正果拦河坝重建水利工程启闭系统自动化设计

李俊楠，温达文

(广州市增城区水务建设管理所，广东 广州 511300)

0 引言

水利启闭系统作为水利工程建设的重要组成部分，河道闸门通过封闭或开启孔口来调节上下游的水位和流量。当前，水利工程建设技术随着社会发展而不断更新，工程对应的技术应当随之更新，但综合我国目前水利工程建设与发展现状可知，大部分工程中的启闭机无法满足工程实际应用需求，有必要投入资金进一步改善设备[1-3]。

目前国内外对启闭机系统开展了部分研究。申林等[4]提出一种面向水利水电工程的闸门启闭机设计选型方法,通过分析闸门启闭机的种类划分方式,布设闸门启闭机机械参数,采用油泵闸门自动启动的方式,控制活塞杆的沉降。李福平[5]为确保灌溉的及时性、准确性和效率,提出水利水电工程闸门的控制方法与运行维护策略。韩一峰[6]结合计算机技术以及自动控制技术, 实现对水利工程闸门启闭机进行检测和控制。王祖祥[7]为解决启闭机螺杆暴露在外部, 易出现老化、锈蚀问题,对闭式直推启闭机进行了分析。谢钊[8]为实现对闸门启闭机的高效控制,通过计算机技术实现对闸门启闭机的自动化控制与监控。

本文以某防洪堤模型为例，采用地测设备和光纤对河堤的变形进行了监测分析，并对比了两者的监测精度，结果表明使用光纤传感器可以显著提高监测系统的灵敏度，对于防洪堤水位变化引起的险情能够进行精准测量。

1 工程概况

正果拦河坝位于增江中下游、增城区正果镇以北2 km的蒙花布村附近。闸上集雨面积为2 275 km2。增江发源于新丰县七星岭，河流长度为203 km，主流自北向南流经从化、龙门、增城，在增城区的观海口处汇入东江北干流，进入东江三角洲地区。增江流域面积呈狭长扇形，总集雨面积为3 160 km2。流域北连新丰县，南接东莞，东连河源、博罗，西临从化，地理位置是东经113°40′～114°21′，北纬23°08′～23°58′之间，东西宽约61 km，南北长约90 km。

本工程用电负荷的电压等级均为380/220 V。拦河坝用电拟按二级负荷考虑。根据拦河坝负荷容量，结合现状供电情况。从正果水电站引入一回6.3kV电源至坝区管理中心高压室,新设一台SC(B)13-250/6kV(6±2×2.5%/0.4kV)变压器，降压后为坝区设备负荷供电。拦河坝另设置一台备用功率为125 kW，0.4 kV柴油发电机作为备用电源(按一台液压泵站启动容量考虑)。6.3 kV电源考虑由现有电站至拦河坝架空线终端杆T接至泄水闸管理中心高压室，线路采用埋地电缆(ZCYJV22-8.7/15KV-3×70)，长度约0.4 km考虑。图1为工程总布置示意图。

图1 工程总布置示意图

2 传感器安装

图2显示了超声波、声纳传感器、电容式液位传感器的安装，用于做出自动化控制决策。声纳传感器可以直接探测和识别水中的物体和水底的轮廓，声纳传感器发出一个声波信号，当遇到物体后会反射回来，依据反射时间及波型去计算它的距离及位置超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。声纳传感器主要用于探测生物，比如用于探测水底有哪些生物，生物体形有多大等。电容式液位传感器采用静电原理。这种传感器的测量通常包括电容器的一个板，板的外部是传感器的外观外壳。这种外部测量通常是贴紧设备的容器。液体进行上升下降的变化时，内部导体由于液体的接近覆盖，电容器的介电常数因此改变，所以电容改变，和电路连接到测量头的状态也发生了变化，因此可以控制开关打开或关闭。图3为传感器初始测量数据。

图2 超声波声纳传感器、电容式水位传感器安装

3 传感器原始数据分析

本文将在晚上记录的样本数据集被提取出来用于分析。数据记录时，上游声纳传感器和下游电容传感器的采样率设置为430个采样/分钟。原始数据显示，通过将整个集合划分为小窗口，可以应用大量小波纹和不必要的噪声过滤，这是一种方便且更准确的方法。因此，原始数据在本地窗口(一分钟间隔)中进行平滑过滤。通过应用标准平滑滤波器来研究滤波的精度，例如移动平均低通滤波器(滤波器系数等于跨度的倒数)，Savitzky-golay滤波器(滤波器系数由未加权线性最小二乘回归确定的移动平均滤波器)，使用加权线性最小二乘法进行局部回归的高次多项式模型滤波器, 结果发现最佳滤波效果为Lowess滤波器，这是一种高次多项式模型低通滤波器，为回归中的异常值分配较低的权重。该方法为六个平均绝对偏差之外的数据分配零权重。图3和图4显示了传感器数据两个样本的过滤效果。图5和图6给出了同一时间间隔上游水位和下游波动的过滤效果。

图3 传感器数据样本的过滤效果 图4 上游传感器数据样本的过滤效果

图5 下游传感器数据样本的过滤效果 图6 下游传感器数据样本的过滤效果

由图可知，水闸上游比水闸下游波动大，波动的范围位于0～50 cm之间，传感器读数超过两小时后超过陆地高度。下游波动范围在0～5 cm之间。当波动较大时，自由表面流动的梯度沿一个方向作用，因此，水开始流动方向一直从上游向下游发展，而最大波动越来越大。因此，最大波浪波动超出可用波动高度每个数据点窗口都可以单独标识为关键参数。

在实际工程当中，如果有一个闸门保持打开，则有向下游流动的趋势。为了检测这种大波动的频率，需要计算相邻数据的最大波动，该平均值用于确定趋势随时间的波动。这些最大波动频繁出现的高频间隔的时间间隔取决于地理位置、排放点和周围的天气条件，如风，波浪湍流，最大波动可能会以随机时间间隔出现。这个时间间隔是一个变量，没有一个精确的时间长度。

4 自动化控制系统设计

根据实际工况，设计三种工作条件下操作闸门，即完全打开、半打开和完全闭合。为此，齿轮电机每次都必须在前进和后退方向上通电。三个按钮用于提供移动信号。使用三个彩色指示灯指示闸门位置。除了三个传感器外，五个限位开关用于了解闸门相对于运动状态的位置，其中三个固定在一侧，以便可以检测闸门的底部位置、中间位置和顶部位置，其余两个用于在底部和顶部限位开关发生故障时提供预备的安全性。此外，还有泵与新电气集成系统，可用于相同用途。图7为本次设计的系统硬件组件。表1为电气部件简介。

表1 为电气部件简介

图7 本次设计的系统硬件组件

本设计考虑到所需的操作水平和可靠性，选择可编程逻辑控制器作为主控制器。两个三相接触器用于根据PLC命令在垂直向上和向下方向上驱动齿轮电机。另一个三相接触器用于通过响应PLC命令来驱动泵电机。人机界面用于通过冲压输入、更改参数、显示错误消息等方式方便用户访问。兼容的软件平台由PLC制造商提供，梯形图逻辑用作编程语言。

5 测试结果分析

图8给出了进行现场测试期间内水位的波动变化，图9为通过观察闸门的运动来检查控制器的响应。由图可知，水位波动在24 h内被精准的测量下来，最低峰为16 cm以下，最大峰值大于34 cm。图9中可明显看到，当启闭系统设置为自动化工作模式下，对水位波动的响应均被清晰的记录下来。控制器主要决定闸门在三个位置的移动；顶部位置(完全打开)、底部位置(完全关闭)和中间位置(半打开)，闸门的滑动范围固定在距渠底210 cm处。

图8 现场测试期间内水位的波动变化 图9 闸门的运动自动响应

6 结语

该研究先提出了一种精确的数学分析技术，用于识别水闸上下游的波浪模式。之后进一步证明，无论汇合点处流体相互作用多复杂，均可以实现启发式控制器，以自主模式操作水闸闸门。本文所提出的启发式控制器是一种依赖于结构的电气装置，水位经常会发生变化，上游水位也会根据当地环境的天气模式发生变化，因此必须反复进行现场测试，以检查控制器的性能，并进行相应的修改，通过多次重复数据分析，可以提高预测模型的准确性。此外，本系统除了传感器参数读数被纳入分析指标以外，人工观察数值也被转移到自动化过程中。这种启发式方法最重要的参数之一是上游水流参数，由于动态参数模型太复杂，很难建立，因此可在后续工作中继续补充研发。