基于物联网技术的大黑汀水库闸门冬季破冰防冻

苏春荣

（海委引滦局大黑汀水库管理处，河北 迁西 064300）

0 引言

滦河发源于河北省丰宁县西北部巴颜图古尔山麓，流经沽源县，内蒙古多伦县，河北省承德、唐山两市，于乐亭县汇入渤海。全长888 km，总面积 46 600 km2。大黑汀水库枢纽工程建在滦河干流上，坝址在河北省迁西县大黑汀村，距上游的潘家口水库30 km，水库控制流域面积35 100 km2，占滦河总流域面积的79%,区间有支流洒河汇入。是开发滦河，跨流域向天津、唐山两市引水的大型骨干工程之一，其作用是承接上游潘家口水库来水，调节水量，抬高水位，为跨领域引水创造条件。水库下接引滦入津，引滦入唐渠道，为天津、唐山两市及下游工农业及城市提供水源，并用输水进行发电。大黑汀水库和潘家口水库联合运用，以发挥防洪、供水、发电等作用。

水库为年调节水库，最大坝高52.8 m，坝顶长1 354.5 m，总库容3.37 亿m3。该工程1973 年10 月开工，1979 年4 月开始为滦河下游调节供水，1983年6 月主体工程完工，1986 年全部竣工，该工程由河北省根治海河指挥部勘测设计院设计，河北省水利厅工程局施工。水库经过30 多年蓄水运行，发挥了巨大的社会效益和经济效益。

滦河流域地处副热带大陆季风区，夏季炎热而多雨，冬季寒冷而干燥，多年平均气温10℃，绝对最高气温39.4℃，最低气温-25℃。流域内无霜期较短（90～180 d），冰冻期较长（120～200 d），库区由每年12 月上旬封冻，至次年3 月上旬解冻。河心最大冰厚(0.4～0.6 m)，河边冰厚可达1 m 以上，冬季盛行偏北风，风速可达七、八级，瞬时可达九级，属于严寒地区。

由于水库工程处于严寒地区，水库大坝28 孔溢洪道弧形闸门（数量：28 扇，闸门型式：露顶式弧形工作门，材料：A3 钢，尺寸：15×12.1 m,水封型式：侧水封L 型、底水封H 型。操作方式：动水启闭。启闭机型式：卷扬式）。因冬季库面结冰可能被挤压破坏，必须采取措施进行防护。严寒地区坝前防止结冰，大多采用空气压缩机吹气防止结冰，风泵吹冰，潜水泵破冰和人工破冰等办法，根据该工程具体情况，及对同类处于严寒地区已完工程的防冻成功经验的了解，目前我们采用潜水泵破冰方式，将潜水泵悬吊在破冰地区，每次开动时间通过试验来确定。通过多年来运行实践，破冰效果良好，确保了水库工程安全运行。

1 目前采取的破冰措施

选择匹配的小型潜水泵，每孔闸门前放置一台（见图1），用缆绳放在弧形门前水面以下2～3 m，潜水泵出水口连接一段直管，管口距水面4～50 cm，抽取下层温度较高水至水面，使闸门前表面水体循环，保持整个门前不结冰。

图1 单孔单泵破冰示意图

2 单孔单泵破冰存在的缺陷

单孔单泵破冰始于2004 年，受限于当时的技术条件及成本等，水泵的电气控制采用了刀闸开关控制方式。如图2 为水泵起停控制图。电源引自启闭机室内的启闭机用电配电柜，沿启闭机室内的电缆沟引至闸墩附近后向下敷设至坝面下游防护栏的刀闸开关电源进线端。刀闸开关事先用绑线捆扎在防护栏上，刀闸出线端经由电缆给潜水泵供电。潜水泵用绳索捆扎在下游防护栏上。

图2 潜水泵起停控制图

单孔单泵破冰方式存在如下弊端：（1）潜水泵的起停靠人工搬动刀闸开关实现，合闸瞬间存在弧光放电，非电工操作存在安全隐患，容易触电；（2）北方冬季降雪较多，气温较低，刀闸开关经常被雪覆盖，合闸时必须要除掉刀闸开关表面的积雪，但是仍会有积雪渗入到刀闸开关内部，极易导致合闸过程中触电，尤其是积雪融化后，刀闸开关经常被积雪冻住，不但合闸不易，更加重合闸的危险性，存在极大的安全隐患。

3 改进措施

3.1 控制方式改进

鉴于以上情况，我们进行了控制方式改进。如图3 所示，在每孔的闸墩交通廊道内设置一个破冰控制箱，控制箱安装在交通廊道的侧壁上，避免了外界恶劣气候的影响，同时为便于管理，控制箱以上电源电缆采用永久式敷设，穿304 不锈钢管安装，控制箱也采用304 不锈钢材质，可长期经受外界复杂气候条件的侵蚀。同时，控制箱内部设置自动起停控制回路，每年冬季结冰后，只需组织一次潜水泵就位，水泵的起停就不必人工干预了，大大减少了巡视人员的工作量。巡视人员的重心转为根据库水位变化及时调整潜水泵的入水深度及及时更换故障泵。

图3 改进后的潜水泵起停控制图

3.2 电气控制改进

下面对控制箱自动起停回路进行简要分析。如图4。左半部分为主回路，右半部分为控制回路。冬季破冰开始后，将QF1 与QF2 合上，图中T 为定时器，型号：KG316T。人工设置好定时器的起停时间后，定时器将会在规定的时间内闭合或断开T 接点，导致KM 接触器动作，当KM 动作后继而会使潜水泵工作或停止。当发生水泵堵转、水下电缆线路断线或者短路等故障后，还将引发QF1 跳闸，起到保护水泵或故障预警的作用。

图4 控制箱内部电气控制原理图

3.3 基于物联网技术的进一步改进

3.3.1 物联网内涵

物联网是通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器、气体感应器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通信，以实现智能识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络技术。物联网是新一代信息技术的重要组成部分，其核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上延伸和扩展的网络。物联网的精髓就是将“物”和“互联网”全面融合，形成一个网络化、物联化、互联化、自动化、感知化和智慧化的基础设施。通过智能化的解决方案，就可以更加精细和动态的方式管理生产和生活，从而达到“智能”状态。

物联网系统架构如图5 所示，物联网终端节点可直接与物联网相连，也可以延伸经过接入网关接入网络层。网络层是物联网的网络核心，其中主要的通信网络包括互联网、电信通信网、有线电视网和卫星通信网。多网络相互融合，构建了物联网的网络通信设施，实现物联网的数据传输。物联网应用支撑平台为上层应用提供技术支撑，它包括云计算与高性能计算技术、智能信息处理技术、数据库与数据挖掘技术、地理信息系统与定位技术和微电子与通信技术。应用层直接支持物联网应用系统运行，它包括信息共享交互平台、数据存储以及相关的应用系统。

图5 物联网系统架构

3.3.2 基于物联网技术的智能断路器技术进展

智能断路器在传统断路器控制用电线路、保护安全用电的基础上，引入电磁技术和芯片技术，以及现场总线技术和微机处理器，断路器逐渐开始具备智能化，依托各种传感器技术、微电子技术和各种信息传输技术，将控制、计量及通信等功能融于一体，可以更好的完成开断任务和提高开断的可靠性，实现断路器的智能化操作。

伴随微电子、单片机及计算机技术、新型传感器技术不断发展，断路器结构也在不断地演进，智能型断路器在传统机械式断路器基础上引入了智能控制单元，不仅具有传统断路器的基本功能，还配有新型的电子设备，与传感器和数字化控制装置相配合，实现了断路的电子操作，变机械传动为变频器经电机驱动，提高了机械系统的可靠性。

智能操作要求断路器具有机构动作时间上的可控性，目前断路器常用的气动操作机构、液压操作机构和弹簧操作机构由于中间转换介质等因素，控制时间离散性大，其运动特性很难达到理想的可控状态。采取电磁操作机构的断路器利用电容储能、永磁保持、电磁驱动、电子控制等技术，当机构确定后运动部件只有一个，没有中间转换介质，分合闸特性仅与线圈参数相关，可以通过微电子技术来实现微妙级的控制，通过对于速度特性控制实现断路器的智能化操作。

随着技术进步，智能断路器还配有了数字化各类通信接口，可以将位置、状态、分合闸指令信息通过各种通信接口协议进行传输，还可根据需要加装显示模块、各种通信模块以及各种检测模块，以扩大智能操作断路器的智能化功能。

最新一代智能型断路器已经集合过欠压保护、漏电、电表、浪涌保护、定时器、多功能仪表等功能于一身，且可以多种线路开关+智能网关组合控制，而且可以通过PC、APP 端进行远程控制。

3.3.3 基于物联网智能断路器改造实践

基于物联网智能型断路器可方便地用于改造控制系统或控制设备，可以在不新增和改造现有设备、充分利用旧设备的基础上，通过智能开关和线路改造来有效提升智能化管理手段。基于此考虑我们应用了带有物联网技术的智能断路器再次对水泵的控制回路进行了改进，并取得了比较满意的效果。

如图6，在接触器的出线端增设一个具备物联网功能的智能型断路器。型号：ZJSB9-125Z。该断路器内置物联网芯片，通过手机信号就可以控制断路器，并且无距离限制，手机上只要安装一个app 程序，就可以实现远距离监视与控制断路器，多达1 000 个以上用户可以同时监视一路断路器，一个用户可以监控多达200 路智能断路器，完全满足工程管理的需要。如图7 为改进后采用的手机端断路器的监控状态情况。

图6 基于物联网技术的控制回路改进原理

图7 手机端状态监控图

当潜水泵故障后将触发智能断路器跳闸，我们在手机端就能随时查看到，及时到场处理问题，提高了冬季破冰故障处置的效率。

3.4 进一步思考

考虑到智能断路器的安全性、可靠性、控制与监视的便捷性，经过几年的试运行后，我们打算对冬季破冰的控制系统逐步进行升级改造。由于基于物联网技术的智能断路器本身就具备定时控制功能，我们拟考虑简化控制线路，控制箱内仅保留一个物联网断路器就可以实现潜水泵的控制了。控制箱内部线路简化后，可以考虑在控制箱内部增设导轨式插座，方便坝区施工期间小型负载的临时用电需要。其次，如果在上游侧每孔增设具备物联网技术的智能型摄像头，达到控制与现场互相印证，就更加完美了。

4 应用效果

优点：①采用物联网技术的智能型断路器后，提高了故障的处置效率，保证了冬季破冰24 h 不间断破冰无缝衔接；②减轻了巡视人员的巡视工作量，尤其风雪恶劣低温异常不便现场巡视的情况下，巡视人员通过手机端就能随时掌握破冰设施运行情况。

5 结语

经过物联网技术改进后，大黑汀水库冬季破冰实现了智能化，极大提高了工程管理的现代化水平，减轻了运行管理人员的劳动强度，提高了工程应急处置的效率与能力，特别是保证了坝区冬季破冰工作始终处于可控状态，确保了24 h 不间断破冰，保证了溢流闸段闸门的安全越冬。