颍上闸除险加固工程中电气设计与应用

余启杨

(颍上闸管理处，安徽 颖上 236200)

1 工程概况

颍上闸是颍河干流最末一级控制工程，位于素有“管仲故里、皖北水乡”美誉的安徽省颍上县慎城镇境内，距入淮口38.5 km，为Ⅱ等大(2)型水利工程，具有防洪排涝、蓄水灌溉、交通航运、水生态调控等综合效益[1]。

工程始建于1959年，1962年停工，1978年续建，1981年7月竣工。工程为开敞式宽顶堰，共24孔，每孔净宽5 m，闸室长17 m，闸身总宽156.5 m，闸底板高程19.0 m(废黄河高程系，下同)，配平面钢闸门、卷扬式启闭机。设计防洪标准50年一遇，设计流量4 580 m3/s，闸上水位29.31 m，闸下水位29.06 m；正常蓄水位24.00～24.50 m，最大库容8 400万 m3，设计灌溉面积35万亩(1 hm2=15亩)[2]。

2 颍上闸加固缘由

颍上闸自建成以来，运行已近30 a，现存在以下主要问题：

(1)变压器和备用柴油发电机距离水闸负荷中心较远，电动机启动电压波动大。备用柴油发电机容量偏小，远端启闭机运行容易出现失压保护情况。

(2)水闸缺失无功功率补偿，供电部门功率因数考核经常不合格。

(3)启闭机控制箱为小型户外型动力箱，只能控制单扇闸门，无闸门开度、荷重监控装置。布置于桥头堡上的低压配电柜外壳腐蚀，部分开关手柄和仪表损坏。

(4)水闸无自动化控制系统，水闸启闭机为现场手动控制，难以观察和控制闸门开度。水闸水位和安全观测全靠人工测量和记录，水闸运行管理方式滞后，和大型水闸管理要求不适应。

为适应水利工程管理现代化的需要和管理单位的要求，本次设计对颍上闸高低压配电控制设备按照配电自动化系统要求选型设计，闸门控制运行和水闸水工监测采用计算机监控，实现水闸调度、自动化控制和信息化处理等。

3 设计思路及方案

3.1 供电电源及用电负荷

颍上闸电源“T”接自附近10 kV输电线路，原变电所位置距该闸有0.6 km左右距离。为了缩短变电所与负荷中心距离，经比较，新变电所设置在西桥头堡。本次工程需新增敷设10 kV电力电缆0.3 km，型号为YJV22—8.7/15 kV—3×120。

水闸加固后用电负荷包括：24台节制闸和2台防污调度闸启闭机，配套电机分别为YZ—160L—8(Pe=9 kW，24台)和Y132M1—6(Pe=4 kW，2台)；变电所、启闭机房、集中控制室和公路桥的照明用电；其他检修动力负荷。

颍上闸为Ⅱ等大(2)型水闸，根据《水闸工程管理设计规范》(SL 170)规定：本闸的防汛指挥调度系统、通信系统、闸门启闭设备的动力系统和现场照明等用电负荷等级汛期均属一级，非汛期为三级。故需设应急备用电源，因此在桥头堡设1台柴油发电机组作为应急备用电源。

3.2 电气主接线

颍上闸最大运行方式为4台启闭机同时运行，最不利运行情况为2台启闭机电机运行，再起动2台闸门启闭电机。应急电源供电时只运行2台电机。

10 kV电源经高压环网柜与10/0.4 kV变压器高压侧连接，降压至0.4 kV后，引至配电室的低压配电柜，供颍上闸启闭机房、闸管处的办公及其他负荷供电。

颍上闸用电由配电室低压配电柜引7回供电线路至7台闸门动力控制箱，每台动力控制箱控制2～4扇闸门启闭机。通过用电负荷统计及启闭机电机起动压降计算，考虑变压器过负荷时间比较短，采用原水闸配置的SC10—160/10型变压器，容量160 kVA，电压等级10/0.4 kV。

颍上闸设有1台柴油发电机组，作为系统电消失时的备用电源。柴油发电机供电时最多可同时启动2台启闭机，分别按稳态、尖峰和发电机母线允许压降计算发电机容量，取最大值123 kVA。原水闸75 kW柴油发电机组容量偏小，通过现场对颍上闸负荷统计计算可选用1台功率为114 kW、容量为143 kVA的DC143S型柴油发电机组，可满足启闭机电机直接起动和运行要求，详见图1。

图1 颍上闸电气主接线图

3.3 电动机启动方式和无功功率补偿

根据供电系统为最小运行方式，对4台闸门启闭机同时起动时的电机起动电压计算，计算结果为：2台启闭机同时起动时，0.4 kV母线电压为Uq=0.93Un，24号启闭机电机的机端电压为Uq1=0.82Un。确定启闭机采用全压起动方式。

为减少电网输送的无功功率，降低线路的电压和功率损失，颍上闸增设无功功率补偿，且补偿方式采用集中补偿。取电网功率因数为0.85，容量为160 kVA的变压器，相当于136 kW负荷。配电所下用电负荷功率因数设为0.8，将功率因数由0.8补偿到0.95。全闸补偿容量取75 kvar，分5步投入。选用1台MNS型自动控制无功功率补偿屏。

3.4 保护、控制和测量

装设1组XS—12F型熔断器，作为10 kV电源进线保护。10 kV高压环网计量柜装有有功、无功电度表和智能电表，作为电能测量计费使用。10/0.4 kV变压器采用负荷开关—熔断器组合开关保护。低压配电柜的馈电回路选用FE、FD型空气开关作为低压线路的短路和过负荷保护，回路上装设有电流、电压表。

现场闸门动力箱内装设型号为FD型的空气开关作为电动机短路保护，装设型号为CL型的交流接触器用来控制电动机启、停，RT型热继电器作为电机过负荷及断相保护；同时装设有按钮及信号灯等，用于在现地动力箱上手动启闭闸门。本闸启闭机的控制为远方和现场联合控制方式。

3.5 电气设备布置

电气设计高压熔断器、避雷器布置在10 kV线路终端杆上。柴油发电机组布置在水闸桥头堡的底层：高压配电柜、变压器、低压配电屏及1台无功补偿柜安装在桥头堡的二层；桥头堡三层控制室布置闸门集中控制台和公用LCU屏，以及计算机监控系统、视频监视系统。各启闭机控制箱和现地LCU屏安装在启闭机房内，闸门高度传感器及荷重传感器安装在启闭机上。

防汛楼控制室内放有工作台、计算机监控及视频监视系统的有关设备。

3.6 防雷、接地

在启闭机房顶装设避雷带并与水闸接地网可靠连接。为防止雷电波侵入损坏变压器及其他电气设备，在10 kV母线上装设了1组YHSWZ—17/50型避雷器。

本闸的接地装置按照有关规程规定进行修复，并将人工接地网与水闸结构主钢筋构成的自然接地网用镀锌扁铁可靠连接，形成完整的接地网，其接地电阻应不超过1 Ω。闸上所有电气设备的金属外壳及金属构架都应与接地网可靠连接。

3.7 照明、通信

启闭机房、配电房及柴油发电机房内采用节能荧光灯，在交通桥布置高杆路灯，作为正常照明。在启闭机房、配电房及柴油发电机房装设一些应急灯，作为事故照明。

为方便调度或与外界联系，在防汛楼控制室选用1台20门的调度总机作生产、调度、行政联系之用，通过2对中继线接入电信网络。为保护水闸运行安全，在桥头堡顶设置探照灯，探照距离1 km，可视范围300 m；探照灯和高速球机采用同一云台。另设置1套语音广播系统，对上、下游船只指挥警示。

3.8 计算机监控系统

为提高自动化水平，增强水闸调度手段，保证工程安全运行，对颍上闸增设计算机监控系统。

3.8.1 计算机监控系统结构

计算机监控系统采用开放式全分布系统结构，分设主控级和现地单元控制级。主控级监视、操作并重，现地单元布置在闸门启闭机旁，作为闸门控制系统的调试、现地控制和监视，也作为主控级的后备控制。主控级和现地相互闭锁，控制优先级为现地控制高于远方控制。

主控级设2台计算机兼操作员工作站，二者互为冗余热备用，作为闸门的控制中枢。

现地单元控制级共设有7套闸门现地控制单元和1套公用控制单元，分别对闸门和变配电设备进行控制和监视。上位机与下位机之间通信采用总线式以太网。另设通信服务器1台，作为与当地水文站和上级防汛调度中心通信的接口，详见图2。

图2 运行控制方式

3.8.2 计算机监控系统功能

系统主要功能有闸门的集中监控以及单独和联合运行方式控制；闸门开度、闸门荷重、上下游水位、测压管水位及流量测量显示；供配电装置的开关状态信号的采集；趋势分析和安全报警等。

闸门集中控制主要功能是完成闸门开度的集中显示、集中控制，或按给定程序自动启闭所有闸门，并能按照预定流量自动选择开启闸门的数量、控制闸门起升高度和定时保存。该系统可同时完成闸门开度的测量(测量范围为0～10 m，分辨率为1 cm)及闸门的荷重测量(测量范围为0～400 t，分辨率设置为0.1 t)。显示方式有LCD显示和每孔闸门开度、荷重的现场显示(位于现地LCU屏上)。

趋势分析和安全报警显示等功能也在这套系统内实现。LCD显示主要有：系统主画面、全闸位监控、1～26号孔闸门监控、所选闸门监控、流量显示、水位显示、故障显示、报警显示、参数设置、柴油发电机状态及低压断路器位置显示等。

对于过闸流量，每隔30 min进行1次数据采集，至少能够保存1 a内给定时间的过闸流量和全年各时段的过闸总流量。

闸门监控系统能打印出LCD显示条款中的全部内容，即能打印出当前各孔闸门开度值、荷重值、给定时间段的流量、各孔闸门故障(不到位、越限)的统计记录；同时还能打印给定时间段内的各次故障记录值及上、下游水位记录值。通过键盘或鼠标，由操作员工作站根据控制程序自动使闸门升降到设定开度值；当闸门出现故障时，给出声、光报警信号(弹出窗口)。能打印出当前各点水位值、给定时间段内各测点水位报警统计记录，同时还能打印出给定时间段内各次报警的详细记录值，详见图3。

图3 颍上闸计算机控制结构框图

软件以Windows XP为工作平台，具有灵活可靠、速度快等特点。软件编制中采用大量的多媒体手段，呈现在用户面前的为简约的界面搭配、灵活方便的操作及友好的动画示意。

3.9 视频监视系统

颍上闸增设1套视频监视系统，分为摄像、传输、显示及控制等4个主要部分。

现场摄像共由57台摄像机系统组成，其中桥头堡设置1台一体化摄像机，分别监视上游漂浮物，上、下游船只情况；在有可能危及水闸安全的时候，发报警。启闭机房设置1台一体化摄像机，用以监视启闭机房内设备运行状况。每扇闸门分别设置1台固定式摄像机，监视闸门运行情况。上、下游各设置1台一体化摄像机，监视河道、交通桥及闸门运行情况。管理区和堤防等场所另设摄像机，便于安保管理。室外摄像监控点均需考虑恶劣的现场环境，装设防雷接地装置等。

前端摄象机信号与视频网络编码器相连接，被转换成基于IP的MPEG4码流，与音频、控制信号一起通过交换机连接视频服务器，传送到IP网络中；远端监控中心经过解码器可接收图象。中心计算机可以直接控制前端摄象机，并根据不同权限对图象进行监视、查询、录象、回放和管理。

该系统与水闸计算机监控系统、广播系统、报警系统联动，可实现对水闸设备以数据、图像等综合信息的全方位监控，保障水闸安全运行；同时可加快水闸设备事故故障处理，方便水闸设备调试、维护、检修工作，减轻值班人员的劳动强度，详见图4。

图4 颍上闸视频监视结构框图

4 结 语

颍上闸除险加固工程中的电气设计决定了防洪、灌溉、除涝、水生态调控等功能是否能得到充分发挥。系统设计严格按照相关规范标准，并结合实际情况选用安全、可靠、先进的电气设备，可以提升水闸工程调度信息化水平，保障颍上县生产、生活、生态用水的需求[2]。

另外，自动化控制系统的增设，解决了颍上闸节制闸原闸门不能远程监控及实时监控等问题，有效提高了水闸的运行管理效率，实现了闸门的现地及远程自动控制功能。系统投入运用后，稳定、可靠，实时性表现良好，满足水闸安全运行以及“无人值班”(少人值守)的需求，对以后类似工程的闸门控制与信息处理自动化工程建设具有重要的推广价值。