后水位分析。

　　4.結(jié)束語(yǔ)

　　坪塹水電站水位自動(dòng)采集系統(tǒng)投入運(yùn)行以來(lái)，水位測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，及時(shí)反映庫(kù)區(qū)水位的變化，有利于沿渡河集控中心制定合理的發(fā)電計(jì)劃。臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)及時(shí)記錄了坪塹電站庫(kù)區(qū)水位，歷史趨勢(shì)圖可顯示水位的變化過(guò)程，用于日后水位分析，為梯級(jí)電站實(shí)現(xiàn)聯(lián)合調(diào)度提供水位依據(jù)，提高梯級(jí)電站的保證出力和年發(fā)電量，在監(jiān)控時(shí)間及時(shí)發(fā)出報(bào)警信息，提醒運(yùn)行人員及時(shí)調(diào)整機(jī)組負(fù)荷?？偨Y(jié)選型、安裝經(jīng)驗(yàn)、建議工程設(shè)計(jì)、實(shí)施諸多過(guò)程的經(jīng)驗(yàn)，選擇對(duì)應(yīng)的可靠的測(cè)量單元，結(jié)合先進(jìn)的無(wú)線通訊技術(shù)，是自動(dòng)化應(yīng)用的發(fā)展方向，傳統(tǒng)和先進(jìn)技術(shù)的結(jié)合使得系統(tǒng)應(yīng)用有了新的積累和進(jìn)步。

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