1.引言

當(dāng)前，我國的水利行業(yè)正在大力進(jìn)行信息化建設(shè)，并以共享和開發(fā)信息資源為重點。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)。水位信號作為數(shù)據(jù)倉庫概念中的重要的參數(shù)，在流域發(fā)點調(diào)度中心處于主要地位，對水位信號系統(tǒng)應(yīng)用的研究是整個流域電網(wǎng)配置的重要課題。近年來, 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、地區(qū)或行業(yè)現(xiàn)代化程度的重要標(biāo)志，各種無線通信技術(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,從而大地提高了人們的工作效率和生活質(zhì)量。數(shù)據(jù)倉庫技術(shù)是近年來在信息領(lǐng)域中迅速發(fā)展并已相對成熟的一種計算機(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。本文通過坪塹水電站的水電調(diào)度管理中的水位自動采集系統(tǒng)的案例分析，讓讀者對于水位采集系統(tǒng)中的水位測量單元：投入式液位變送器和PLC控制單元，以及報警裝置等系統(tǒng)控制單元有初步的了解。

投入式液位變送器

　　2.對系統(tǒng)的研究

　　2.1實施背景

　　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，系長江北岸的一條小支流，位于長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江，全長60km，流域面積1031.5km2,其中巴東縣境內(nèi)長約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)水水庫和麻線坪水庫二座，電站按“五級”開發(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)，確定梯級各電站對系統(tǒng)的補(bǔ)償權(quán)重，根據(jù)補(bǔ)償權(quán)重來對多發(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)從價格競爭集中到提高流域總體效益上來，梯級發(fā)電效益接近大化。同時還探討了對補(bǔ)償后電站的時數(shù)補(bǔ)償問題，從而使補(bǔ)償功能更趨合理。[3]

　　2.2實施必要性

　　坪塹水電站是沿渡河流域梯級水電站的級水電站，位于神農(nóng)架林區(qū)下谷坪板橋村。梯級水電站之間有密切的水流聯(lián)系，水電站水庫的調(diào)節(jié)作用，可使其下游的所有梯級水電站受益；上下游水庫聯(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。水電站水庫在汛期蓄水，所蓄水量轉(zhuǎn)移到枯水期利用，下游各級水電站也相應(yīng)減少汛期通過水量，增加枯水期通過水量，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)電計劃，可增大下游所有梯級水電站的保證出力和年發(fā)電量。制定合理發(fā)電計劃的前提，需及時撐握準(zhǔn)確的水庫水位信號。

　　坪塹水庫與電站距離相距較遠(yuǎn)，坪塹水庫現(xiàn)場原未安裝水位計，只是在大壩坡面上畫有水位標(biāo)尺，由大壩值班人員定時目測水位標(biāo)尺獲取庫區(qū)水位值，以電話方式向電站值班室匯報。這樣的水位采集方式，不利于及時了解水庫水位信號，特別汛期水位暴漲時，不利于電站及時撐握庫區(qū)水位變化過程，制定合理的汛期發(fā)電計劃。增加坪塹電站水庫的水位自動采集系統(tǒng)，迫在眉睫。

　　2.3實施可行性

坪塹電站進(jìn)水口平臺在建造時，已在進(jìn)水口側(cè)面設(shè)計安裝了水位井，用于安水位計。進(jìn)水口平臺的管理房安裝有電源控制箱，方便給水位計提供電源，這為壩區(qū)水位現(xiàn)地采集提供了保障。進(jìn)水口平臺與壩區(qū)管理房之間，隔著庫區(qū)，需坐船才能到達(dá)進(jìn)水口平臺。進(jìn)水口平臺建在山腰處，附近無村落，租用電信光纖網(wǎng)絡(luò)將庫區(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)水口平臺處已覆蓋了中國移動、中國聯(lián)系通信網(wǎng)絡(luò)，可利用無線通訊網(wǎng)絡(luò)，將庫區(qū)水位以短信的方式傳回坪塹電站中控室。

　　3.系統(tǒng)實施

　　3.1設(shè)計要求

　　為制定合理的發(fā)電計劃，集控中心、坪塹電站都需要及時撐握準(zhǔn)確的坪塹電站水庫水位值，這必須選擇合適的水位計。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。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)過現(xiàn)場的實際勘察和專家討論：

　　(1)現(xiàn)場水位井管徑偏小，只適合安裝投入式液位變送器。

　　(2)現(xiàn)場水位采集系統(tǒng)應(yīng)具備定時短信發(fā)送功能，根據(jù)需要可選擇1小時、30分鐘、10分鐘定時發(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)

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

　　根據(jù)現(xiàn)場安裝環(huán)境的條件，庫區(qū)水位計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，方便接入現(xiàn)地可編程邏輯控制器。為方便現(xiàn)場對水位值的監(jiān)視，增加了二次顯示與監(jiān)控儀表，通過二次表的可實現(xiàn)越限報警功能?，F(xiàn)地可編程邏輯控制器選用西門子公司S7-20 0PLC，包括一塊CPU模塊(CPU226),一塊4點模擬量模塊(EM231)。利用PLC的數(shù)據(jù)處理功能，將4-20mADC電信號轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)，存放在PLC寄存器里。CPU226模塊有二個RS485通訊口，這二個通訊口均可根據(jù)需要設(shè)為自由口，PLC流程定時通過自由口與短信收發(fā)模塊進(jìn)行通訊。

　　投入式液位變送器送出4~20mA電信號，接入PLC模擬量模塊。利用PLC的計算功能，將PLC模擬量模塊采集到的水位電信號轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)，存儲在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，實現(xiàn)1小時、30分鐘、10分鐘三種模式通過PLC自由口發(fā)送短信。

　　采用JAVA編程語言開發(fā)短信接收程序，將接收到的水位短信信號寫入數(shù)據(jù)庫。后臺監(jiān)控系統(tǒng)周期性訪問數(shù)據(jù)庫，及時將水位值寫入公用PLC，若判斷出該水位值長時間未刷新發(fā)出語音報警，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，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，將其保存在后臺的數(shù)據(jù)庫。

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

后臺監(jiān)控系統(tǒng)周期性訪問公用PLC讀取水位值，并把水位值顯示在后臺監(jiān)控畫面里，供電站運行人員實時監(jiān)視；當(dāng)水位越限時，監(jiān)控系統(tǒng)及時發(fā)出報警信息，提醒運行人員注意；同時將水位值保存到后臺數(shù)據(jù)庫，用于日后水位分析。

　　4.結(jié)束語

　　坪塹水電站水位自動采集系統(tǒng)投入運行以來，水位測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，及時反映庫區(qū)水位的變化，有利于沿渡河集控中心制定合理的發(fā)電計劃。臺監(jiān)控系統(tǒng)自動及時記錄了坪塹電站庫區(qū)水位，歷史趨勢圖可顯示水位的變化過程，用于日后水位分析，為梯級電站實現(xiàn)聯(lián)合調(diào)度提供水位依據(jù)，提高梯級電站的保證出力和年發(fā)電量，在監(jiān)控時間及時發(fā)出報警信息，提醒運行人員及時調(diào)整機(jī)組負(fù)荷?？偨Y(jié)選型、安裝經(jīng)驗、建議工程設(shè)計、實施諸多過程的經(jīng)驗，選擇對應(yīng)的可靠的測量單元，結(jié)合先進(jìn)的無線通訊技術(shù)，是自動化應(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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